基于PLC的太阳能光电互补采暖控制系统的设计

1、基于PLC的太阳能光电互补采暖控制系统的设计关珊珊，张天开，孙吉磊，张永勇青岛理工大学 自动化工程学院摘要：随着社会的进步和发展，全球能源危机日益严重，科学用能是解决能源危机的重要手段。本文介绍了可编程控制器为核心的自动控制系统，将太阳能和电热能优化组合，形成高效能源控制系统。关键词：太阳能，可编程控制器，节能Design of solar energy and electric energy complementary heating control system based on PLCGuan Shan-shan，Zhang Tian-kai，Sun Ji-lei，Zhang Yong-

2、yongQingdao Technological University College of Automation EngineeringAbstract：With the development of society, the global energy crisis is growing. The scientific use of energy can be an important means to solve the energy crisis. This paper introduces that solar energy and electric energy are opti

3、mally combined and an automatic control system with PLC as the core is designed. It forms a highly efficient energy control system. Key words：solar energy, PLC, energy saving中图分类号：TP273 文献标识码：B引言能源是人类赖以生存和发展的基本条件。进入2l世纪以来，能源供应的紧张对各国的经济发展和社会生活产生的巨大冲击，全世界都充分认识到节约能源的重要性。科学用能是解决能源危机的重要手段，也是符合我国经济可持续发展的重

4、要原则之一。科学用能以节约为目的，高效，清洁为用能核心。选择存储量大，可再生，清洁的能源，配以先进稳定可靠的控制手段，形成高效能源控制系统，最大程度的利用能源。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。1.方案提出本系统用于我市某学校新能源采暖供热系统的控制。总采暖建筑面积13400，本期采暖建筑面积12000，分为教学楼区、办公楼区、宿舍区、食堂餐厅区。该系统是太阳能为第一热源，太阳能集热板的有效集热，通过介质循环把热量转换到集热水箱，然后，通过循环泵给末端提供热源实现

5、供热。第二热源是辅助电加热机组，是在前者工作效率低下（一般是在天气阴雨、雪没有太阳或者是夜间的时候）的情况下开始启动，辅助太阳能来满足系统所需要的温度。以往采用单片机控制方式，客服控制系统，电气线路复杂，可靠性不高，且人工操作复杂。设计开发PLC、泵组、电加热器及温度传感器等组成的智能控制系统，PLC通过分析传送信号，输出信号来控制泵组以及电加热器的运行状态，可以实现系统全面智能控制。控制系统结构力求简单，提高运行可靠性，最佳可再生资源匹配，减少电力能源的消耗。2.控制系统的功能设计2.1模式说明：两种操作模式确保系统连续运行：一是全自动运行模式；二是半自动运行模式。正常情况下，系统全自动运行

6、；当一些特殊情况出现（如天气异常，用户有特殊要求）或传感器等输入部件出现故障时，可转入半自动(手动)模式，确保热水连续供应。2.2控制说明：当太阳能热水温度>50时控制器启动水泵，水进入集热器交换热量，并将集热器的热水压入水箱，水箱上部水温高、底部水温低，底部冷水再进入集热器加热，构成一个循环。当太阳能热水温度<40时水泵停止工作。当储热水箱的供水水温>45时，可开启循环。当阴雨雪天或夜间太阳能供热不足时，恒温电热采暖器自动开启恒温电补加热，循环水缺1电补加热1，保持系统设置的循环水温。当室温恒温达到时，太阳能可利用，则太阳能集热器的热量积储在储热水箱中。当室温恒温下降时，太

7、阳能可利用，则太阳能集热器的热量通过换热器转换到地热盘管中。当室温不需要采暖时，太阳能可利用，则太阳能集热器的热量需要释放到空气当中。2.3保护说明：温度安全保护包括过热保护项目和低温保护项目。过热保护项目有加热体过热保护、导线过热保护和本机过热保护。低温保护项目为低温强行启动保护。3.控制系统设计3.1控制系统硬件设计系统硬件由PLC主机、输入输出模块、传感器及执行器等部件组成，将各种输入信号通过数据总线直接接到计算机输入端口，从而实现数据采集与控制管理功能。可以集中在控制室实时反映各个系统设备的运行情况，查询运行参数和诊断系统故障。目前，PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全

8、的各种硬件装置供用户选用。在全世界上百个PLC制造厂中，比较著名的主要有德国的西门子公司，美国Rockwell自动化公司所属的A-B公司，GE-Fanuc公司，法国的施耐德公司，日本的三菱公司和欧姆龙（OMRON）公司。采用西门子公司的S7-200。S7-200是一种小型PLC，采用整体式结构，体积小，价格便宜，编程方便。并且还配备有许多专用的特殊功能模块，使PLC的功能得到扩展。在该系统中控制方案比较简单，用到的输入输出点数不多，考虑到价格，成本等因素，用西门子的S7-200就完全可以实现这些功能。西门子s7200PLC用CPU224XP型作控制器构成温度控制系统，有集温度采集和数据处理于一

