許云龍， 翟永全, 胡立華, 陳學(xué)永

(福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350007)

基于PLC和HMI的高校宿舍太陽(yáng)能熱水工程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許云龍， 翟永全, 胡立華, 陳學(xué)永

(福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350007)

提出了基于PLC和HMI的太陽(yáng)能熱水工程控制方案，能有效利用太陽(yáng)能集熱陣列吸收的熱量，選用Delta DVP-32ES為核心控制器，以DOP-07S415觸摸屏作為人機(jī)界面設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件系統(tǒng)。工程應(yīng)用表明，方案運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能效果顯著、智能化程度高，在太陽(yáng)能熱水工程的控制應(yīng)用中具體很大的推廣價(jià)值。

PLC；HMI；太陽(yáng)能熱水；控制系統(tǒng)；節(jié)能

0 引 言

隨著實(shí)用型單晶硅電池和選擇性太陽(yáng)吸收涂層的研制成功，以及常規(guī)能源供給的有限性和環(huán)保壓力的增加[1]，清潔能源的開(kāi)發(fā)利用成為世界各國(guó)制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，而太陽(yáng)能是比風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能更方便推廣和利用的清潔能源，也是目前利用中商業(yè)化程度最高、應(yīng)用最普遍的技術(shù)。但是現(xiàn)在的酒店、職工公寓、學(xué)生宿舍都建筑群普遍采用空氣能熱泵的加熱方式，該加熱方式雖然比傳統(tǒng)鍋爐加熱更節(jié)能、環(huán)保，但是節(jié)能方面依然不能和太陽(yáng)能加熱相比。而我國(guó)當(dāng)前大多數(shù)的太陽(yáng)能熱水工程多以單片機(jī)為核心的通用控制器為主，由于其操作復(fù)雜、維護(hù)困難、擴(kuò)展性能與聯(lián)網(wǎng)性能較差，使得太陽(yáng)能熱水工程在應(yīng)用、發(fā)展方面受到了很大的限制[2].PLC(Programmable Logic Controller,可編程控制器)是專(zhuān)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[3]114。而且觸摸屏與PLC的結(jié)合將能夠根據(jù)不同的用戶(hù)需求作出靈活的變動(dòng)，提升用戶(hù)的交互體驗(yàn)。

1 太陽(yáng)熊熱水工程工作原理

本太陽(yáng)能熱水工程利用安裝在建筑頂部的太陽(yáng)能自動(dòng)追光集熱陣列收集太陽(yáng)能輻射能量，通過(guò)水泵將常溫水打入集熱陣列中并返回水箱，由于集熱器吸收了大量的太陽(yáng)能，因此，常溫水經(jīng)過(guò)集熱器時(shí)，將迅速加熱冷水，最后返回水箱中的水將是熱水。該工程主要有集熱陣型列、儲(chǔ)水箱、循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)組成，其中儲(chǔ)水箱對(duì)應(yīng)的是800人的學(xué)生宿舍，因此，配備了3個(gè)10噸的水箱來(lái)保證學(xué)生的日常洗?。谎h(huán)系統(tǒng)由于要保證學(xué)生的日常洗浴，循環(huán)水泵都加裝備用泵，系統(tǒng)將在檢測(cè)到水泵異常的時(shí)候自動(dòng)啟用備用泵；輔助加熱系統(tǒng)采用3臺(tái)10匹空氣能熱泵，在陰雨天氣進(jìn)行輔助加熱。

控制系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱水工程的指揮中心，通過(guò)讀取溫度、水位等數(shù)據(jù)信息，并與設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和運(yùn)算，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制與保護(hù)，控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行，直接決定了太陽(yáng)能熱水工程的應(yīng)用性能與用戶(hù)體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)框架

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)共分為儲(chǔ)水模塊、加熱模塊、循環(huán)模塊、采集模塊、控制模塊，儲(chǔ)水模塊主要用三個(gè)水箱和補(bǔ)水泵組成；加熱模塊則由大面積的集熱陣列、三臺(tái)十匹空氣能熱泵組成；循環(huán)模塊由三臺(tái)水箱間循環(huán)泵及出水泵組成；采集模塊負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)中溫度、水位等數(shù)據(jù)[4]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)部分如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框架

2.2 控制系統(tǒng)框架

控制系統(tǒng)由傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度、液位數(shù)據(jù)與HMI(Human Machine Interface，人機(jī)界面)中設(shè)置的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算后，由PLC的Y口輸出直接控制中間繼電器的吸合，并進(jìn)一步控制交流接觸器從而達(dá)到對(duì)用電器的精準(zhǔn)控制；同時(shí)本工程為了確保學(xué)生的日常用水，在出水循環(huán)等關(guān)鍵位置加裝了備用水泵，由互感開(kāi)關(guān)檢測(cè)其運(yùn)行情況?？刂葡到y(tǒng)的框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框架

