基于PLC 與觸摸屏的太陽(yáng)能熱水工程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊坤++寇志偉++李揚(yáng)++陳杰

摘要：針對(duì)北方地區(qū)現(xiàn)有大型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)智能化程度低、可靠性差、產(chǎn)熱量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，以太陽(yáng)能熱水工程水箱水位、水溫為主要研究對(duì)象，研究基于PLC與觸摸屏的智能化測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC為控制器，上海步科的eView工業(yè)觸摸屏為人機(jī)界面，編寫了相應(yīng)的控制程序與組態(tài)畫面，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的智能化控制。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，該系統(tǒng)具備了運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)交互性好、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC；觸摸屏；變頻器；太陽(yáng)能熱水；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0264-03

Abstract： In view of the existing large solar hot water system in northern ， Its disadvantage is that the intelligent degree is low， poor reliability， heat yield is not stable and so on ， solar hot water engineering water tank as the main research object， the research based on PLC and touch screen of intelligent water level measurement and control system， the system selects the Siemens S7-200 PLC as the controller， selects the eView industrial touch screen of Shanghai buke company as human-computer interface， writes the corresponding control program and configuration， implements the control system of intelligent control. Laboratory tests show that the system has the advantages of stable operation and good man-machine interactive and high degree of intelligence ， has great application value.

Key words： PLC；Touch screen；Frequency converter；Solar hot water；Control system

目前，人們利用太陽(yáng)能最普遍的形式是利用太陽(yáng)能加熱冷水。經(jīng)過多年的發(fā)展，太陽(yáng)能熱水技術(shù)已成為在太陽(yáng)能熱利用技術(shù)上最成熟、最具經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。在歐洲許多國(guó)家，太陽(yáng)能熱水利用不僅僅局限于居民的家庭用水，政府通過建造大型的太陽(yáng)能熱水工程來為城市供應(yīng)熱水，其應(yīng)用范圍更加廣泛，使用更加便捷。相對(duì)于其他形式的能源熱水，太陽(yáng)能光熱利用在能源消耗、環(huán)境污染方面都有很大優(yōu)勢(shì)，并且更加符合綠色環(huán)保能源的理念。我國(guó)應(yīng)用于住宅的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)有很多類型，可是和建筑的匹配度并不高，控制形式單一，集成化程度較低。

PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)能力好等特點(diǎn)，不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的功能，而且可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，把模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)智能控制。PLC可以應(yīng)用開關(guān)量的邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、模擬量控制、數(shù)據(jù)處理、過程控制、通信及聯(lián)網(wǎng)等方面，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用。PLC的最佳搭檔工業(yè)觸摸屏是操作人員與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行對(duì)話和相互作用的交互設(shè)備，可以用字符、圖形和動(dòng)畫顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)，操作人員可以通過其來控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，是PLC控制系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備[1]。變頻器是由計(jì)算機(jī)控制大功率開關(guān)器件將工頻交流電變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的三相交流電的電氣設(shè)備，用以驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，基于PLC的變頻調(diào)速系統(tǒng)綜合了PLC與變頻器的諸多優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制上得到了廣泛的應(yīng)用[2]。本文根據(jù)集中供熱系統(tǒng)的理念，采用PLC、工業(yè)觸摸屏與變頻器控制太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的方式，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水工程的智能化控制。

1 太陽(yáng)能熱水工程概述

太陽(yáng)能熱水工程是利用太陽(yáng)能集熱器收集太陽(yáng)能量，通過循環(huán)系統(tǒng)，將太陽(yáng)能集熱器的熱量傳遞給水，將水加熱后根據(jù)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)設(shè)定收集存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱單元中，為用戶提供所需要的熱水。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、管道循環(huán)系統(tǒng)、貯水箱、控制系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)五部分組成，如圖1所示。集熱裝置中吸熱元件是全玻璃真空太陽(yáng)能集熱管，它對(duì)太陽(yáng)光的吸收率高達(dá)93%以上，可以有效地利用太陽(yáng)能熱，循環(huán)泵通過管道把儲(chǔ)水箱中的水循環(huán)進(jìn)入集熱器，加熱后通過循環(huán)管道流回儲(chǔ)水箱，使貯水箱的水溫逐漸升高，控制系統(tǒng)采集集熱器的液位信號(hào)和儲(chǔ)水箱的液位、溫度信號(hào)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)加熱程序給儲(chǔ)水箱補(bǔ)償加溫，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后自動(dòng)停止，讓使用水始終保持同一溫度，輔助加熱系統(tǒng)主要在陰雨天和無陽(yáng)光時(shí)啟動(dòng)。

