1 引言

用太阳能解决家用热水是目前最有前景的、最有效可行的途径。太阳能光热应用市场有很大的发展希望，除家庭用热水外，还可用于工业热水、农业种植、水产养殖、采暖、空调、干燥、海水淡化等领域^[1]。随着当今电子技术的飞速发展，利用新技术改造原有的电气控制系统以提高系统的可靠性和实现自动控制，增加太阳能热水器的稳定性。可编程控制器由于有很多可以选择进行使用的时间继电器和中间继电器，而且可数次重复使用其常开常闭触点，因此PLC的突出特点之一就是可以有效提高系统编程的可靠性。

到目前为止，现在国内大部分太阳能热水器往往需要大量的时间继电器和中间继电器，来满足水箱控制部分的相关工艺要求，结果使得电路设计又复杂又繁琐，问题频发，给日常使用和热水器维护带来了很大的不便。太阳能热水器是最商业化和最常用的太阳能热利用技术之一。本文使用西门子S7-200型号PLC设计了太阳能热水器自动上水控制系统，实现太阳能热水器系统高度自动化，使其满足现实生活中各种控制需要，减少了人工的控制，并提高了系统的可靠性能。

2 系统分析

2.1 水箱上水统要求

太阳能水箱自动上水控制装置如图1所示。

(1)太阳能水箱自动上水的工作方式：当水池中液位低于下限液位开关S₁时，S₁处于ON状态，电磁阀打开，并开始往水池里注水，经过4s后，若水池中液位没有超过水池下限液位开关时，系统将发出报警信号，若系统处于正常状态，则水池下限液位开关S₁处于OFF状态，表明此时的水位高于下限水位。当水池中液位高于上限水位时，S₂处于ON状态，电磁阀关闭。

(2)当太阳能水箱水位低于太阳能水箱下限水位时，则太阳能水箱下限水位开关S₃处于ON状态，此时水泵开始工作，并向太阳能水箱进行供水；当太阳能水箱水位高于太阳能水箱下限水位时，下限水位开关S₃为OFF时。而当太阳能水箱上限水位开关S₄为OFF时，则表明太阳能水箱液面已经高于太阳能水箱上限水位，水泵停止工作。

(3)当太阳能水箱水位和水池水位同时低于其下限水位时，水泵不能启动。

2.2 控制单元功能设计

(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动机；在化工、橡胶、纺织、造纸等行业中有时要求具有软机械特性和较宽调速范围的电机，电机输出轴的转速随负载增加而降低，进而增加输出力矩，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^[2]。由于太阳能热水器是一种连续运行，负载稳定，没特殊要求的起动制动，考虑到各个方面，本系统微型电机选用Y系列三相异步电动机。这种电机的电压为220V，频率为50Hz，功率为10w。

(2)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卫浴洁具，应用范围广泛，交直流3-220V均可属于工作电压，性能稳定，完全性较高。

(3)发光指示灯的选择。指示灯选用TLL0501－HMC型指示灯。该指示灯质量可靠且为两色二极管指示灯，当机器运行时，指示灯显示绿色，机器通电不运行时，指示灯则显示红色。

(4)水箱的选用。水箱包括循环水箱和补给水箱，水箱是热水器的重要组成部分。循环水箱与集热器上下水管连接，用于供热水循环。而补给水箱只与循环水箱相连，当循环水箱水位较低时，用于冷水补给。

(5)传感器的选型。根据设计目的，将测得的水位信号传输至单片机，单片机内的计算机将比较实测的水位信号和初始设定的信号，计算偏差，然后根据计算偏差的性质，向电磁阀发出“开”或“关”的指令，以保证达到设定水位；除此之外还需控制水位。综合考虑之后选择液位传感器。

2.3 I/O接口分配

    太阳能水箱水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表如表1所示。

表1太阳能水箱水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表

3 PLC编程设计

3.1 上水工作流程解析

初始化设定太阳能水箱和水池状态都为空，4个液位指示灯全灭。程序执行过程中，当扫描到水池液位低于水池下限液位时，水阀打开，水池中开始进水；如果进水超过4秒后水池液位还没有超过水池下限位，则说明系统出现故障，系统将会自行报警，水池报警灯A₂点亮；如果进水4秒之后水池液位按照预定超过水池下限位，则说明系统处于正常状态，水池下限位的指示灯A₁点亮。由于此时的水池液位已经越过下限位，系统检测到太阳能水箱液位低于太阳能水箱水位下限位的信号，命令水泵开始工作，即向太阳能水箱开始供水；如果进水时间超过4秒后太阳能水箱液位没有越过水池下限位，则说明系统出现故障，系统将会自行报警，太阳能水箱报警灯A₅点亮。此外，当水池中液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A₃点亮，水阀就关闭。但是太阳能水箱现在还没有装满，可此时太阳能水箱液位已经超过太阳能水箱下限水位，则太阳能水箱下限指示灯A₄点亮，水泵继续工作，从水池中抽水向太阳能水箱供水，太阳能水箱抽满时，太阳能水箱液位超过太阳能水箱上限，太阳能水箱上限指示灯A₆点亮。但由于给太阳能水箱供水时水泵已抽走水池中的水，此时水池液位已经低于水池上限，故水池上限指示灯A₃灭^[3]。这样即完成太阳能水箱供水的一个循环周期。

3.2 PLC程序流程图  

本系统根据水池水位和水箱水位的实时反馈信号对水泵进行控制，并再通过传感器的水位测量和计算机的计算偏差决定结束时间。据此控制要求，总体设计并绘制太阳能水箱自动上水控制系统的PLC控制流程图，如图2所示。

这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从存放在0000号存储地址的第一条用户程序开始，在无任何中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序依次扫描用户程序，即按顺序逐条执行用户程序，直到该程序结束。程序每扫描完一次就构成一个扫描周期，完成一个周期后再从头开始扫描，并按周期开始不断循环^[4]。

3.3 PLC梯形图设计

太阳能水箱水位控制系统梯形图^[5]如图3所示。

4 结束语

针对太阳能水箱自动上水的控制要求，设计了PLC自动控制系统的软硬件，并根据预定的工作过程绘制了主流程图和控制梯形图。经过对系统运行程序的调试，实现了太阳能热水器的自动上水，同时也能对太阳能热水器进行人工控制。提高了系统的可靠性和经济效益，达到了设计目标，方便了人们的生活。

参考文献

[1]姚伟.太阳能利用与可持续发展[J].中国能源,2005,27(2):46-47.

[2]张永正,袁鹏.太阳能热水器控制系统设计[J].科技世界，2012,(23)：240.

[3]王强,韩斌,邱书波.基于西门子PLC的太阳能热水器控制系统[J].山东轻工业学院学报,2011,(02):82-85.

[4]李长军.西门子S7-200PLC[M].北京:机械工业出版社,2014:10-13,26-32.

[5]沈兆振.农村太阳能热水器自动上水装置的设计[J].装备制造技术,2016,(12):151-152.

作者简介

李国珊 （1993-） 女 研究生 研究方向：汽车设计与制造方向