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基于PLC与三维力控组态技术的太阳能热水工程监控系统_图文

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第 2卷, 5 总第 12 4 期  20 年 3 , 2 07 月 第 期 

《节 能 技 术 》  
ENERGY  0NS C ERVAT【 0N  CHN0UD TE GY 

Vo . 5. u . 12 S m No. 4   12 Ma . 0 7, r 2 0 No.   2

基于 P C与三维 力控组态技术 的  L 太阳能热水工程监控 系统 
李光元 , 刚, 耿 潘友军 , 王耀庭 , 李加波 , 潘光锋 , 辉  李 ( 山东省科 学 院能源研 究所 , 山东  济 南 20 1) 504 
摘 要 : 文介 绍 了太 阳能热 水 系统设计 原理 , 此基础 上介 绍 了太 阳能热水 工程监 控 系统 设  本 在

计要 求 以及 原理 , 用可编程控 制 器 P C与 三 维 力控 组 态软 件 构 建 一 套监 控 系统 , 升 整 个 太 阳  利 L 提
能 热水 系统的技 术 水平和性 能 。  

关键 词 : 太阳能 热水 系统 ; 可编程控 制 器 ; 态 ; 组 监控 

中 图分类号 :K 1 . T 534  

文献标 识码 :  A

文章编 号 :02 39(07 2 14—0  10 —63 20 )0 —03 3

Au o— c n r la d On—f e M o i rn   y tm  fS lrW a e   t — o to  n   — n   n t i g S se o   oa   tr i o

P oet ae  nP C a dP — uo rjc  sdo   L     C—a t  B n
L  un —y a , E G gn ,A   o jn WA G Y o i ,I i—b ,A   un —f g L  u I ag un G N  ag P N Y u— u , N   a —t g L  a o P G ag e , I i G n J N n H   ( nr   eer   st eo  adn  cdm    c ne J a 50 4 C i ) E eg R s c I tu  f hn o g ae yo Si c , i n2 0 1 , hn   y a h n it S A f e n a
Ab ta t T e at l it d c st ed s n p n il f oa   ae  y t .B s d o   i ,tea t l pe e td sr c : h   r ce nr u e     e i   r cp eo   l w tr s m i   o h g i s r s e a e  n t s h   r ce rs ne   h i   t e d s  e u rme t a d p n il  f n tr g s s m  s d P C a d P —A t ,i  r e    mp o e te h   e i rq i n g e ns n   r cpe o mo i i  y t u   L     C   i on e e n u o n od r t i rv     o h
s l   trs se ’  efr n e a d tc n c lme t  oa wae y tm Sp roma c    e h ia  r . r n i Ke   r s: o a  trsse ;PL y wo d S lrwae y tm C;P — Auo;Mo i rn   C - t n ti g o

O  ̄-    1- '
到 目前为 止 , 国内的大面积太 阳能供 热水 系统主  要是 由集热器联箱 阵列 、 水箱 、 阀等组成 直流式 、 储 泵   自然循 环式和强迫循环式 系统 , 利用 电加热 等辅 助能  源 , 现全天候提供热水 。利用单 片机嵌 入式 系统和  实

整个太阳能热水系统的技术水平和性能。  

1 设计要求 
1 1 太 阳能热水 系统 设计原 理  .

太 阳能热 水 系统 主 要 由太 阳能集 热 器 、 类 手  各 动阀、 电磁 阀 、 环 泵 、 循 蓄热 水 箱 、 电加热 水 箱 、 温  水

继电器控制系统对系统进行控制。由于其在控制技  术方面的缺陷 , 整个系统的 自 动化程度不高, 使整个  系统 提供的热水 品质不能满 足使用 者的需求 , 大面积  太阳能供热水系统装置仍然难以规模化应用和推广。   基 于此 , 出一套 以 P C为微 控制核心 , 提 L 利用 P c机 与  组态 软件做 为监控系统 的太 阳能热 水监控 系统 , 提升 
收 稿 日期 20 一 l —l  O6 l 7 修 订 稿 日期 20 O7一O 一2  l 5

水位传感器 、 变频器及控制系统等组成。   其 设计 原 理 为 : 显示 蓄 热 水箱 和 电热 水 箱 的 水  位温度 、 集热器高温点温度 、 管道循环温度 ; 高温点  控 制集热 器补 水 电磁 阀 和 循 环 泵 实 现 自来 水 与 联  箱、 蓄热水箱间的定温直流放水 ; 高温点与蓄热水箱  低 温点 的温 差控 制温 差循环 电磁 阀和循 环泵 实现 联  箱与蓄热水箱间的温差循环 ; 电动阀控制蓄热水箱  和电热水箱的补水 ; 电加热水箱 的温度和水位控制  电加热 的开 启 ; 水 泵 控 制 蓄热 水 箱 为 电热 水 箱 补  补

