牛 雨
(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院,濟南 250103)
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)計地球上的石油煤炭資源只夠使用200余年,同時石油煤炭資源的燃燒產(chǎn)物會帶來環(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)低于世界其他國家[1-3]。目前中國各地產(chǎn)生的霧霾天氣也表明了我國的能源和環(huán)境問題十分嚴(yán)峻。目前比較理想的可替代能源有水能、太陽能、核能、生物能等,太陽能因其儲量巨大,使用面積廣,具有清潔環(huán)保,產(chǎn)生污染較少的特點,受到世界各國的重視,被成為21世紀(jì)的能源。我國的太陽能資源豐富,國家對太陽能的發(fā)展也非常重視,提出了太陽能資源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,推出了支持太陽能發(fā)展的行業(yè)政策。
太陽能利用中光熱轉(zhuǎn)化和光電轉(zhuǎn)化得到了快速的發(fā)展,主要利用在太陽能熱水系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。近年來太陽能熱水系統(tǒng)因其轉(zhuǎn)化率較高被廣泛的使用[4-7]。市場上主流的太陽能熱水系統(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,目前的太陽能熱水系統(tǒng)主要是靠簡單現(xiàn)場控制單元根據(jù)控制邏輯來運行系統(tǒng),系統(tǒng)遇到突發(fā)情況時,無法集中有效的控制,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)計分析功能。
本文針對太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、監(jiān)控系統(tǒng)不完善等問題,設(shè)計開發(fā)基于JAVA平臺的太陽能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng),具備實時控制、遠(yuǎn)程顯示和報警等功能。
1757年瑞士科學(xué)家制造了第一臺太陽能集熱器,1891年美國科學(xué)家利用集熱器制造了第一臺太陽能熱水器,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)了單片機的控制系統(tǒng),后來又研發(fā)了HMI人機交互設(shè)備,提高了使用者的操作性。雖然我國的太陽能熱水器的產(chǎn)量居于世界前列,但是整個行業(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,美國部分太陽能企業(yè)將現(xiàn)場控制趨于集成化,遠(yuǎn)程監(jiān)控也采用網(wǎng)頁模式,并逐步向移動端控制方向轉(zhuǎn)移。我國目前主要還是采用Windows平臺,采用單片機或可編程控制器方式進(jìn)行控制。張艷軍[5]設(shè)計了一套單一工程的太陽能熱水工程和一套多工程移動監(jiān)控系統(tǒng)平臺架構(gòu)。結(jié)合功能需求和性能需求設(shè)計并實現(xiàn)了基于Android平臺的太陽能熱水工程移動監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計了客戶端圖形界面、客戶端與服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計以及服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)模型、設(shè)計思路等,測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)院既有太陽能熱水工程為研究對象,基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)平臺為該工程搭建一套監(jiān)控系統(tǒng)。研究結(jié)果表明:所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)對熱水系統(tǒng)運行參數(shù)的實時采集、顯示與保存及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問和數(shù)據(jù)共享等功能,控制方法可以克服該既有工程設(shè)計上的固有缺陷,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定安全運行。目前國內(nèi)的熱水控制系統(tǒng)主要依托Windows平臺,通過PLC+以太網(wǎng)+上位機軟件或單片機+GPRS+上位機等進(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)頁配置不佳,無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,成本較高等問題。
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)相對于C/S結(jié)構(gòu),具有擴展性較好,升級較為方便,不依托操作系統(tǒng)平臺,能較好的實現(xiàn)實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控,并且可以通過瀏覽器來直接處理突發(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。
太陽能熱水系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)是一套不需要人員現(xiàn)場參與的情況下讓系統(tǒng)獨立運行的系統(tǒng),肩負(fù)著與上位機軟件進(jìn)行交互的作用,現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的組成包括集熱器、水箱、加熱器、傳感器等,其運行流程是由水箱中的水通過循環(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)通常還由多個水箱組合而成。設(shè)計一套兩個水箱系統(tǒng)的多排太陽能真空集熱管熱水系統(tǒng),系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 多排太陽能真空集熱管熱水系統(tǒng)
熱水系統(tǒng)設(shè)計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)計易于拓展,具備16個DO和24個DI,可以添加7個拓展模塊?,F(xiàn)場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。設(shè)計采用以太網(wǎng)通訊技術(shù)連接PLC設(shè)備。系統(tǒng)采用西門子TP277觸摸屏實現(xiàn)人機交互,可以進(jìn)行現(xiàn)場的控制,又可以直接對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,通過設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù),可以修改系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)參數(shù)。
