1、基于PLC的太陽能光電互補采暖控制系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)珊珊，張?zhí)扉_，孫吉磊，張永勇青島理工大學(xué) 自動化工程學(xué)院摘要：隨著社會的進步和發(fā)展，全球能源危機日益嚴(yán)重，科學(xué)用能是解決能源危機的重要手段。本文介紹了可編程控制器為核心的自動控制系統(tǒng)，將太陽能和電熱能優(yōu)化組合，形成高效能源控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：太陽能，可編程控制器，節(jié)能Design of solar energy and electric energy complementary heating control system based on PLCGuan Shan-shan，Zhang Tian-kai，Sun Ji-lei，Zhang Yong-

2、yongQingdao Technological University College of Automation EngineeringAbstract：With the development of society, the global energy crisis is growing. The scientific use of energy can be an important means to solve the energy crisis. This paper introduces that solar energy and electric energy are opti

3、mally combined and an automatic control system with PLC as the core is designed. It forms a highly efficient energy control system. Key words：solar energy, PLC, energy saving中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：B引言能源是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件。進入2l世紀(jì)以來，能源供應(yīng)的緊張對各國的經(jīng)濟發(fā)展和社會生活產(chǎn)生的巨大沖擊，全世界都充分認識到節(jié)約能源的重要性。科學(xué)用能是解決能源危機的重要手段，也是符合我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重

4、要原則之一?？茖W(xué)用能以節(jié)約為目的，高效，清潔為用能核心。選擇存儲量大，可再生，清潔的能源，配以先進穩(wěn)定可靠的控制手段，形成高效能源控制系統(tǒng)，最大程度的利用能源。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。1.方案提出本系統(tǒng)用于我市某學(xué)校新能源采暖供熱系統(tǒng)的控制?？偛膳ㄖ娣e13400，本期采暖建筑面積12000，分為教學(xué)樓區(qū)、辦公樓區(qū)、宿舍區(qū)、食堂餐廳區(qū)。該系統(tǒng)是太陽能為第一熱源，太陽能集熱板的有效集熱，通過介質(zhì)循環(huán)把熱量轉(zhuǎn)換到集熱水箱，然后，通過循環(huán)泵給末端提供熱源實現(xiàn)

5、供熱。第二熱源是輔助電加熱機組，是在前者工作效率低下（一般是在天氣陰雨、雪沒有太陽或者是夜間的時候）的情況下開始啟動，輔助太陽能來滿足系統(tǒng)所需要的溫度。以往采用單片機控制方式，客服控制系統(tǒng)，電氣線路復(fù)雜，可靠性不高，且人工操作復(fù)雜。設(shè)計開發(fā)PLC、泵組、電加熱器及溫度傳感器等組成的智能控制系統(tǒng)，PLC通過分析傳送信號，輸出信號來控制泵組以及電加熱器的運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)全面智能控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡單，提高運行可靠性，最佳可再生資源匹配，減少電力能源的消耗。2.控制系統(tǒng)的功能設(shè)計2.1模式說明：兩種操作模式確保系統(tǒng)連續(xù)運行：一是全自動運行模式；二是半自動運行模式。正常情況下，系統(tǒng)全自動運行

6、；當(dāng)一些特殊情況出現(xiàn)（如天氣異常，用戶有特殊要求）或傳感器等輸入部件出現(xiàn)故障時，可轉(zhuǎn)入半自動(手動)模式，確保熱水連續(xù)供應(yīng)。2.2控制說明：當(dāng)太陽能熱水溫度>50時控制器啟動水泵，水進入集熱器交換熱量，并將集熱器的熱水壓入水箱，水箱上部水溫高、底部水溫低，底部冷水再進入集熱器加熱，構(gòu)成一個循環(huán)。當(dāng)太陽能熱水溫度<40時水泵停止工作。當(dāng)儲熱水箱的供水水溫>45時，可開啟循環(huán)。當(dāng)陰雨雪天或夜間太陽能供熱不足時，恒溫電熱采暖器自動開啟恒溫電補加熱，循環(huán)水缺1電補加熱1，保持系統(tǒng)設(shè)置的循環(huán)水溫。當(dāng)室溫恒溫達到時，太陽能可利用，則太陽能集熱器的熱量積儲在儲熱水箱中。當(dāng)室溫恒溫下降時，太

