基于S7-200PLC及人机界面太阳能热水器控制系统的设计与仿真
摘 要
现在大多数城市的居民都使用太阳能热水器，相当数量的人在农村使用太阳能热水器。太阳能热水器技术相对成熟，成本相对较低。同时，太阳能热水器因其为人们提供绝对安全的热水而倍受欢迎，并且具有节能，环保，安全，方便，长期等优势。
本设计阐述了可编程控制器（PLC）在太阳能热水器控制系统中的应用，重点介绍了系统硬件配置和软件设计过程。指出PLC设计的关键是要满足基本的控制功能，并考虑维护的方便性，系统的可扩展性等。本设计利用西门子S7-200 PLC对太阳能热水器自动控制系统进行I / O分配和PLC选型。准备好PLC程序梯形图和接线图，实现自动排水，自动循环，自动加热和PID闭环。恒温水控制，手动和自动模式切换等功能。在此基础上，采用S7-200仿真软件对系统进行仿真。人机界面配置了WinCC flexible软件，PLC与触摸屏之间的通讯连接采用MPI通讯协议实现。
全文共分四章：第一章介绍了太阳能热水器的发展背景和设计意义。第二章介绍了太阳能热水器的工作原理。第三章介绍硬件选择和系统流程。第四章介绍系统程序。编程，系统仿真，人机界面（WinCC Flexible）组态过程。
关键词：太阳能热水器；PLC；自动控制系统
Abstract
Most urban dwellers now use solar water heaters, and a considerable number of people use solar water heaters in rural areas. Solar water heater technology is relatively mature, the cost is relatively low. At the same time, solar water heaters for the people to provide absolute safety of hot water and popular, and has energy-saving, environmental protection, security, convenience, long-term advantages.
This design elaborated the programmable controller (PLC) in the Solar water heater control system application, emphatically introduced the system hardware configuration and the software design process. It is pointed out that the key of PLC design is to satisfy the basic control functions, and to consider the convenience of maintenance and the expansibility of the system. This design utilizes the Siemens S7-200 PLC to carry out I/O allocation and the PLC selection for the solar water heater automatic control system. Prepare the PLC program ladder diagram and wiring diagram, realize automatic drainage, automatic circulation, automatic heating and PID closed loop. Thermostatic water Control, manual and automatic mode switching functions. On this basis, s7-200 simulation software is used to simulate the system. The Man-machine interface is equipped with WINCC flexible software, the communication connection between PLC and touch screen is realized by MPI communication protocol.
The full text is divided into four chapters: the first chapter introduces the development background and design significance of solar water heaters. The second chapter introduces the working principle of solar water heater. Chapter three introduces hardware selection and system flow. The fourth chapter introduces system program. Programming, System simulation, Man-machine interface (WinCC flexible) configuration process.
Keywords：Solar water heater； PLC；Automatic control system
目录
第一章 序言 1
1.1课题研究的背景 1
1.2国内外研究现象 2
1.3太阳能热水器市场分析 3
1.4本设计特点及主要内容 4
第二章 太阳能热水器的组成及工作原理 5
2.1太阳能热水器的基本结构 5
2.2太阳能热水器的工作原理 7
2.3本设计要实现的功能 9
