可編程控制器在太陽能冰箱熱回收系統(tǒng)中的應用

王鑫

摘 要：本文主要討論了可編程控制器（PLC）對太陽能冰箱和熱回收系統(tǒng)的綜合控制，突破傳統(tǒng)觀念，利用太陽能，對傳統(tǒng)家用冰箱進行改造，制成能夠?qū)嚎s機制冷系統(tǒng)的熱量回收再利用的綜合能源系統(tǒng)，體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、資源回收再利用等設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 溫度控制模塊2LC 太陽能控制器 冰箱 熱回收

一、系統(tǒng)概況

宏觀地講，太陽能的利用是人類資源開發(fā)利用中新能源與可再生能源開發(fā)的重要內(nèi)容。目前在太陽能利用方面，尤其是太陽能較豐富地區(qū)的人們已經(jīng)開發(fā)了太陽熱水器、太陽灶、太陽房、太陽能干燥、太陽能溫室、太陽能制冷與空調(diào)、太陽能熱發(fā)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)等。將可編程控制器（PLC）作為中央控制器，綜合太陽能發(fā)電、蓄電、制冷系統(tǒng)、盤管水冷原理、PID調(diào)節(jié)控制等技術(shù)，開發(fā)設(shè)計的可編程控制（PLC）太陽能冰箱熱回收系統(tǒng)既利用太陽能制冷，還回收再利用了冰箱系統(tǒng)冷凝器產(chǎn)生的多余的熱量，達到節(jié)約用電、太陽能利用、保護環(huán)境及家用冰箱制冷和產(chǎn)生熱水一機兩用的效果。使用此系統(tǒng)的家庭不但免去了冰箱的電費，而且能免費獲得家庭使用的熱水。

二、系統(tǒng)組成

1.太陽能吸收模塊

該模塊的主要功能是太陽能的吸收、處理和存儲，通常由太陽能板、云臺、太陽能板電壓指示表、太陽能控制器、照度傳感器、輸電線纜和蓄電池等組成。工作過程為太陽能板吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或者光化學效應直接或間接轉(zhuǎn)換成電能（傳統(tǒng)使用的直流電壓較多），再將其產(chǎn)生的電能傳輸向蓄電池進行蓄電。為防止太陽能板或者輸電線路故障造成蓄電池無法蓄電，需要加裝一臺有市電（DC）輸入端口的太陽能控制器，保證系統(tǒng)不會斷電。

2.冰箱模塊

該模塊的主要功能是消耗蓄電池的電能，開啟制冷壓縮機進行制冷工作，并向熱回收系統(tǒng)提供冷凝器產(chǎn)生的熱量。傳統(tǒng)冰箱組成包括冰箱本體、蒸發(fā)器部件、制冷壓縮機、毛細管和散熱器等，集冷凝器、蒸發(fā)器、制冷壓縮機及散熱系統(tǒng)為一體。本系統(tǒng)冰箱模塊不包含冷凝器，冷凝器將傳統(tǒng)冰箱中的風冷式盤管改為水冷式，外置于熱回收模塊中。

3.熱回收模塊

該模塊的主要功能是回收冰箱冷凝器部分產(chǎn)生的熱量，在風冷過程中進行熱能回收再利用，同時對于冰箱模塊的冷凝器進行水冷，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風冷。熱回收模塊由冰箱的冷凝器、熱回收水循環(huán)系統(tǒng)（可稱為冷凝器的水冷卻系統(tǒng)）和溫度傳感器組成。

4.中央控制模塊

該模塊是整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理核心，根據(jù)實際情況可以采用不同品牌和型號的控制元件，在此以三菱工業(yè)自動化控制元件為例。可編程控制器主機采用FX3U-48MR，PLC溫度控制模塊采用FX2N-2LC，模擬量信號處理采用FX0N-3A。溫度傳感器可使用常用的K、J、R、S、E等熱電偶和Pt100、JPt100鉑電阻溫度計。照度傳感器可采用OMRON公司的標準NPN輸出傳感器。

5.保溫蓄水器

保溫蓄水器在本系統(tǒng)中用于熱水保溫存儲，可根據(jù)實際情況進行配置。保溫蓄水器必須安裝有液位傳感器、溫度傳感器、溫度指示儀表、水位指示儀表、溫度報警儀和排水閥等。使用前需要固定，外側(cè)有隔熱保護層防止燙傷。