9、身的专用热电偶模块EM231，它是一种智能转换模块，集成有l6位AD转换器，l5位数据位加1位符号位，分辨率达01。模块具有自动线性化处理，冷端补偿功能，不再需要任何外部变送器或外部电路，一个模块就能完成全部数据采集及数据处理功能。EM231模块可以同时接4个热电偶传感器，输入4路温度数据，可以用于多路温度的采集。分别检测温度T1（太阳能热水温度），T2（采暖换热水温度），T3（采暖循环供水温度），T4（采暖循环回水温度）。下图为系统硬件设计结构框图：CPU224XP热电偶模块EM231开关量输入/输出模块状态输入状态输出水泵组电磁阀内外部配电图1：系统硬件设计结构框图Fig1: system

10、 structure of hardware design 3.2控制系统软件设计：软件程序的编写采用模块化结构，主要包括主程序、恒温控制子程序、硬件中断子程序等。下图为系统控制过程流程图：NYYY系统上电模式选择自动模式电手动模式电是否启动太阳能换热水泵是否启动采暖换热出水温度达到设置？关闭一只加热管开启一只加热管N启动采暖循环水泵N结束图2：控制过程流程图Fig2: control flow chart下面就各模块的程序设计作简要说明。模拟信号与数字信号的转换与处理 热电偶采集到温度数据为毫伏级的微弱电信号，要通过变送器将其进行放大、冷端补偿、线性化等处理，变成通用AD转换模块要求的规范的

11、05V模拟电信号，该温度信号经过模数转换，变成PLC能够接收和处理的数字信号。信号是032000数字信号，为了方便以后程序的编程，需要将这种数字信号转换为0100的数字信号。太阳能换热泵控制子系统由T1检测的太阳能热水温度经PLC与选定的换热温度反复比较，当T1=选定的换热温度+5时系统启动太阳能换热水泵，使太阳能热水交换到水箱。水泵由继电器、熔断器控制。当T1检测的温度相当于换热水温=选定的换热水温-10时，即：回水温度下降应停止换热。采暖换热泵控制子系统由T2检测的太阳能储能水箱水温经PLC与选定的采暖换热水温比较，达到选定的换热水温时具备启动水泵循环换热的条件，待命，即：根据机组指令决定

12、是否启动采暖换热。当T2温度低于所选择的运行水温时将停止水泵运行退出换热操作。采暖循环水泵控制子系统当储能水箱温度T2大于采暖换热温度同时储能水箱温度T2大于采暖供水温度选择、在运行状态时才能启动采暖换热水泵，使储能水箱的水交换为采暖热水参与采暖循环。否则只启动采暖循环水泵。电补控制子系统当储能水箱的水温低于所设置的采暖循环水温要求时启动电补。出水温度控制目标是恒温±1。根据设置的出水温度与实际检测的出水温度的1温差由PLC调节加热管的支数实现恒温控制。当出水温度达到设置的出水温度时关闭1支加热管，继续上升每1则再关闭1支加热管，最终达到恒温控制要求。温度安全保护子系统（1）温度安全

13、保护包括过热保护项目和低温保护项目。过热保护项目有加热体过热保护、导线过热保护和本机过热保护。低温保护项目为低温强行启动保护。（2）加热体过热、导线过热、本机过热、出水过热保护采用相应温度的常闭式金属热断路器，温差范围±5，安全温度时高电平输入到PLC并控制电源管理继电器于工作状态，达到保护温度时信号转入低电平并使PLC控制电源管理继电器停止工作、切断电源。（3）高温强行关机 室温上升到40则实施高温保护，无论正在运行时或停止状态均通过电源管理继电器切断加热电源并蜂鸣报警执行高温保护，故障没有解除则不得再次启动。（4）过热保护控制 采用常开型热断路器检测与控制加热体、机内环境、导线、

14、出水等：加热体150过热检测和过热断电保护，信号输入PLC，异常温度时为低电平控制有效；机内60过热检测和过热断电保护，信号输入PLC，异常温度时为低电平控制有效；导线60过热检测和过热断电保护，信号输入PLC，异常温度时为低电平控制有效；出水口热断路器60过热保护与水流传感器串联，信号输入PLC，超温度时低电平有效。（5）低温强行加热 机组在停止状态下，只要是带电待机，系统监测到室温下降到10时则强行启动实施低温保护，系统按时序启动要求启动加热，加热运行30分钟按时序停机要求停止运行。结束语本系统是针对日照充足地区的一种高效节能采暖控制系统。提出并设计了以PLC为核心的智能控制方案，充分利用太阳能，发挥可再生能源的优势，以达到最大效率的节能。本系统比传统采暖系统可以节约能源达到25%。在当前调整能源结构，提高环境质量，对新能源和绿色可再生能源需求较高的形势下，本系统的设计具有广泛和深远的意义。参考文献1 王建华计算机控制技术M北京：高等教育出版社，20032 杨后川 张学民 陈勇SIMATIC S7200可编程控制器原理与应用M 北京：北京航空航天大学出版社，2008.3姚伟太阳能利用与可持续发展J中国能源，2005，27(2)：4647作者简介：关珊珊 女 满族 生于1985.4 青岛