作者简介 : 李光元(9 1 , 硕士学位 , 事制冷 自动化 、 18 一) 男, 从 新  能源 自动化等课题 。  
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水; 电动阀控制蓄热水箱和电热水箱供水 ; 循环泵通  过变 频控 制实 现变频 恒压 供水 。   12 监 测要 求  .
() 1运行 参数 的监测 。   太 阳能 热 水 系统 在运 行 过 程 中 , 在 大 量 的 热  存 物理 参 数 , 温 度 、 位 等模 拟 量 参 数 。需 要 通 过  如 水

现场采集系统采用温度传感器及水位传感器 ,   温度传感器采用 1 3 本石冢测温 电阻温度传感器以及  浮球式水位传感器。水位传感器通过浮球与连杆的   电磁吸合来判定 电阻大小确定水位。   () 控核心  3微 控 制 系统采 用 台 达 D P一1S( P C 扩 展 数  V 0?型 L , 字 输 出 模 块 D P8N 以 及 模 拟 量 输 入 模 块  V OS
D P4 D, 以实现 6点 模拟 量 输 入 , 点数 字 量 输  VOA 用 l 入 ,0点数字 量输 出。 l   22 监控 系统 原理  . 通过人 机界 面或 者远程 监控 界面 进行 系统参 数  的设置 。系 统参 数 的设 置包 括 定 温放 水 设 定 温度 ,   电加热设 定 温度 , 水 温 度 , 道循 环 设 定 温度 , 供 管 蓄 

PC对这些参数进行实 时采集和处理 , L 并且为远程  传送做好准备。   () 2 设备 运行状 态 的监测  般情况下 , 要求在远程可监测到循环 、 补水泵  的电动机运行或者备用 的状态 、 变频器输 出的频率  或 者 电流 、 电磁 阀的动 作情况 等 。  


() 制 系统要 求  3控 系统 的 自动手 动 运行 。  

2 监 控 原 理 
2 1 监控 系统硬 件 结构  .

热水箱设定水位 , 电热水箱设定水位 , 排空时间的设  定 以及 排空 上水 时间 的设定 。  

控制系统采用 P C作为微控制器 , L 其硬件配置  方式为整体式加积木式 , 扩展了数字输出扩展模块 、   模拟量扩展模块 , 此配置易安装 、 易使用 , 系统可靠  性、 兼容性 、 扩充性强, 具有热插拔功能 , 远传通讯功 
能 强大 、 网灵 活 、 立 完成 测 控 任 务 , 以严 格保  组 独 可

水温水位传感器检测到的现场信号通过接口电  路、 模拟 量扩 展模 块 将 这些 信 号 转 换 成 中央 处 理 单  元 C U能够 识别 和处理 的数字 量 信 号 , P 并存 到 输入  映像 寄存 器 中。运 行 时 C U从 输 入 映像 寄 存 器 读  P
取输入信息并进行计算 、 线性化处理 , 将处理结果传  送到输出映像寄存器 ,L PC通过与设定值的比较, 通  过对输出接 口电路将其弱电控制信号转换成现场需  要的强电信号输出, 以驱动电磁阀 、 电器 、 继 指示灯  等被控设备的执行元件。  

证本系统设施的安全运行 。控制系统硬件整体结构  原理 图如 图 l 所示 。  

3 软 件 设计 
’   3 1 组 态软 件设 计方 案  .

() 1监控策略  其 控 制策 略如 图 2所示 。  
主挂窗 口  

一一 一 一  一一 一一 一

设备窗 口   力控  组态 

用 户窗 口  

模  输入 信 号 整字    


数字 号 出 信 输 

图 1 监控系统硬件结构 图 
F g 1 n l w l   fmo i rn   y tm  i .  a- s' o d e n ti g s se o

实时数据库 

() 1监控 界面 

监控系统采用远程监控与现场监控相结合的方  法, 远程 监控 采用 P C机 +三维 力 控组 态 软 件 , 场  现 监控采用人机界面( 触摸屏) 做为可视操作界面。   () 2 现场采集 系统 

图 2 监控 策略图 
F g 2 S r tg   iu e o i .   t e y F g r   fmo i r g a nt i   o n

() 2 建立图形界面  利用窗口工具箱里面的编辑工具 、 实肘/ 历史趋 
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势 曲线 、 u/ 史报警 、 u/ 实  ̄历 实  ̄ 历史 报表 等组件 和 图  库制 作建立 监控 界 面 ( 主体 图 、 系统 实 时显 示 、 史  历

