趙洋　李楊　楊坤　徐小建　陳杰

摘要：針對北方地區(qū)所使用的太陽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。結(jié)合北方地區(qū)特有情況設(shè)計了一套水位、水溫的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的西門子S7-200 PLC，進行了一定的計算，編寫了相應(yīng)的控制程序。經(jīng)過實驗的驗證，該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、實用性廣、節(jié)能效果明顯等特點，對于推廣市場有很高的實用價值。

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

中圖分類號：TP237 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

太陽能，是指太陽的熱輻射能，主要表現(xiàn)就是常說的太陽光線。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，是取之不盡、用之不竭的自然能源，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染[1]。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。目前為止，人類對太陽能的利用已經(jīng)比較成熟，在很多領(lǐng)域都在使用太陽能。隨著社會的不斷進步，人們的生活水平的不斷提高，對生活質(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，太陽能熱水工程便應(yīng)運而生了，而北方地區(qū)的太陽能熱水工程就是個很好的例子。因此，該設(shè)計從實際出發(fā)，根據(jù)北方地區(qū)的氣候特點進行了基于PLC與觸摸屏結(jié)合的太陽能熱水工程水位以監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。

太陽能熱水工程是太陽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、抗冰雹等獨特的優(yōu)點將太陽能收集起來，加熱管道中的水，加熱后的水通過管路輸送至儲熱水箱，當(dāng)用戶需要水時為之提供所需熱水，與燃氣、 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)計以及硬件的選型直接決定了本次設(shè)計的優(yōu)劣，根據(jù)控制的要求以及對安全性能的考慮設(shè)計出如圖1所示的結(jié)構(gòu)[2]。首先我們需要對集熱器、水箱的水位進行監(jiān)控以確保發(fā)生溢出或缺水的現(xiàn)象發(fā)生。其次，還需要對集熱器、水箱的水溫進行監(jiān)控防止水溫過熱或過冷現(xiàn)象的發(fā)生。最后，我們還需要對變頻器、循環(huán)泵、電加熱器等器件進行控制，使整個控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，以確保達到最優(yōu)。

3 控制系統(tǒng)

太陽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)成一個循環(huán)的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過控制循環(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，循環(huán)泵開始工作，將水箱中的低溫水輸送到集熱器中進行加熱，直至達到我們所需的設(shè)定值；當(dāng)水箱中的水溫高于我們所需的設(shè)定值時，循環(huán)泵停止工作，水箱中的高溫水會隨著時間的推移，溫度逐漸降低，直到溫度再次低于設(shè)定值后，循環(huán)泵又開始工作。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

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]，通過控制水泵以及電動調(diào)節(jié)閥來控制現(xiàn)場的設(shè)備?，F(xiàn)場使用上水泵和循環(huán)泵配合工作以保證用戶水量充足，分別用接觸器KM1，KM2控制，變頻器KM3接觸器控制來控制水流速度，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主機的I0.2、I0.3分別輸入熱繼電器動合觸點信號，I0.0、I0.1為點動按鈕。Q0.0-Q0.3輸出繼電器信號，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

本次設(shè)計旨在針對太陽能熱水工程中水箱水位、水溫的監(jiān)控，通過觸摸屏實現(xiàn)了很好的人機界面交互，能夠?qū)崟r精確的采集每個數(shù)據(jù)，同時各個指示燈的亮滅也達到了對工作狀態(tài)的監(jiān)測[7-8]。本次設(shè)計具有完善的保護、報警以及對突發(fā)情況的緊急處理設(shè)備，在實現(xiàn)人性化的同時，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，我們必須對水箱液位進行設(shè)定。當(dāng)水位低于10%總?cè)萘繒r開始注水，而當(dāng)達到90%總?cè)萘亢笸Ｖ棺⑺?，注水前后留?0%的余量，以保證突發(fā)狀況影響液位。注水過程中，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，注水太慢又達不到人們對水的需求。因此需要對水箱的注水進行精密的控制，以滿足人類的需求。

（2）控制方案設(shè)計

對于水箱，主要通過水泵對水箱注水，根據(jù)液位傳感器在對水箱液位的檢測，進而反饋給PLC的PID控制器，經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié)變頻裝置控制水泵閥門開度的大小，最終使水箱的液位達到設(shè)定的要求，如圖5所示。

5.2溫度控制單元

1）控制要求

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

2）控制方案設(shè)計

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

3）控制程序設(shè)計

PLC程序采用STE P7-Micro/WIN SP9編程工具編寫，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、保護與報警子程序組成。主程序流程見圖7所示。

6 結(jié)論

該設(shè)計通過具體的實例來說明利用PLC與觸摸屏相結(jié)合的北方地區(qū)太陽能熱水器的利用，主要用來監(jiān)測熱水器的水位、水溫。PLC以其體型小巧、使用靈活和通用性強成為本次實驗的首選，P其中的PID調(diào)節(jié)器能夠很好地實現(xiàn)了我們所需要的功能?？刂葡到y(tǒng)在實際操作過程中，運行可靠，效果甚佳，失誤率低等，達到了預(yù)期要求。在太陽能熱水系統(tǒng)中，良好的人際交互也為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。而且出于節(jié)約考慮，太陽能是一種可持續(xù)的能源也必將未來得到更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 寇志偉，徐明娜，李文軍，等.基于PLC與HMI的太陽能熱水工程控制系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動化，2015，37（6）：114-117.

[2] 李文軍，寇志偉，崔嘯鳴，等.北方地區(qū)太陽能熱水工程控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（5）：1149-1150.

[3] 寇志偉，徐明娜，李文軍，等.基于PLC的太陽能熱水工程水位測控系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2015，34（1）：69-72.

[4] 崔劍平，趙振，王秋敏. PLC和觸摸屏在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機械工程與自動化. 2007（04）

[5] 寇志偉，崔嘯鳴，李文軍等.基于 PLC 與觸摸屏的變頻調(diào)速測控系統(tǒng)[J]. 電機與控制應(yīng)用，2014，41（12）：57-60.

[6] 劉文生. PLC與觸摸屏的綜合應(yīng)用[J]. 遼寧師專學(xué)報（自然科學(xué)版）. 2009（01）

[7] 施閣，付存謂，陸偉，李青，饒賓期. 太陽能熱水工程系統(tǒng)熱能計量與監(jiān)測方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2013（01）

[8] 王云剛，陳文燕基于MCGS和PLC的水位自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].測控技術(shù)，2014，33（1）：96-98.

[9] 蘇姍姍，蘇小光.基于PLC的信號采集系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2012，31（9）51-53.