趙洋　李楊　楊坤　徐小建　陳杰

摘要：針對(duì)北方地區(qū)所使用的太陽(yáng)能熱水工程控制不穩(wěn)定、設(shè)備安排不合理以及智能化程度低等特點(diǎn)。結(jié)合北方地區(qū)特有情況設(shè)計(jì)了一套水位、水溫的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的西門(mén)子S7-200 PLC，進(jìn)行了一定的計(jì)算，編寫(xiě)了相應(yīng)的控制程序。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、實(shí)用性廣、節(jié)能效果明顯等特點(diǎn)，對(duì)于推廣市場(chǎng)有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水工程；監(jiān)控系統(tǒng)；S7-200 PLC；控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）18-0198-03

Design of Water Level Measurement and Control System for Solar Water Heater

ZHAO-Yang，LI Yang，YANG Kun，XU Xiao-jian，CHEN Jie

（Engineering Training Center， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China）

Abstract：The solar water heating system used in the northern region of the unstable control， the unreasonable equipment arrangement and the lower intelligent level . The monitoring system of water temperature and water level， a set of design combined with the unique situation in North area. The system uses SIEMENS PLC S7-200 which is the most widely used today. Some calculations are carried out， and the corresponding control program is compiled. Experimental results show that the system has the characteristics of high stability， wide practicability and obvious energy saving effect. It has a very high practical value to the market.

Key words：Solar water heating project；monitoring system；S7-200 PLC；Control system

1 概述

太陽(yáng)能，是指太陽(yáng)的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說(shuō)的太陽(yáng)光線。太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，是取之不盡、用之不竭的自然能源，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染[1]。為人類(lèi)創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類(lèi)進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代。目前為止，人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)能的利用已經(jīng)比較成熟，在很多領(lǐng)域都在使用太陽(yáng)能。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的生活水平的不斷提高，對(duì)生活質(zhì)量有了更高的要求，熱水成為了人們健康生活不可缺少的部分，但是對(duì)熱水的需求就必然意味著大量的消耗，為了減小能源的消耗，太陽(yáng)能熱水工程便應(yīng)運(yùn)而生了，而北方地區(qū)的太陽(yáng)能熱水工程就是個(gè)很好的例子。因此，該設(shè)計(jì)從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)北方地區(qū)的氣候特點(diǎn)進(jìn)行了基于PLC與觸摸屏結(jié)合的太陽(yáng)能熱水工程水位以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

太陽(yáng)能熱水工程是太陽(yáng)能熱利用中最具有代表性的一種裝置， 它利用真空集熱管的集熱性能好、承壓能力大、耐冷熱沖擊、抗冰雹等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)將太陽(yáng)能收集起來(lái)，加熱管道中的水，加熱后的水通過(guò)管路輸送至儲(chǔ)熱水箱，當(dāng)用戶(hù)需要水時(shí)為之提供所需熱水，與燃?xì)狻?電熱水器相比較，既安全又節(jié)能。

2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及硬件的選型直接決定了本次設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，根據(jù)控制的要求以及對(duì)安全性能的考慮設(shè)計(jì)出如圖1所示的結(jié)構(gòu)[2]。首先我們需要對(duì)集熱器、水箱的水位進(jìn)行監(jiān)控以確保發(fā)生溢出或缺水的現(xiàn)象發(fā)生。其次，還需要對(duì)集熱器、水箱的水溫進(jìn)行監(jiān)控防止水溫過(guò)熱或過(guò)冷現(xiàn)象的發(fā)生。最后，我們還需要對(duì)變頻器、循環(huán)泵、電加熱器等器件進(jìn)行控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，以確保達(dá)到最優(yōu)。

3 控制系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱水工程的控制系統(tǒng)如圖2所示，集熱器與水箱上下分布，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)控制循環(huán)泵用以協(xié)調(diào)水箱的水溫，當(dāng)水箱中的水溫低于我們所需的設(shè)定值時(shí)，循環(huán)泵開(kāi)始工作，將水箱中的低溫水輸送到集熱器中進(jìn)行加熱，直至達(dá)到我們所需的設(shè)定值；當(dāng)水箱中的水溫高于我們所需的設(shè)定值時(shí)，循環(huán)泵停止工作，水箱中的高溫水會(huì)隨著時(shí)間的推移，溫度逐漸降低，直到溫度再次低于設(shè)定值后，循環(huán)泵又開(kāi)始工作。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心部件為西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200系列的PLC，使用EM235模擬量擴(kuò)展模塊與之配合使用。通過(guò)5000G11S/P11S變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)給水流量的控制，在Eview ET070觸摸屏上我們可以直觀的監(jiān)測(cè)到我們所需要的每個(gè)數(shù)據(jù)[4-6]。本次設(shè)計(jì)中還使用到了0-100ml的液位變送器以及0-100℃的溫度變送器來(lái)進(jìn)行水位、溫度的數(shù)據(jù)采集。各類(lèi)水泵以及集熱器為市場(chǎng)上普遍使用的型號(hào)。

