基于臺達PLC與觸摸屏的太陽能供熱監控系統設計

山東科技大學機械電子工程學院 呂帥

1 引言

太陽能熱水系統是目前最成熟的太陽能利用技術之一，具有運行成本低、無污染等優點；但其利用效率受天氣狀況的影響，在陰雨天或者陽光較弱時難以滿足熱水需求，需要增加輔助熱源實現全天候運行?？諝庠礋岜靡原h境空氣作為低溫熱源，具有系統結構簡單、熱效率高等優點；以空氣源熱泵輔助的太陽能熱水機組，可以在太陽能不足的時候利用空氣能制熱水，實現太陽能熱水系統的全天候穩定運行。

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組運行的關鍵是自動控制太陽能與空氣能之間的能量匹配，實現最大限度的太陽能熱利用。目前空氣源熱泵的啟動主要根據水箱內的水溫，沒有綜合考慮光照、水箱水量、用水狀況等因素的影響，降低了太陽能的利用效率。本文以某高校洗浴中心的空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組為研究對象，綜合考慮外部光照條件、水箱溫度、用水時段等多種因素，設計空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的自動監控系統，實現機組全天候自動運行，有效節約了能源。

2 空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組工作原理

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的工作原理如圖1所示，該機組包括太陽能集熱系統、空氣源熱泵系統、水箱自動上水系統、用戶供水系統、防凍循環系統五個部分。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組工作原理

2.1 太陽能集熱系統

太陽能集熱系統采用平板式集熱器吸收太陽能加熱工質，當集熱器出口溫度T1與換熱器水溫T2的溫差達到系統設定的啟動溫差ΔT1時，即T1-T2≥ΔTs1啟動循環泵P1開始溫差循環；當二者溫差值降低到系統設定停止溫差ΔT2時，即T1-T2≤ΔT2，停止循環泵P1；通過太陽能集熱器與水箱之間的溫差循環，不斷將集熱器吸收的太陽能熱量傳遞到水箱，使水箱中的水溫度逐漸升高達到洗浴要求的溫度。

2.2 空氣源熱泵系統

當陰雨天光照不足或晚上沒有光照時，單純依靠太陽能無法滿足熱水溫度(如45℃)要求，此時需要開啟輔助熱源空氣源熱泵進行加熱?？諝庠礋岜貌捎玫氖嵌囟妊h系統，當水溫T2低于設定溫度(如45℃)時，根據光照強度、水箱水位等多種條件自動啟動空氣源熱泵對水箱中的水加熱，當水溫T2達到設定溫度(如60℃)后，空氣源熱泵系統運行停止。

2.3 水箱自動上水系統

熱水機組的自動上水系統主要根據太陽輻射強度和用戶用水情況自動進行：（1）當處于用水高峰的時間段，且太陽能輻射強度低于某一值時，此時應用空氣源熱泵加熱，保持水箱的水位在滿水位的40%～60%，即水位低于40%時自動上水，水位達到60%時停止上水；（2）太陽能輻射強度大時，保持水箱的水位在70%～100%，在該時間段充分利用太陽能加熱熱水。

2.4 用戶供水系統

用戶供水系統是進行變頻恒壓供水，根據用戶的用水量自動進行調整，保證熱水使用時是恒壓供水。

2.5 防凍循環系統

室外管道(集熱水箱和集熱器之間)在寒冷的冬天可能被凍，因此必須有防凍循環功能；當集熱器溫度(檢測傳感器測溫)T5≤5℃時，啟動循環泵P2和P3，進行空氣源熱泵系統和用戶供水系統的防凍循環，防止管路結凍。

3 熱水機組監控系統設計

3.1 PLC控制系統硬件設計

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的控制系統以臺達PLC為核心，主要實現溫度、水位、壓力、功率等信息的實時監測與控制，PLC控制系統的原理如圖2所示。圖中，T為溫度傳感器Pt100，其中T1檢測太陽能集熱器出口溫度，T2檢測水箱的水溫，T3檢測管道溫度；h為投入式靜壓水位傳感器，檢測水箱的水位高度；Q為流量傳感器，檢測用水的流量；P1與P2為功率變送器，分別檢測太陽能熱水系統和熱泵熱水系統消耗的功率。溫度信號采用DVP04Pt模塊采集，對應檢測范圍為0～600℃，轉換為數字量信號為0～6000。水位、流量等傳感器輸出標準信號4～20mA，采用DVP04AD模塊采集，轉換為數字量信號為0～8000?？刂葡到y的輸出采用繼電器輸出方式，根據各傳感信號控制循環泵1、泵2、熱泵以及上水電動閥的啟停。

圖2 PLC控制系統的原理圖

3.2 熱水機組控制策略研究

（1）溫度控制策略

空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的溫度控制是通過集熱器與水箱的溫差循環，以及空氣源熱泵的輔助加熱，實現水箱的水溫大于某設定溫度(如45℃)。控制策略圖如圖3所示。

圖3 溫度控制策略

（2）水位控制策略

熱水機組的自動上水根據時間和太陽輻射強度分為兩種情況：（1）處于用水高峰的時間段(16:00～20:00)時，水箱的水位保持在30%～60%，即水位低于30%時自動上水，水位達到60%時停止上水；（2）其他時間段水箱的水位保持在60%～100%。

3.3 觸摸屏組態軟件設計

觸摸屏選用DVP-B07S411，與PLC通過串行通訊接口RS485進行通訊，PLC與觸摸屏之間的傳輸速率為19.2Kbps。系統的被控量有水箱的液位、壓力、溫度，管道溫度，光照強度，功率等。所有的被控量都通過觸摸屏進行實時監控。監控主頁面如圖4所示。

圖4 主控界面

主控界面還包括溫度顯示畫面、液位顯示畫面、報警畫面、PLC監控畫面、參數設置頁面、HMI設置、屏幕保護程序等實時監控更改系統的運行情況。

4 結論

太陽能空氣源熱泵熱水機組是一種新型節能產品，以太陽能和環境空氣作為熱源，可以取之不盡，用之不竭，是一種可替代鍋爐的供暖設備和熱水裝置。試驗分析了太陽能空氣源熱泵熱水機組的工作原理，應用PLC設計了該臺熱水機組的控制系統。經驗證該系統實現了信號的自動采集與處理、補水及溫差的自動循環，實現了熱水機組的全自動運行，且系統運行穩定可靠，對其他控制系統的設計也具有一定的參考價值。