第三章 太阳能热水器硬件的选型和设计 11
3.1 PLC的工作原理 11
3.2 硬件设备的选型 12
3.2.1PLC的选型、 12
3.2.2其他硬件的选型 14
3.3太阳能热水器的整体设计 16
3.3.1PID闭环控制 16
3.3.2PLC与外部设备连接方案 18
3.3.3供水工艺流程设计 20
第四章 系统软件框架的构建与程序梯形图 21
4.1系统的I/O地址及相关的软元件功能设置 21
4.2系统的程序流程图 23
4.3设计控制系统的梯形图程序 25
4.4系统仿真 32
4.5组态人机界面 41
第五章 结论 43
参考文献 44
毕业设计附录目录 45
第一章 序言
1.1课题研究的背景
太阳能作为一种可再生能源，其利用的基本方式可分为光热利用，光能利用，光化学利用和光生物利用。如：太阳能热水器，热水器，烘干机，太阳能炊具，太阳能温室，太阳能房屋，太阳能海水淡化装置以及太阳能供热和制冷机。太阳能光伏发电比太阳能发电具有更高的太阳能转换效率，但其应用尚未普及。在光热转换中，太阳能热水器的应用是应用最广泛，最成熟经济的。
世界能源问题已成为一个普遍问题。是否具有能源，他们的储量又有多少，这些都和国家安全密切相关。任何一个拥有着强大能源的国家，国家的经济状况，军事实力，外交话语权等综合实力都不会弱。就譬如我们熟知的迪拜。但是现如今传统的能源接近枯竭，所以说太阳能的应用前景渐渐扩大。众所周知，太阳能是无污染的巨大能源的不竭来源。目前，我们能使用的煤油和天然气都在与日俱减。并且，环境的污染也破坏着生态平衡。太阳能的开发利用主题也在人类面前提及。不久的将来，太阳能一定是我们生活中占有比例最多的能源之一。但关于太阳能技术的部分难点到现在还没有解决，这些产品的造价高昂，所以，至今为止还没有被我们大范围使用。
太阳能热水器技术相对成熟，成本相对较低。同时，它们很受欢迎，因为它们为人们提供绝对安全的热水。它们也是节能，环保，安全，方便和持久的。所以应用前景很广。特别是在乡村地区，数据表明，农村人口占华夏人口的大部分，但是仍然有大约2万个农村，超过3000万人没有享受到电力产生的便捷。大约还有60％的乡村人民做菜烧水用的是劈柴烧秸秆。不仅造成大气污染，而且严重破坏植被环境。太阳能没有污染，没有交通，没有垄断，也是是最有前途。所以说，在乡镇中多使用太阳能技术，不仅可以改善农村的环境，促进绿化工程的实施，而且还可以避免大量能源消耗的现象。
一、选题简介、意义
随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力发展太阳能产业。
太阳能具有：①储量的“无限性。②太阳能对于地球上的绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。③开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。
在世界范围内，太阳能热水器技术已经很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断的冲击电热水器市场和燃气热水器市场。
目前，中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国总和。但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却一直处于研究和开发阶段。目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题, 很多控制器只具有温度和水位显示功能, 不具有温度控制功能，即使热水器具有辅助加热功能, 也可能由于加热时间不能控制而产生过烧, 从而浪费电能[4]。
本课题设计的太阳能热水器控制系统以西门子S7-200PLC进行了太阳能热水器自动控制系统的I/O分配和PLC选型实现了自动上水排水、自动循环、自动加热、PID闭环控制恒温出水、手动与自动模式切换等功能。
控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置(电加热器)使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度, 从而达到24小时供应热水的目的。控制器和以往显示仪相比具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点, 对提高我国太阳能应用领域控制水平, 具有可观的经济效益和社会效益。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
太阳能热水器控制系统的总体设计
本课题设计的基于西门子S7-200PLC的太阳能热水器在软件程序的控制下完成时间、温度和水位的实时显示功能，并能完成时间设定、温度设定等功能，具体实现的功能目标为：
1) 掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；
2) 太阳能热水器水位的检测和显示；
3) 太阳能热水器温度的检测和显示；
4) 太阳能热水器水温的设定和时间的控制；
5) 报警；
研究方法和研究手段:
由于本课题涉及的知识比较多，所以在课题的制作过程中需要用以下方 法和手段： （1）查阅资料。到图书馆借阅与课题相关的书，熟悉课题的研究意义及 原理，为课题的研究打下一个良好的基础。 （2）硬件设计及调试。在熟悉原理的基础上， 进行硬件调试。 （3）软件调试。在硬件原理调试完成后，进行系统整体功能调试，即整 机调试。 （4）实践操作。在硬件软件调试完后，进行实践操作.
预期成果及其可能的创新点
预期成果：
顺利完成硬件设计和软件设计，并模拟仿真。
可能的创新点：在现有的太阳能热水器控制系统的基础上加以优化，并降低控制系统的成本，更好的达到节能减排的效果，符合当今社会对新能源的开发利用及对环境保护政策的要求。
参考文献
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