牛 雨

(山東商業(yè)職業(yè)技術學院 電子信息學院,濟南 250103)

0 引言

工業(yè)的迅速發(fā)展消耗了地球上大量的石油、煤炭等資源，不可再生能源資源面臨枯竭，根據(jù)統(tǒng)計地球上的石油煤炭資源只夠使用200余年，同時石油煤炭資源的燃燒產(chǎn)物會帶來環(huán)境污染，造成土壤層的破壞，空氣的污染，造成溫室效應，導致生態(tài)不平衡。作為世界人口數(shù)據(jù)最多的發(fā)展中國家，能源消耗量巨大，但人均資源占有量遠低于世界其他國家[1-3]。目前中國各地產(chǎn)生的霧霾天氣也表明了我國的能源和環(huán)境問題十分嚴峻。目前比較理想的可替代能源有水能、太陽能、核能、生物能等，太陽能因其儲量巨大，使用面積廣，具有清潔環(huán)保，產(chǎn)生污染較少的特點，受到世界各國的重視，被成為21世紀的能源。我國的太陽能資源豐富，國家對太陽能的發(fā)展也非常重視，提出了太陽能資源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，推出了支持太陽能發(fā)展的行業(yè)政策。

太陽能利用中光熱轉化和光電轉化得到了快速的發(fā)展，主要利用在太陽能熱水系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。近年來太陽能熱水系統(tǒng)因其轉化率較高被廣泛的使用[4-7]。市場上主流的太陽能熱水系統(tǒng)由真空管、水箱、輔助集熱設備等組成，熱水器的發(fā)展也逐漸向熱水工程方向發(fā)展，目前的太陽能熱水系統(tǒng)主要是靠簡單現(xiàn)場控制單元根據(jù)控制邏輯來運行系統(tǒng)，系統(tǒng)遇到突發(fā)情況時，無法集中有效的控制，在熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控軟件采用的是B/S或C/S模式，采用單片機或PLC控制，集中管理的難度較大，系統(tǒng)可移植性差，缺少信息統(tǒng)計分析功能。

本文針對太陽能熱水系統(tǒng)結構簡單、監(jiān)控系統(tǒng)不完善等問題，設計開發(fā)基于JAVA平臺的太陽能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)，具備實時控制、遠程顯示和報警等功能。

1 太陽能熱水工程研究情況

1757年瑞士科學家制造了第一臺太陽能集熱器，1891年美國科學家利用集熱器制造了第一臺太陽能熱水器，早期的熱水系統(tǒng)采用人工操作，到了20世紀80年代出現(xiàn)了單片機的控制系統(tǒng)，后來又研發(fā)了HMI人機交互設備，提高了使用者的操作性。雖然我國的太陽能熱水器的產(chǎn)量居于世界前列，但是整個行業(yè)的科技水平有待提升，從20世紀50年代開始，都是采用引進國外技術進行吸收創(chuàng)新，到了20世紀70年代，才開始加大自身的研發(fā)投入。對于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，目前主要向大數(shù)據(jù)和智能化方向發(fā)展，美國部分太陽能企業(yè)將現(xiàn)場控制趨于集成化，遠程監(jiān)控也采用網(wǎng)頁模式，并逐步向移動端控制方向轉移。我國目前主要還是采用Windows平臺，采用單片機或可編程控制器方式進行控制。張艷軍[5]設計了一套單一工程的太陽能熱水工程和一套多工程移動監(jiān)控系統(tǒng)平臺架構。結合功能需求和性能需求設計并實現(xiàn)了基于Android平臺的太陽能熱水工程移動監(jiān)控系統(tǒng)。設計了客戶端圖形界面、客戶端與服務端網(wǎng)絡通信模塊的設計以及服務端的網(wǎng)絡模型、設計思路等，測試了整體性能以及服務端的吞吐量、能耗及流量分析，提出了相關優(yōu)化策略。廖神海[6]以某醫(yī)院既有太陽能熱水工程為研究對象，基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)平臺為該工程搭建一套監(jiān)控系統(tǒng)。研究結果表明:所設計的監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)對熱水系統(tǒng)運行參數(shù)的實時采集、顯示與保存及遠程網(wǎng)絡訪問和數(shù)據(jù)共享等功能,控制方法可以克服該既有工程設計上的固有缺陷,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定安全運行。目前國內(nèi)的熱水控制系統(tǒng)主要依托Windows平臺，通過PLC+以太網(wǎng)+上位機軟件或單片機+GPRS+上位機等進行開發(fā)，開發(fā)的系統(tǒng)存在界面友好度不夠，穩(wěn)定性有待提高，網(wǎng)頁配置不佳，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控，成本較高等問題。

