基于PLC的太陽(yáng)能光電互補(bǔ)采暖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于PLC的太陽(yáng)能光電互補(bǔ)采暖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)珊珊，張?zhí)扉_(kāi)，孫吉磊，張永勇青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，全球能源危機(jī)日益嚴(yán)重，科學(xué)用能是解決能源危機(jī)的重要手段。本文介紹了可編程控制器為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，將太陽(yáng)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(yáng)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(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B引言能源是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件。進(jìn)入2l世紀(jì)以來(lái)，能源供應(yīng)的緊張對(duì)各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活產(chǎn)生的巨大沖擊，全世界都充分認(rèn)識(shí)到節(jié)約能源的重要性?？茖W(xué)用能是解決能源危機(jī)的重要手段，也是符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(chǔ)量大，可再生，清潔的能源，配以先進(jìn)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(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)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(yáng)能為第一熱源，太陽(yáng)能集熱板的有效集熱，通過(guò)介質(zhì)循環(huán)把熱量轉(zhuǎn)換到集熱水箱，然后，通過(guò)循環(huán)泵給末端提供熱源實(shí)現(xiàn)

5、供熱。第二熱源是輔助電加熱機(jī)組，是在前者工作效率低下（一般是在天氣陰雨、雪沒(méi)有太陽(yáng)或者是夜間的時(shí)候）的情況下開(kāi)始啟動(dòng)，輔助太陽(yáng)能來(lái)滿足系統(tǒng)所需要的溫度。以往采用單片機(jī)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(jì)開(kāi)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(guò)分析傳送信號(hào)，輸出信號(hào)來(lái)控制泵組以及電加熱器的運(yùn)行狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面智能控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，提高運(yùn)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(jì)2.1模式說(shuō)明：兩種操作模式確保系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行：一是全自動(dòng)運(yùn)行模式；二是半自動(dòng)運(yùn)行模式。正常情況下，系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)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(shí)，可轉(zhuǎn)入半自動(dòng)(手動(dòng))模式，確保熱水連續(xù)供應(yīng)。2.2控制說(shuō)明：當(dāng)太陽(yáng)能熱水溫度>50時(shí)控制器啟動(dòng)水泵，水進(jìn)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(jìn)入集熱器加熱，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。當(dāng)太陽(yáng)能熱水溫度<40時(shí)水泵停止工作。當(dāng)儲(chǔ)熱水箱的供水水溫>45時(shí)，可開(kāi)啟循環(huán)。當(dāng)陰雨雪天或夜間太陽(yáng)能供熱不足時(shí)，恒溫電熱采暖器自動(dòng)開(kāi)啟恒溫電補(bǔ)加熱，循環(huán)水缺1電補(bǔ)加熱1，保持系統(tǒng)設(shè)置的循環(huán)水溫。當(dāng)室溫恒溫達(dá)到時(shí)，太陽(yáng)能可利用，則太陽(yáng)能集熱器的熱量積儲(chǔ)在儲(chǔ)熱水箱中。當(dāng)室溫恒溫下降時(shí)，太

7、陽(yáng)能可利用，則太陽(yáng)能集熱器的熱量通過(guò)換熱器轉(zhuǎn)換到地?zé)岜P(pán)管中。當(dāng)室溫不需要采暖時(shí)，太陽(yáng)能可利用，則太陽(yáng)能集熱器的熱量需要釋放到空氣當(dāng)中。2.3保護(hù)說(shuō)明：溫度安全保護(hù)包括過(guò)熱保護(hù)項(xiàng)目和低溫保護(hù)項(xiàng)目。過(guò)熱保護(hù)項(xiàng)目有加熱體過(guò)熱保護(hù)、導(dǎo)線過(guò)熱保護(hù)和本機(jī)過(guò)熱保護(hù)。低溫保護(hù)項(xiàng)目為低溫強(qiáng)行啟動(dòng)保護(hù)。3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件由PLC主機(jī)、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(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線直接接到計(jì)算機(jī)輸入端口，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制管理功能。可以集中在控制室實(shí)時(shí)反映各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況，查詢運(yùn)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(gè)PLC制造廠中，比較著名的主要有德國(guó)的西門(mén)子公司，美國(guó)Rockwell自動(dòng)化公司所屬的A-B公司，GE-Fanuc公司，法國(guó)的施耐德公司，日本的三菱公司和歐姆龍（OMRON）公司。采用西門(mén)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(jià)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(kuò)展。在該系統(tǒng)中控制方案比較簡(jiǎn)單，用到的輸入輸出點(diǎn)數(shù)不多，考慮到價(jià)格，成本等因素，用西門(mén)子的S7-200就完全可以實(shí)現(xiàn)這些功能。西門(mén)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(hào)位，分辨率達(dá)01。模塊具有自動(dòng)線性化處理，冷端補(bǔ)償功能，不再需要任何外部變送器或外部電路，一個(gè)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(shí)接4個(gè)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(cè)溫度T1（太陽(yáng)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(jì)結(jié)構(gòu)框圖：CPU224XP熱電偶模塊EM231開(kāi)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(jì)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(jì)：軟件程序的編寫(xiě)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(guò)程流程圖：NYYY系統(tǒng)上電模式選擇自動(dòng)模式電手動(dòng)模式電是否啟動(dòng)太陽(yáng)能換熱水泵是否啟動(dòng)采暖換熱出水溫度達(dá)到設(shè)置？關(guān)閉一只加熱管開(kāi)啟一只加熱管N啟動(dòng)采暖循環(huán)水泵N結(jié)束圖2：控制過(guò)程流程圖Fig2: control flow chart下面就各模塊的程序設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要說(shuō)明。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理 熱電偶采集到溫度數(shù)據(jù)為毫伏級(jí)的微弱電信號(hào)，要通過(guò)變送器將其進(jìn)行放大、冷端補(bǔ)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(hào)，該溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，變成PLC能夠接收和處理的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)是032000數(shù)字信號(hào)，為了方便以后程序的編程，需要將這種數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為0100的數(shù)字信號(hào)。太陽(yáng)能換熱泵控制子系統(tǒng)由T1檢測(cè)的太陽(yáng)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(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)太陽(yáng)能換熱水泵，使太陽(yáng)能熱水交換到水箱。水泵由繼電器、熔斷器控制。當(dāng)T1檢測(cè)的溫度相當(dāng)于換熱水溫=選定的換熱水溫-10時(shí)，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(cè)的太陽(yáng)能儲(chǔ)能水箱水溫經(jīng)PLC與選定的采暖換熱水溫比較，達(dá)到選定的換熱水溫時(shí)具備啟動(dòng)水泵循環(huán)換熱的條件，待命，即：根據(jù)機(jī)組指令決定