在 界 面运 行 系统 中 , 图形 对 象 将 根 据 变量 或 表 达式  的数据 变化 , 改变 其 颜 色 、 小 等外 观 , 文 会根 据  大 本 变 量 的变化 动态刷 新 。这样便 可 以将现 场真 实 的数  据反 映 到计算 机 的监 控 画 面 中 , 而达 到 了计算 机  从
监 控 的 目的。  

曲线 、 表以及用户管 理等) 报 。监控 图形界面可直 
观 、 地显示 出太 阳能 热 水 系统 各 部 位 重要 参 数  动态 的变化 以及 各 泵 阀 的 开 启 情 况 。 同 时 还 有 历 史 曲 

线、 报表等窗口( 如图 3 所示) 。  

() 6 动作脚 本  在 本 系统 中涉及 到窗 口脚 本 动作 、 应用 程 序脚  本 动作 以及数 据改 变脚 本动 作 。窗 口脚 本 可 以在 窗  口打开 时执行 、 闭时执 行或 者在存 在 时周期执 行 。 关  

l II i DI l i- 一 一

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电 动 一c   2

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应用 程序脚 本 可 以在 整 个 应用 启 动 时 执行 、 闭 时  关 执行 或 者在运 行期 间周 期执行 。数据改 变脚 本 当数  据 发生 变化 时执行 。  

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图 3 监 控 系统 图 

4 P C与上位机的通讯    L
R 45通信实 现 P S8 C机 与 台达 PC之 间 的数 据  L

F g 3 Fiu e o  n tr g s  ̄ m  i。  g r   fmo i i  y e on

传输 。采用 M du 通讯协议 , obs 利用 P C机 C M 口与 O   P C的 R L S一4 5口进 行 通 讯 , 于 P 8 由 C机 C M 为  O R 22口, S3 需要使用 R 22R 5 S3/  ̄8 转换器 ( 转换电路 

() 3 配置 IO设备  / 该 系统 采 用 台 达 D P0X系 列 PC完 成 底 层  V 1S L 数据采集和底层控制过程 。该 PC通过 R 一 8 串  L S 45 行 通讯 口与操 作站 相连 。可直 接在 操作 站 上对 P C L  进 行各 种控制 操作 , 人机 交互简 洁直 观 。   () 建实 时数据 库  4创 数 据库 是 整个 监 控 软件 的 核心 , 建 数据 库 点  创 并进行数据库点与 P I E设备的数据连接 , 时数据  实 库系统 由管理器 和运 行 系统 组 成 , 时 数 据库 将 组  实 态数据 、 实时数据 、 历史数据等以一定的组织形式存  储 在介 质上 。   实 时数据库 运行 系统 可 以完成对 生产 实时 数据  的各种操作 : 如实时数据处理 、 历史数据存储 、 统计  数据处理 、 报警处理、 数据服务请求处理等。系统变  量包括 窗 口中间变 量 、 中间变量 、 据库变 量 和间接  数 变量 。中间变量 的作 用 域 范 围为 整 个应 用 程 序 , 不  限于单 个窗 口。一 个 中间变 量 , 所 有 窗 口中均 可  在 引用 。即在对某 一 窗 口的控 制 中 , 中间 变量 的修  对
改将 对 其它 引用 此 中 间变 量 的窗 口的 控 制 产 生 影  响 。窗 口中间变 量 也 是 一种 临 时变 量 , 没 有 自己  它

图如图 4 所示 ) 进行转换 , 通讯 口参数如表 1 所示 。   通信 线路使 用屏 蔽 双 绞 线 , 路较 长 要 外 接 补偿 电  线 阻 。其功 能码参 见表 2 obs 能码 与 数据 类 型  。M du 功 对 应表 如表 3所示 。  
表 1 通讯口参数 
T b。  p r mee so   o a 1 a a tr   fc mmu ia in nc t   o

表 2 M du 功 能码    obs
T b。   F n t n mo e o a 2 u ci   d   fMo b s o du 

的数据源。中间变量适于作为整个应用程序动作控  制的全局 性变量 、 全局 引 用 的 计算 变 量 或 用 于保 存 
临时结 果 。在 本 系统 中 共 设 置 了 6 3个 组 态 点 ,6 4 
个 中间 变量 。  

() 5 动画链 接  动 画连接 是将 画面 中 的图形对 象与 变量之 间建  立特 定 的联 系 , 过制 作 画 面 连 接使 图形 在 画 面上  通 随 P C数 据 的变化 活 动起 来 。建 立 了 动 画连 接 后 , L  
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( 转第 12页) 下 9  

