基于PLC的太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張琴 龔成林

摘要：太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)是將太陽(yáng)能收集裝置與制冷機(jī)組相結(jié)合，利用太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)生的熱量驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)。該文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的太陽(yáng)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(gè)S7-200PLC作為從站，采用MCGS作為人機(jī)交互界面，利用以太網(wǎng)通信，通過(guò)控制伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位和仰角的跟蹤以及各種泵的控制，達(dá)到太陽(yáng)能制冷的目的。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;制冷;PLC;以太網(wǎng)通信;觸摸屏;伺服電機(jī);步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）36-0224-03

隨著科學(xué)技術(shù)和生活水平的提高，人們開始越來(lái)越多的關(guān)注環(huán)保問(wèn)題。當(dāng)前，我國(guó)空調(diào)主要以電力驅(qū)動(dòng)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(rèn)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(dāng)前電能主要是以火力發(fā)電為主，煤炭燃燒會(huì)排放二氧化硫等污染環(huán)境的氣體。所以利用太陽(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(duì)環(huán)境的破壞。太陽(yáng)能制冷空調(diào)，最大的優(yōu)點(diǎn)還在于季節(jié)匹配性好，天氣越熱、越需要制冷的時(shí)候，系統(tǒng)吸收的太陽(yáng)能越多，制冷量越大。

太陽(yáng)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(xué)反應(yīng)方式制冷等技術(shù)方案。以往在我國(guó)太陽(yáng)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(jī)組方案[1]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化的太陽(yáng)能空調(diào)，通過(guò)利用PLC技術(shù)控制電機(jī)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)方位和仰角，收集太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組制冷，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制冷。

1 系統(tǒng)分析

太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行收集，并且將收集的太陽(yáng)能用來(lái)驅(qū)動(dòng)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(yáng)能追蹤儀，根據(jù)緯度、太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角不同計(jì)算太陽(yáng)軌跡，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)方向和仰角的調(diào)整。同時(shí)在方位步進(jìn)電機(jī)裝置末端安裝編碼器，用來(lái)檢測(cè)實(shí)際角度是否達(dá)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(guò)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(jìn)入冷凝器冷凝成低壓液態(tài)水（該過(guò)程模擬空調(diào)制冷吸收外界高溫濕氣）;通過(guò)冷凝產(chǎn)生的低壓液態(tài)水在進(jìn)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(guò)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(jìn)入吸收器被溴化鋰吸收。

2 系統(tǒng)框架

控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)通信，采用西門子S7-300 PLC作為主站，兩個(gè)S7-200 PLC作為從站，采用MCGS觸摸屏作為人機(jī)交互界面，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)各個(gè)電機(jī)的控制。

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

3 系統(tǒng)控制要求

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

3.1 調(diào)試模式

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

3.2 自動(dòng)運(yùn)行模式

切換到自動(dòng)運(yùn)行模式后，觸摸屏自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行模式畫面，在觸摸屏上按下啟動(dòng)按鈕，集熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)分別運(yùn)行。運(yùn)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(yáng)赤緯角δ不同以及不同時(shí)刻的太陽(yáng)時(shí)角不同，可通過(guò)下列公式計(jì)算出每時(shí)每刻的太陽(yáng)方位角（方向） β和高度角α。然后控制太陽(yáng)能板仰角轉(zhuǎn)動(dòng)（伺服）電機(jī)和太陽(yáng)能板方向轉(zhuǎn)動(dòng)（步進(jìn)）電機(jī)分別轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，以最大程度利用太陽(yáng)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(dāng)?shù)鼐暥?

δ：太陽(yáng)赤緯角;以9月21日，該天赤緯角是0°

t：太陽(yáng)時(shí)角;t=15*（當(dāng)?shù)貢r(shí)間-12）。以十二點(diǎn)為例，該點(diǎn)太陽(yáng)仰角為0°， （t值為每小時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為了讓伺服和步進(jìn)電機(jī)更加精準(zhǔn)地跟蹤太陽(yáng)的方位角和高度角，我們通常要求伺服和步進(jìn)電機(jī)每6秒就轉(zhuǎn)動(dòng)一次該角度）。

2） 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)運(yùn)行流程：通過(guò)溫度傳感器PT100檢測(cè)外部環(huán)境溫度，當(dāng)溫度達(dá)到20℃以上時(shí)，開啟清洗電機(jī)沖刷太陽(yáng)能電池板，運(yùn)行10s后停止。當(dāng)發(fā)生器內(nèi)的溫度達(dá)到30℃時(shí)，溶液泵啟動(dòng)，溶液泵的運(yùn)行速度控制是將吸收器內(nèi)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量電信號(hào)，通過(guò)模擬量信號(hào)控制變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。等待8s后，蒸發(fā)器內(nèi)的循環(huán)泵運(yùn)行，循環(huán)泵為雙速電機(jī)，速度由蒸發(fā)器內(nèi)壓力決定，當(dāng)壓力模擬量信號(hào)電壓為5-10V時(shí)，循環(huán)泵電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)壓力模擬量信號(hào)電壓為5V以下時(shí)，循環(huán)泵電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。該過(guò)程運(yùn)行情況將實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，包括電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行速度，容器內(nèi)壓力顯示，按下停止按鈕系統(tǒng)全部停止。