謝澤坤，金秀章

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

CPC型光伏/光熱裝置測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

謝澤坤，金秀章

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

針對太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)中如何有效協(xié)調(diào)光熱效率和光電效率的問題，開發(fā)一種以iFIX為支撐平臺的CPC型光伏/光熱裝置測控系統(tǒng)。開發(fā)友好人機畫面實時監(jiān)測現(xiàn)場裝置的主要運行參數(shù)，并手/自動調(diào)節(jié)入口水工質(zhì)流量，對光伏電池板進行有效散熱降溫以及輸出穩(wěn)定溫度的水工質(zhì)，提高裝置的光電效率和光熱效率，從而達到高效的太陽能熱電聯(lián)用目的。

iFIX;光伏/光熱;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

目前，全球經(jīng)濟發(fā)展導致的諸多環(huán)保問題已成為世界關(guān)注的焦點，同時煤炭、石油、天然氣等可利用化石能源終將面臨枯竭，人類依托科技進步，開發(fā)利用可再生能源已勢在必行。發(fā)展太陽能利用技術(shù)對國家的經(jīng)濟、社會和環(huán)境保護能帶來積極的意義。

太陽能利用是當今世界范圍內(nèi)一個重要的能源發(fā)展方向，可以減少人類對化石能源的依賴，減少二氧化碳的排放等環(huán)境污染問題。

在太陽能熱電聯(lián)用領(lǐng)域，國內(nèi)外不乏理論與實驗研究，但真正意義上把該項技術(shù)轉(zhuǎn)化為具有普遍應用意義的太陽能光熱利用系統(tǒng)尚無首例。因此，針對 CPC型光伏/光熱裝置，提出一種CPC型光伏/光熱裝置測控系統(tǒng)，結(jié)合太陽能光熱/光伏 (PV/T)利用技術(shù)［1～3］，在 iFIX 組態(tài)軟件平臺上，設(shè)計并實現(xiàn)一種CPC型光伏/光熱裝置測控系統(tǒng)。iFIX作為自動化監(jiān)控組態(tài)軟件，能夠靈活快速開發(fā)友好人機界面，實現(xiàn)生產(chǎn)操作過程可視化、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，精確快速地監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率，在冶金、電力、石油化工、制藥等領(lǐng)域受到廣泛應用［4～5］。

1 CPC型光伏/光熱裝置簡述

CPC型光伏/光熱裝置采用復合拋物面聚光器(CPC)為光伏電池聚光所用，裝置由6個CPC—PV/T單元組件并聯(lián)構(gòu)成，CPC型光伏/光熱裝置如圖1所示。

圖1 CPC型光伏/光熱裝置結(jié)構(gòu)

裝置的下層管道采用并聯(lián)方式連接，水工質(zhì)流經(jīng)下層管道并吸收光伏電池的熱量進入水聯(lián)箱混合后，再流經(jīng)上層蛇形管道吸收太陽紅外光的能量進行水工質(zhì)的再次加熱，加熱后的水工質(zhì)直接從上層蛇形管道流出。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)采用Modbus TCP/IP通信協(xié)議，在現(xiàn)場裝置的光伏電池板、下層6根并列流通管道和上層蛇形流通管道安裝熱電偶來采集現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)，在水工質(zhì)入口端和出口端安裝流量計采集水流量信號，在光伏電池板上安裝電流和電壓傳感器來采集電池板的電流電壓信號，將熱電偶和電流電壓傳感器的引腳引至數(shù)據(jù)采集及控制主模塊(ADAM－5000/TCP)相應的子模塊中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過主模塊的信號處理后，經(jīng)過交換機傳送至安裝有iFIX5．0組態(tài)軟件的工控機，控制信號通過MBE驅(qū)動和下位數(shù)據(jù)采集及控制主模塊傳送至現(xiàn)場裝置的執(zhí)行機構(gòu)。數(shù)據(jù)通過由MBE驅(qū)動、驅(qū)動器映像表 (DIT)、報警掃描 (SAC)和過程數(shù)據(jù)庫 (PDB)組成的數(shù)據(jù)鏈后傳送至人機畫面以報警、趨勢圖、報表等人機交互方式顯示［6］。實時監(jiān)測現(xiàn)場參數(shù)變化情況，輸出控制信號，手/自動調(diào)節(jié)入口和出口流量，對光伏電池進行散熱，保證穩(wěn)定溫度的出口水工質(zhì)，有效提高光電效率與光熱效率。CPC型光伏/光熱裝置測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CPC型光伏/光熱裝置測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 實現(xiàn)功能

