基于JAVA的太陽(yáng)能熱水工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

牛 雨

(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院,濟(jì)南 250103)

0 引言

工業(yè)的迅速發(fā)展消耗了地球上大量的石油、煤炭等資源，不可再生能源資源面臨枯竭，根據(jù)統(tǒng)計(jì)地球上的石油煤炭資源只夠使用200余年，同時(shí)石油煤炭資源的燃燒產(chǎn)物會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染，造成土壤層的破壞，空氣的污染，造成溫室效應(yīng)，導(dǎo)致生態(tài)不平衡。作為世界人口數(shù)據(jù)最多的發(fā)展中國(guó)家，能源消耗量巨大，但人均資源占有量遠(yuǎn)低于世界其他國(guó)家[1-3]。目前中國(guó)各地產(chǎn)生的霧霾天氣也表明了我國(guó)的能源和環(huán)境問(wèn)題十分嚴(yán)峻。目前比較理想的可替代能源有水能、太陽(yáng)能、核能、生物能等，太陽(yáng)能因其儲(chǔ)量巨大，使用面積廣，具有清潔環(huán)保，產(chǎn)生污染較少的特點(diǎn)，受到世界各國(guó)的重視，被成為21世紀(jì)的能源。我國(guó)的太陽(yáng)能資源豐富，國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能的發(fā)展也非常重視，提出了太陽(yáng)能資源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，推出了支持太陽(yáng)能發(fā)展的行業(yè)政策。

太陽(yáng)能利用中光熱轉(zhuǎn)化和光電轉(zhuǎn)化得到了快速的發(fā)展，主要利用在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。近年來(lái)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)因其轉(zhuǎn)化率較高被廣泛的使用[4-7]。市場(chǎng)上主流的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由真空管、水箱、輔助集熱設(shè)備等組成，熱水器的發(fā)展也逐漸向熱水工程方向發(fā)展，目前的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要是靠簡(jiǎn)單現(xiàn)場(chǎng)控制單元根據(jù)控制邏輯來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)遇到突發(fā)情況時(shí)，無(wú)法集中有效的控制，在熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控軟件采用的是B/S或C/S模式，采用單片機(jī)或PLC控制，集中管理的難度較大，系統(tǒng)可移植性差，缺少信息統(tǒng)計(jì)分析功能。

本文針對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、監(jiān)控系統(tǒng)不完善等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開發(fā)基于JAVA平臺(tái)的太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)控制、遠(yuǎn)程顯示和報(bào)警等功能。

