基于PLC的太阳能空调监控系统设计与实现.pdf

电气 自动化 2 0 1 4年第3 6 卷 第5期 撕 能源发电控制技术 T h e N e w E n e r g y P o we r Co n t r o I T e c h n 基 于 P L C的太 阳能 空调监控 系统设计 与实现 叶一枝 ，周陈龙 ，赵耀 ，代彦军 1 ． 上海电气集团股份有限公司中央研究院。 上海2 0 0 0 7 0 ， 2 ． 上海交通大学 制冷与低温工程研究所 。 上海2 0 0 2 4 0 摘要介绍了以西门子 P L C作为主控单元实现的针对太阳能空调的自动化智能化控制系统。通过控制包含线性菲涅尔集热镜场、 溴 化锂机组 、 融盐储热罐 ， 以及空调系统油路和水路等设备， 实现太阳能空调系统的自动化控制功能， 并通过在微网示范工程监 控系统的集中显示， 实现了太阳能空调系统的无人化职守功能。通过工程施工及现场工程验收工作， 已经实现预期控制 目标。 关键词太阳能空调系统； 自动化； 通讯协议 ； 监控软件； 监控界面 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0- 3 8 8 6 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 1 6 [ 中图分类号]T B 6 5 7 ． 2 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 5 0 0 4 4 0 4 De s i g n a n d l mp l e me n t a t io n O f PL C- b a s e d Mo n it o r i n g S y s t e m f o r t h e So l a r Ai r Co n d it io n in g Sy s t e m Y E Y i ． z h i ， Z HO U C h e n ． 1 o n g ， Z H A O Y a o ， D A I Y a n - j u n 1 ． S h a n g h a i E l e c t r i c G r o u p C o ． ， L t d ． ，C e n t r a l A c a d e m y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 0 ，C h i n a ； 2 ．I n s t i t u t e o fR ef r i g e r a t i o n a n d C r y o g e n i c s ofS h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s c ri b e s a n a u t o ma t i c i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m f o r s o l a r a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e ms u s i n g S i e me n s P L C a s t h e ma i n c o n t r o l u n i t ．T h e a u t o ma t i c c o n t rol f u n c t i o n i s r e a l i z e d t h r o u g h l i n e a r F r e s n e l h e a t c o l l e c t i n g mi no r fi e l d，l i t h i u m b r o mi d e u n i t ，s alt me l t i n g a n d s t o ri n g t a n k，a s we l l a s t h e o i l l i n e a n d w a t e r l i n e o f t h e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m．T h r o u g h c o n c e n t r a t e d d i s p l a y i n t h e mo n i t o ri n g s y s t e m o f t h e m i c ro g ri d e x e m p l a r y p r 0 j e c t 。 