基于PLC的太陽能空調控制系統應用研究

■ 宋德勝 潘遠學 朱元吉 張偉

一 引言

目前，利用太陽能進行采暖在國內很多地區已經得到應用，但也存在著系統夏季過熱等問題。利用太陽能驅動空調系統，一方面可以大大減少常規能源及電力資源消耗；另一方面較低的耗電減少了因燃燒煤等常規燃料發電所帶來的環境污染問題，同時還可以很好地解決太陽能采暖夏季過熱的問題。因此，在太陽能熱應用領域，將太陽能采暖與制冷相結合的空調系統已經成為需要研究和解決的課題。

二 太陽能空調系統概述

太陽能空調發展至今，根據其工作方式的不同，大體可分為太陽能電驅動式空調和太陽能熱驅動式空調兩大類[1]。其中，太陽能電驅動式空調主要是利用光伏板將太陽能轉換成電能，然后驅動壓縮機進行工作。由于目前太陽能光伏板的光電轉換效率低于15%且成本高[2]，因此目前研究并投入市場運行的太陽能空調主要還是以熱驅動式為主。

太陽能熱驅動式空調按其制冷原理的不同可以分為吸收式、吸附式、除濕式和噴射式等，其中吸收式制冷根據吸收劑不同又可分為溴化鋰-水吸收式和氨-水吸收式制冷兩種[3]。

三 太陽能空調控制系統設計

目前，將溴冷機應用于太陽能制冷領域是太陽能空調系統的一個發展方向。為了實現太陽能空調系統的穩定運行和精確控制，我們設計了基于西門子PLC的太陽能空調控制系統，該系統主要由上位機監控、下位機數據采集和跟蹤控制等3部分組成。該系統通過MCGS上位機進行系統參數設置，并與PLC下位機控制單元進行實時通訊，從而實現對系統運行狀況的實時監控和對太陽光線的實時跟蹤。其系統結構框架圖見圖1。

1 控制系統硬件設計

該太陽能空調控制系統采用模塊化設計，其主處理單元模塊采用性能優越的西門子PLC。由于系統采集和控制點數較多，因此該控制系統采用兩套PLC分別進行系統參數采集控制和太陽光線跟蹤控制。其中，選用S7-300 PLC對空調系統的各點溫度、管道流量、管道壓力、輻照及各開關量等進行采集，同時完成對室內系統循環泵、電磁閥、電動三通閥等的控制；選用S7-200 PLC主要實現對太陽光線的實時跟蹤。太陽能空調監控系統硬件設計框架圖和跟蹤系統硬件設計框架圖分別如圖2、3所示。

2 控制系統軟件設計

該太陽能空調控制系統設有制冷/制熱兩種工作模式和自動/手動兩種運行方式，可以實現夏季制冷和冬季采暖的相互切換。其中制冷模式和制熱模式又分別包括單太陽能運行、太陽能輔助結合運行和單輔助運行3種子模式，且空調系統的運行模式可以通過上位機界面進行選擇和切換。該控制系統的數據采集與室內控制部分采用模塊化程序設計，具有結構簡單、編程方便等特點，圖4為程序設計流程圖。

該控制系統的跟蹤控制部分采用S7-200 PLC實現對步進電機的精確控制。根據集熱裝置的特點，設計有清洗、復位、正轉、反轉等模式，可以實現對東西兩組集熱裝置的多種控制。同時實時檢測集熱裝置與太陽光線的夾角，并進行相應修正，使太陽光斑始終處于集熱裝置內部。圖5為此跟蹤系統的程序設計流程圖。

四 應用實例

目前，通過與上海交通大學合作，公司已經建成一套基于槽式集熱器的太陽能空調系統，且該系統運行效果良好，能夠滿足空調實驗房夏季制冷、冬季采暖和平時生活用熱水的設計目標。本文所設計的太陽能空調控制系統已經應用于公司現有太陽能空調系統中，其具有良好的人機交互界面、方便的手動/自動控制切換、全自動的系統參數和效率計算等功能，實現了對太陽能空調系統的自動檢測、自動控制、計算與跟蹤。

為了滿足系統需求，公司建有東西兩套槽式集熱裝置，該集熱裝置通過PLC控制步進電機實現對太陽光線的自動跟蹤。目前，該裝置所集能量基本滿足太陽能空調需求，且實際運行效果表明，使用PLC作為跟蹤控制主處理器和閉環控制模式可以得到很好的對日跟蹤效果。圖6為太陽能空調的實際跟蹤運行圖。

五 結論

圖6 太陽能空調實際跟蹤運行圖

太陽能空調系統是日出東方太陽能股份有限公司在太陽能中高溫熱利用上的一次成功嘗試。隨著能源危機和電力供應緊張等問題的不斷加劇，低能耗、零污染、可再生的太陽能空調系統將具有很好的市場需求。本文針對公司現有吸收式太陽能空調系統的特點，設計了一套基于西門子PLC的采集、控制和跟蹤系統。從控制系統的運行效果看，可以滿足太陽能空調運行的各方面需求，且運行穩定、測量控制精度高。