1 太陽(yáng)能熱水工程研究情況

1757年瑞士科學(xué)家制造了第一臺(tái)太陽(yáng)能集熱器，1891年美國(guó)科學(xué)家利用集熱器制造了第一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器，早期的熱水系統(tǒng)采用人工操作，到了20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了單片機(jī)的控制系統(tǒng)，后來(lái)又研發(fā)了HMI人機(jī)交互設(shè)備，提高了使用者的操作性。雖然我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器的產(chǎn)量居于世界前列，但是整個(gè)行業(yè)的科技水平有待提升，從20世紀(jì)50年代開始，都是采用引進(jìn)國(guó)外技術(shù)進(jìn)行吸收創(chuàng)新，到了20世紀(jì)70年代，才開始加大自身的研發(fā)投入。對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，目前主要向大數(shù)據(jù)和智能化方向發(fā)展，美國(guó)部分太陽(yáng)能企業(yè)將現(xiàn)場(chǎng)控制趨于集成化，遠(yuǎn)程監(jiān)控也采用網(wǎng)頁(yè)模式，并逐步向移動(dòng)端控制方向轉(zhuǎn)移。我國(guó)目前主要還是采用Windows平臺(tái)，采用單片機(jī)或可編程控制器方式進(jìn)行控制。張艷軍[5]設(shè)計(jì)了一套單一工程的太陽(yáng)能熱水工程和一套多工程移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)。結(jié)合功能需求和性能需求設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Android平臺(tái)的太陽(yáng)能熱水工程移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了客戶端圖形界面、客戶端與服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)以及服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)模型、設(shè)計(jì)思路等，測(cè)試了整體性能以及服務(wù)端的吞吐量、能耗及流量分析，提出了相關(guān)優(yōu)化策略。廖神海[6]以某醫(yī)院既有太陽(yáng)能熱水工程為研究對(duì)象，基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為該工程搭建一套監(jiān)控系統(tǒng)。研究結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、顯示與保存及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)共享等功能,控制方法可以克服該既有工程設(shè)計(jì)上的固有缺陷,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定安全運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)的熱水控制系統(tǒng)主要依托Windows平臺(tái)，通過(guò)PLC+以太網(wǎng)+上位機(jī)軟件或單片機(jī)+GPRS+上位機(jī)等進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)的系統(tǒng)存在界面友好度不夠，穩(wěn)定性有待提高，網(wǎng)頁(yè)配置不佳，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，成本較高等問(wèn)題。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前監(jiān)控軟件開發(fā)的模式主要有B/S和C/S兩種結(jié)構(gòu)，B/S結(jié)構(gòu)相對(duì)于C/S結(jié)構(gòu)，具有擴(kuò)展性較好，升級(jí)較為方便，不依托操作系統(tǒng)平臺(tái)，能較好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且可以通過(guò)瀏覽器來(lái)直接處理突發(fā)事件。本系統(tǒng)擬將采用JAVA結(jié)構(gòu)方式，JAVA框架包含Struts、Hibernate、Spring三大系統(tǒng)架構(gòu)，在程序發(fā)開中的可讀性和拓展性上都有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是一套不需要人員現(xiàn)場(chǎng)參與的情況下讓系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，肩負(fù)著與上位機(jī)軟件進(jìn)行交互的作用，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的組成包括集熱器、水箱、加熱器、傳感器等，其運(yùn)行流程是由水箱中的水通過(guò)循環(huán)水泵輸送到集熱器中，如果環(huán)境溫度較低，則可通過(guò)輔助加熱設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)熱，系統(tǒng)還具備上水和供水功能，大型熱水系統(tǒng)通常還由多個(gè)水箱組合而成。設(shè)計(jì)一套兩個(gè)水箱系統(tǒng)的多排太陽(yáng)能真空集熱管熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 多排太陽(yáng)能真空集熱管熱水系統(tǒng)

熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的控制單元主要有主控制器、輸入輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊。主控器采用西門子226CN系列， 其主要特點(diǎn)是速度較快、成本較低，有較為完善的通訊方案，易于操作，具有模塊化設(shè)計(jì)易于拓展，具備16個(gè)DO和24個(gè)DI，可以添加7個(gè)拓展模塊?，F(xiàn)場(chǎng)主控搭建輸入輸出模塊，選擇S7-EM222M和S7-EM231滿足開關(guān)量和模擬量采集要求。傳感器的電壓采集采用標(biāo)準(zhǔn)輸出0～10 V的電壓型號(hào)。設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)通訊技術(shù)連接PLC設(shè)備。系統(tǒng)采用西門子TP277觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制，又可以直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)，可以修改系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)參數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC通信協(xié)議，OPC技術(shù)以組對(duì)象模型技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)采用多線程的異步通信方式，通過(guò)實(shí)現(xiàn)SCADA層與服務(wù)器間的通信。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)通常需要滿足可靠性、可維護(hù)性、易修改性、實(shí)用性、效率性和可擴(kuò)展性[7-11]。根據(jù)實(shí)際需求分析，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，架構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)由設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、通信層和服務(wù)器中心軟件構(gòu)成。設(shè)備層主要是由熱泵、閥門、傳感器等組成，現(xiàn)場(chǎng)控制層主要是由8套PLC控制設(shè)備組成。通信層主要采用全雙工通信模式的以太網(wǎng)方式，傳輸速率最高可達(dá)1 Gb/s。服務(wù)器中心軟件包括服務(wù)器、軟件和操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的流程是由水箱中的水經(jīng)過(guò)集熱水泵傳輸?shù)教?yáng)能集熱器中，加熱后返回水箱，如果環(huán)境溫度較低，可以通過(guò)電加熱器進(jìn)行加熱，提供熱能。系統(tǒng)還帶有供水和回水回路。太陽(yáng)能集熱器主要是由太陽(yáng)能集熱真空管組成，集熱管內(nèi)外兩層為真空，內(nèi)玻璃管表面有吸熱材料，可以吸收太陽(yáng)能的輻射對(duì)水進(jìn)行加熱，通過(guò)熱水和冷水的比重差，在真空管內(nèi)形成上下循環(huán)，提升管內(nèi)的水溫。