7、陽能可利用，則太陽能集熱器的熱量通過換熱器轉(zhuǎn)換到地?zé)岜P管中。當(dāng)室溫不需要采暖時，太陽能可利用，則太陽能集熱器的熱量需要釋放到空氣當(dāng)中。2.3保護說明：溫度安全保護包括過熱保護項目和低溫保護項目。過熱保護項目有加熱體過熱保護、導(dǎo)線過熱保護和本機過熱保護。低溫保護項目為低溫強行啟動保護。3.控制系統(tǒng)設(shè)計3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件由PLC主機、輸入輸出模塊、傳感器及執(zhí)行器等部件組成，將各種輸入信號通過數(shù)據(jù)總線直接接到計算機輸入端口，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制管理功能?？梢约性诳刂剖覍崟r反映各個系統(tǒng)設(shè)備的運行情況，查詢運行參數(shù)和診斷系統(tǒng)故障。目前，PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全

8、的各種硬件裝置供用戶選用。在全世界上百個PLC制造廠中，比較著名的主要有德國的西門子公司，美國Rockwell自動化公司所屬的A-B公司，GE-Fanuc公司，法國的施耐德公司，日本的三菱公司和歐姆龍（OMRON）公司。采用西門子公司的S7-200。S7-200是一種小型PLC，采用整體式結(jié)構(gòu)，體積小，價格便宜，編程方便。并且還配備有許多專用的特殊功能模塊，使PLC的功能得到擴展。在該系統(tǒng)中控制方案比較簡單，用到的輸入輸出點數(shù)不多，考慮到價格，成本等因素，用西門子的S7-200就完全可以實現(xiàn)這些功能。西門子s7200PLC用CPU224XP型作控制器構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)，有集溫度采集和數(shù)據(jù)處理于一

9、身的專用熱電偶模塊EM231，它是一種智能轉(zhuǎn)換模塊，集成有l(wèi)6位AD轉(zhuǎn)換器，l5位數(shù)據(jù)位加1位符號位，分辨率達01。模塊具有自動線性化處理，冷端補償功能，不再需要任何外部變送器或外部電路，一個模塊就能完成全部數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理功能。EM231模塊可以同時接4個熱電偶傳感器，輸入4路溫度數(shù)據(jù)，可以用于多路溫度的采集。分別檢測溫度T1（太陽能熱水溫度），T2（采暖換熱水溫度），T3（采暖循環(huán)供水溫度），T4（采暖循環(huán)回水溫度）。下圖為系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖：CPU224XP熱電偶模塊EM231開關(guān)量輸入/輸出模塊狀態(tài)輸入狀態(tài)輸出水泵組電磁閥內(nèi)外部配電圖1：系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖Fig1: system

10、 structure of hardware design 3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計：軟件程序的編寫采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、恒溫控制子程序、硬件中斷子程序等。下圖為系統(tǒng)控制過程流程圖：NYYY系統(tǒng)上電模式選擇自動模式電手動模式電是否啟動太陽能換熱水泵是否啟動采暖換熱出水溫度達到設(shè)置？關(guān)閉一只加熱管開啟一只加熱管N啟動采暖循環(huán)水泵N結(jié)束圖2：控制過程流程圖Fig2: control flow chart下面就各模塊的程序設(shè)計作簡要說明。模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換與處理 熱電偶采集到溫度數(shù)據(jù)為毫伏級的微弱電信號，要通過變送器將其進行放大、冷端補償、線性化等處理，變成通用AD轉(zhuǎn)換模塊要求的規(guī)范的

11、05V模擬電信號，該溫度信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，變成PLC能夠接收和處理的數(shù)字信號。信號是032000數(shù)字信號，為了方便以后程序的編程，需要將這種數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為0100的數(shù)字信號。太陽能換熱泵控制子系統(tǒng)由T1檢測的太陽能熱水溫度經(jīng)PLC與選定的換熱溫度反復(fù)比較，當(dāng)T1=選定的換熱溫度+5時系統(tǒng)啟動太陽能換熱水泵，使太陽能熱水交換到水箱。水泵由繼電器、熔斷器控制。當(dāng)T1檢測的溫度相當(dāng)于換熱水溫=選定的換熱水溫-10時，即：回水溫度下降應(yīng)停止換熱。采暖換熱泵控制子系統(tǒng)由T2檢測的太陽能儲能水箱水溫經(jīng)PLC與選定的采暖換熱水溫比較，達到選定的換熱水溫時具備啟動水泵循環(huán)換熱的條件，待命，即：根據(jù)機組指令決定