u n m a n n e d o p e r a t i o n i s r e a l i z e d f o r t h e s o l a r a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m． Thr o u g h e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n a n d o n s i t e a c c e p t a n c e i n s p e c t i o n，t h i s c o n t r o l s y s t e m f u l fi l l s t h e e s t i ma t e d c o n t r o l t a r g e t ． Ke y wo r d s s o l a r a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m；a u t o ma t i o n ；c o mmu n i c a t i o n s p r o t o c o l ；mo n i t o ri n g s o f t ware；mo n i t o ri n g i n t e r f a c e 0 引 言 太阳能作为一种清洁的能源， 既是一次能源， 又是可再生能 源， 有着矿物能源不可比拟的优越性。以利用太阳能进行供热、 采暖和制冷是实现规模化、 低成本利用太阳能的重要途径。太阳 能空调采暖系统的最大优点在于它有很好的季节匹配性， 夏季光 照强， 天气炎热， 太阳能空调的制冷量也越大， 在冬季还可以通过 太阳能热利用的方式进行采暖 - 2 ] 。P L C P r o g r a mm a b l e L o g i c a l C o n t r o l l e r ， 可编程逻辑控制器 是一种专门在工业环境下应用而 设计的数字运算操作的电子装置 。相 比较 D D C D i r e c t D i g i t al C o n t rol l e r ， 直接数字控制器 和 P I D P r o p o r t i o n I n t e gra t i o n D i ff e r e n t i a t i o n C o n t r o l l e r ， 比例 、 积分、 微分控制器 等闭环控制系统或是 传统 的继 电器控制 系统 ， P L C能够 自由、 灵 活地编程进 行控制 ， 具 有通用性好、 功能强、 可靠性高、 扩展灵活、 维修方便等优势， 更适 用于在太阳能空调采暖系统领域内的应用 。 作为上海电气集团股份公司中央研究院与上海交通大学低 温与制冷研究所合作研究开发的光、 热、 储综合利用太阳能空调 采暖系统的配套设施之一， 本文介绍的 自动监控系统采用 P L C 控制， 通过 P L C的通讯接 口可以接入上位监控系统， 便于在主控 制室查看各节点各子系统运行状态 ， 并且能实现系统能效、 能源 消耗 、 节能量以及故障监视及分析等功能。因此如何应用 P L C 控制器对系统实施有效控制 ， 以达到高效节能、 灵活操作的目标 定稿 日期 2 0 1 31 1 3 0 4 4 E le c t r i c a l Au t o ma t i o n 是本文研究的重点。基于 P L C控制的太阳能空调采暖系统设计 包括 系统总原理框图设计、 电气控制部分设计 、 P L C控制部分设 计 等方面。 1 控制方案与原理 P L C监控系统可实现对于整个光、 热、 储综合利用系统及其 各个子系统主要零部件的运行参数的测量、 采集、 记录、 存储 、 分 析等功能。如图 1 所示 ， 该 P L C监控系统主要由一台 P C监控主 机， 一台P L C控制柜 内含 P L C模块及通讯设备 ， 一台打印机以 及用户末端设备 P A D 等构成。P L C通过对各个数据信号采集 对电磁阀和循环泵以及太阳能集热器、 电加热装置和制冷机等系 统主要部件的开关或调节实现不同工况要求时的自动切换。 I 辩睁帆 电加热■ 图 1 监控 系统结构 图 光、 热、 储综合利用系统的监控方案为监测和控制两部分。对 于监测部分 ， 在各主要设备进出口端布设相应的传感器， 由传感器 能源发电控制技术 皇 皇 兰 兰兰 T h e Ne w E n er g y P o we r Co n t r o l T e c h n o lo g 采集的信号通过 P L C 模拟量及数字量接口转换为温度、 流量、 用电 量以及太阳辐照强度等直观参数， 并通过 R S 4 8 5端口传输给分布 式集成示范工程主系统显示在监控主机和用户末端界面上。并且 可以通过这些数据分别计算出太阳能集热器集热效率、 集热量， 储 能量 ， 板换效率， 加热量， 制冷量， 系统 C O P ， 节能指标等一系列后 期参数 ， 为整个系统或是各个子系统的性能评估提供依据。 如图 2所示， 整个光、 热 、 储综合利用系统的运行主要由六种 模式组成， 分别为太阳能储能 、 电储能、 太阳能制冷、 储能制冷、 太 阳能采暖和储能采暖模式。根据传感器采集的数据分析出与实 时的气象条件相匹配的工作模式， 通过控制柜及其控制程序 自动 向动作设备发出切换指令， 实现系统的可靠运行。 光 、热 、储综合 利用 太阳能空调采暖系统 l I 图 2 系统 工作模式示 意图 甚 善 一 l z 糟l 耩 蠡l 盂 l 端 捌 嚣 錾 聪 圭 I士 嚣 I臻 盏I 蜊 l 2系统硬件设计 光热利用 自控子系统的控制对象为整个热利用系统中的电 磁阀门， 油泵 ， 水泵， 流量调节阀， 菲涅尔集热镜场， 溴化锂机组 ； 监测对象为 P T 1 0 0温度传感器， 压力计 、 流量计、 辐照。