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利用 式 () 以计 算 出该 热 管蒸 汽 发 生器 的 动 态投  1可

能 的经济 性也是 非 常好 的 , 与 当前 冶 金 烧 结机 上  这

资回收期为  = 15 年。 . 5   3 2 广义节 能量  . 按照热管蒸发器 的平均寿命为 5 以及 国家  年 20 年对钢铁企业 吨钢能耗要求70 g 05 5  标煤 , k 年运  行时间为70 , 以按下式计算出该热管蒸发器  00h 可 每年的平均广义节能量为 
A = 8 1 Q —AQ)一K /Ⅳ E 6( E   () 2 

使用的实际情况是 吻合的 , 因此我们可以得 出热管 
蒸 发器在 冶金 烧结 机上 的应用 是可行 的结 论 。但 是 

这里只是对一种设备进行分 析, 要全面地分析其经  济性必须与其他 可用 的设备进行 比较 , 如其经济性  是最好的, 那就是此装置上我们应该积极推广 的节  能型热回收设备。  

式中 △ —— 热回收设备 的广义节能量 , 标煤    E  
/年 ;   p — 回收 热量 ,W; — k  

4 结 论 
通过对热管蒸发器在 18 2 0  冶金烧结机上应用  m 节能经济性分析, 出了在冶金烧结机上应用热管  得 蒸发器进行余热回收是可行的结论 , 同时 , 本文提出   的热 回收设备 的 动态投 资 回收期和 广义 节能量 的计 
算式 还需 进一 步通 过 使 用验 证 , 以此 为将 来 更 多  也 的研究 者提供 参考 。   参 考文 献 
[] 1庄骏 , 张红 . 热管技 术及其工 程应用 [ . M]北京 : 化学 
工 业 出版 社 ,0 06  20 , .

△ —— 热 回收设备辅助用能量 ,w; 9 k   E— — 吨钢 生产 能耗 ,g 煤 / ;   k标 t   热 回收设备耗钢量 ,  t ; Ⅳ —— 热回收设备的寿命期 ,   年。
将 Q =30 W, 18k AQ一 0 K =6 , g 5 g , 0tE =70k 

标煤 / 钢 ,, 数值代入式( ) 可以计算出该  t 』 =5 、 2 中,
热管 蒸发器 广义 节能量 为26 标 煤 / 。 67t 年   从上 面 的 计 算 可 以 看 出 , 热 管 蒸 发 器 在  该

[] 2 顾念祖 , 刘亚琴 . 能源经济 与管理 [ . M] 北京 : 中国电 
力 出 版社 ,99 3  19 , .

18 2 0  冶金烧结 机上应用节能效果是可观的 , m 其节 
( 上接 第 16页) 3  

5 系统运行与调试 
系 统设 计 完成 后 进 入运 行 状 态 , 有 问题 则会  若 发 出报警 声 , 时 整 个 系统 停 止 运 行 。这 可 以从 报  此 警记 录表 中找 出有 问题 的地 方 , 经 过 改 动后 继 续  在 调 试 , 到 系统 进 入正 常运行 轨道 为止 。 直  

6 结束语 
本系统解决了现有系统 自动化程度不高 、 供应 
图4 S 3  R 一22转 R 一454 2电路 图  S 8/ 2
Fg.   E e t nc f u e o  s 3  o r4 5 4 2 i4 l cr i  g r  fr2 2 t s 8 / 2   o i

热水水 温低 的 缺 陷 。PE、 摸 屏 技 术 在课 题 控 制  I 触

表 3 功能码与数据类型对应表 
Ta 3 p r l ls t l  ffn t n mo e a d d t  b.  a al i a e o u ci   d   n   aa e m b o

系统 中的应用 , 不但提高 了系统的 自动化程度和可  靠性 , 而且控制精度高 , 提升了整个系统 的热效率 ,  
而且 远程 监控 的实 现 , 决 了原来 一 直 困扰 太 阳能  解

小区供水的管理 维护不便的问题 , 提高 了工作效率  及 准确 度 , 提高 了 工程 设 计 水 平 及技 术 档 案 管理 水  平, 使得物业管理人员可以在办公 网络上查询到供  热水设施 的基础数据, 方便了供热水系统运行。   参 考文 献 
[] 1北京三维力控软件使用说 明 [ ]20 . . 京 : Z .06 5 北 北京 
三维力控公司 .  

[] 2 苏云 , 丰 , 潘 肖应 旺 . 于组态 王与 P C的远程控 制  基 L 系统 [] 工业 仪表与 自动化装 置 ,04 ( )5 —5 . J. 20 ,2 :3 5 

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