寇志偉，徐明娜，李文軍，蘇 曦

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，呼和浩特 010051）

0 引言

太陽(yáng)能熱水工程是工程性大面積太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，是通過(guò)集熱器工質(zhì)吸收太陽(yáng)輻射能并與水進(jìn)行熱交換的典型的太陽(yáng)能利用裝置，與燃煤、燃?xì)狻㈦姛崴飨啾容^，具有環(huán)保、節(jié)能、安全的優(yōu)點(diǎn)[1,2]。目前應(yīng)用的控制系統(tǒng)多以太陽(yáng)能通用控制器為主，操作復(fù)雜，維護(hù)困難，交互性、可靠性與擴(kuò)展性較差，使得太陽(yáng)能熱水工程在應(yīng)用、維護(hù)與擴(kuò)展等方面受到了一定的限制。

PLC是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制器，具有可靠性高、適應(yīng)性好、模塊豐富、功能完善、擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PLC的最佳搭檔工業(yè)觸摸屏是操作人員與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行對(duì)話和相互作用的交互設(shè)備，可以用字符、圖形和動(dòng)畫顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)，操作人員可以通過(guò)其來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，是PLC控制系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備。組態(tài)軟件是基于Windows平臺(tái)的人機(jī)界面（HMI）/控制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）的監(jiān)控組態(tài)軟件，是自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境[3,4]。本文設(shè)計(jì)了基于PLC與人機(jī)界面（HMI）的太陽(yáng)能熱水工程控制系統(tǒng)，監(jiān)控層上位機(jī)采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用觸摸屏為人機(jī)交互界面，與下位機(jī)PLC通信。該系統(tǒng)可以很好的解決通用控制器存在的問(wèn)題，提升太陽(yáng)能熱水工程的應(yīng)用性能與技術(shù)水平。

1 太陽(yáng)能熱水工程結(jié)構(gòu)與原理

太陽(yáng)能熱水工程利用大面積的太陽(yáng)能集熱器陣列收集太陽(yáng)輻射能量，通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)將能量傳遞給水，使水加熱到一定溫度為用戶提供所熱水的工程系統(tǒng)，主要有集熱陣列、蓄熱水箱、循環(huán)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)組成。此外，在陰雨環(huán)境下太陽(yáng)能產(chǎn)熱水量不足時(shí)需要啟動(dòng)輔助熱源系統(tǒng)，在冬季或寒冷環(huán)境下還需要有保溫防凍系統(tǒng)及排空防凍系統(tǒng)，以防止低溫凍堵，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能熱水工程組成結(jié)構(gòu)

其中，控制系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱水工程的決策指揮中心，需要完成相關(guān)溫度與水位等信息的檢測(cè)與運(yùn)算、現(xiàn)場(chǎng)泵閥等設(shè)備的控制與保護(hù)、人機(jī)交互、工業(yè)通信及系統(tǒng)擴(kuò)展等功能，是太陽(yáng)能熱水工程能否可靠、穩(wěn)定、智能運(yùn)行的關(guān)鍵，直接決定了太陽(yáng)熱水工程的應(yīng)用性能與技術(shù)水平。

2 系統(tǒng)要求及控制方案

2.1 系統(tǒng)控制要求

太陽(yáng)能熱水工程是太陽(yáng)能熱應(yīng)用技術(shù)從單戶型、微小型向工程化、系統(tǒng)化發(fā)展的產(chǎn)物?？刂葡到y(tǒng)以水溫、水位為主要控制參數(shù)，需要完成對(duì)水溫、水位等信息的檢測(cè)與運(yùn)算、系統(tǒng)泵閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制、人機(jī)交互、工業(yè)通信及擴(kuò)展等功能。工程應(yīng)用需具備上水控制、循環(huán)控制、供水控制、防凍控制、輔助加熱與排空控制等功能；需要良好的人機(jī)交互界面、具備完善的保護(hù)、報(bào)警及處理功能；系統(tǒng)易于擴(kuò)展、實(shí)現(xiàn)工業(yè)組網(wǎng)及上位機(jī)監(jiān)控，以適應(yīng)太陽(yáng)能熱水工程的發(fā)展趨勢(shì)，提高實(shí)際應(yīng)用能力。

