第三章 热水器控制系统的设计方案
太阳能本身是一个不断变化、而影响其变化的因素又较多、极其复杂的非线性变量，太阳热水系统工程是一个非线性系统，很难建立精确的数学模型，因此采用传统的控制方法难以得到较佳的控制效果。而模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。太阳能热水器控制器采用PID控制算法，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。通过调整PID控制器的参数，一般都能得到比较满意的控制效果。
3.1系统硬件的设计方案
根据控制系统要求 ,首先确定 PLC 的控制规模 ,估算出所需要的I/O点数 (数字输入/输出量、模拟输入/输出量) ,再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能，保证系统投入运行后能够替换个别故障点或弥补遗漏的点数。统计出I/O总点数后即可以确定 PLC 的控制规模 从而确定存储器(用于存储用户程序和数据)的容量。存储器容量除了根据PLC 的控制规模确定。也可以按照如下方法计算，再增加25%～30 %的备用量，以便随时增加用户程序。
一种方法是根据编程实际使用的节点数计算，即编完程序之后，根据节点数计算出实际使用容量。另一种方法是估算法，只有开关量时，所需内存总数=开关量(输入/输出)总数×10；只有模拟量输入时,所需内存总数=模拟量路数×120在模拟量输入、输出同时存在时，所需内存总数=模拟量路数×250；同时,应考虑PLC提供的内部继电器和寄存器的数量,以便节省资源[14]。 3.1.1 PLC的选型
因为本系统是对开关量控制的应用系统,并对控制速度要求不高,选用核心部件为三菱公司的FX_2n-32MR-ES/UL系列32点编程控制器,该编程控制器具有自诊断功能,采用循环扫描工作方式,这完全能满足要求。FX_2n-32MR-ES/U属微型编程控制器、输入输出控制方式为循环扫描方式、编程语言为梯形图语言、32点的编程控制器具有16点输入,16点输出。考虑到该PLC所需的输入、输出点数及类型，选用三菱FX_2n-32MR-ES/UL可编程控制器作为该系统的核心，它含有16个输入点（漏型）和16个输出点（继电器型），足够设计所用[15]。
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①FX_2n-32MR-ES/UL简介
FX_2n-32MR-ES/UL属于FX2N系列PLC，FX2N系列PLC是FX系列中高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。
②FX_2n-32MR-ES/UL的特点
FX_2n-32MR-ES/UL属于FX2N系列PLC，FX2N系列PLC是FX系列中最高级的模块。它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点，FX2N是从16到256路输入、输出的多种应用的选择方案。 3.1.2 PLC硬件控制框图
上位机采用PC机，下位机选用日本三菱公司的FX2n系列的32点可编程控制器，实现对太阳能热水器的控制，完成太阳能热水器的温度、液位等控制功能。为提高系统的安全性，需要有报警点输入并且用声光信号显示故障类型，同时发出警报提醒值班人员及时处理事故。当故障出现时，故障指示灯闪烁且报警电铃响起，操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁，直到故障消除，故障指示灯才停止闪烁。系统控制框图如图3—1。
图3—1 系统控制框图 3.1.3 各单元功能作用介绍
1、电机类型的选择
电机类型选择的原则如下：对于有特定要求的工作机械，应优先选择专用电机。如可工作于高湿度，有盐雾、霉菌、凝露等环境的船用电动机；有较高的效率及节能指标的纺织电动机；有作为激振动力源，如用于粮食加工机械或振动筛、振动输送机的振动异步电
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动机；在化工、橡胶、纺织、造纸等工业中有时要求软机械特性和宽调速范围的电动机，当负载增加时电动机的出轴转速随之降低而输出力矩增加，保持与负载平衡，并允许较长时间堵转的三相力矩电动机等。
对于一般生产机械，在满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维护方便的电动机。从一般要求看，交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。
对于连续运行，负载平稳，对起动制动没有特殊要求的生产机械，应优先采用普通鼠笼异步电动机，它广泛用于各种机床、水泵和风机等。大中功率的空压机和皮带输送机等生产机械要求有较大的起动转矩，应采用深槽式或双鼠笼式异步电动机[17]。
由于太阳能热水器属于连续运行，负载平稳，对起动制动没特殊要求，综合各方面考虑，本系统微型电机选用Y系列三相异步电动机。电压为220V。频率为50HZ。功率为10w。
2、交流接触器的选择
