可编程控制器在太阳能冰箱热回收系统中的应用

王鑫

摘 要：本文主要讨论了可编程控制器（PLC）对太阳能冰箱和热回收系统的综合控制，突破传统观念，利用太阳能，对传统家用冰箱进行改造，制成能够将压缩机制冷系统的热量回收再利用的综合能源系统，体现了节能、环保、资源回收再利用等设计理念。

关键词：可编程控制器 温度控制模块2LC 太阳能控制器 冰箱 热回收

一、系统概况

宏观地讲，太阳能的利用是人类资源开发利用中新能源与可再生能源开发的重要内容。目前在太阳能利用方面，尤其是太阳能较丰富地区的人们已经开发了太阳热水器、太阳灶、太阳房、太阳能干燥、太阳能温室、太阳能制冷与空调、太阳能热发电及光伏发电系统等。将可编程控制器（PLC）作为中央控制器，综合太阳能发电、蓄电、制冷系统、盘管水冷原理、PID调节控制等技术，开发设计的可编程控制（PLC）太阳能冰箱热回收系统既利用太阳能制冷，还回收再利用了冰箱系统冷凝器产生的多余的热量，达到节约用电、太阳能利用、保护环境及家用冰箱制冷和产生热水一机两用的效果。使用此系统的家庭不但免去了冰箱的电费，而且能免费获得家庭使用的热水。

二、系统组成

1.太阳能吸收模块

该模块的主要功能是太阳能的吸收、处理和存储，通常由太阳能板、云台、太阳能板电压指示表、太阳能控制器、照度传感器、输电线缆和蓄电池等组成。工作过程为太阳能板吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能（传统使用的直流电压较多），再将其产生的电能传输向蓄电池进行蓄电。为防止太阳能板或者输电线路故障造成蓄电池无法蓄电，需要加装一台有市电（DC）输入端口的太阳能控制器，保证系统不会断电。

2.冰箱模块

该模块的主要功能是消耗蓄电池的电能，开启制冷压缩机进行制冷工作，并向热回收系统提供冷凝器产生的热量。传统冰箱组成包括冰箱本体、蒸发器部件、制冷压缩机、毛细管和散热器等，集冷凝器、蒸发器、制冷压缩机及散热系统为一体。本系统冰箱模块不包含冷凝器，冷凝器将传统冰箱中的风冷式盘管改为水冷式，外置于热回收模块中。

3.热回收模块

该模块的主要功能是回收冰箱冷凝器部分产生的热量，在风冷过程中进行热能回收再利用，同时对于冰箱模块的冷凝器进行水冷，代替传统的风冷。热回收模块由冰箱的冷凝器、热回收水循环系统（可称为冷凝器的水冷却系统）和温度传感器组成。

4.中央控制模块

该模块是整个系统的协调处理核心，根据实际情况可以采用不同品牌和型号的控制元件，在此以三菱工业自动化控制元件为例。可编程控制器主机采用FX3U-48MR，PLC温度控制模块采用FX2N-2LC，模拟量信号处理采用FX0N-3A。温度传感器可使用常用的K、J、R、S、E等热电偶和Pt100、JPt100铂电阻温度计。照度传感器可采用OMRON公司的标准NPN输出传感器。

5.保温蓄水器

保温蓄水器在本系统中用于热水保温存储，可根据实际情况进行配置。保温蓄水器必须安装有液位传感器、温度传感器、温度指示仪表、水位指示仪表、温度报警仪和排水阀等。使用前需要固定，外侧有隔热保护层防止烫伤。

三、工作原理

太阳能光电板利用太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。太阳能光电板方向利用云台控制，根据照度传感器测得数据判断太阳方向，太阳能光电板产生的电流直接供给蓄电池充电，此过程也可以通过PLC进行通断控制，太阳能板在有光照的情况下利用安装在太阳能板上的继电器接通充电电路。蓄电池的两极最好装有电压指示表，以便人们掌握蓄电池的开路电压和工作电压，判断蓄电池是否有故障。

蓄电池直接供电给冰箱压缩机。冰箱压缩机工作电压必须与蓄电池的电压等级一致，对于低电压（尤其对于直流48V以下）的冰箱，压缩机必须考虑输电线路的电压降，尽量缩短输电距离，以免压缩机端的电压太低，使冰箱无法正常工作。为防止太阳能板或者传输电路故障，也可以使用传统的太阳能控制器进行过程控制。

冰箱系统对传统的压缩机、蒸发器、毛细管、冷凝器和散热系统一体的模式进行改装，冰箱库体部分的蒸发器不变，用于给冰箱的冷冻室和冷藏室制冷。冰箱的冷凝器需要改装到本系统的热回收系统中，距离不宜太远，最好挨近冰箱，中间管路需要加保温层。如果需要安装压缩机的进气和排气温度传感头，一定要注意不要离压缩机机体太近，以免受到压缩机机体余热的影响，无法准确测量进气和排气温度。

冰箱的冷凝器安装在本系统的热回收系统中，用来回收制冷系统中的热量。冷凝器采用水冷方式，进水为冷水，排水为达到预设排水温度的热水。PLC利用其温度控制模块2LC与已经安装在冷凝器水系统中的温度传感器读取到冷凝器的水温度，当温度达到设定排水温度最大值时，由PLC控制热回收系统的排水电磁阀动作进行排水，将一定温度的热水排放至热水保温蓄水器中。此过程中进水电磁阀的开闭控制也必须通过PLC控制，与排水电磁阀、温度传感器信号进行合理程序设计。当温度低于设定排水温度最低温度时，PLC控制排水电磁阀关闭，停止排水。热交换水箱要及时清洗，防止水管堵塞或者温度传感器和水位传感器松动造成故障。

热水保温蓄水器用来存储热水，根据实际情况加装温度、水温等保护装置。在家庭可以用来做家用浴室热水系统，有较大的中央空调系统或冰箱制冷系统可供澡堂等热水系统和供暖系统等。

FX2N-2LC温度控制模块参考程序注释：

0 LD M8002

1 MOV K40 D80 ；设定温度值D80

2 MOV K50 D81 ；设定温度值D81

3 LD M8000

4 TO K0 K12 D80 K1； 当PLC工作时写入设定值，可以通过修改D80的值设定温度值

5 TO K0 K21 D81 K1； 当PLC工作时写入设定值，可以通过修改D81的值设定温度值

6 FROM K0 K0 K4M0 K1； 标志：BMF#0→M0-M15

7 FROM K0 K1 K4M20 K1； 事件（CH1）BMF#1→M20-M35

8 FROM K0 K2 K4M40 K1； 事件（CH2）BMF#2→M40-M55

9 FROM K0 K3 D30 K2； 温度测定值（PV）：（CH1）BMF#3→D30， （CH2）BMF#4→D31

10 FROM K0 K5 D40 K2； 控制输出值（MV）：（CH1）BMF#5→D40，（CH2）BMF#6→D41

11 FROM K0 K82 D82 K1； 设定值范围错误地址BMF#82→D82

12 END

四、系统优点分析

第一，系统控制器集成为一套PLC控制系统，数据采集利用传统工业现场的传感器，使整个系统各部分控制集中。

第二，整个系统利用太阳能为原动力，节约用电，成本低，节能环保。

第三，冰箱压缩机制冷系统向环境排放的热量经过回收，对环境的污染大大降低。

第四，热回收系统产生的热水可以供浴室、厨房等使用，也可以用来取暖，有多种用途。

（作者单位：广州市三项教学仪器有限公司）endprint