从上述工 作模式和控制策略的介绍中可以看到其控制原理较为简单， 以逻 辑判断、 阈值判断为主， 无复杂的大规模数学运算工作， 同时由于 系统运行中油温将达 2 0 0摄氏度， 因此需要高可靠性的工业级控 制器作为控制单元。合计共要求控制系统根据运行输入 2 7个数 字量以及 3 1 个模拟量信号， 对这些信号进行处理后 ， 给出的控制 信号包括 3 4个输出数字量和 3个输出模拟量。鉴于此选择西门 子 S I E ME N S 的 s 73 0 0系列 P L C功能模块组成控制系统 J ， 包括有一台电源模块 P S 3 0 7 ， 一台 C P U模块 C P U 3 1 5 2 D P ， 一 台数字量输入模块 S M3 2 1 ， 一台数字量输出模块 S M3 2 2 ， 四台模拟量输入模块 S M3 3 1 ， 一台模拟量输出模块 S M3 3 2 组 成。由于太阳能集热器 自跟踪系统和制冷机分别 自带一套基于 Mo d b u s 和 E t h e me t 通讯协议的 P L C子系统， 因此在保证其正常 工作的基础上还要确保可以和 s 7 3 0 0 P L C控制系统正常通讯。 因为 s 73 0 0 C P U模块 自带有 P r o fi b u s 模块， 这里只需增加一台 P r o fi b u s 转 M o d b u s 通讯模块即可。而针对 E t h e me t 通讯要求 ， 这 里也需另外加入通讯模块 C P 3 4 31 。 图3所示为 P L C控制柜的电气控制接线原理图。 辎 蜷 囊 鑫 墓 蠢I 警 I 鬈 l 羹 翼 琴 壶 I出 蝾l 翳 茎l 蜊 l 霎 4-I 释 I 醺 鑫l 蜊 l 量 萎 墨 l z 爨l 骚 蠡l 盖 群I 志 如 喜 毒 C R ； P I c 电源 H H H _ _ H 【 O- 一 ． I 』 M ‘ ． _ ● M K D l K D 2 K m K D 4 - 】 ● 叫 ● 一 I I l I 甘 呻 可 砷 N Q F I Q F 2 Q F 3 ‘ 。 F _4 Q F 5 ‘ f2 l 6A ’ l l ’ ’ I I 2 I l 0A 2 P 2 O A 2P 6A 2 t 6A 2 P 6 A 、 、 、 、 、 l 、 、 、 、 、 、 一 ∞ n ∞ __ 竹 _ 一 ∞ ∽ Ac 2 2 0 v 图 3 P L C控制柜电气控制接线原理图 3系统软件设计 P L C自动监控系统的程序设计是在 S T E P 7 V 5 ． 2软件平台 下进行的。S T E P 7 V 5 ． 2可支持梯形图、 S I MA T I C指令和功能图， 且具有指令丰富、 结构清晰、 编程方便的优点。系统软件设计主 要包 括通讯协议设计和控制软件设计两部分 。 E l e c t r ic a l A u t o ma t io n 4 5 电气自动化 2 0 1 4年第3 6 卷 第 5 期 自 动控制 系统与装置 Au t o ma t ic Co n t r o I Sy s t e ms＆ E q u ipme D o w n l o a d的 方 式进行 ； 若是基于 控制器 中的 已有 程序进行修改， 则 可 以使用 下装修 改 D o w n l o a d C h a n g e 的方式。 西 气 东输 一 线Q u a n t u m P L C 系统配置组 态 的 过程如 图 2 。 4 Q u a n t u m 眦在西一线 的运行情况 自西气东输 一 线 2 0 0 4年 9月 投 产 以来 ， Q u an一 。 图 2 n t u m P LQ u a n t u m c系统编程组态过程 年 。 在 十 年 的 运 图 2 c系统编程组态过程 行过程中， Q u a n t u m P L C运行较为稳定， 设备故障率较低 ， 但 由于 运行时间过长， 设备逐渐出现老化现象 ， 以2 0 1 2年西气东输一 线 4 9个站场的全年运行情况为例， 期间 Q u ant u m P L C系统共 出 现设备故障9次， 具体情况如表4 。 表 4 2 0 1 2年西气东输一线 Qu a n t u m P LC 系统 出现 的主要设备故 障 上 接第 4 7页 4系统监控界面 的设计 太阳能空调系统作为上海电气集团股份有限公司中央研究 院分布式能源研究室 承担 的分 布式能 源集成技 术应用 示范 工程 市科委项 目 的有机组成部分 ， 其所有的运行控制参数需上传 至微网控制总系统中， 并作为能量管理调节系统的输入参数参与 整体工程的能量匹配工作。图8所示为监控界面的实际截图。 在该监控系统中， 实现了对光热工作状态遥信量、 系统数据 遥测量的监视以及对系统启停的遥控 ， 可以实现无人值守功能。 5 结束语 在太阳能空调采暖系统中， 采用 P L C自动监控系统是切实 可行的， P L C控制系统可以有效地保证其工作稳定、 可靠、 便于维 护， 且具有很强的扩展性和性价比。