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        基于JAVA的太陽能熱水工程現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的設計

        2018-03-08 08:51:42
        計算機測量與控制 2018年2期
        關鍵詞:系統(tǒng)設計

        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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