本系统选用正泰公司生产的CJX1系列交流接触器，该接触器为双断点触头的直动式运动结构，动作机构灵活，手动检察方便，结构紧凑。触头，磁系统采用封闭结构，能提高寿命。接线端均有防护罩覆盖，使用安全可靠。安装可用螺钉紧固，也可扣装在35毫米的安装轨上，装卸方便。
CJX1系列交流接触器适用于交流50Hz（或60Hz），额定电压至660V，在AC-3使用类别下工作电压为380V，供远距离和分断电路及频繁起动和控制交流电动机，并可与适合的热继电器组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷电路。
3、热继电器的选择
本系统所用的热继电器为正泰公司生产的NR4(JRS2)系列，NR4(JRS2)系列热过载继电器适用于交流50Hz/60Hz、额定电压690V、1000V，电流0.1-180A的长期工作或间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。该热继电器具有断相保护、温度补偿、动作指示、自动与手动复位，该产品动作可靠。另外，该产品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等标准，可靠性较高。该热继电器可与CJX1系列交流接触器接插安装，其实物图如图3－2示[18]。
图3－2 NR4(JRS2)系列热过载继电器
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4、电磁阀的选择
电磁阀选用SSFK-C024型电磁阀，原产地: 浙江宋氏阀控，该产品主要用于太阳能热水器等洁具类，工作电压适用范围广、交直流3-220V，使用可靠，完全可以达到使用要求，供水阀、排水阀、除尘阀实物图分别如图所示。
图3－3 供水阀 图3－4 排水阀 图3－5 除尘阀
5、发光指示灯的选择
指示灯选用两色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯显示红色，要求指示灯质量可靠，根据要求，选用TLL0501－HMC型指示灯。
6、隔离变压器的选择
本生产线选用BK－100型号隔离变压器，该隔离变压器变比1：1，电压220V AC。 7、水箱的选择
水箱的选用要根据情况来确定。水箱是热水器重要组成部分。它包括循环水箱和补给水箱，循环水箱与集热器上下水管相连，供热水循环之用。补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱水位低时，以补给冷水之用。
1）循环水箱
循环水箱容量大小是根据热水器装置日产热水量而定。为了便于加工提高经济性和通用性，循环水箱已标准化。目前循环水箱以容积分为500升和1000升二种，外形均为方形。容积500升的水箱外形尺寸为: 778 X 778 X 880毫米。容积1000升的水箱外形尺寸为:8 X 928 X 1300毫米。
循环水箱的上部均装有涨水管及透气孔，其位置稍高于水位。溢水管和透气孔制成一体，它的作用是保持最高水位平面，同时让水中空气由此处排出，避免带入管道系统，以致造成气阻损失。循环水箱的下部均装有冷水进水挡板。这样冷水进入循环水箱时，通过挡板使之扩散流入不致将箱内上部热水搅混。500升与1000升循环水箱，结构基本相同，后者增加一些肋条和拉条，以增强水箱的强度和则度。
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2）补给水箱
补给水箱是供给冷水的水箱。自来水不是直接进入循环。水箱，而是通过补给水箱来补给。这样做的优点是可使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。补给水箱不宜太大，宜狭而长。补给水箱内需安装浮球，以保持最高水位。通用设计中最常用的一种补给水箱结构。它的外形为350 X830 X 400毫米，其长度是高度的2倍多。
8、传感器的选型
通过各种高性能传感器对气候环境进行测量及数据采集，并将测量结果通过接口送至PLC中，PLC根据控制要求对整个太阳能热水器进行综合控制。由于系统对环境的采样值都是传感器输出的模拟信号，而且传感器与PLC的距离也比较远，所以在传感器的选择上都采用了4--20mA电流输出型，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。温度误差可以在电路上或软件上采取补偿措施，不同的补偿方法，其整体温度系数差异较大，但仍与元件本身的温度特性有关，一般将敏感元件和电路的温度系数合在一起考虑。一般的温度传感器基点漂移较其它的气象传感器都要显著，热敏电阻属于吸附元件，在测量过程中必然会受到污染，由污染引起的测量基点漂移，只能用重新检定的方法加以修正解决。若污染严重，基点漂移量过大，又不能再生，只能将传感器作报废处理[19]。
温度传感器技术指标:
1）温度范围：-0℃~70℃(可根据用户要求扩展) 2）湿度范围：10%/RH--99%RH 3）电源： AV220V士10%
4）温度误差：一般士0.2℃、最大士0.5℃ 5）数据分辨率：0.1 6）数据更新周期：约1秒 7）数据线：3类双绞线 8）数据传输距离 小于1200m 根据硬件的选择情况，绘制表3－1
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