2 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的設計

目前監(jiān)控軟件開發(fā)的模式主要有B/S和C/S兩種結構，B/S結構相對于C/S結構，具有擴展性較好，升級較為方便，不依托操作系統(tǒng)平臺，能較好的實現(xiàn)實時監(jiān)控和遠程監(jiān)控，并且可以通過瀏覽器來直接處理突發(fā)事件。本系統(tǒng)擬將采用JAVA結構方式，JAVA框架包含Struts、Hibernate、Spring三大系統(tǒng)架構，在程序發(fā)開中的可讀性和拓展性上都有非常明顯的優(yōu)勢。

太陽能熱水系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)是一套不需要人員現(xiàn)場參與的情況下讓系統(tǒng)獨立運行的系統(tǒng)，肩負著與上位機軟件進行交互的作用，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的組成包括集熱器、水箱、加熱器、傳感器等，其運行流程是由水箱中的水通過循環(huán)水泵輸送到集熱器中，如果環(huán)境溫度較低，則可通過輔助加熱設備進行產(chǎn)熱，系統(tǒng)還具備上水和供水功能，大型熱水系統(tǒng)通常還由多個水箱組合而成。設計一套兩個水箱系統(tǒng)的多排太陽能真空集熱管熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 多排太陽能真空集熱管熱水系統(tǒng)

熱水系統(tǒng)設計采用的控制單元主要有主控制器、輸入輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊。主控器采用西門子226CN系列， 其主要特點是速度較快、成本較低，有較為完善的通訊方案，易于操作，具有模塊化設計易于拓展，具備16個DO和24個DI，可以添加7個拓展模塊?，F(xiàn)場主控搭建輸入輸出模塊，選擇S7-EM222M和S7-EM231滿足開關量和模擬量采集要求。傳感器的電壓采集采用標準輸出0～10 V的電壓型號。設計采用以太網(wǎng)通訊技術連接PLC設備。系統(tǒng)采用西門子TP277觸摸屏實現(xiàn)人機交互，可以進行現(xiàn)場的控制，又可以直接對系統(tǒng)進行監(jiān)控，通過設置系統(tǒng)的參數(shù)，可以修改系統(tǒng)運行的基礎參數(shù)。

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC通信協(xié)議，OPC技術以組對象模型技術為基礎，系統(tǒng)采用多線程的異步通信方式，通過實現(xiàn)SCADA層與服務器間的通信。系統(tǒng)軟件設計通常需要滿足可靠性、可維護性、易修改性、實用性、效率性和可擴展性[7-11]。根據(jù)實際需求分析，對監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構進行設計，架構如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構

