基于PLC 与触摸屏的太阳能热水工程控制系统设计

    杨坤++寇志伟++李扬++陈杰

    摘要：针对北方地区现有大型太阳能热水系统智能化程度低、可靠性差、产热量不稳定等缺点，以太阳能热水工程水箱水位、水温为主要研究对象，研究基于PLC与触摸屏的智能化测控系统，系统选用西门子S7-200PLC为控制器，上海步科的eView工业触摸屏为人机界面，编写了相应的控制程序与组态画面，实现了控制系统的智能化控制。实验室测试表明，该系统具备了运行稳定、人机交互性好、智能化程度高等优点，具有很大的应用价值。

    关键词：PLC；触摸屏；变频器；太阳能热水；控制系统

    中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0264-03

    Abstract： In view of the existing large solar hot water system in northern ， Its disadvantage is that the intelligent degree is low， poor reliability， heat yield is not stable and so on ， solar hot water engineering water tank as the main research object， the research based on PLC and touch screen of intelligent water level measurement and control system， the system selects the Siemens S7-200 PLC as the controller， selects the eView industrial touch screen of Shanghai buke company as human-computer interface， writes the corresponding control program and configuration， implements the control system of intelligent control. Laboratory tests show that the system has the advantages of stable operation and good man-machine interactive and high degree of intelligence ， has great application value.

    Key words： PLC；Touch screen；Frequency converter；Solar hot water；Control system

    目前，人们利用太阳能最普遍的形式是利用太阳能加热冷水。经过多年的发展，太阳能热水技术已成为在太阳能热利用技术上最成熟、最具经济竞争力的技术。在欧洲许多国家，太阳能热水利用不仅仅局限于居民的家庭用水，政府通过建造大型的太阳能热水工程来为城市供应热水，其应用范围更加广泛，使用更加便捷。相对于其他形式的能源热水，太阳能光热利用在能源消耗、环境污染方面都有很大优势，并且更加符合绿色环保能源的理念。我国应用于住宅的太阳能热水系统有很多类型，可是和建筑的匹配度并不高，控制形式单一，集成化程度较低。

    PLC具有可靠性高，抗干扰能力强，适应能力好等特点，不仅具有传统继电器控制系统的功能，而且可以扩展一些智能控制模块，构成不同的控制系统，把模拟量输入输出控制和现代控制方法结合在一起，实现智能控制。PLC可以应用开关量的逻辑控制、运动控制、模拟量控制、数据处理、过程控制、通信及联网等方面，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用。PLC的最佳搭档工业触摸屏是操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的交互设备，可以用字符、图形和动画显示现场数据与设备状态，操作人员可以通过其来控制现场设备，是PLC控制系统不可或缺的设备[1]。变频器是由计算机控制大功率开关器件将工频交流电变为电压、频率可调的三相交流电的电气设备，用以驱动交流电动机进行变频调速，基于PLC的变频调速系统综合了PLC与变频器的诸多优点在工业控制上得到了广泛的应用[2]。本文根据集中供热系统的理念，采用PLC、工业触摸屏与变频器控制太阳能热水系统的方式，实现了太阳能热水工程的智能化控制。

    1 太阳能热水工程概述

    太阳能热水工程是利用太阳能集热器收集太阳能量，通过循环系统，将太阳能集热器的热量传递给水，将水加热后根据控制系统的数据设定收集存储于储热单元中，为用户提供所需要的热水。太阳能热水系统由太阳能集热器、管道循环系统、贮水箱、控制系统和辅助加热系统五部分组成，如图1所示。集热装置中吸热元件是全玻璃真空太阳能集热管，它对太阳光的吸收率高达93%以上，可以有效地利用太阳能热，循环泵通过管道把储水箱中的水循环进入集热器，加热后通过循环管道流回储水箱，使贮水箱的水温逐渐升高，控制系统采集集热器的液位信号和储水箱的液位、温度信号，控制系统会自动启动循环加热程序给储水箱补偿加温，达到预设温度后自动停止，让使用水始终保持同一温度，辅助加热系统主要在阴雨天和无阳光时启动。

