基于PLC的太阳能光热系统设计与控制

摘要

能源和环境危机是我们人类在这个世纪所要面临和解决的一个重要问题。随着人们生活水平的提高，冬天的供热和夏天的空调是成为不可少，而无论是供热还是空调都涉及到能源消耗和环境污染问题。人们正在寻求高效的，而又不对环境造成影响的一种供热和空调方式。热泵作为一种绿色能源，正好以其节能、清洁无污染而符合了这一要求，从而在近些年得到了迅速的发展。把热泵技术与太阳能热利用技术结合可提高太阳能集热器效率和热泵的系统性能，同时解决全天候供热问题。因此，研究开发太阳能热泵正日益受到重视。本课题首先从热泵和太阳能集热器的理论出发，提出了太阳能功能PLC系统的方案。在理论分析的基础上设计了太阳能热泵循环供暖系统。

关键词：可编程控制器； 热泵； 太阳能供暖；

1

Abstract

Energy and environmental crisis is an important issue of our humanity in this century to be faced and solved.With the improvement of people's living standard, winter heating and summer air-conditioning is to become a must, regardless of heating or air conditioning fighting related to energy consumption and environmental pollution problems. People are looking for efficient, without the environmental impacts of a heating and air conditioning. Heat pump as a green energy, just for its energy efficiency, clean pollution-free and in line with this requirement, which has been a rapid development in recent years. Heat pump technology and solar thermal technology can improve the efficiency of solar collectors and heat pump system performance, while addressing the all-weather heating problems. Therefore, the research and development of solar heat pump is more and more attention. This topic first departure from the theory of heat pumps and solar collectors, the solar features of the PLC system program. Solar heat pump heating system is designed on the basis of theoretical analysis.

Keyword: Solar energy, programmable controller, touch screen

2

目 录

摘要 .............................................................................................................................................. 1 目 录 .......................................................................................................................................... 3 第一章 绪论 ........................................................................................................................... 4 1.1太阳能热泵供暖系统的现状 ............................................................................................. 4 1.2太阳能工程的研究目的及意义 ......................................................................................... 5 1.3本课题的研究内容 ............................................................................................................. 5 第二章 可编程控制器概述 ................................................................................................... 7 2.1 PLC的定义 .......................................................................................................................... 7 2.2 PLC的基本组成 .................................................................................................................. 7 2.3 PLC的功能与特点 .............................................................................................................. 9 2.4 PLC控制系统的优点 ........................................................................................................ 10 2.4 PLC控制系统的工作原理 ................................................................................................ 12 第三章 系统总体设计 ......................................................................................................... 13 3.1 系统总体设计 .................................................................................................................. 13 第四章 系统硬件设计 ......................................................................................................... 14 4.1 控制系统方案选择 .......................................................................................................... 14 4.2 PLC型号选择 .................................................................................................................... 16 4.3 温度传感器选型 .............................................................................................................. 17 4.4 系统强弱电解决方案 ...................................................................................................... 18 4.5 PLC控制部分硬件设计 .................................................................................................... 19

4.5.1 PLC控制系统外部数字量模块接线图 .......................................................... 19 4.5.2 PLC控制系统外部模拟量模块接线图 .......................................................... 20 4.5.3 输入/输出接口（I/O）功能量 ...................................................................... 20 第五章 系统软件设计 ......................................................................................................... 23 5.1 系统软件流程图设计 ...................................................................................................... 23 5.2 MCGS仿真界面设计软件 ................................................................................................ 24 5.3 MCGS仿真界面的设计 .................................................................................................... 26 5.4 PLC程序设计软件 ............................................................................................................ 28 5.4 PLC程序设计 .................................................................................................................... 30 5.5 仿真程序及仿真界面的调试 .......................................................................................... 40 第六章 总结与展望 ............................................................................................................. 50 致谢 ............................................................................................................................................ 51 参考文献..................................................................................................................................... 52

3

第一章 绪论

1.1太阳能热泵供暖系统的现状

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气储量的日益减少，能源危机也日益严重，与此同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题也提到了人类的面前。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池），因而尚未被人们大规模的使用[1]。在太阳能利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎[2]。

我国太阳能热水器产业发展迅速，目前已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，但与太阳能热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段，尤其是与太阳能热水器系统匹配的控制器，至今尚未检索到相关报道。近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作，温度、水位检测、控制误差大，显示器有时出现乱码，与辅助加热装置不能很好配合，太阳能利用率较低等问题，影响了用户的使用。更有甚者，有些控制器质量较差，经常发生故障，给用户带来诸多不便，严重影响了用户的使用，从而影响到太阳能热水器的销售。太阳能热水器，尤其是太阳能热水系统及其控制器有着广阔的发展前景，现在有的技术研究和产品开发投入较少。因此，在太阳能热水器，太阳能热水系统的测量控制方面，应引起足够重视，加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的测控产品[3]。

目前市场上比较多的还是家用式太阳能，但是这种太阳能不存在自动控制系统，启动慢，设备安装受限制，只能适用于对水温和季节要求不高的用户。有的控制器配有电加热辅助装置，但都不是全智能的，给用户使用带来许多不便。目前大部分太阳能热水器控制部分，往往需要大量的中间继电器和时间时间继电器来满足生产工艺要求，结果是电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不方便。然而现在市场上热水器自动控制中大多采用单片机控制，单片机开发价格较高，而PLC开发价格便宜。选用PLC控制，它具有编程简单方便，可以在现场修改程序，硬件维护与检修简单，可靠性高的特点。并且

4