臺(tái)達(dá)ES2系列CPU、PLC在太陽能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

摘 要：節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，開發(fā)利用清潔、環(huán)保的可再生能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。太陽能以其儲(chǔ)量豐富、安全可靠、清潔無污染等優(yōu)勢(shì)，成為世界各國(guó)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、環(huán)境惡化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要選擇之一。利用臺(tái)達(dá)PLC對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低運(yùn)行成本。此系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，安裝運(yùn)行成本低，具有很強(qiáng)的推廣性。

本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，適用于需要熱水供應(yīng)的場(chǎng)合，比如辦公大樓，賓館洗浴等，尤其適合太陽能資源比較豐富的地區(qū)?？刂葡到y(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DVP40ES2 PLC、DVP04PT-E2、DVP04AD-E2，臺(tái)達(dá)人機(jī)界面 HMI B07S515。本系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，尤其是恒溫出水的設(shè)計(jì)節(jié)約了大量水資源，集熱循環(huán)的設(shè)計(jì)使得太陽能熱水高效循環(huán)進(jìn)入水箱，輔助熱源的加入很好的解決了太陽能資源不足天氣情況下的熱水供應(yīng)。

臺(tái)達(dá)系列人機(jī)界面，臺(tái)達(dá)ES2系列CPU、臺(tái)達(dá)PT-E2系列溫度控制模塊，臺(tái)達(dá)AD-E2系列模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量模塊、太陽能集熱器、電熱絲（或空氣源熱泵等其它輔助熱源）、保溫水箱、洗浴控制泵、集熱循環(huán)泵、電磁閥、溫度傳感器、液位傳感器、功率變送器等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

（1）自動(dòng)上水

水箱內(nèi)裝液位傳感器p，水箱內(nèi)水低于一定值時(shí)（20%），自動(dòng)補(bǔ)水閥上電，水箱自動(dòng)補(bǔ)水，水位達(dá)到設(shè)定值時(shí)（90%），自動(dòng)補(bǔ)水閥斷電，自動(dòng)補(bǔ)水停止。

（2）集熱循環(huán)

當(dāng)集熱器出水口水溫（出水口安裝溫度傳感器）高于水箱內(nèi)水溫，達(dá)到PLC設(shè)定啟動(dòng)溫差（6-10攝氏度）時(shí)，集熱循環(huán)泵啟動(dòng)；集熱水箱中的低溫水進(jìn)入到真空管集熱器組中，集熱器中的相對(duì)高溫水循環(huán)到集熱水箱中，使水箱中的水溫升高。當(dāng)溫差值降低到系統(tǒng)設(shè)定停止溫差時(shí)（1-3攝氏度），循環(huán)泵停止，集熱循環(huán)停止。如此反復(fù)進(jìn)行，逐漸將熱量傳遞到水箱，使水箱中的水溫度逐漸提升，直到達(dá)到洗浴要求的溫度。

（3）管路恒溫出水

恒溫回水管路循環(huán)主要是針對(duì)室內(nèi)的洗浴熱水管道而言，為了保證洗浴時(shí)一開噴頭閥門即有熱水，同時(shí)減少無效冷水的浪費(fèi)，必須安裝熱水回水管路，采取管路循環(huán)措施。管路循環(huán)采用定溫循環(huán)方式，在室內(nèi)熱水回水管路中適當(dāng)位置安裝溫度檢測(cè)傳感器和循環(huán)泵，設(shè)置一個(gè)溫度范圍來控制泵的運(yùn)行。當(dāng)管道內(nèi)水溫低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)洗浴管道循環(huán)泵，將管路中的低溫?zé)崴蛉氡厮?，?dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，管道循環(huán)泵停止運(yùn)行。

（4）恒溫控制

當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于一定值時(shí)，集熱器不能達(dá)到洗浴熱水的溫度要?dú)?，此時(shí)開啟水箱內(nèi)電加熱或其它輔助熱源（空氣源熱泵），以實(shí)現(xiàn)任何天氣條件下都能保證有熱水供應(yīng)的要?dú)狻?/p>

（5）冬季防凍循環(huán)