    构

    2 系统设计

    2.1硬件设计

    1）系统主电路

    系统电气线路采用PLC驱动交流接触器或继电器控制水泵、电磁阀等现场执行设备的形式[3]。考虑到水泵的工作负荷及系统的可靠性，上水泵M1由接触器KM1控制运行；集热循环泵M2由接触器KM2控制运行；供水泵M3由变频器驱动，接触器KM3控制工频运行，KM4控制变频运行；辅助热源装置由接触器KM4控制运行，如图2所示。

    2）系统控制电路

    根据S7-200PLC与eView触摸屏的接口电气特性，设计的系统控制电路如图3所示。eView触摸屏电源与PLC主机的输入点采用直流24V电源供电，以RS485串行通信方式通信。CPU224工作电源及输出接触器线圈采用交流220V电源供电。PLC主机的I0.1、I0.2、I0.3分别输入热继电器动合触点信号，作为水泵工频运行时发热报警的输入信号。I1.0、I1.1分别输入变频器的30A、Y5信号，作为变频器的报警信号及运行监视信号输入。Q0.0～Q0.4输出继电器信号，控制系统的阀泵接触器。Q0.7、Q1.0分别接变频器的X1端、FWD端控制变频器的运行。

    2.2 控制程序设计

    PLC程序分为三个部分分别为主程序、各个子程序和中断程序。其中主程序包括系统初始化、逻辑运算、保护条件、工作模式选择等。子程序包括液位显示、启动保护、手动运行等。利用中断功能实现系统的紧急停止，每扫描一次程序就构成一个扫描周期，然后返回到保护条件判断程序。

    2.3 系统实现

    PLC端口0利用RS485串行通信电缆与触摸屏COM0/COM2口连接，端口1利用PC/PPI电缆与编程PC连接，设置地址及通信格式。选取100cm高度的保温水箱及其配套设备进行调试，在PLC程序中设定下限水位20cm，上限水位180cm，温差循环启动温度5℃。在触摸屏控制界面输入水箱水位（H）为126cm，水箱水温（T）为36.4℃，选择不同的水箱水位、温度和集热器温度测试。

    经过工程测试，设计了由手动、温控、自动运行模式组成的主要工作方式及由超限、故障、空转、干烧、防冻、高温保护措施组成的保护方式，系统运行时通过触摸屏指令选择主要工作方式。

    3 结论

    本系统采用PLC、变频器与工业触摸屏对储水箱的温度和水位进行控制，充分利用了PLC小型可靠和变频器响应快速的特点，通过工业触摸屏实现了实时数据浏览、实时控制等功能。控制系统在实际操作过程中，运行效果良好，达到了预期要求。在太阳能热水工程应用领域中，控制过程的自动化处理以及良好的人机界面，便于操作人员在监控计算机上及时调整参数，可以使运行系统更加安全可靠，随着计算机应用技术的普及，太阳能热水工程必将会得到更广泛的应用。

    参考文献：

    [1] 寇志伟，徐明娜，李文军，等.基于PLC与HMI的太阳能热水工程控制系统[J]. 制造业自动化，2015，37（6）：114-117.

    [2] 寇志伟，崔啸鸣，李文军，等.基于 PLC 与触摸屏的变频调速测控系统[J]. 电机与控制应用，2014，41（12）：57-60.

    [3] 寇志伟，徐明娜，李文军等.基于PLC的太阳能热水工程水位测控系统[J].国外电子测量技术，2015，34（1）：69-72.

    [4] 王云刚，陈文燕基于MCGS和PLC的水位自动控制系统设计[J].测控技术，2014，33（1）：96-98.

    [5] 廖常初.PLC 编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

    [6] 王建，徐洪亮. 触摸屏实用技术[M].北京：机械工业出版社，2012.