監(jiān)控系統(tǒng)設計由設備層、現(xiàn)場控制層、通信層和服務器中心軟件構成。設備層主要是由熱泵、閥門、傳感器等組成，現(xiàn)場控制層主要是由8套PLC控制設備組成。通信層主要采用全雙工通信模式的以太網(wǎng)方式，傳輸速率最高可達1 Gb/s。服務器中心軟件包括服務器、軟件和操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)設備運行的流程是由水箱中的水經(jīng)過集熱水泵傳輸?shù)教柲芗療崞髦?，加熱后返回水箱，如果環(huán)境溫度較低，可以通過電加熱器進行加熱，提供熱能。系統(tǒng)還帶有供水和回水回路。太陽能集熱器主要是由太陽能集熱真空管組成，集熱管內(nèi)外兩層為真空，內(nèi)玻璃管表面有吸熱材料，可以吸收太陽能的輻射對水進行加熱，通過熱水和冷水的比重差，在真空管內(nèi)形成上下循環(huán)，提升管內(nèi)的水溫。

用戶管理模塊用于遠程配置和觀察運行信息的權限，管理員通過系統(tǒng)前臺瀏覽太陽能熱水系統(tǒng)工程的實時數(shù)據(jù)，也可以查詢歷史數(shù)據(jù)和對運行控制參數(shù)進行修改，工程師可以進行用戶刪減的管理和用戶信息的驗證。數(shù)據(jù)查詢模塊主要是數(shù)據(jù)的顯示、輸出。故障報警模塊在監(jiān)控到故障信息時，管理人員會收到報警提示，管理人員可通過故障報警模塊掌握現(xiàn)場的運行情況，節(jié)約了管理成本。通信模塊主要通過OPC服務器讀取設備信息，然后將數(shù)據(jù)處理后顯示和儲存到數(shù)據(jù)庫中。對數(shù)據(jù)庫進行設計，首先需要對項目的需求進行分析，圖3為系統(tǒng)的E-R需求分析圖。系統(tǒng)設計的需求主要包括對液位的采集，對壓力、溫度數(shù)據(jù)的采集，開關和泵運行的參數(shù)采集，運行時間的采集等。輸出的數(shù)據(jù)有運行信息、管理員信息、修改時間等。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫需求分析

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

目前軟件開發(fā)語言中C#和Java是較為常見的編程語言，相對于C#語言，Java能夠垮平臺運行，具有較好的移植性，因此系統(tǒng)采用Java語言進行開發(fā)，操作系統(tǒng)采用與OPC兼容更好的windows 2003版本。設計服務器軟件的基本模型如圖4所示。服務器的表現(xiàn)層為Flash顯示、數(shù)據(jù)、圖表等，業(yè)務層主要是交互模塊、管理模塊、通信模塊等。

圖4 服務器軟件基本模型

針對太陽能熱水監(jiān)控網(wǎng)站的特性，設計采用動靜結合的網(wǎng)頁，網(wǎng)站頁面的組成如圖5所示。靜態(tài)頁面不需要與數(shù)據(jù)庫交互，無需進行服務器處理，就可以直接顯示在瀏覽器上，這是網(wǎng)站的最基礎的組成部分，而動態(tài)網(wǎng)頁的展示效果是與底層數(shù)據(jù)庫是相關的，數(shù)據(jù)庫中的信息變化，網(wǎng)頁呈現(xiàn)的效果也會發(fā)生變化。Java語言支持動態(tài)頁面技術，在傳統(tǒng)的HTML語言中加入Java語言，可以動態(tài)的顯示實時效果，采用Ajax技術實現(xiàn)瀏覽器與服務器之間的無縫對接。采用Flash技術和xml方式結合，顯示界面不會造成畫面抖動，呈現(xiàn)畫面質(zhì)量較為穩(wěn)定。

圖5 網(wǎng)站的頁面組成

設計主要的主要的管理模塊：用戶管理模塊的設計主要用于用戶的登陸，用Ajax技術進行格式的檢驗，提示輸入錯誤和重新輸入。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊主要是確認輸入查詢的信息是否正確，如果正確進行數(shù)據(jù)庫比對，然后展示數(shù)據(jù)，如果輸入信息不合格，則返回查詢信息界面。故障報警從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，如果熱泵運行故障，則發(fā)出報警，同時監(jiān)測管路的壓力上下限值，如果超限也會發(fā)出故障報警?，F(xiàn)實模塊主要采用實時動畫顯示和圖表顯示，顯示熱泵、電動閥等運轉情況。