3 PLC程序與HMI人機(jī)界面的編寫(xiě)

3.1 控制系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)通過(guò)用戶(hù)在觸摸屏(HMI)界面設(shè)定參數(shù)，并由PLC讀取HMI參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算從而確定水泵、熱泵等用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行模式及補(bǔ)水控制、加熱控制、供水控制、故障自檢、數(shù)據(jù)讀取等多個(gè)功能模塊。系統(tǒng)主要設(shè)定的數(shù)據(jù)有：水位上下限WH、WL，水箱水溫上限TH,水箱水溫下限TL，溫差上限TD1,溫差下限TD2，數(shù)據(jù)采集間隔TI，熱泵工作極限溫度TX，集熱陣列中的溫度TJ，室外溫度TS，水量以百分比形式顯示，溫度參數(shù)為攝氏度，控制系統(tǒng)的總體控制條件如表1所示[3]116。

表1 系統(tǒng)功能介紹

PLC控制程序由主程序、數(shù)據(jù)讀取子程序、集熱子程序、輔助加熱子程序、供水子程序、故障自檢子程序、數(shù)據(jù)記錄子程序，程序流程如圖3所示。

圖3 控制程序流程圖

3.2 HMI人機(jī)界面設(shè)計(jì)

HMI是用戶(hù)與整個(gè)系統(tǒng)接觸感官最明顯的部分，主要的功能是人機(jī)的信息交互，通過(guò)HMI可以直觀(guān)地看到溫度、水位實(shí)時(shí)信息、各設(shè)備的使用情況，因此人機(jī)界面的設(shè)計(jì)需要做到美觀(guān)、直觀(guān)、淺顯易懂、操作便捷等特點(diǎn)，根據(jù)PLC程序的功能，主要設(shè)計(jì)以下幾類(lèi)畫(huà)面：第一類(lèi)是控制畫(huà)面，包含所有設(shè)備的控制畫(huà)面，方便用戶(hù)快速準(zhǔn)確找到所需要查看的設(shè)備；第二類(lèi)是設(shè)置畫(huà)面，主要是溫度、水位、使用時(shí)間等各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置；第三類(lèi)是實(shí)時(shí)畫(huà)面，該畫(huà)面提供圖表展示傳感器的實(shí)時(shí)溫度；第四類(lèi)是報(bào)警畫(huà)面，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況，當(dāng)檢測(cè)到設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)處理，若系統(tǒng)無(wú)法處理則彈出報(bào)警框并停止設(shè)備的運(yùn)行。部分HMI上的畫(huà)面如圖4所示。

圖4 部分HMI畫(huà)面

4 節(jié)能效益分析

建成的系統(tǒng)在本校一棟210間八百多人的學(xué)生宿舍投入使用之后，通過(guò)統(tǒng)計(jì)其3月6日至4月27日兩個(gè)月的用電量，分析其節(jié)能效益，通過(guò)圖5的用電量統(tǒng)計(jì)可得出，3月6日到4月27日，該棟宿舍樓共用電10 070 kW·h，平均每天用電193.65 kW·h，每間宿舍使用0.92 kW·h /天，每人0.242 kW·h /天，以本地0.54 元/kW·h的電費(fèi)來(lái)算，則能耗成本為0.131元/天，與儲(chǔ)水式電熱水器的0.628 元/天[5]相比，能耗僅為儲(chǔ)水式電熱水器的1/5，節(jié)能效果極其顯著。

圖5 用電量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一套適合用于宿舍、酒店等多人集體住宿的太陽(yáng)能熱水工程，通過(guò)PLC與HMI的為核心的控制系統(tǒng)，保證其高效穩(wěn)定的工作，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)兩個(gè)月的用電量分析，可以得出該系統(tǒng)具體高效、節(jié)能綠色的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單能滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。

[1] 耿立明,劉漫洲,劉雨剛,等. 基于PLC的太陽(yáng)能熱水器的自動(dòng)控制系統(tǒng)[J]. 電氣傳動(dòng),2006,48(11):54-56.

[2] 寇志偉,徐明娜,李文軍,等. 基于PLC的太陽(yáng)能熱水工程水位測(cè)控系統(tǒng)[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2015,28(1):69-72;79.

[3] 寇志偉,徐明娜,李文軍,等. 基于PLC與HMI的太陽(yáng)能熱水工程控制系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(12):114-117.

[4] 藍(lán)良生. 空氣能和太陽(yáng)能供熱的賓館中央熱水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技資訊,2014,12(3):14-15.

[5] 董軍. 儲(chǔ)水式電熱水器能耗測(cè)試方法探討[J]. 家電科技,2011,31(10):66-68.

Design of a PLC and HMI-based Control System for Solar Water Heating for University Dormitories

Xu Yunlong, Zhai Yongquan, Hu Lihua, Chen Xueyong

(Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350007, China)

This paper presents the design of a control scheme for solar water heating based on PLC and HMI, which can effectively utilize the energy absorbed by the solar heat collection array. Using Delta DVP-32ES as core controller and DOP-07S415 touch screen as HMI, we design hardware circuitry and software system. Practical application shows that this highly intelligent system has steady operation and remarkable energy saving effect, and is worthy of popularization in the control application of solar water heating.

PLC; HMI; solar water heating; control system; energy saving

項(xiàng)目基金編號(hào)(JK2013017)，新型振動(dòng)挖掘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.030

TP271

A

1000-3886(2017)02-0098-02

許云龍(1991-)，男，福建德化人，福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)碩士生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電裝備設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

定稿日期: 2016-12-14