同时以 P L C为核心的监控 系统实现了对系统各部件或子系统之间的协调控制和有效监测 采集系统运行数据 ， 为太阳能空调采暖系统的进一步推广和研究 9 6 E l e c t d c a I A u t o ma t io n 5 Qu a n t u m P L C系统的可行性建议 1 西一线 Q u a n t u m P L C系统的主备控制器不能自动同步， 维护人员在对系统程序进行修改后需手动对控制器进行同步， 否 则在主备控制器进行切换时容易造成设备误动作或误报警。 2 修改系统程序后下装时， 建议采用“ D o w nl o a d C h a n g e ” 的模式进行下装， 若采用“ D o w nlo a d ” 模式下装， 容易在控制器重 启时引起常“ 1 ” 数据点初始化为⋯ 0’ ， 造成设备误动作和误报警。 3 Q u a n t u m P L C的控制器模块有 s t a r t 和 m e m p r t 内存写 保护 两种运行模式， 其中 s t a r t 模式下支持远程对系统程序进行 修改， 容易引起非法修改和误操作 ， 所以宜将运行模式设置为 m e m p rt， 对程序进行写保护 。 6 结束语 西气东输工程作为中国至今为止最为重大的天然气管道工 程 ， 具有非 常重大 的政 治意义 和经济 意义。因此 ， 管道 系统 的安 全 、 可靠 、 高效运行就成 为一个 重要 的技 术指 标 。P L C系统 作 为 管道自动化系统的控制中心， 在保障站场的自动化运行中起到了 举足轻重的作用。Q u a n t u m P L C系统经过 1 0年的运行 ， 经受住 了各种恶劣环境和各种特殊情况的考验， 为管道系统安全平稳的 运行提供了可靠的保证。 参考文献 [ 1 ]苍松 ， 王海峰 ， 田家兴 ， 等． A l l e nB r a d l e y系列 P L C在西气 东输二 线 输气管道 中的应用[ J ] ． 电气 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 4 5 7 4 7 5 ． [ 2 ]梁怿， 韩建强， 王磊． 远控 自动分输功能在西气东输甘塘站的应用 [ J ] ． 油气储气 ， 2 0 1 3 ， 3 2 2 1 7 1 1 7 3 ． [ 3 ]A u t o ma t i o n S e r i e s H a r d w a r e R e f e r e n c e G u i d e [ K] ． S c h n e i d e r 公司 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]C o n c e p t 2 ． 6用户手册[ K] ． S c h n e i d e r 公 司， 2 0 0 5 ． [ 5 ]赵廉斌 ， 王海峰 ， 田家兴 ， 等． 输气站场 自控 系统夜问无人值守功 能的 实现[ J ] ． 油气储运 ， 2 0 1 2 ， 3 1 4 3 1 5 3 1 7 ． [ 6 ]李桂兰 ， 曹翱． 浅谈 P L C技术在使用 中的问题[ J ] ． 矿山机 械， 2 0 0 8 ， 3 6 2 O 1 0 21 0 3 ． 【 作者简介】朱金辉 1 9 7 7一 ， 男， 河北沧州人， 工程师， 工学学士学位， 主 要从事长输天然气管道工艺及 自动化专业管理工作。 打下了坚实的基础。从实际的运行效果来看， 满足了最初的设计 要求和指标， 运行状况 良好 ， 受到了用户的好评。 参考文献 [ 1 ]代彦军 ， 王如竹．太 阳能空调制冷技术最新研究进展 [ J ] ． 化工 学报 ， 2 0 0 8， 5 9 S 2 1 8 ． [ 2 ]王如竹， 代彦军．太阳能制冷[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ]郭琼．P L C应用技术 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 闫秀英 ， 任 庆 昌． 某智 能化 大楼空 调 自控系 统设计 [ J ] ． 暖 通空 调 ， 2 0 0 7， 3 7 7 9 3 9 5 ． [ 5 ]西 门子 中国 有 限公 司 自动化 与驱 动集 团． 深 入浅 出西 门子 s 7 3 0 0 P L C[ M] ． 3版． 北京 北 京航 空航天大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 陈月婷 ， 何芳． P R O F I B U S现场总线技术及发展分析 [ J ] ． 济南大学学 报 自然科学版 ， 2 0 0 7， 2 1 3 2 2 62 3 0 ． 【 作者简介】叶一枝 1 9 8 0一 ， 男， 浙江宁波人， 工程师， 硕士， 2 0 1 2年毕 业于上海 交通 大学工程硕士 专业， 现任职 于上海 电气集 团股份 有 限公 司 中央研 究院， 主要研究方向为电气 自动化控制 。