12、是否啟動采暖換熱。當(dāng)T2溫度低于所選擇的運行水溫時將停止水泵運行退出換熱操作。采暖循環(huán)水泵控制子系統(tǒng)當(dāng)儲能水箱溫度T2大于采暖換熱溫度同時儲能水箱溫度T2大于采暖供水溫度選擇、在運行狀態(tài)時才能啟動采暖換熱水泵，使儲能水箱的水交換為采暖熱水參與采暖循環(huán)。否則只啟動采暖循環(huán)水泵。電補控制子系統(tǒng)當(dāng)儲能水箱的水溫低于所設(shè)置的采暖循環(huán)水溫要求時啟動電補。出水溫度控制目標(biāo)是恒溫±1。根據(jù)設(shè)置的出水溫度與實際檢測的出水溫度的1溫差由PLC調(diào)節(jié)加熱管的支數(shù)實現(xiàn)恒溫控制。當(dāng)出水溫度達到設(shè)置的出水溫度時關(guān)閉1支加熱管，繼續(xù)上升每1則再關(guān)閉1支加熱管，最終達到恒溫控制要求。溫度安全保護子系統(tǒng)（1）溫度安全

13、保護包括過熱保護項目和低溫保護項目。過熱保護項目有加熱體過熱保護、導(dǎo)線過熱保護和本機過熱保護。低溫保護項目為低溫強行啟動保護。（2）加熱體過熱、導(dǎo)線過熱、本機過熱、出水過熱保護采用相應(yīng)溫度的常閉式金屬熱斷路器，溫差范圍±5，安全溫度時高電平輸入到PLC并控制電源管理繼電器于工作狀態(tài)，達到保護溫度時信號轉(zhuǎn)入低電平并使PLC控制電源管理繼電器停止工作、切斷電源。（3）高溫強行關(guān)機 室溫上升到40則實施高溫保護，無論正在運行時或停止?fàn)顟B(tài)均通過電源管理繼電器切斷加熱電源并蜂鳴報警執(zhí)行高溫保護，故障沒有解除則不得再次啟動。（4）過熱保護控制 采用常開型熱斷路器檢測與控制加熱體、機內(nèi)環(huán)境、導(dǎo)線、

14、出水等：加熱體150過熱檢測和過熱斷電保護，信號輸入PLC，異常溫度時為低電平控制有效；機內(nèi)60過熱檢測和過熱斷電保護，信號輸入PLC，異常溫度時為低電平控制有效；導(dǎo)線60過熱檢測和過熱斷電保護，信號輸入PLC，異常溫度時為低電平控制有效；出水口熱斷路器60過熱保護與水流傳感器串聯(lián)，信號輸入PLC，超溫度時低電平有效。（5）低溫強行加熱 機組在停止?fàn)顟B(tài)下，只要是帶電待機，系統(tǒng)監(jiān)測到室溫下降到10時則強行啟動實施低溫保護，系統(tǒng)按時序啟動要求啟動加熱，加熱運行30分鐘按時序停機要求停止運行。結(jié)束語本系統(tǒng)是針對日照充足地區(qū)的一種高效節(jié)能采暖控制系統(tǒng)。提出并設(shè)計了以PLC為核心的智能控制方案，充分利用太陽能，發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢，以達到最大效率的節(jié)能。本系統(tǒng)比傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)可以節(jié)約能源達到25%。在當(dāng)前調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高環(huán)境質(zhì)量，對新能源和綠色可再生能源需求較高的形勢下，本系統(tǒng)的設(shè)計具有廣泛和深遠的意義。參考文獻1 王建華計算機控制技術(shù)M北京：高等教育出版社，20032 楊后川 張學(xué)民 陳勇SIMATIC S7200可編程控制器原理與應(yīng)用M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.3姚偉太陽能利用與可持續(xù)發(fā)展J中國能源，2005，27(2)：4647作者簡介：關(guān)珊珊 女 滿族 生于1985.4 青島