用戶管理模塊用于遠(yuǎn)程配置和觀察運(yùn)行信息的權(quán)限，管理員通過(guò)系統(tǒng)前臺(tái)瀏覽太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以查詢歷史數(shù)據(jù)和對(duì)運(yùn)行控制參數(shù)進(jìn)行修改，工程師可以進(jìn)行用戶刪減的管理和用戶信息的驗(yàn)證。數(shù)據(jù)查詢模塊主要是數(shù)據(jù)的顯示、輸出。故障報(bào)警模塊在監(jiān)控到故障信息時(shí)，管理人員會(huì)收到報(bào)警提示，管理人員可通過(guò)故障報(bào)警模塊掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，節(jié)約了管理成本。通信模塊主要通過(guò)OPC服務(wù)器讀取設(shè)備信息，然后將數(shù)據(jù)處理后顯示和儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)項(xiàng)目的需求進(jìn)行分析，圖3為系統(tǒng)的E-R需求分析圖。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求主要包括對(duì)液位的采集，對(duì)壓力、溫度數(shù)據(jù)的采集，開關(guān)和泵運(yùn)行的參數(shù)采集，運(yùn)行時(shí)間的采集等。輸出的數(shù)據(jù)有運(yùn)行信息、管理員信息、修改時(shí)間等。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)需求分析

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

目前軟件開發(fā)語(yǔ)言中C#和Java是較為常見的編程語(yǔ)言，相對(duì)于C#語(yǔ)言，Java能夠垮平臺(tái)運(yùn)行，具有較好的移植性，因此系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，操作系統(tǒng)采用與OPC兼容更好的windows 2003版本。設(shè)計(jì)服務(wù)器軟件的基本模型如圖4所示。服務(wù)器的表現(xiàn)層為Flash顯示、數(shù)據(jù)、圖表等，業(yè)務(wù)層主要是交互模塊、管理模塊、通信模塊等。

圖4 服務(wù)器軟件基本模型

針對(duì)太陽(yáng)能熱水監(jiān)控網(wǎng)站的特性，設(shè)計(jì)采用動(dòng)靜結(jié)合的網(wǎng)頁(yè)，網(wǎng)站頁(yè)面的組成如圖5所示。靜態(tài)頁(yè)面不需要與數(shù)據(jù)庫(kù)交互，無(wú)需進(jìn)行服務(wù)器處理，就可以直接顯示在瀏覽器上，這是網(wǎng)站的最基礎(chǔ)的組成部分，而動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的展示效果是與底層數(shù)據(jù)庫(kù)是相關(guān)的，數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息變化，網(wǎng)頁(yè)呈現(xiàn)的效果也會(huì)發(fā)生變化。Java語(yǔ)言支持動(dòng)態(tài)頁(yè)面技術(shù)，在傳統(tǒng)的HTML語(yǔ)言中加入Java語(yǔ)言，可以動(dòng)態(tài)的顯示實(shí)時(shí)效果，采用Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間的無(wú)縫對(duì)接。采用Flash技術(shù)和xml方式結(jié)合，顯示界面不會(huì)造成畫面抖動(dòng)，呈現(xiàn)畫面質(zhì)量較為穩(wěn)定。

圖5 網(wǎng)站的頁(yè)面組成

設(shè)計(jì)主要的主要的管理模塊：用戶管理模塊的設(shè)計(jì)主要用于用戶的登陸，用Ajax技術(shù)進(jìn)行格式的檢驗(yàn)，提示輸入錯(cuò)誤和重新輸入。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊主要是確認(rèn)輸入查詢的信息是否正確，如果正確進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，然后展示數(shù)據(jù)，如果輸入信息不合格，則返回查詢信息界面。故障報(bào)警從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)，如果熱泵運(yùn)行故障，則發(fā)出報(bào)警，同時(shí)監(jiān)測(cè)管路的壓力上下限值，如果超限也會(huì)發(fā)出故障報(bào)警?，F(xiàn)實(shí)模塊主要采用實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示和圖表顯示，顯示熱泵、電動(dòng)閥等運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖，首先采用SIMATIC.NET搭建OPC服務(wù)器， 連接S7-200系列，配置IP和子網(wǎng)掩碼，設(shè)定本地TSAP號(hào)，配置以太網(wǎng)中的模塊號(hào)，完成后進(jìn)行通信測(cè)試，通過(guò)OPC服務(wù)器查看S7-200的數(shù)據(jù)類型?；就ㄐ帕鞒倘鐖D6所示，采用JeasyOpc設(shè)計(jì)客戶端，在初始化后建立JOpc對(duì)象，調(diào)用JOpc.synchReadItem和JOpc.synchWriteItem進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。