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述控制要求，設(shè)計(jì)了基于PLC與人機(jī)界面的控制與監(jiān)控系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制器、觸摸屏與監(jiān)控上位機(jī)等五部分組成，如圖2所示。其中PLC是系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)運(yùn)算處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，控制調(diào)度外圍設(shè)備，通過(guò)串行總線向上位機(jī)傳輸現(xiàn)場(chǎng)信息及設(shè)備狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的控制指令；數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的水位、水溫信息；執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的泵閥等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；觸摸屏與組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，均可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)交互、顯示、監(jiān)控與管理，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。

圖2 太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)組成

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案及太陽(yáng)能熱水工程的運(yùn)行特點(diǎn)，控制主機(jī)選用西門子S7-200PLC，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選用組態(tài)王（KingView）監(jiān)控平臺(tái)與Eview工業(yè)觸摸屏，可以完成控制指令的輸入、參數(shù)的設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與顯示，可靠性高、操作簡(jiǎn)單及維護(hù)方便，適于現(xiàn)場(chǎng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由太陽(yáng)能熱水工程其他參數(shù)選擇，均使用交流接觸器或繼電器驅(qū)動(dòng)，硬件選型如表1所示。

3.1.1 系統(tǒng)電氣線路

系統(tǒng)電氣線路采用PLC驅(qū)動(dòng)交流接觸器或繼電器控制水泵、電磁閥等現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備的形式?？紤]到水泵的工作負(fù)荷及系統(tǒng)的可靠性，上水泵M1由接觸器KM1控制運(yùn)行；集熱循環(huán)泵M2由接觸器KM2控制運(yùn)行；供水泵M3由變頻器驅(qū)動(dòng)，接觸器KM3控制工頻運(yùn)行，KM7控制變頻運(yùn)行；輔助熱源裝置、排空裝置與防凍裝置分別由接觸器KM4、KM5、KM6控制運(yùn)行，如圖3所示。

表1 系統(tǒng)硬件選型

圖3 控制系統(tǒng)電氣線路圖

3.1.2 PLC控制電路

PLC控制電路如圖4所示，S7-200PLC的輸入點(diǎn)及EM223使用DC24V電源，I0.0～I(xiàn)0.5分別輸入按鈕SB1～SB3、熱繼電器FR1～FR3的動(dòng)合信號(hào)，I2.0～I(xiàn)2.2輸入變頻器的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。CPU224XP的電源、接觸器KM0～KM7的線圈、指示燈HL1～ HL2采用AC220V電源，Q0.0～Q0.7輸出繼電器信號(hào)分別控制接觸器KM0～KM7的線圈，Q1.0～Q1.1控制指示燈HL1～ HL2的狀態(tài)，Q2.0～Q2.2的輸出控制變頻器運(yùn)行。

圖4 PLC控制電路

3.1.3 模擬量處理與變頻器電路

模擬量處理與變頻器電路如圖5所示。模擬量模塊EM235采用DC24V電源供電，DIP開關(guān)設(shè)為單極性0～20mA電流輸入。4路AI信號(hào)分別用于水箱水溫T1、集熱水溫T2、上水水溫T3、水箱水位W0的4mA～20mA傳感器信號(hào)輸入，地址為AIW4、AIW6、AIW8 、AIW10。1路AO信號(hào)以4mA～20mA電流形式輸出到變頻器模擬電流輸入端C1，地址為AQW2，用于控制變頻器的輸出頻率。

圖5 模擬量處理與變頻器電路

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)、定時(shí)運(yùn)行三種運(yùn)行模式及上水控制、集熱控制、供水控制、輔熱控制、防凍控制、排空控制與自動(dòng)保護(hù)等多個(gè)功能模塊。系統(tǒng)需要設(shè)定的數(shù)據(jù)有水位上限WH、水位下限WL、水溫上限TH、水溫下限TL、溫差上限ΔTH、溫差下限ΔTL、防凍溫度TD、排空溫度TP等參數(shù)，其中水位參數(shù)的單位為cm，溫度參數(shù)的單位為℃，各功能模塊的控制條件如表2所示。