三、工作原理

太陽能光電板利用太陽光照在半導體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。太陽能光電板方向利用云臺控制，根據(jù)照度傳感器測得數(shù)據(jù)判斷太陽方向，太陽能光電板產(chǎn)生的電流直接供給蓄電池充電，此過程也可以通過PLC進行通斷控制，太陽能板在有光照的情況下利用安裝在太陽能板上的繼電器接通充電電路。蓄電池的兩極最好裝有電壓指示表，以便人們掌握蓄電池的開路電壓和工作電壓，判斷蓄電池是否有故障。

蓄電池直接供電給冰箱壓縮機。冰箱壓縮機工作電壓必須與蓄電池的電壓等級一致，對于低電壓（尤其對于直流48V以下）的冰箱，壓縮機必須考慮輸電線路的電壓降，盡量縮短輸電距離，以免壓縮機端的電壓太低，使冰箱無法正常工作。為防止太陽能板或者傳輸電路故障，也可以使用傳統(tǒng)的太陽能控制器進行過程控制。

冰箱系統(tǒng)對傳統(tǒng)的壓縮機、蒸發(fā)器、毛細管、冷凝器和散熱系統(tǒng)一體的模式進行改裝，冰箱庫體部分的蒸發(fā)器不變，用于給冰箱的冷凍室和冷藏室制冷。冰箱的冷凝器需要改裝到本系統(tǒng)的熱回收系統(tǒng)中，距離不宜太遠，最好挨近冰箱，中間管路需要加保溫層。如果需要安裝壓縮機的進氣和排氣溫度傳感頭，一定要注意不要離壓縮機機體太近，以免受到壓縮機機體余熱的影響，無法準確測量進氣和排氣溫度。

冰箱的冷凝器安裝在本系統(tǒng)的熱回收系統(tǒng)中，用來回收制冷系統(tǒng)中的熱量。冷凝器采用水冷方式，進水為冷水，排水為達到預設(shè)排水溫度的熱水。PLC利用其溫度控制模塊2LC與已經(jīng)安裝在冷凝器水系統(tǒng)中的溫度傳感器讀取到冷凝器的水溫度，當溫度達到設(shè)定排水溫度最大值時，由PLC控制熱回收系統(tǒng)的排水電磁閥動作進行排水，將一定溫度的熱水排放至熱水保溫蓄水器中。此過程中進水電磁閥的開閉控制也必須通過PLC控制，與排水電磁閥、溫度傳感器信號進行合理程序設(shè)計。當溫度低于設(shè)定排水溫度最低溫度時，PLC控制排水電磁閥關(guān)閉，停止排水。熱交換水箱要及時清洗，防止水管堵塞或者溫度傳感器和水位傳感器松動造成故障。

熱水保溫蓄水器用來存儲熱水，根據(jù)實際情況加裝溫度、水溫等保護裝置。在家庭可以用來做家用浴室熱水系統(tǒng)，有較大的中央空調(diào)系統(tǒng)或冰箱制冷系統(tǒng)可供澡堂等熱水系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)等。

FX2N-2LC溫度控制模塊參考程序注釋：

0 LD M8002

1 MOV K40 D80 ；設(shè)定溫度值D80

2 MOV K50 D81 ；設(shè)定溫度值D81

3 LD M8000

4 TO K0 K12 D80 K1； 當PLC工作時寫入設(shè)定值，可以通過修改D80的值設(shè)定溫度值

5 TO K0 K21 D81 K1； 當PLC工作時寫入設(shè)定值，可以通過修改D81的值設(shè)定溫度值

6 FROM K0 K0 K4M0 K1； 標志：BMF#0→M0-M15

7 FROM K0 K1 K4M20 K1； 事件（CH1）BMF#1→M20-M35

8 FROM K0 K2 K4M40 K1； 事件（CH2）BMF#2→M40-M55

9 FROM K0 K3 D30 K2； 溫度測定值（PV）：（CH1）BMF#3→D30， （CH2）BMF#4→D31

10 FROM K0 K5 D40 K2； 控制輸出值（MV）：（CH1）BMF#5→D40，（CH2）BMF#6→D41

11 FROM K0 K82 D82 K1； 設(shè)定值范圍錯誤地址BMF#82→D82

12 END

四、系統(tǒng)優(yōu)點分析

第一，系統(tǒng)控制器集成為一套PLC控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集利用傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場的傳感器，使整個系統(tǒng)各部分控制集中。

第二，整個系統(tǒng)利用太陽能為原動力，節(jié)約用電，成本低，節(jié)能環(huán)保。

第三，冰箱壓縮機制冷系統(tǒng)向環(huán)境排放的熱量經(jīng)過回收，對環(huán)境的污染大大降低。

第四，熱回收系統(tǒng)產(chǎn)生的熱水可以供浴室、廚房等使用，也可以用來取暖，有多種用途。

（作者單位：廣州市三項教學儀器有限公司）endprint