臺(tái)達(dá)ES2系列CPU、PLC在太陽(yáng)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(kāi)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(yáng)能以其儲(chǔ)量豐富、安全可靠、清潔無(wú)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(yáng)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。

1引言

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(yáng)能資源比較豐富的地區(qū)。控制系統(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(yáng)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(yáng)能資源不足天氣情況下的熱水供應(yīng)。

2系統(tǒng)構(gòu)成

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(yáng)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

3系統(tǒng)工作原理及循環(huán)過(guò)程

（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(kāi)噴頭閥門(mén)即有熱水，同時(shí)減少無(wú)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(lái)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洌?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)猓藭r(shí)開(kāi)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。

4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kāi)啟與斷開(kāi)，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(lái)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。

5電氣控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

（1）WPL Soft開(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)程。

系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是溫度、液位的比較，通過(guò)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(pán)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(kāi)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

6結(jié)論

本應(yīng)用通過(guò)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(yáng)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(yáng)能熱水系統(tǒng)對(duì)照表