◎董旭 董帥帥 王偉

一、引言

環(huán)境是人類生存和發(fā)展的前提，為我們提供了必要的資源和條件，環(huán)境問(wèn)題是現(xiàn)在的生活中，大家所關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)榄h(huán)境的好壞會(huì)直接影響生活質(zhì)量和健康等一系列問(wèn)題。全球?qū)剂系男枨筮€在不斷擴(kuò)大，全球變暖問(wèn)題不斷加重，近些年，全球多個(gè)國(guó)家都出現(xiàn)了不同程度的罕見(jiàn)高溫，保護(hù)生態(tài)亟須使用更多可再生能源和清潔能源。冬季北方高寒地區(qū)氣溫很低，尤其在夜間或光照條件不好的情況下，要尤其防止管路凍脹的問(wèn)題；冬季對(duì)生活熱水的需求量增大，加之北方冬季太陽(yáng)實(shí)際輻射量偏低，為獲得熱水輸出，既要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)（如加裝電加熱輔熱系統(tǒng)），又要研發(fā)合理的系統(tǒng)運(yùn)行控制策略。本研究旨在為太陽(yáng)能在北方地區(qū)村鎮(zhèn)住宅的應(yīng)用推廣，解決目前太陽(yáng)能系統(tǒng)在北方地區(qū)應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題，促進(jìn)城市居民生活質(zhì)量的提高。本項(xiàng)目依托現(xiàn)有的基于PLC 的小型太陽(yáng)能集熱控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和工作性能，在現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互界面平臺(tái)以外研發(fā)基于LabVIEW 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行于PC 端，提高對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，為改善系統(tǒng)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

二、試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行原理

小型太陽(yáng)能集熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般由太陽(yáng)能熱水箱、集熱器、混合水箱、PLC 控制器組成。系統(tǒng)控制器通過(guò)傳感器對(duì)水箱水溫及室內(nèi)外溫度、光照進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)檢測(cè)反饋信息進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控，采集管道入水出水壓力及水箱液位數(shù)據(jù)確保設(shè)備安全性及出水穩(wěn)定性，編寫模擬量讀取算法完成傳感器與控制器PLC 數(shù)據(jù)通信。當(dāng)光輻射傳感器檢測(cè)到有陽(yáng)光射入時(shí)，將相應(yīng)的電信號(hào)傳送到PLC 控制器中，控制器啟動(dòng)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)管路水循環(huán)，對(duì)流經(jīng)集熱器冷水加熱，然后自來(lái)水和被加熱的水一起進(jìn)入到混合水箱，供用戶使用。當(dāng)光照強(qiáng)度較弱并且溫度較低時(shí)，集熱器中傳感器的檢測(cè)到溫度低于7℃的時(shí)候，將相應(yīng)的電信號(hào)送到PLC 中，啟動(dòng)循環(huán)泵，開(kāi)始電加熱。將PT1000 高溫型鉑電阻溫度傳感器分別放置在太陽(yáng)能儲(chǔ)水箱、集熱器入水出水端，對(duì)對(duì)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，防止溫度過(guò)低時(shí)，造成凍管現(xiàn)象。RG-2 型液位傳感器，用于檢測(cè)水箱中水位深度，不足時(shí)開(kāi)啟水泵進(jìn)行補(bǔ)水，確保熱水供應(yīng)滿足用戶需求。飛思卡爾MPX5700AP 壓力傳感器，置于管網(wǎng)加熱循環(huán)和供水循環(huán)管路的出入水端，監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力，確保系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中管路安全與出水穩(wěn)定。控制器依據(jù)檢測(cè)的信號(hào)輸出控制量，通過(guò)變頻器控制循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，根據(jù)采集得到的溫度數(shù)據(jù)對(duì)水循環(huán)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)從而使混合水箱的水達(dá)到設(shè)定溫度。

三、撒播集熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集熱系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)，控制系統(tǒng)運(yùn)行需要隨著外部環(huán)境、用戶使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，為確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。由于供熱系統(tǒng)控制存在滯后性，基于PLC的自動(dòng)控制方式并不能確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因而系統(tǒng)需要依靠實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)采用手動(dòng)與自動(dòng)控制相結(jié)合的方式。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互界面基礎(chǔ)上，增加了PC 端遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)組多系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線運(yùn)行維護(hù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)效率。

控制器PLC 通過(guò)RS485 通信與HMI人機(jī)交互界面建立信息交互，顯示前端采集數(shù)據(jù)，完成狀態(tài)查詢與參數(shù)的設(shè)定。HMI完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)控太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)集熱循環(huán)和供熱循環(huán)入水出水溫度、混合水箱的出水口溫度，監(jiān)測(cè)循環(huán)加熱的過(guò)程中是否出現(xiàn)了異常。除此之外，還能顯示電磁閥的開(kāi)關(guān)和變頻器的工作頻率等狀態(tài)。人機(jī)交互界面是基于windowsCE 實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行，通過(guò)專門應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的的組態(tài)軟件MCGS 開(kāi)發(fā)，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能，可靠性，成本，體積，功耗等綜合性有比較嚴(yán)格要求的工業(yè)控制領(lǐng)域運(yùn)行系統(tǒng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)性的重要部分，尤其是針對(duì)本項(xiàng)目的太陽(yáng)能集熱控制，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全與熱水供應(yīng)穩(wěn)定，改善用戶體驗(yàn)尤為重要。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于PC 端開(kāi)發(fā)，借助美國(guó)NI 公司LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境，LabVIEW監(jiān)控端通過(guò)GPRS 通信與PLC 和HMI 人機(jī)交互界面建立實(shí)時(shí)通信，顯示前端采集數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)程PC 端的狀態(tài)查詢與參數(shù)的設(shè)定。與現(xiàn)場(chǎng)HMI 人機(jī)交互界面相比，LabVIEW 監(jiān)控系統(tǒng)由于運(yùn)行在PC 端，在運(yùn)行維護(hù)效率方面更具優(yōu)勢(shì)，兩種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是建立和完善小型太陽(yáng)能集熱實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

四、結(jié)論與展望

本文針對(duì)小型太陽(yáng)能集熱實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)，搭建實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)與控制過(guò)程，低溫輔熱與自保護(hù)功能可有效提高系統(tǒng)低溫環(huán)境運(yùn)行性能，提高北方嚴(yán)寒工況下的使用壽命?；贚ab-VIEW 環(huán)境的小型集熱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，極大改善了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，改善用戶體驗(yàn)，具有良好的推廣與應(yīng)用前景。

本論文研究工作得到吉林建筑大學(xué)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目"北方小型太陽(yáng)能集熱控制系統(tǒng)研究"的支持。