根據(jù)系統(tǒng)架構圖，首先采用SIMATIC.NET搭建OPC服務器， 連接S7-200系列，配置IP和子網(wǎng)掩碼，設定本地TSAP號，配置以太網(wǎng)中的模塊號，完成后進行通信測試，通過OPC服務器查看S7-200的數(shù)據(jù)類型。基本通信流程如圖6所示，采用JeasyOpc設計客戶端，在初始化后建立JOpc對象，調(diào)用JOpc.synchReadItem和JOpc.synchWriteItem進行讀寫數(shù)據(jù)。

圖6 OPC通信流程

OPC客戶端采用JeasyOpc來實現(xiàn)，這種方法容易操作，兼容性好。首先對函數(shù)進行初始化，建立JOpc對象，連接對應的服務器，調(diào)用寫數(shù)據(jù)模塊進行編程，可在OpItem中設置項目信息，具體實現(xiàn)方式如圖7所示。

圖7 Opc客戶端實現(xiàn)方式

4 系統(tǒng)測試

對集熱循環(huán)測試主要考查的是加熱的溫度、水箱溫度、液位和環(huán)境溫度。測試水箱水溫與加熱溫度差值大于5 ℃時，系統(tǒng)是否會自動開始加熱循環(huán)，是否打開水泵；測試水溫差小于3 ℃時，是否關閉水泵；測試集熱管水溫與水箱溫差大于60 ℃時，是否自動關閉水泵，停止水循環(huán)。

測試供水泵供水情況，測試的主要指標是水箱液位和供水時間段，系統(tǒng)首先需要判斷是否處于供水時間段，再進行液位的判斷，最后決定運行的開關狀態(tài)。熱泵的測試主要判斷在溫度高于55 ℃時，熱泵是否關閉，溫度低于45 ℃時，熱泵是否開啟。人機交互設備的測試主要是測試控制器是否能根據(jù)用戶的個性化的設置進行正常的啟動泵和按供水時間供水。

針對實際運行效果進行測試，監(jiān)控軟件的測試是關鍵。通過對OPC與PLC連接建立，實際檢測的數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中可以看出，系統(tǒng)的采集信息與監(jiān)測信息都正常，OPC通信也正常，雖然實際精度值與采集值有微小的誤差，但不影響整個控制系統(tǒng)的正常的運行。其他查詢、導出、顯示功能測試也運行正常。

表1 檢測采集的信息

對軟件系統(tǒng)的測試主要包括物理通信測試、登陸模塊測試、OPC通信模塊測試、數(shù)據(jù)查詢測試、數(shù)據(jù)導出功能測試等。測試中發(fā)現(xiàn)水泵控制策略中系統(tǒng)不明確運行階段，故障處理的優(yōu)先級不明確等問題，通過編程進行修改，選取3個事件來判斷水泵是否開啟，采取設置多個標志位才分析水泵循環(huán)策略，并升級工作日志的功能，通過優(yōu)化后，系統(tǒng)能夠正常運行。

5 結束語

本文簡述了太陽能熱水系統(tǒng)的組成結構和控制系統(tǒng)組成，對太陽能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進行了簡要的介紹，分析了目前市場上的技術存在的問題，結合實際情況，提出了基于Java平臺的太陽能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，系統(tǒng)采用西門子系列的可編程控制器，通過搭建了OPC服務器，建立服務器與控制設備的連接，系統(tǒng)搭建完成后進行現(xiàn)場控制和監(jiān)控軟件部分的測試，進行了策略測試、開關測試和物理通信模塊的測試，發(fā)現(xiàn)了監(jiān)控部分的不足，并提出了解決措施，優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠有效的對太陽能熱水工程的現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。

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