太阳能热水工程水位控制系统的设计

赵洋　李杨　杨坤　徐小建　陈杰

摘要：针对北方地区所使用的太阳能热水工程控制不稳定、设备安排不合理以及智能化程度低等特点。结合北方地区特有情况设计了一套水位、水温的监控系统。该系统使用当今应用最为广泛的西门子S7-200 PLC，进行了一定的计算，编写了相应的控制程序。经过实验的验证，该控制系统具有稳定性高、实用性广、节能效果明显等特点，对于推广市场有很高的实用价值。

关键词：太阳能热水工程；监控系统；S7-200 PLC；控制系统

中图分类号：TP237 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0198-03

Design of Water Level Measurement and Control System for Solar Water Heater

ZHAO-Yang，LI Yang，YANG Kun，XU Xiao-jian，CHEN Jie

（Engineering Training Center， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China）

Abstract：The solar water heating system used in the northern region of the unstable control， the unreasonable equipment arrangement and the lower intelligent level . The monitoring system of water temperature and water level， a set of design combined with the unique situation in North area. The system uses SIEMENS PLC S7-200 which is the most widely used today. Some calculations are carried out， and the corresponding control program is compiled. Experimental results show that the system has the characteristics of high stability， wide practicability and obvious energy saving effect. It has a very high practical value to the market.

Key words：Solar water heating project；monitoring system；S7-200 PLC；Control system

1 概述

太阳能，是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，是取之不尽、用之不竭的自然能源，又无需运输，对环境无任何污染[1]。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。目前为止，人类对太阳能的利用已经比较成熟，在很多领域都在使用太阳能。随着社会的不断进步，人们的生活水平的不断提高，对生活质量有了更高的要求，热水成为了人们健康生活不可缺少的部分，但是对热水的需求就必然意味着大量的消耗，为了减小能源的消耗，太阳能热水工程便应运而生了，而北方地区的太阳能热水工程就是个很好的例子。因此，该设计从实际出发，根据北方地区的气候特点进行了基于PLC与触摸屏结合的太阳能热水工程水位以监测系统的设计。

太阳能热水工程是太阳能热利用中最具有代表性的一种装置， 它利用真空集热管的集热性能好、承压能力大、耐冷热冲击、抗冰雹等独特的优点将太阳能收集起来，加热管道中的水，加热后的水通过管路输送至储热水箱，当用户需要水时为之提供所需热水，与燃气、 电热水器相比较，既安全又节能。

2控制系统的结构与功能

控制系统的结构设计以及硬件的选型直接决定了本次设计的优劣，根据控制的要求以及对安全性能的考虑设计出如图1所示的结构[2]。首先我们需要对集热器、水箱的水位进行监控以确保发生溢出或缺水的现象发生。其次，还需要对集热器、水箱的水温进行监控防止水温过热或过冷现象的发生。最后，我们还需要对变频器、循环泵、电加热器等器件进行控制，使整个控制系统协调工作，以确保达到最优。

3 控制系统

太阳能热水工程的控制系统如图2所示，集热器与水箱上下分布，构成一个循环的系统。控制系统通过控制循环泵用以协调水箱的水温，当水箱中的水温低于我们所需的设定值时，循环泵开始工作，将水箱中的低温水输送到集热器中进行加热，直至达到我们所需的设定值；当水箱中的水温高于我们所需的设定值时，循环泵停止工作，水箱中的高温水会随着时间的推移，温度逐渐降低，直到温度再次低于设定值后，循环泵又开始工作。

4 控制系统硬件设计

控制系统的核心部件为西门子公司生产的S7-200系列的PLC，使用EM235模拟量扩展模块与之配合使用。通过5000G11S/P11S变频器实现对给水流量的控制，在Eview ET070触摸屏上我们可以直观的监测到我们所需要的每个数据[4-6]。本次设计中还使用到了0-100ml的液位变送器以及0-100℃的温度变送器来进行水位、温度的数据采集。各类水泵以及集热器为市场上普遍使用的型号。

4.1系统主电路

采用基于PLC与触摸屏相结合的控制方式[4-6]，通过控制水泵以及电动调节阀来控制现场的设备。现场使用上水泵和循环泵配合工作以保证用户水量充足，分别用接触器KM1，KM2控制，变频器KM3接触器控制来控制水流速度，配合辅助加热装置由KM4控制共同组成主电路。

4.2系统控制电路

根据S7-200 PLC与触摸屏的电气特性，设计了如图4的系统控制电路[3]。PLC与触摸屏均采用直流24V供电，以RS485串行通信方式通信，输出接触器线圈采用交流220V电源供电。PLC主机的I0.2、I0.3分别输入热继电器动合触点信号，I0.0、I0.1为点动按钮。Q0.0-Q0.3输出继电器信号，控制系统的阀泵接触器，Q0.4-Q0.5为电源指示灯和电加热器指示灯。

5控制方案设计

本次设计旨在针对太阳能热水工程中水箱水位、水温的监控，通过触摸屏实现了很好的人机界面交互，能够实时精确的采集每个数据，同时各个指示灯的亮灭也达到了对工作状态的监测[7-8]。本次设计具有完善的保护、报警以及对突发情况的紧急处理设备，在实现人性化的同时，也提高了安全保障。

5.1液位控制单元

（1）控制要求

水箱注水阶段中，我们必须对水箱液位进行设定。当水位低于10%总容量时开始注水，而当达到90%总容量后停止注水，注水前后留有10%的余量，以保证突发状况影响液位。注水过程中，水流量的速度也要保持稳定，注水速度太快容易使水溢出，注水太慢又达不到人们对水的需求。因此需要对水箱的注水进行精密的控制，以满足人类的需求。

（2）控制方案设计

对于水箱，主要通过水泵对水箱注水，根据液位传感器在对水箱液位的检测，进而反馈给PLC的PID控制器，经过PID算法调节变频装置控制水泵阀门开度的大小，最终使水箱的液位达到设定的要求，如图5所示。

5.2温度控制单元

1）控制要求

除了对水箱液位的精确控制外，对温度进行的控制也是比较重要的。我们所获得的水温必须满足我们自身的需要，过热或者过冷都不太适合我们人体。对水温的控制不仅需要控制水的温度进行控制还必须调节冷、热水管流量的大小，进而影响输出的温度，满足要求。

2）控制方案设计

由于系统的控制不仅需要对温度控制，还必须对水流量进行控制，所以采用温度—流量串级控制系统，这样可以确保对的温度精确要求，如图6所示。

3）控制程序设计

PLC程序采用STE P7-Micro/WIN SP9编程工具编写，根据系统的控制要求程序由主程序与各子程序组成，子程序中包含温控子程序、水位子程序、显示子程序、显示子程序、保护与报警子程序组成。主程序流程见图7所示。

6 结论

该设计通过具体的实例来说明利用PLC与触摸屏相结合的北方地区太阳能热水器的利用，主要用来监测热水器的水位、水温。PLC以其体型小巧、使用灵活和通用性强成为本次实验的首选，P其中的PID调节器能够很好地实现了我们所需要的功能。控制系统在实际操作过程中，运行可靠，效果甚佳，失误率低等，达到了预期要求。在太阳能热水系统中，良好的人际交互也为系统的稳定运行提供了保障。而且出于节约考虑，太阳能是一种可持续的能源也必将未来得到更加广泛的应用。

参考文献：

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