4.1系統(tǒng)主電路

采用基于PLC與觸摸屏相結(jié)合的控制方式[4-6]，通過(guò)控制水泵以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)使用上水泵和循環(huán)泵配合工作以保證用戶(hù)水量充足，分別用接觸器KM1，KM2控制，變頻器KM3接觸器控制來(lái)控制水流速度，配合輔助加熱裝置由KM4控制共同組成主電路。

4.2系統(tǒng)控制電路

根據(jù)S7-200 PLC與觸摸屏的電氣特性，設(shè)計(jì)了如圖4的系統(tǒng)控制電路[3]。PLC與觸摸屏均采用直流24V供電，以RS485串行通信方式通信，輸出接觸器線圈采用交流220V電源供電。PLC主機(jī)的I0.2、I0.3分別輸入熱繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)信號(hào)，I0.0、I0.1為點(diǎn)動(dòng)按鈕。Q0.0-Q0.3輸出繼電器信號(hào)，控制系統(tǒng)的閥泵接觸器，Q0.4-Q0.5為電源指示燈和電加熱器指示燈。

5控制方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)旨在針對(duì)太陽(yáng)能熱水工程中水箱水位、水溫的監(jiān)控，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)了很好的人機(jī)界面交互，能夠?qū)崟r(shí)精確的采集每個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)各個(gè)指示燈的亮滅也達(dá)到了對(duì)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[7-8]。本次設(shè)計(jì)具有完善的保護(hù)、報(bào)警以及對(duì)突發(fā)情況的緊急處理設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)人性化的同時(shí)，也提高了安全保障。

5.1液位控制單元

（1）控制要求

水箱注水階段中，我們必須對(duì)水箱液位進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)水位低于10%總?cè)萘繒r(shí)開(kāi)始注水，而當(dāng)達(dá)到90%總?cè)萘亢笸Ｖ棺⑺⑺昂罅粲?0%的余量，以保證突發(fā)狀況影響液位。注水過(guò)程中，水流量的速度也要保持穩(wěn)定，注水速度太快容易使水溢出，注水太慢又達(dá)不到人們對(duì)水的需求。因此需要對(duì)水箱的注水進(jìn)行精密的控制，以滿(mǎn)足人類(lèi)的需求。

（2）控制方案設(shè)計(jì)

對(duì)于水箱，主要通過(guò)水泵對(duì)水箱注水，根據(jù)液位傳感器在對(duì)水箱液位的檢測(cè)，進(jìn)而反饋給PLC的PID控制器，經(jīng)過(guò)PID算法調(diào)節(jié)變頻裝置控制水泵閥門(mén)開(kāi)度的大小，最終使水箱的液位達(dá)到設(shè)定的要求，如圖5所示。

5.2溫度控制單元

1）控制要求

除了對(duì)水箱液位的精確控制外，對(duì)溫度進(jìn)行的控制也是比較重要的。我們所獲得的水溫必須滿(mǎn)足我們自身的需要，過(guò)熱或者過(guò)冷都不太適合我們?nèi)梭w。對(duì)水溫的控制不僅需要控制水的溫度進(jìn)行控制還必須調(diào)節(jié)冷、熱水管流量的大小，進(jìn)而影響輸出的溫度，滿(mǎn)足要求。

2）控制方案設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的控制不僅需要對(duì)溫度控制，還必須對(duì)水流量進(jìn)行控制，所以采用溫度—流量串級(jí)控制系統(tǒng)，這樣可以確保對(duì)的溫度精確要求，如圖6所示。

3）控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序采用STE P7-Micro/WIN SP9編程工具編寫(xiě)，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求程序由主程序與各子程序組成，子程序中包含溫控子程序、水位子程序、顯示子程序、顯示子程序、保護(hù)與報(bào)警子程序組成。主程序流程見(jiàn)圖7所示。

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)通過(guò)具體的實(shí)例來(lái)說(shuō)明利用PLC與觸摸屏相結(jié)合的北方地區(qū)太陽(yáng)能熱水器的利用，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)熱水器的水位、水溫。PLC以其體型小巧、使用靈活和通用性強(qiáng)成為本次實(shí)驗(yàn)的首選，P其中的PID調(diào)節(jié)器能夠很好地實(shí)現(xiàn)了我們所需要的功能。控制系統(tǒng)在實(shí)際操作過(guò)程中，運(yùn)行可靠，效果甚佳，失誤率低等，達(dá)到了預(yù)期要求。在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，良好的人際交互也為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。而且出于節(jié)約考慮，太陽(yáng)能是一種可持續(xù)的能源也必將未來(lái)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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