現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC通信協(xié)議,OPC技術(shù)以組對象模型技術(shù)為基礎(chǔ),系統(tǒng)采用多線程的異步通信方式,通過實現(xiàn)SCADA層與服務(wù)器間的通信。系統(tǒng)軟件設(shè)計通常需要滿足可靠性、可維護(hù)性、易修改性、實用性、效率性和可擴展性[7-11]。根據(jù)實際需求分析,對監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,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)計由設(shè)備層、現(xiàn)場控制層、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)備運行的流程是由水箱中的水經(jīng)過集熱水泵傳輸?shù)教柲芗療崞髦?,加熱后返回水箱,如果環(huán)境溫度較低,可以通過電加熱器進(jìn)行加熱,提供熱能。系統(tǒng)還帶有供水和回水回路。太陽能集熱器主要是由太陽能集熱真空管組成,集熱管內(nèi)外兩層為真空,內(nèi)玻璃管表面有吸熱材料,可以吸收太陽能的輻射對水進(jìn)行加熱,通過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)程配置和觀察運行信息的權(quán)限,管理員通過系統(tǒng)前臺瀏覽太陽能熱水系統(tǒng)工程的實時數(shù)據(jù),也可以查詢歷史數(shù)據(jù)和對運行控制參數(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證。數(shù)據(jù)查詢模塊主要是數(shù)據(jù)的顯示、輸出。故障報警模塊在監(jiān)控到故障信息時,管理人員會收到報警提示,管理人員可通過故障報警模塊掌握現(xiàn)場的運行情況,節(jié)約了管理成本。通信模塊主要通過OPC服務(wù)器讀取設(shè)備信息,然后將數(shù)據(jù)處理后顯示和儲存到數(shù)據(jù)庫中。對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計,首先需要對項目的需求進(jìn)行分析,圖3為系統(tǒng)的E-R需求分析圖。系統(tǒng)設(shè)計的需求主要包括對液位的采集,對壓力、溫度數(shù)據(jù)的采集,開關(guān)和泵運行的參數(shù)采集,運行時間的采集等。輸出的數(shù)據(jù)有運行信息、管理員信息、修改時間等。
圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫需求分析
目前軟件開發(fā)語言中C#和Java是較為常見的編程語言,相對于C#語言,Java能夠垮平臺運行,具有較好的移植性,因此系統(tǒng)采用Java語言進(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
針對太陽能熱水監(jiān)控網(wǎng)站的特性,設(shè)計采用動靜結(jié)合的網(wǎng)頁,網(wǎng)站頁面的組成如圖5所示。靜態(tài)頁面不需要與數(shù)據(jù)庫交互,無需進(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,而動態(tài)網(wǎng)頁的展示效果是與底層數(shù)據(jù)庫是相關(guān)的,數(shù)據(jù)庫中的信息變化,網(wǎng)頁呈現(xiàn)的效果也會發(fā)生變化。Java語言支持動態(tài)頁面技術(shù),在傳統(tǒng)的HTML語言中加入Java語言,可以動態(tài)的顯示實時效果,采用Ajax技術(shù)實現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間的無縫對接。采用Flash技術(shù)和xml方式結(jié)合,顯示界面不會造成畫面抖動,呈現(xiàn)畫面質(zhì)量較為穩(wěn)定。
圖5 網(wǎng)站的頁面組成
設(shè)計主要的主要的管理模塊:用戶管理模塊的設(shè)計主要用于用戶的登陸,用Ajax技術(shù)進(jìn)行格式的檢驗,提示輸入錯誤和重新輸入。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)庫比對,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。故障報警從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù),如果熱泵運行故障,則發(fā)出報警,同時監(jiān)測管路的壓力上下限值,如果超限也會發(fā)出故障報警?,F(xiàn)實模塊主要采用實時動畫顯示和圖表顯示,顯示熱泵、電動閥等運轉(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,配置以太網(wǎng)中的模塊號,完成后進(jìn)行通信測試,通過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)計客戶端,在初始化后建立JOpc對象,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來實現(xiàn),這種方法容易操作,兼容性好。首先對函數(shù)進(jìn)行初始化,建立JOpc對象,連接對應(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)置項目信息,具體實現(xiàn)方式如圖7所示。
圖7 Opc客戶端實現(xiàn)方式
對集熱循環(huán)測試主要考查的是加熱的溫度、水箱溫度、液位和環(huán)境溫度。測試水箱水溫與加熱溫度差值大于5 ℃時,系統(tǒng)是否會自動開始加熱循環(huán),是否打開水泵;測試水溫差小于3 ℃時,是否關(guān)閉水泵;測試集熱管水溫與水箱溫差大于60 ℃時,是否自動關(guān)閉水泵,停止水循環(huán)。
測試供水泵供水情況,測試的主要指標(biāo)是水箱液位和供水時間段,系統(tǒng)首先需要判斷是否處于供水時間段,再進(jìn)行液位的判斷,最后決定運行的開關(guān)狀態(tài)。熱泵的測試主要判斷在溫度高于55 ℃時,熱泵是否關(guān)閉,溫度低于45 ℃時,熱泵是否開啟。人機交互設(shè)備的測試主要是測試控制器是否能根據(jù)用戶的個性化的設(shè)置進(jìn)行正常的啟動泵和按供水時間供水。
針對實際運行效果進(jìn)行測試,監(jiān)控軟件的測試是關(guān)鍵。通過對OPC與PLC連接建立,實際檢測的數(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)測信息都正常,OPC通信也正常,雖然實際精度值與采集值有微小的誤差,但不影響整個控制系統(tǒng)的正常的運行。其他查詢、導(dǎo)出、顯示功能測試也運行正常。
表1 檢測采集的信息
對軟件系統(tǒng)的測試主要包括物理通信測試、登陸模塊測試、OPC通信模塊測試、數(shù)據(jù)查詢測試、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能測試等。測試中發(fā)現(xiàn)水泵控制策略中系統(tǒng)不明確運行階段,故障處理的優(yōu)先級不明確等問題,通過編程進(jìn)行修改,選取3個事件來判斷水泵是否開啟,采取設(shè)置多個標(biāo)志位才分析水泵循環(huán)策略,并升級工作日志的功能,通過優(yōu)化后,系統(tǒng)能夠正常運行。
本文簡述了太陽能熱水系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成,對太陽能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了簡要的介紹,分析了目前市場上的技術(shù)存在的問題,結(jié)合實際情況,提出了基于Java平臺的太陽能熱水工程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案,系統(tǒng)采用西門子系列的可編程控制器,通過搭建了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)場控制和監(jiān)控軟件部分的測試,進(jìn)行了策略測試、開關(guān)測試和物理通信模塊的測試,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)能夠有效的對太陽能熱水工程的現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)控。
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