CPC型光伏/光熱裝置測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)CPC型光伏/光熱裝置溫度分布的在線采集，針對光伏電池最高溫度的實時報警，歷史/實時性能趨勢圖的在線顯示，歷史數(shù)據(jù)的手/自動保存，對入口水工質(zhì)流量的手/自動調(diào)節(jié)等功能，通過在裝置上合理布置熱電偶，從整體上監(jiān)測整個CPC型光伏/光熱裝置的運行參數(shù)變化情況。根據(jù)光伏電池溫度、太陽輻射等參數(shù)變化情況，通過PID適當調(diào)節(jié)入口水工質(zhì)流量，對光伏電池進行有效散熱，同時也保證穩(wěn)定溫度的出口水工質(zhì)，實現(xiàn)CPC型光伏/光熱裝置的電熱聯(lián)用目的。

3 測點布置方案

測點根據(jù)現(xiàn)場裝置以及研究需要靈活布置。要采集的基本參數(shù)包括光伏電池溫度、短路電流、開路電壓、水工質(zhì)進出口溫度、管道流量與管道壓力。采用熱電偶進行光伏電池和管路水工質(zhì)溫度的數(shù)據(jù)采集，光伏電池溫度和流體溫度測點的采集信號為4～20 mA的直流電流，通過數(shù)據(jù)采集模塊處理還原為真實值，水工質(zhì)流量控制的輸出信號為0～10 V直流電壓，下層并聯(lián)管道溫度測點布置如圖3所示。

圖3 下層管道測點布置示意圖

上層蛇形管道以及光伏電池板溫度測點布置如圖4所示。

圖4 上層管道及光伏電池板測點布置示意圖

裝置一共有6塊光伏電池板，因此在每塊光伏電池板上等距離安裝溫度測點，在6塊光伏電池板上共布置18個熱電偶，監(jiān)測光伏電池板溫度變化情況，及時調(diào)節(jié)入口水流量對電池板進行降溫。在每塊光伏電池板上安置一個電壓傳感器和電流傳感器用于檢測光伏電池的短路電流和開路電壓，共12個測點。

在每塊光伏電池板下方均有一根管道，在下層管道的上、中、下部安裝溫度測點，共布置18個熱電偶，可以監(jiān)測水工質(zhì)溫度變化情況，在光伏電池板的上層蛇形管道以等間隔的距離安裝6個熱電偶，監(jiān)測水工質(zhì)流經(jīng)上層蛇形管道的溫升情況。在水工質(zhì)入口和上層蛇形管道出口均布置一個流量測點，在水工質(zhì)入口處和蛇形管道出口處安裝一個變頻泵用于流量調(diào)節(jié)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 MBE驅(qū)動

iFIX5．0與研華亞當系列的ADAM5000/TCP采用以太網(wǎng)通訊，MBE驅(qū)動支持Modbus TCP/IP協(xié)議，通過MBE驅(qū)動，監(jiān)控端的iFIX從主模塊ADAM5000/TCP采集裝置現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)運行情況，向下位的ADAM5000/TCP傳送控制信號，調(diào)節(jié)現(xiàn)場運行參數(shù)。MBE驅(qū)動配置界面如圖5所示。

圖5 MBE驅(qū)動配置界面

在MBE驅(qū)動配置界面添加通道、設(shè)備名及設(shè)備的 IP地址、數(shù)據(jù)塊名，并根據(jù)主模塊 ADAM5000/TCP地址配置的要求配置數(shù)據(jù)塊的訪問地址。主模塊ADAM5000/TCP連接正常，地址配置正確后，在MBE驅(qū)動配置界面能夠直接看到寄存器的值。

4.2 iFIX界面設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)所有的人機界面底色均采用柔和的淺藍色色調(diào)，美觀且不易造成視覺疲勞。為了直觀顯示方便的需要，將人機界面中裝置的上下層管道分開布局，上層蛇形管道在聯(lián)箱的上方，下層并聯(lián)管道在聯(lián)箱的下方。系統(tǒng)界面主要包括熱能參數(shù)監(jiān)測、電能參數(shù)監(jiān)測、系統(tǒng)控制、報表瀏覽、實時曲線、歷史曲線和報警一覽共7個界面。

熱能參數(shù)監(jiān)測界面除了從宏觀上顯示整個CPC型光伏/光熱裝置光伏電池和管道布局外，還可直觀看到溫度測點的分布及其數(shù)值的動態(tài)變化情況，熱能參數(shù)監(jiān)測仿真界面如圖6所示。

圖6 熱能參數(shù)監(jiān)測仿真界面

在界面的底欄設(shè)置虛擬報警燈，若光伏電池板最高溫度測點超過55℃報警燈顯示紅色，表示溫度過高，否則，顯示綠色，表示運行良好。

電能參數(shù)監(jiān)測界面顯示的是光伏電池板的短路電流和開路電壓以及電功率的動態(tài)數(shù)值。電流、電壓和電功率變化情況能夠為運行人員提供調(diào)節(jié)控制操作的依據(jù)。

