基于PLC的太陽能制冷系統(tǒng)設(shè)計

張琴 龔成林

摘要：太陽能制冷系統(tǒng)是將太陽能收集裝置與制冷機組相結(jié)合，利用太陽能集熱器產(chǎn)生的熱量驅(qū)動制冷系統(tǒng)。該文設(shè)計了一個基于PLC的太陽能制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)由集熱和制冷兩部分組成，控制采用西門子S7-300PLC作為主站，兩個S7-200PLC作為從站，采用MCGS作為人機交互界面，利用以太網(wǎng)通信，通過控制伺服電機、步進電機、變頻器來實現(xiàn)對太陽方位和仰角的跟蹤以及各種泵的控制，達到太陽能制冷的目的。

關(guān)鍵詞：太陽能;制冷;PLC;以太網(wǎng)通信;觸摸屏;伺服電機;步進電機

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）36-0224-03

隨著科學技術(shù)和生活水平的提高，人們開始越來越多的關(guān)注環(huán)保問題。當前，我國空調(diào)主要以電力驅(qū)動空調(diào)為主，這類空調(diào)多以氟利昂為冷媒，而氟利昂等氟碳類物質(zhì)被認為是破壞臭氧層和造成溫室效應(yīng)的重要原因;另一方面，當前電能主要是以火力發(fā)電為主，煤炭燃燒會排放二氧化硫等污染環(huán)境的氣體。所以利用太陽能驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)一方面可以大大減少煤炭等不可再生能源消耗，另一方面也大大減少了氟利昂、二氧化硫等對環(huán)境的破壞。太陽能制冷空調(diào)，最大的優(yōu)點還在于季節(jié)匹配性好，天氣越熱、越需要制冷的時候，系統(tǒng)吸收的太陽能越多，制冷量越大。

太陽能制冷空調(diào)技術(shù)方案很多， 主要包括光-熱和光-電兩大技術(shù)路線。在光-熱技術(shù)路線方面， 包括吸收式制冷、吸附式制冷、除濕空調(diào)、噴射制冷、朗肯循環(huán)制冷和化學反應(yīng)方式制冷等技術(shù)方案。以往在我國太陽能制冷空調(diào)工程中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的方案是真空管或平板集熱器+溴化鋰單效吸收式冷水機組方案[1]。本文設(shè)計了一個自動化的太陽能空調(diào)，通過利用PLC技術(shù)控制電機自動跟蹤太陽方位和仰角，收集太陽能來驅(qū)動制冷機組制冷，實現(xiàn)太陽能制冷。

1 系統(tǒng)分析

太陽能制冷系統(tǒng)分為集熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩部分。集熱系統(tǒng)是對太陽能進行收集，并且將收集的太陽能用來驅(qū)動吸收式制冷。集熱系統(tǒng)圖如圖1，制冷系統(tǒng)圖如圖2所示。

1-發(fā)生器; 2-冷凝器;3-蒸發(fā)器;4-吸收器;5-冷劑泵;

6-溶液泵;7-熱交換器;8-節(jié)流閥;9-減壓閥

集熱系統(tǒng)采用太陽能追蹤儀，根據(jù)緯度、太陽赤緯角和太陽時角不同計算太陽軌跡，通過控制步進電機和伺服電機來實現(xiàn)方向和仰角的調(diào)整。同時在方位步進電機裝置末端安裝編碼器，用來檢測實際角度是否達到要求。

制冷系統(tǒng)采用溴化鋰制冷（循環(huán)制冷系統(tǒng)），該裝置除發(fā)生器是高壓環(huán)境，其他容器內(nèi)均是低壓環(huán)境。由圖2可知，通過集熱系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)換成熱能，被加熱的冷水在發(fā)生器里作為熱媒，使吸收器里合成的溴化鋰、水混合液分解，分別成為高壓氣態(tài)水和液態(tài)溴化鋰;液態(tài)溴化鋰由溶液泵被抽回吸收器，高壓氣態(tài)水進入冷凝器冷凝成低壓液態(tài)水（該過程模擬空調(diào)制冷吸收外界高溫濕氣）;通過冷凝產(chǎn)生的低壓液態(tài)水在進入管道和蒸發(fā)器之前開始吸收熱量，并且還吸收蒸發(fā)器中具有一定溫度的工業(yè)冷卻水，使低壓液態(tài)水轉(zhuǎn)換成低壓氣態(tài)水（此過程循環(huán)泵不停地使低壓液態(tài)水轉(zhuǎn)換產(chǎn)出低壓氣態(tài)水）;最后低壓氣態(tài)水進入吸收器被溴化鋰吸收。

