基于物聯(lián)網(wǎng)的棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■劉進(jìn)軍

〔河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州450002〕

基于物聯(lián)網(wǎng)的棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■劉進(jìn)軍

〔河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州450002〕

加強(qiáng)可再生能源開(kāi)發(fā)利用，是應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵所在，也是人類(lèi)社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。世界上很多國(guó)家都在努力探求更好地利用可再生能源的模式，棉花秸稈和太陽(yáng)能都屬于可再生能源，我國(guó)適宜種植棉花的區(qū)域廣泛且產(chǎn)棉區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，生物質(zhì)能和太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱是非常理想的供能方式。那么如何組合、控制兩種能源實(shí)現(xiàn)供能系統(tǒng)的最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶(hù)之間的密切互動(dòng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中出現(xiàn)的突發(fā)故障，提升日常的維護(hù)管理水平，這些問(wèn)題的解決是供能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正集成、高效和智能運(yùn)行的關(guān)鍵。

物聯(lián)網(wǎng)是把物體通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的新型通信網(wǎng)絡(luò)，它利用各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，讓所有的物品都能夠被遠(yuǎn)程感知和控制，從而形成一個(gè)更加智慧的生產(chǎn)生活體系。物聯(lián)網(wǎng)是我國(guó)大力培育的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、智慧城市、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。

在此背景下，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱控制系統(tǒng)，它將兩種可再生能源實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的供能互補(bǔ)，并把它和我們周?chē)木W(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，真正實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行。對(duì)我國(guó)產(chǎn)棉區(qū)形成現(xiàn)代化的清潔、高效、低成本供熱模式具有一定的借鑒價(jià)值。

一、基于物聯(lián)網(wǎng)的棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱控制系統(tǒng)構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱控制系統(tǒng)分為本地感知層、本地控制層、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端三個(gè)層次，由太陽(yáng)能集熱器和棉花秸稈鍋爐的各類(lèi)傳感器、信號(hào)傳輸媒介、PLC控制器、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及PC機(jī)和智能手機(jī)等終端設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)架

（一）本地感知層

本地感知層通過(guò)太陽(yáng)能集熱器和棉花秸稈鍋爐的各類(lèi)傳感器、感知和采集系統(tǒng)所有運(yùn)行狀態(tài)信息，包括系統(tǒng)相關(guān)的水溫、水位、壓力、安防裝置、保護(hù)裝置（高壓開(kāi)關(guān)、直流接地等）、計(jì)量裝置（電量/流量）等，通過(guò)有線或無(wú)線的傳輸方式將本地感知層采集到的信息傳輸至本地控制層。

（二）本地控制層

本地控制層是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，PLC控制器用來(lái)接受和處理本地傳輸層發(fā)送來(lái)的信號(hào)，并對(duì)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行顯示和保存并做出相應(yīng)的反饋，同時(shí)提供便捷的人機(jī)交換界面。它還可以將設(shè)備的各種狀態(tài)信息傳輸至遠(yuǎn)程傳輸層，通過(guò)Internet網(wǎng)以及GSM網(wǎng)連接遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，進(jìn)行信息的遠(yuǎn)程傳輸，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)行管理、系統(tǒng)查詢(xún)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

（三）遠(yuǎn)程監(jiān)控終端

用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)、電腦等終端設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，并能隨時(shí)修改控制系統(tǒng)設(shè)定值。當(dāng)真空集熱管爆管，循環(huán)泵、電磁閥非正常停止運(yùn)行，水位超限、溫度超高、控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將預(yù)設(shè)的報(bào)警短語(yǔ)以短信的形式發(fā)送給預(yù)設(shè)的手機(jī)，及時(shí)提醒售后和管理人員。

二、硬件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的核心使用PLC動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和分析用戶(hù)指令，并根據(jù)用戶(hù)指令要求進(jìn)行相關(guān)處理。系統(tǒng)通過(guò)輸入模塊采集系統(tǒng)的水溫、水位、高低點(diǎn)溫度以及水壓等信號(hào)，通過(guò)輸出模塊控制循環(huán)泵開(kāi)關(guān)、電磁閥開(kāi)啟以及秸稈鍋爐的啟動(dòng)等，同時(shí)通過(guò)INTERN模塊、GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

PLC作為控制系統(tǒng)的核心可以提供強(qiáng)大的組態(tài)功能以及良好的擴(kuò)展能力和通信能力，用MPI適配器將PLC的MPI口和適配器的COM口相連，實(shí)現(xiàn)PLC和上位機(jī)之間的通信，通過(guò)MPI通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。運(yùn)行時(shí)信號(hào)通過(guò)接口電路、模擬量擴(kuò)展模塊將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央處理單元CPU能夠識(shí)別和處理的數(shù)字量信號(hào)，并存到輸入映像寄存器中，CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行計(jì)算、線性化處理，將處理結(jié)果傳送到輸出映像寄存器。PLC通過(guò)與設(shè)定值的比較，將輸出接口電路的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、繼電器等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。監(jiān)控系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控相結(jié)合的方法，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采用人機(jī)界面（觸摸屏）和配置有組態(tài)軟件的PC機(jī)作為可視操作界面，將控制室配置有力控組態(tài)軟件的PC機(jī)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到局域網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，選擇抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定和支持標(biāo)準(zhǔn)GSM 07 AT指令集的短信貓模塊，將其作為主處理器與用戶(hù)手機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ胖薪椤?/p>

三、軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)的組態(tài)軟件和下位機(jī)的編程軟件。

組態(tài)軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，是自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。它能以靈活多樣的“組態(tài)方式”進(jìn)行系統(tǒng)集成，可提供良好的開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法。

系統(tǒng)程序采用編程軟件編寫(xiě)，編程軟件具有函數(shù)功能塊，可以從硬盤(pán)導(dǎo)入函數(shù)功能文件。編程方式用梯形圖編程和命令語(yǔ)句編程。兩種方法編制的程序全部以指令表方式儲(chǔ)存在可編程控制器的程序內(nèi)存中，控制系統(tǒng)主流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)主流程圖

系統(tǒng)將預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可容易地實(shí)現(xiàn)和完成本地控制層的各項(xiàng)功能。

四、應(yīng)用情況

以某高校浴池太陽(yáng)能工程為例，系統(tǒng)中用力控組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)的可視操作界面如圖4所示，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，經(jīng)調(diào)試，運(yùn)行穩(wěn)定，可遠(yuǎn)程控制所有泵、電磁閥的開(kāi)關(guān)、實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)保溫水箱的液位、溫度及各種變量的變化，具備完善的故障報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)論何時(shí)何地管理人員都能對(duì)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，及時(shí)解決運(yùn)行中出現(xiàn)的爆管、漏水、氣阻等突發(fā)故障，提高了太陽(yáng)能工程日常的維護(hù)管理水平，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能工程真正的無(wú)人值守，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖4 可視操作界面

五、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)和我們周?chē)木W(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，改變了現(xiàn)有的使用方式，使供熱系統(tǒng)從以往的被動(dòng)控制發(fā)展到能夠主動(dòng)傳遞信息和被遠(yuǎn)程感知和遠(yuǎn)程控制，真正實(shí)現(xiàn)了智能化運(yùn)行和無(wú)人值守。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，棉花秸稈鍋爐+太陽(yáng)能互補(bǔ)供熱控制系統(tǒng)將有廣闊的市場(chǎng)前景?！?/p>