表2 功能模塊及其控制條件

設(shè)計(jì)的控制程序由主程序、數(shù)據(jù)處理與顯示子程序、保護(hù)與報(bào)警子程序、上水控制子程序、集熱控制子程序、供水控制子程序、輔熱控制子程序、防凍控制子程序與排空控制子程序組成，程序流程如圖6所示。

圖6 控制程序流程圖

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

目前很多的工業(yè)控制系統(tǒng)都是由監(jiān)控上位機(jī)與PLC下位機(jī)組成，PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的采集與上位機(jī)寫入數(shù)據(jù)的接收，運(yùn)算處理后輸出控制信號(hào)并送上位機(jī)顯示。上位機(jī)是圖形化的人機(jī)交互界面，可是實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化，本系統(tǒng)采用組態(tài)王與工業(yè)觸摸屏為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程監(jiān)控[5]。

4.1 組態(tài)王監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

組態(tài)王界面采用KingView 6.55開發(fā)，它集過(guò)程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)操作以及工廠資源管理于一體，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的資源與信息最優(yōu)化管理。監(jiān)控界面設(shè)計(jì)是利用其提供的繪圖工具箱，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的布局和外觀創(chuàng)建組態(tài)監(jiān)控畫面，以形象的圖形畫面來(lái)模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和工控設(shè)備，主要包括設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)詞典定義、組態(tài)畫面設(shè)計(jì)制作、腳本程序編寫等步驟[6,7]。

4.1.1 對(duì)PLC的設(shè)備組態(tài)

上位機(jī)與CPU224XP的PORT1端口采用PC/PPI電纜連接，在工程瀏覽器左側(cè)選擇“設(shè)備”的COM1選項(xiàng)，在右側(cè)點(diǎn)擊“新建”，運(yùn)行設(shè)備配置向?qū)?，依次選擇

P

LC、西門子、S7-200系列、PPI選項(xiàng)定義設(shè)備，此時(shí)可以在工程瀏覽器右側(cè)看到新建的外部設(shè)備。

4.1.2 定義數(shù)據(jù)變量

組態(tài)王軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要立即送達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中間環(huán)節(jié)，在工程瀏覽器左側(cè)點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)庫(kù)”的數(shù)據(jù)詞典項(xiàng)，定義數(shù)據(jù)變量。

4.1.3 組態(tài)界面編寫

上位機(jī)組態(tài)界面由主控界面、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)報(bào)表與系統(tǒng)設(shè)置等頁(yè)面構(gòu)成，設(shè)計(jì)制作頁(yè)面并將數(shù)據(jù)詞典中定義的變量與組態(tài)畫面的圖素進(jìn)行動(dòng)畫連接，運(yùn)行監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 組態(tài)王監(jiān)控界面

4.2 觸摸屏監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的Eview ET070工業(yè)觸摸屏，其組態(tài)軟件具有良好的畫面編輯功能，易于設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面。觸摸屏界面分頁(yè)設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)主界面、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)控制、運(yùn)行狀態(tài)、用戶管理和歷史查詢六個(gè)頁(yè)面構(gòu)成。觸摸屏COM0端口與CPU224XP的PORT0端口采用RS485串行通信電纜連接，監(jiān)控畫面如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 觸摸屏監(jiān)控界面

本文根據(jù)太陽(yáng)能熱水工程的運(yùn)行特點(diǎn)與控制要求，設(shè)計(jì)了以S7-200PLC為控制器的智能控制系統(tǒng)，上位機(jī)使用組態(tài)王監(jiān)控軟件，工程現(xiàn)場(chǎng)使用Eview工業(yè)觸摸屏實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互與實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)將PLC、變頻器、組態(tài)軟件與工業(yè)觸摸屏等工業(yè)控制設(shè)備引入了太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水控制器的缺陷，提升了太陽(yáng)能熱水工程的應(yīng)用與技術(shù)水平。目前該設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用于北方地區(qū)多個(gè)太陽(yáng)能熱水工程，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化水平高，具有較大的推廣價(jià)值。

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