基于PLC的太陽(yáng)能空調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

■ 宋德勝 潘遠(yuǎn)學(xué) 朱元吉 張偉

一 引言

目前，利用太陽(yáng)能進(jìn)行采暖在國(guó)內(nèi)很多地區(qū)已經(jīng)得到應(yīng)用，但也存在著系統(tǒng)夏季過(guò)熱等問(wèn)題。利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，一方面可以大大減少常規(guī)能源及電力資源消耗；另一方面較低的耗電減少了因燃燒煤等常規(guī)燃料發(fā)電所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，同時(shí)還可以很好地解決太陽(yáng)能采暖夏季過(guò)熱的問(wèn)題。因此，在太陽(yáng)能熱應(yīng)用領(lǐng)域，將太陽(yáng)能采暖與制冷相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為需要研究和解決的課題。

二 太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)概述

太陽(yáng)能空調(diào)發(fā)展至今，根據(jù)其工作方式的不同，大體可分為太陽(yáng)能電驅(qū)動(dòng)式空調(diào)和太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)式空調(diào)兩大類(lèi)[1]。其中，太陽(yáng)能電驅(qū)動(dòng)式空調(diào)主要是利用光伏板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行工作。由于目前太陽(yáng)能光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率低于15%且成本高[2]，因此目前研究并投入市場(chǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能空調(diào)主要還是以熱驅(qū)動(dòng)式為主。

太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)式空調(diào)按其制冷原理的不同可以分為吸收式、吸附式、除濕式和噴射式等，其中吸收式制冷根據(jù)吸收劑不同又可分為溴化鋰-水吸收式和氨-水吸收式制冷兩種[3]。

三 太陽(yáng)能空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，將溴冷機(jī)應(yīng)用于太陽(yáng)能制冷領(lǐng)域是太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和精確控制，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于西門(mén)子PLC的太陽(yáng)能空調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控、下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和跟蹤控制等3部分組成。該系統(tǒng)通過(guò)MCGS上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，并與PLC下位機(jī)控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)的實(shí)時(shí)跟蹤。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖見(jiàn)圖1。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該太陽(yáng)能空調(diào)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，其主處理單元模塊采用性能優(yōu)越的西門(mén)子PLC。由于系統(tǒng)采集和控制點(diǎn)數(shù)較多，因此該控制系統(tǒng)采用兩套PLC分別進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)采集控制和太陽(yáng)光線(xiàn)跟蹤控制。其中，選用S7-300 PLC對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的各點(diǎn)溫度、管道流量、管道壓力、輻照及各開(kāi)關(guān)量等進(jìn)行采集，同時(shí)完成對(duì)室內(nèi)系統(tǒng)循環(huán)泵、電磁閥、電動(dòng)三通閥等的控制；選用S7-200 PLC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)的實(shí)時(shí)跟蹤。太陽(yáng)能空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖和跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框架圖分別如圖2、3所示。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該太陽(yáng)能空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)有制冷/制熱兩種工作模式和自動(dòng)/手動(dòng)兩種運(yùn)行方式，可以實(shí)現(xiàn)夏季制冷和冬季采暖的相互切換。其中制冷模式和制熱模式又分別包括單太陽(yáng)能運(yùn)行、太陽(yáng)能輔助結(jié)合運(yùn)行和單輔助運(yùn)行3種子模式，且空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式可以通過(guò)上位機(jī)界面進(jìn)行選擇和切換。該控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與室內(nèi)控制部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便等特點(diǎn)，圖4為程序設(shè)計(jì)流程圖。

該控制系統(tǒng)的跟蹤控制部分采用S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。根據(jù)集熱裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)有清洗、復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)東西兩組集熱裝置的多種控制。同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)集熱裝置與太陽(yáng)光線(xiàn)的夾角，并進(jìn)行相應(yīng)修正，使太陽(yáng)光斑始終處于集熱裝置內(nèi)部。圖5為此跟蹤系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程圖。

四 應(yīng)用實(shí)例

目前，通過(guò)與上海交通大學(xué)合作，公司已經(jīng)建成一套基于槽式集熱器的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)，且該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，能夠滿(mǎn)足空調(diào)實(shí)驗(yàn)房夏季制冷、冬季采暖和平時(shí)生活用熱水的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空調(diào)控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于公司現(xiàn)有太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)中，其具有良好的人機(jī)交互界面、方便的手動(dòng)/自動(dòng)控制切換、全自動(dòng)的系統(tǒng)參數(shù)和效率計(jì)算等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、計(jì)算與跟蹤。

為了滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，公司建有東西兩套槽式集熱裝置，該集熱裝置通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)的自動(dòng)跟蹤。目前，該裝置所集能量基本滿(mǎn)足太陽(yáng)能空調(diào)需求，且實(shí)際運(yùn)行效果表明，使用PLC作為跟蹤控制主處理器和閉環(huán)控制模式可以得到很好的對(duì)日跟蹤效果。圖6為太陽(yáng)能空調(diào)的實(shí)際跟蹤運(yùn)行圖。

五 結(jié)論

圖6 太陽(yáng)能空調(diào)實(shí)際跟蹤運(yùn)行圖

太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)是日出東方太陽(yáng)能股份有限公司在太陽(yáng)能中高溫?zé)崂蒙系囊淮纬晒L試。隨著能源危機(jī)和電力供應(yīng)緊張等問(wèn)題的不斷加劇，低能耗、零污染、可再生的太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)將具有很好的市場(chǎng)需求。本文針對(duì)公司現(xiàn)有吸收式太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于西門(mén)子PLC的采集、控制和跟蹤系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果看，可以滿(mǎn)足太陽(yáng)能空調(diào)運(yùn)行的各方面需求，且運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量控制精度高。