圖6 OPC通信流程

OPC客戶端采用JeasyOpc來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法容易操作，兼容性好。首先對(duì)函數(shù)進(jìn)行初始化，建立JOpc對(duì)象，連接對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，調(diào)用寫數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行編程，可在OpItem中設(shè)置項(xiàng)目信息，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖7所示。

圖7 Opc客戶端實(shí)現(xiàn)方式

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)集熱循環(huán)測(cè)試主要考查的是加熱的溫度、水箱溫度、液位和環(huán)境溫度。測(cè)試水箱水溫與加熱溫度差值大于5 ℃時(shí)，系統(tǒng)是否會(huì)自動(dòng)開始加熱循環(huán)，是否打開水泵；測(cè)試水溫差小于3 ℃時(shí)，是否關(guān)閉水泵；測(cè)試集熱管水溫與水箱溫差大于60 ℃時(shí)，是否自動(dòng)關(guān)閉水泵，停止水循環(huán)。

測(cè)試供水泵供水情況，測(cè)試的主要指標(biāo)是水箱液位和供水時(shí)間段，系統(tǒng)首先需要判斷是否處于供水時(shí)間段，再進(jìn)行液位的判斷，最后決定運(yùn)行的開關(guān)狀態(tài)。熱泵的測(cè)試主要判斷在溫度高于55 ℃時(shí)，熱泵是否關(guān)閉，溫度低于45 ℃時(shí)，熱泵是否開啟。人機(jī)交互設(shè)備的測(cè)試主要是測(cè)試控制器是否能根據(jù)用戶的個(gè)性化的設(shè)置進(jìn)行正常的啟動(dòng)泵和按供水時(shí)間供水。

針對(duì)實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)試，監(jiān)控軟件的測(cè)試是關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)OPC與PLC連接建立，實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中可以看出，系統(tǒng)的采集信息與監(jiān)測(cè)信息都正常，OPC通信也正常，雖然實(shí)際精度值與采集值有微小的誤差，但不影響整個(gè)控制系統(tǒng)的正常的運(yùn)行。其他查詢、導(dǎo)出、顯示功能測(cè)試也運(yùn)行正常。

表1 檢測(cè)采集的信息

對(duì)軟件系統(tǒng)的測(cè)試主要包括物理通信測(cè)試、登陸模塊測(cè)試、OPC通信模塊測(cè)試、數(shù)據(jù)查詢測(cè)試、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能測(cè)試等。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)水泵控制策略中系統(tǒng)不明確運(yùn)行階段，故障處理的優(yōu)先級(jí)不明確等問(wèn)題，通過(guò)編程進(jìn)行修改，選取3個(gè)事件來(lái)判斷水泵是否開啟，采取設(shè)置多個(gè)標(biāo)志位才分析水泵循環(huán)策略，并升級(jí)工作日志的功能，通過(guò)優(yōu)化后，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，對(duì)太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，分析了目前市場(chǎng)上的技術(shù)存在的問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際情況，提出了基于Java平臺(tái)的太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用西門子系列的可編程控制器，通過(guò)搭建了OPC服務(wù)器，建立服務(wù)器與控制設(shè)備的連接，系統(tǒng)搭建完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制和監(jiān)控軟件部分的測(cè)試，進(jìn)行了策略測(cè)試、開關(guān)測(cè)試和物理通信模塊的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了監(jiān)控部分的不足，并提出了解決措施，優(yōu)化后的系統(tǒng)能夠有效的對(duì)太陽(yáng)能熱水工程的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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