基于PLC與HMI的太陽能熱水工程控制系統

寇志偉，徐明娜，李文軍，蘇 曦

（內蒙古工業大學 工程訓練中心，呼和浩特 010051）

0 引言

太陽能熱水工程是工程性大面積太陽能集熱系統，是通過集熱器工質吸收太陽輻射能并與水進行熱交換的典型的太陽能利用裝置，與燃煤、燃氣、電熱水器相比較，具有環保、節能、安全的優點[1,2]。目前應用的控制系統多以太陽能通用控制器為主，操作復雜，維護困難，交互性、可靠性與擴展性較差，使得太陽能熱水工程在應用、維護與擴展等方面受到了一定的限制。

PLC是專為工業環境設計的控制器，具有可靠性高、適應性好、模塊豐富、功能完善、擴展靈活等優點，在工業控制領域得到了廣泛的應用。PLC的最佳搭檔工業觸摸屏是操作人員與控制系統之間進行對話和相互作用的交互設備，可以用字符、圖形和動畫顯示現場數據與設備狀態，操作人員可以通過其來控制現場設備，是PLC控制系統不可或缺的設備。組態軟件是基于Windows平臺的人機界面（HMI）/控制與數據采集（SCADA）的監控組態軟件，是自動控制系統監控層的軟件平臺和開發環境[3,4]。本文設計了基于PLC與人機界面（HMI）的太陽能熱水工程控制系統，監控層上位機采用組態軟件實現系統監控，工業現場采用觸摸屏為人機交互界面，與下位機PLC通信。該系統可以很好的解決通用控制器存在的問題，提升太陽能熱水工程的應用性能與技術水平。

1 太陽能熱水工程結構與原理

太陽能熱水工程利用大面積的太陽能集熱器陣列收集太陽輻射能量，通過循環系統將能量傳遞給水，使水加熱到一定溫度為用戶提供所熱水的工程系統，主要有集熱陣列、蓄熱水箱、循環系統與控制系統組成。此外，在陰雨環境下太陽能產熱水量不足時需要啟動輔助熱源系統，在冬季或寒冷環境下還需要有保溫防凍系統及排空防凍系統，以防止低溫凍堵，保證系統正常運行[2]，系統結構如圖1所示。

圖1 太陽能熱水工程組成結構

其中，控制系統是太陽能熱水工程的決策指揮中心，需要完成相關溫度與水位等信息的檢測與運算、現場泵閥等設備的控制與保護、人機交互、工業通信及系統擴展等功能，是太陽能熱水工程能否可靠、穩定、智能運行的關鍵，直接決定了太陽熱水工程的應用性能與技術水平。

2 系統要求及控制方案

2.1 系統控制要求

太陽能熱水工程是太陽能熱應用技術從單戶型、微小型向工程化、系統化發展的產物。控制系統以水溫、水位為主要控制參數，需要完成對水溫、水位等信息的檢測與運算、系統泵閥等執行機構的控制、人機交互、工業通信及擴展等功能。工程應用需具備上水控制、循環控制、供水控制、防凍控制、輔助加熱與排空控制等功能；需要良好的人機交互界面、具備完善的保護、報警及處理功能；系統易于擴展、實現工業組網及上位機監控，以適應太陽能熱水工程的發展趨勢，提高實際應用能力。

2.2 總體設計方案

根據上述控制要求，設計了基于PLC與人機界面的控制與監控系統，主要由數據采集單元、執行機構、PLC控制器、觸摸屏與監控上位機等五部分組成，如圖2所示。其中PLC是系統的控制核心，負責運算處理系統數據，控制調度外圍設備，通過串行總線向上位機傳輸現場信息及設備狀態，接受并執行上位機下達的控制指令；數據采集單元負責采集現場設備的水位、水溫信息；執行機構負責驅動相應的泵閥等現場設備；觸摸屏與組態軟件作為上位機監控系統，均可以進行在線實時交互、顯示、監控與管理，并對現場生產過程進行模擬仿真。

圖2 太陽能熱水工程系統組成

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

根據設計方案及太陽能熱水工程的運行特點，控制主機選用西門子S7-200PLC，上位機監控系統選用組態王（KingView）監控平臺與Eview工業觸摸屏，可以完成控制指令的輸入、參數的設置、運行狀態的監測與顯示，可靠性高、操作簡單及維護方便，適于現場控制。現場執行機構由太陽能熱水工程其他參數選擇，均使用交流接觸器或繼電器驅動，硬件選型如表1所示。

3.1.1 系統電氣線路

系統電氣線路采用PLC驅動交流接觸器或繼電器控制水泵、電磁閥等現場執行設備的形式。考慮到水泵的工作負荷及系統的可靠性，上水泵M1由接觸器KM1控制運行；集熱循環泵M2由接觸器KM2控制運行；供水泵M3由變頻器驅動，接觸器KM3控制工頻運行，KM7控制變頻運行；輔助熱源裝置、排空裝置與防凍裝置分別由接觸器KM4、KM5、KM6控制運行，如圖3所示。

表1 系統硬件選型

圖3 控制系統電氣線路圖

3.1.2 PLC控制電路

PLC控制電路如圖4所示，S7-200PLC的輸入點及EM223使用DC24V電源，I0.0～I0.5分別輸入按鈕SB1～SB3、熱繼電器FR1～FR3的動合信號，I2.0～I2.2輸入變頻器的運行狀態信號。CPU224XP的電源、接觸器KM0～KM7的線圈、指示燈HL1～ HL2采用AC220V電源，Q0.0～Q0.7輸出繼電器信號分別控制接觸器KM0～KM7的線圈，Q1.0～Q1.1控制指示燈HL1～ HL2的狀態，Q2.0～Q2.2的輸出控制變頻器運行。