系統(tǒng)控制界面主要功能是根據(jù)入口水工質(zhì)流量、光伏電池溫度、蛇形管道出口溫度等關(guān)鍵控制參數(shù)來進行水工質(zhì)的手/自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)控制仿真界面如圖7所示。

“入口流量手動調(diào)節(jié)”按鈕實現(xiàn)手動改變CPC型光伏/光熱裝置入口水工質(zhì)的流量，也可通過點擊“入口流量自動調(diào)節(jié)”按鈕改變對現(xiàn)場變頻泵的控制信號輸入，實現(xiàn)入口水工質(zhì)流量的自動調(diào)節(jié)，達到良好的光伏生電效果和穩(wěn)定溫度的出口水工質(zhì)。

圖7 系統(tǒng)控制仿真界面

報表瀏覽界面能夠直觀看到報表網(wǎng)格中動態(tài)變化的參數(shù)數(shù)值，通過添加基于時間項的調(diào)度，每隔5 min自動保存數(shù)據(jù)至硬盤的Excel報表。通過日期控件和點擊“報表日期查詢”按鈕，能夠手動打開具體日期的報表查看數(shù)據(jù)，通過點擊“報表手動保存”按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)具體時刻的報表保存［7］。

在實時曲線界面中，點擊標簽名，能夠?qū)⑵鋵倪\行參數(shù)實時變化趨勢以曲線形式顯示。在實時趨勢圖中，橫軸表示時間，縱軸根據(jù)標簽點不同，其代表的含義也不同，例如選擇流量標簽點，縱軸表示流量，選擇溫度標簽點，縱軸表示溫度。

在歷史曲線界面中，通過編程實現(xiàn)時間范圍選擇和添加筆功能，能夠以曲線形式顯示過去具體時間段的參數(shù)變化趨勢，且能夠同時顯示多個參數(shù)歷史曲線。

報警一覽界面除了能夠?qū)崟r顯示報警信號外，還能夠通過日期控件的設(shè)置和點擊按鈕，以文本格式打開具體日期的歷史報警。

4.3 過程數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

過程數(shù)據(jù)庫由模擬量、數(shù)字量和二級塊等標簽組成，打開數(shù)據(jù)庫編輯器，創(chuàng)建新標簽，標簽類型設(shè)置為AI(模擬量輸入)。一級塊以AI001為例，如圖8所示，描述為入口工質(zhì)溫度，I/O驅(qū)動器選擇MBE，地址設(shè)置為Device0:40001。

4.4 系統(tǒng)仿真運行

測控系統(tǒng)的人機界面以全屏方式運行，數(shù)據(jù)輸入可通過滾動條和人機界面的虛擬數(shù)字鍵輸入。啟動iFIX軟件后，采用Modsim仿真器代替現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的報警燈顯示、報表生成、曲線顯示與控制功能。當不運行系統(tǒng)時，點擊退出系統(tǒng)按鈕，系統(tǒng)自動關(guān)閉。

圖8 模擬量輸入標簽

5 結(jié)論

在太陽能技術(shù)領(lǐng)域，目前國內(nèi)尚處于試驗和項目起步階段，而CPC型光伏/光熱裝置測控系統(tǒng)重點落實在實現(xiàn)太陽光高效率的熱電聯(lián)用技術(shù)，通過測控系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，手/自動控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)入水口水工質(zhì)流量，保證穩(wěn)定高效的光電、光熱效率，有效協(xié)調(diào)光伏發(fā)電和光熱利用效果，同時也降低了光伏發(fā)電成本，使光伏/光熱綜合利用技術(shù)具有極高的推廣價值，具有良好的經(jīng)濟效益同時，也帶來了很好的社會效益。

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Design and Implement of Measuring and Controlling System for CPC-PV/T Equipment

Xie Zekun，Jin Xiuzhang

(School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

For the issue of how to coordinate photoelectric efficiency and thermal efficiency in the photovoltaic solar thermal utilization technology，a kind of measuring and controlling system based on iFIX platform is developed for CPC-PV/T equipment．Friendly HMI screen for real-time monitoring of the main operating parameters of field devices is designed，and the inlet water flow is regulated manually or automatically for dissipating photovoltaic cells'heat and lowering its temperature，and outputting water liquid with stable temperature，so as to improve photoelectric efficiency and thermal efficiency，and achieve the purpose of efficient use of solar thermal and electricity．

iFIX;PV/T;measuring and controlling system

TP29

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.017

2013－11－28。

謝澤坤 (1989-)，男，碩士研究生，研究方向為太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域的控制策略及其性能分析研究，E-mail:919408299@qq．com。