室外管道（保溫水箱和集熱器之間）在寒冷的冬天可能被凍，因此必須有防凍循環(huán)功能；當(dāng)集熱器溫度（檢測(cè)傳感器測(cè)溫）低于一定值（2-5攝氏度）時(shí)，啟動(dòng)集熱循環(huán)泵，將保溫水箱中的熱水打進(jìn)集熱器，防止管路結(jié)凍。

系統(tǒng)上位機(jī)選用HMI b7s515型號(hào)觸摸屏以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的可視化監(jiān)測(cè)與控制，下位機(jī)選用臺(tái)達(dá)系列PLC，主機(jī)CPU選用DVP40ES2，溫度模塊選用04PT-E2，AD模塊選用04AD-E2。擴(kuò)展模塊還可加入功率變送器，監(jiān)測(cè)電磁閥，循環(huán)泵以及輔助熱源的功率，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框架示意圖

（1）溫度傳感器所測(cè)得溫度相關(guān)信號(hào)經(jīng)PT模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后傳回PLC的CPU，PLC的狀態(tài)反應(yīng)到觸摸屏上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖3所示。

圖3 溫度傳感器PT100與DVP04PT模塊的外部接線圖

（2）水箱液位傳感器測(cè)得電信號(hào)后，經(jīng)液位變送器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)后，經(jīng)AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)傳回PLC，PLC根據(jù)設(shè)定值做出判斷，控制水箱電磁閥的開啟與斷開，如圖4所示。

圖4 液位變送器與04AD-E2模塊的外部接線圖

另外，各溫度傳感器的測(cè)量溫度直接代表各個(gè)組成部分的溫度，以此來控制系統(tǒng)的運(yùn)行，因此，溫度傳感器的安裝位置極其重要。溫度傳感器安裝處的水溫必須能代表所測(cè)部分的平均溫度。

（1）WPL Soft開發(fā)PLC控制程序

WPL Soft為臺(tái)達(dá)電子可編程控制器DVP系列在Windows存在系統(tǒng)環(huán)境下所使用的程序編程軟件，臺(tái)達(dá)PLC采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是溫度、液位的比較，通過PLC的比較指令可方便的實(shí)現(xiàn)。

各擴(kuò)展模塊讀取參數(shù)的頻率、精度是本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，臺(tái)達(dá)PLC提供的溫度控制模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊可以輕松的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化精確控制。

（2）觸摸屏人機(jī)界面（HMI）程序

觸摸屏替代鼠標(biāo)及鍵盤部分功能，安裝在顯示屏前端的輸入設(shè)備，是人與控制系統(tǒng)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，包括遠(yuǎn)距離的信息傳遞與控制，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。在PLC控制程序中加入開關(guān)量，與HMI的寄存器相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)HMI與PLC的關(guān)聯(lián)，如圖5所示。

圖5 PLC程序控制集熱循環(huán)泵的啟動(dòng)與停止

本應(yīng)用通過臺(tái)達(dá)PLC及其觸摸屏實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制及其監(jiān)測(cè)，輔助熱源的加入解決了單一太陽能受天氣狀況影響大的缺點(diǎn)（若輔助熱源選用空氣源熱泵，則系統(tǒng)較之電加熱具有顯著的耗電量低、安全、舒適、綠色環(huán)保、低碳的優(yōu)點(diǎn)）。

控制系統(tǒng)上，加入了溫度、液位、功率等多個(gè)參數(shù)，反映到觸摸屏上實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行系統(tǒng)的重要參數(shù)可視化監(jiān)控。使用戶對(duì)水箱內(nèi)水溫度，洗浴熱水溫度、水箱內(nèi)水量，系統(tǒng)耗電量等多項(xiàng)參數(shù)有明確的掌握。實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)保養(yǎng)方便，可推廣性極強(qiáng)，尤其適合賓館洗浴、辦公大樓等場(chǎng)合的熱水供應(yīng)。此外，還可根據(jù)冬季室內(nèi)取暖的要求，自動(dòng)控制適宜溫度的熱水進(jìn)入暖氣管道，實(shí)現(xiàn)洗浴、采暖兼容的熱水控制系統(tǒng)，如附表所示。

附表 本系統(tǒng)與普通太陽能熱水系統(tǒng)對(duì)照表