12、是否啟動(dòng)采暖換熱。當(dāng)T2溫度低于所選擇的運(yùn)行水溫時(shí)將停止水泵運(yùn)行退出換熱操作。采暖循環(huán)水泵控制子系統(tǒng)當(dāng)儲(chǔ)能水箱溫度T2大于采暖換熱溫度同時(shí)儲(chǔ)能水箱溫度T2大于采暖供水溫度選擇、在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)才能啟動(dòng)采暖換熱水泵，使儲(chǔ)能水箱的水交換為采暖熱水參與采暖循環(huán)。否則只啟動(dòng)采暖循環(huán)水泵。電補(bǔ)控制子系統(tǒng)當(dāng)儲(chǔ)能水箱的水溫低于所設(shè)置的采暖循環(huán)水溫要求時(shí)啟動(dòng)電補(bǔ)。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(shí)際檢測(cè)的出水溫度的1溫差由PLC調(diào)節(jié)加熱管的支數(shù)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。當(dāng)出水溫度達(dá)到設(shè)置的出水溫度時(shí)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(dá)到恒溫控制要求。溫度安全保護(hù)子系統(tǒng)（1）溫度安全

13、保護(hù)包括過(guò)熱保護(hù)項(xiàng)目和低溫保護(hù)項(xiàng)目。過(guò)熱保護(hù)項(xiàng)目有加熱體過(guò)熱保護(hù)、導(dǎo)線過(guò)熱保護(hù)和本機(jī)過(guò)熱保護(hù)。低溫保護(hù)項(xiàng)目為低溫強(qiáng)行啟動(dòng)保護(hù)。（2）加熱體過(guò)熱、導(dǎo)線過(guò)熱、本機(jī)過(guò)熱、出水過(guò)熱保護(hù)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(shí)高電平輸入到PLC并控制電源管理繼電器于工作狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)溫度時(shí)信號(hào)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(qiáng)行關(guān)機(jī) 室溫上升到40則實(shí)施高溫保護(hù)，無(wú)論正在運(yùn)行時(shí)或停止?fàn)顟B(tài)均通過(guò)電源管理繼電器切斷加熱電源并蜂鳴報(bào)警執(zhí)行高溫保護(hù)，故障沒(méi)有解除則不得再次啟動(dòng)。（4）過(guò)熱保護(hù)控制 采用常開(kāi)型熱斷路器檢測(cè)與控制加熱體、機(jī)內(nèi)環(huán)境、導(dǎo)線、

14、出水等：加熱體150過(guò)熱檢測(cè)和過(guò)熱斷電保護(hù)，信號(hào)輸入PLC，異常溫度時(shí)為低電平控制有效；機(jī)內(nèi)60過(guò)熱檢測(cè)和過(guò)熱斷電保護(hù)，信號(hào)輸入PLC，異常溫度時(shí)為低電平控制有效；導(dǎo)線60過(guò)熱檢測(cè)和過(guò)熱斷電保護(hù)，信號(hào)輸入PLC，異常溫度時(shí)為低電平控制有效；出水口熱斷路器60過(guò)熱保護(hù)與水流傳感器串聯(lián)，信號(hào)輸入PLC，超溫度時(shí)低電平有效。（5）低溫強(qiáng)行加熱 機(jī)組在停止?fàn)顟B(tài)下，只要是帶電待機(jī)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到室溫下降到10時(shí)則強(qiáng)行啟動(dòng)實(shí)施低溫保護(hù)，系統(tǒng)按時(shí)序啟動(dòng)要求啟動(dòng)加熱，加熱運(yùn)行30分鐘按時(shí)序停機(jī)要求停止運(yùn)行。結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)是針對(duì)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(jì)了以PLC為核心的智能控制方案，充分利用太陽(yáng)能，發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)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(dá)到25%。在當(dāng)前調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高環(huán)境質(zhì)量，對(duì)新能源和綠色可再生能源需求較高的形勢(shì)下，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有廣泛和深遠(yuǎn)的意義。參考文獻(xiàn)1 王建華計(jì)算機(jī)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(yáng)能利用與可持續(xù)發(fā)展J中國(guó)能源，2005，27(2)：4647作者簡(jiǎn)介：關(guān)珊珊 女 滿族 生于1985.4 青島