基于PLC的太阳能空调控制系统应用研究

■ 宋德胜 潘远学 朱元吉 张伟

一 引言

目前，利用太阳能进行采暖在国内很多地区已经得到应用，但也存在着系统夏季过热等问题。利用太阳能驱动空调系统，一方面可以大大减少常规能源及电力资源消耗；另一方面较低的耗电减少了因燃烧煤等常规燃料发电所带来的环境污染问题，同时还可以很好地解决太阳能采暖夏季过热的问题。因此，在太阳能热应用领域，将太阳能采暖与制冷相结合的空调系统已经成为需要研究和解决的课题。

二 太阳能空调系统概述

太阳能空调发展至今，根据其工作方式的不同，大体可分为太阳能电驱动式空调和太阳能热驱动式空调两大类[1]。其中，太阳能电驱动式空调主要是利用光伏板将太阳能转换成电能，然后驱动压缩机进行工作。由于目前太阳能光伏板的光电转换效率低于15%且成本高[2]，因此目前研究并投入市场运行的太阳能空调主要还是以热驱动式为主。

太阳能热驱动式空调按其制冷原理的不同可以分为吸收式、吸附式、除湿式和喷射式等，其中吸收式制冷根据吸收剂不同又可分为溴化锂-水吸收式和氨-水吸收式制冷两种[3]。

三 太阳能空调控制系统设计

目前，将溴冷机应用于太阳能制冷领域是太阳能空调系统的一个发展方向。为了实现太阳能空调系统的稳定运行和精确控制，我们设计了基于西门子PLC的太阳能空调控制系统，该系统主要由上位机监控、下位机数据采集和跟踪控制等3部分组成。该系统通过MCGS上位机进行系统参数设置，并与PLC下位机控制单元进行实时通讯，从而实现对系统运行状况的实时监控和对太阳光线的实时跟踪。其系统结构框架图见图1。

1 控制系统硬件设计

该太阳能空调控制系统采用模块化设计，其主处理单元模块采用性能优越的西门子PLC。由于系统采集和控制点数较多，因此该控制系统采用两套PLC分别进行系统参数采集控制和太阳光线跟踪控制。其中，选用S7-300 PLC对空调系统的各点温度、管道流量、管道压力、辐照及各开关量等进行采集，同时完成对室内系统循环泵、电磁阀、电动三通阀等的控制；选用S7-200 PLC主要实现对太阳光线的实时跟踪。太阳能空调监控系统硬件设计框架图和跟踪系统硬件设计框架图分别如图2、3所示。

2 控制系统软件设计

该太阳能空调控制系统设有制冷/制热两种工作模式和自动/手动两种运行方式，可以实现夏季制冷和冬季采暖的相互切换。其中制冷模式和制热模式又分别包括单太阳能运行、太阳能辅助结合运行和单辅助运行3种子模式，且空调系统的运行模式可以通过上位机界面进行选择和切换。该控制系统的数据采集与室内控制部分采用模块化程序设计，具有结构简单、编程方便等特点，图4为程序设计流程图。

该控制系统的跟踪控制部分采用S7-200 PLC实现对步进电机的精确控制。根据集热装置的特点，设计有清洗、复位、正转、反转等模式，可以实现对东西两组集热装置的多种控制。同时实时检测集热装置与太阳光线的夹角，并进行相应修正，使太阳光斑始终处于集热装置内部。图5为此跟踪系统的程序设计流程图。

四 应用实例

目前，通过与上海交通大学合作，公司已经建成一套基于槽式集热器的太阳能空调系统，且该系统运行效果良好，能够满足空调实验房夏季制冷、冬季采暖和平时生活用热水的设计目标。本文所设计的太阳能空调控制系统已经应用于公司现有太阳能空调系统中，其具有良好的人机交互界面、方便的手动/自动控制切换、全自动的系统参数和效率计算等功能，实现了对太阳能空调系统的自动检测、自动控制、计算与跟踪。

为了满足系统需求，公司建有东西两套槽式集热装置，该集热装置通过PLC控制步进电机实现对太阳光线的自动跟踪。目前，该装置所集能量基本满足太阳能空调需求，且实际运行效果表明，使用PLC作为跟踪控制主处理器和闭环控制模式可以得到很好的对日跟踪效果。图6为太阳能空调的实际跟踪运行图。

五 结论

图6 太阳能空调实际跟踪运行图

太阳能空调系统是日出东方太阳能股份有限公司在太阳能中高温热利用上的一次成功尝试。随着能源危机和电力供应紧张等问题的不断加剧，低能耗、零污染、可再生的太阳能空调系统将具有很好的市场需求。本文针对公司现有吸收式太阳能空调系统的特点，设计了一套基于西门子PLC的采集、控制和跟踪系统。从控制系统的运行效果看，可以满足太阳能空调运行的各方面需求，且运行稳定、测量控制精度高。