2 系統(tǒng)框架

控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信，采用西門子S7-300 PLC作為主站，兩個S7-200 PLC作為從站，采用MCGS觸摸屏作為人機交互界面，來實現(xiàn)對太陽能制冷系統(tǒng)各個電機的控制。

太陽能制冷系統(tǒng)具體驅(qū)動設(shè)備如下：循環(huán)泵電機M1由雙速電機控制，溶液泵電機M2由變頻器進行多段速控制，太陽板清洗電機M3為普通三相異步電動機，太陽板仰角由伺服電機M4控制，太陽板方位由步進電機M5控制。

3 系統(tǒng)控制要求

太陽能制冷系統(tǒng)設(shè)備具有手動調(diào)試和自動運行兩種工作模式。設(shè)備上電后觸摸屏進入調(diào)試模式，用于調(diào)試系統(tǒng)中所有電機的狀態(tài)是否正常，是否按照要求運行。待所有電機調(diào)試完成后，方可進入到自動運行模式，開始運行集熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，利用太陽能進行制冷。

3.1 調(diào)試模式

設(shè)備上電后，觸摸屏進入調(diào)試模式，出現(xiàn)如下調(diào)試畫面，通過下拉框選擇需要調(diào)試的電機，按下啟動按鈕可依次對循環(huán)泵電機、溶液泵電機、清洗電機、太陽能板仰角轉(zhuǎn)動（伺服）電機、太陽能板方向轉(zhuǎn)動（步進）電機的功能進行調(diào)試。待所有電機調(diào)試完成，功能都正常后，進入運行模式。

3.2 自動運行模式

切換到自動運行模式后，觸摸屏自動進入運行模式畫面，在觸摸屏上按下啟動按鈕，集熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)分別運行。運行模式界面如圖4所示。

1） 集熱系統(tǒng)：根據(jù)系統(tǒng)所處地域緯度φ不同、每天的太陽赤緯角δ不同以及不同時刻的太陽時角不同，可通過下列公式計算出每時每刻的太陽方位角（方向） β和高度角α。然后控制太陽能板仰角轉(zhuǎn)動（伺服）電機和太陽能板方向轉(zhuǎn)動（步進）電機分別轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，以最大程度利用太陽能。

方位角（方向）：β=arc sin （sin t*cosδ/cosα）

高度角（仰角）：α =arc sin （sinφ*sinδ+sinφ*cosδ*cost）

式中φ：當?shù)鼐暥?

δ：太陽赤緯角;以9月21日，該天赤緯角是0°

t：太陽時角;t=15*（當?shù)貢r間-12）。以十二點為例，該點太陽仰角為0°， （t值為每小時應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，為了讓伺服和步進電機更加精準地跟蹤太陽的方位角和高度角，我們通常要求伺服和步進電機每6秒就轉(zhuǎn)動一次該角度）。

2） 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)運行流程：通過溫度傳感器PT100檢測外部環(huán)境溫度，當溫度達到20℃以上時，開啟清洗電機沖刷太陽能電池板，運行10s后停止。當發(fā)生器內(nèi)的溫度達到30℃時，溶液泵啟動，溶液泵的運行速度控制是將吸收器內(nèi)的壓力信號轉(zhuǎn)換為模擬量電信號，通過模擬量信號控制變頻器來實現(xiàn)。等待8s后，蒸發(fā)器內(nèi)的循環(huán)泵運行，循環(huán)泵為雙速電機，速度由蒸發(fā)器內(nèi)壓力決定，當壓力模擬量信號電壓為5-10V時，循環(huán)泵電機低速運轉(zhuǎn)，當壓力模擬量信號電壓為5V以下時，循環(huán)泵電機高速運轉(zhuǎn)。該過程運行情況將實時顯示在觸摸屏上，包括電機運行狀態(tài)，運行速度，容器內(nèi)壓力顯示，按下停止按鈕系統(tǒng)全部停止。