構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)電氣線路采用PLC驅(qū)動(dòng)交流接觸器或繼電器控制水泵、電磁閥等現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備的形式[3]?？紤]到水泵的工作負(fù)荷及系統(tǒng)的可靠性，上水泵M1由接觸器KM1控制運(yùn)行；集熱循環(huán)泵M2由接觸器KM2控制運(yùn)行；供水泵M3由變頻器驅(qū)動(dòng)，接觸器KM3控制工頻運(yùn)行，KM4控制變頻運(yùn)行；輔助熱源裝置由接觸器KM4控制運(yùn)行，如圖2所示。

2）系統(tǒng)控制電路

根據(jù)S7-200PLC與eView觸摸屏的接口電氣特性，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制電路如圖3所示。eView觸摸屏電源與PLC主機(jī)的輸入點(diǎn)采用直流24V電源供電，以RS485串行通信方式通信。CPU224工作電源及輸出接觸器線圈采用交流220V電源供電。PLC主機(jī)的I0.1、I0.2、I0.3分別輸入熱繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)信號(hào)，作為水泵工頻運(yùn)行時(shí)發(fā)熱報(bào)警的輸入信號(hào)。I1.0、I1.1分別輸入變頻器的30A、Y5信號(hào)，作為變頻器的報(bào)警信號(hào)及運(yùn)行監(jiān)視信號(hào)輸入。Q0.0～Q0.4輸出繼電器信號(hào)，控制系統(tǒng)的閥泵接觸器。Q0.7、Q1.0分別接變頻器的X1端、FWD端控制變頻器的運(yùn)行。

2.2 控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序分為三個(gè)部分分別為主程序、各個(gè)子程序和中斷程序。其中主程序包括系統(tǒng)初始化、邏輯運(yùn)算、保護(hù)條件、工作模式選擇等。子程序包括液位顯示、啟動(dòng)保護(hù)、手動(dòng)運(yùn)行等。利用中斷功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緊急停止，每掃描一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期，然后返回到保護(hù)條件判斷程序。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

PLC端口0利用RS485串行通信電纜與觸摸屏COM0/COM2口連接，端口1利用PC/PPI電纜與編程PC連接，設(shè)置地址及通信格式。選取100cm高度的保溫水箱及其配套設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，在PLC程序中設(shè)定下限水位20cm，上限水位180cm，溫差循環(huán)啟動(dòng)溫度5℃。在觸摸屏控制界面輸入水箱水位（H）為126cm，水箱水溫（T）為36.4℃，選擇不同的水箱水位、溫度和集熱器溫度測(cè)試。

經(jīng)過工程測(cè)試，設(shè)計(jì)了由手動(dòng)、溫控、自動(dòng)運(yùn)行模式組成的主要工作方式及由超限、故障、空轉(zhuǎn)、干燒、防凍、高溫保護(hù)措施組成的保護(hù)方式，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過觸摸屏指令選擇主要工作方式。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)采用PLC、變頻器與工業(yè)觸摸屏對(duì)儲(chǔ)水箱的溫度和水位進(jìn)行控制，充分利用了PLC小型可靠和變頻器響應(yīng)快速的特點(diǎn)，通過工業(yè)觸摸屏實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽、實(shí)時(shí)控制等功能?？刂葡到y(tǒng)在實(shí)際操作過程中，運(yùn)行效果良好，達(dá)到了預(yù)期要求。在太陽(yáng)能熱水工程應(yīng)用領(lǐng)域中，控制過程的自動(dòng)化處理以及良好的人機(jī)界面，便于操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上及時(shí)調(diào)整參數(shù)，可以使運(yùn)行系統(tǒng)更加安全可靠，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及，太陽(yáng)能熱水工程必將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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