圖4 PLC控制電路

3.1.3 模擬量處理與變頻器電路

模擬量處理與變頻器電路如圖5所示。模擬量模塊EM235采用DC24V電源供電，DIP開關設為單極性0～20mA電流輸入。4路AI信號分別用于水箱水溫T1、集熱水溫T2、上水水溫T3、水箱水位W0的4mA～20mA傳感器信號輸入，地址為AIW4、AIW6、AIW8 、AIW10。1路AO信號以4mA～20mA電流形式輸出到變頻器模擬電流輸入端C1，地址為AQW2，用于控制變頻器的輸出頻率。

圖5 模擬量處理與變頻器電路

3.2 系統軟件設計

為了達到設計要求及系統穩定、可靠運行，設計了手動、自動、定時運行三種運行模式及上水控制、集熱控制、供水控制、輔熱控制、防凍控制、排空控制與自動保護等多個功能模塊。系統需要設定的數據有水位上限WH、水位下限WL、水溫上限TH、水溫下限TL、溫差上限ΔTH、溫差下限ΔTL、防凍溫度TD、排空溫度TP等參數，其中水位參數的單位為cm，溫度參數的單位為℃，各功能模塊的控制條件如表2所示。

表2 功能模塊及其控制條件

設計的控制程序由主程序、數據處理與顯示子程序、保護與報警子程序、上水控制子程序、集熱控制子程序、供水控制子程序、輔熱控制子程序、防凍控制子程序與排空控制子程序組成，程序流程如圖6所示。

圖6 控制程序流程圖

4 上位機界面設計

目前很多的工業控制系統都是由監控上位機與PLC下位機組成，PLC進行現場數據、狀態的采集與上位機寫入數據的接收，運算處理后輸出控制信號并送上位機顯示。上位機是圖形化的人機交互界面，可是實現工業過程的動態可視化，本系統采用組態王與工業觸摸屏為上位機實現工藝過程監控[5]。

4.1 組態王監控界面設計

組態王界面采用KingView 6.55開發，它集過程控制設計、現場操作以及工廠資源管理于一體，可以實現工業系統的資源與信息最優化管理。監控界面設計是利用其提供的繪圖工具箱，結合現場設備的布局和外觀創建組態監控畫面，以形象的圖形畫面來模擬實際的工業現場和工控設備，主要包括設備組態、數據詞典定義、組態畫面設計制作、腳本程序編寫等步驟[6,7]。

4.1.1 對PLC的設備組態

上位機與CPU224XP的PORT1端口采用PC/PPI電纜連接，在工程瀏覽器左側選擇“設備”的COM1選項，在右側點擊“新建”，運行設備配置向導，依次選擇

P

LC、西門子、S7-200系列、PPI選項定義設備，此時可以在工程瀏覽器右側看到新建的外部設備。

4.1.2 定義數據變量

組態王軟件的數據庫聯系上位機與下位機的橋梁，工業現場的生產狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發布的指令也要立即送達生產現場，這一切都是以實時數據庫為中間環節，在工程瀏覽器左側點擊“數據庫”的數據詞典項，定義數據變量。

4.1.3 組態界面編寫

上位機組態界面由主控界面、運行監控、數據報表與系統設置等頁面構成，設計制作頁面并將數據詞典中定義的變量與組態畫面的圖素進行動畫連接，運行監控界面如圖7所示。

圖7 組態王監控界面

4.2 觸摸屏監控軟件設計

系統選用的Eview ET070工業觸摸屏，其組態軟件具有良好的畫面編輯功能，易于設計友好的人機界面。觸摸屏界面分頁設計，由系統主界面、參數設置、系統控制、運行狀態、用戶管理和歷史查詢六個頁面構成。觸摸屏COM0端口與CPU224XP的PORT0端口采用RS485串行通信電纜連接，監控畫面如圖8所示。

5 結束語

圖8 觸摸屏監控界面

本文根據太陽能熱水工程的運行特點與控制要求，設計了以S7-200PLC為控制器的智能控制系統，上位機使用組態王監控軟件，工程現場使用Eview工業觸摸屏實現了人機交互與實時監控。該系統將PLC、變頻器、組態軟件與工業觸摸屏等工業控制設備引入了太陽能熱水工程系統，解決了傳統太陽能熱水控制器的缺陷，提升了太陽能熱水工程的應用與技術水平。目前該設計方案已應用于北方地區多個太陽能熱水工程，系統運行穩定可靠、自動化水平高，具有較大的推廣價值。

[1] 施閣,付存謂,陸偉,等.太陽能熱水工程系統熱能計量與監測方法[J].農業工程學報,2013,29(1):189-195.

[2] 李文軍,寇志偉,崔嘯鳴,等.北方地區太陽能熱水工程控制系統設計與應用[J].電腦知識與技術,2013,9(5):1149-1150.

[3] 王寧,虎恩典,王志剛.基于S7-300 PLC與觸摸屏的燒結爐溫度控制系統設計[J].制造業自動化,2014,36(11):115-117.

[4] 廖常初.PLC 編程及應用[M].北京:機械工業出版社,2014.

[5] 王志剛,虎恩典,王寧.PLC和觸摸屏在活性炭混捏成型控制系統中的應用[J].制造業自動化,2013,35(12):12-14.

[6] 范小蘭,趙春鋒.基于PLC的機械手控制在MCGS中的實現[J].制造業自動化,2012,34(9):6-9.

[7] 何堅強,薛迎成,徐順清.工控組態軟件及應用[M].北京:北京大學出版社,2014.