基于PLC和HMI的高校宿舍太阳能热水工程控制系统设计

许云龙， 翟永全, 胡立华, 陈学永

(福建农林大学，福建 福州 350007)

基于PLC和HMI的高校宿舍太阳能热水工程控制系统设计

许云龙， 翟永全, 胡立华, 陈学永

(福建农林大学，福建 福州 350007)

提出了基于PLC和HMI的太阳能热水工程控制方案，能有效利用太阳能集热阵列吸收的热量，选用Delta DVP-32ES为核心控制器，以DOP-07S415触摸屏作为人机界面设计了硬件电路和软件系统。工程应用表明，方案运行稳定、节能效果显著、智能化程度高，在太阳能热水工程的控制应用中具体很大的推广价值。

PLC；HMI；太阳能热水；控制系统；节能

0 引 言

随着实用型单晶硅电池和选择性太阳吸收涂层的研制成功，以及常规能源供给的有限性和环保压力的增加[1]，清洁能源的开发利用成为世界各国制定可持续发展战略的重要内容，而太阳能是比风能、地热能、潮汐能更方便推广和利用的清洁能源，也是目前利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术。但是现在的酒店、职工公寓、学生宿舍都建筑群普遍采用空气能热泵的加热方式，该加热方式虽然比传统锅炉加热更节能、环保，但是节能方面依然不能和太阳能加热相比。而我国当前大多数的太阳能热水工程多以单片机为核心的通用控制器为主，由于其操作复杂、维护困难、扩展性能与联网性能较差，使得太阳能热水工程在应用、发展方面受到了很大的限制[2].PLC(Programmable Logic Controller,可编程控制器)是专为工业环境设计的控制器，具有可靠性高、适应性好、模块丰富、功能完善、扩展灵活等优点，在工业控制领域得到了广泛的应用[3]114。而且触摸屏与PLC的结合将能够根据不同的用户需求作出灵活的变动，提升用户的交互体验。

1 太阳熊热水工程工作原理

本太阳能热水工程利用安装在建筑顶部的太阳能自动追光集热阵列收集太阳能辐射能量，通过水泵将常温水打入集热阵列中并返回水箱，由于集热器吸收了大量的太阳能，因此，常温水经过集热器时，将迅速加热冷水，最后返回水箱中的水将是热水。该工程主要有集热阵型列、储水箱、循环系统、控制系统、辅助加热系统组成，其中储水箱对应的是800人的学生宿舍，因此，配备了3个10吨的水箱来保证学生的日常洗浴；循环系统由于要保证学生的日常洗浴，循环水泵都加装备用泵，系统将在检测到水泵异常的时候自动启用备用泵；辅助加热系统采用3台10匹空气能热泵，在阴雨天气进行辅助加热。

控制系统是太阳能热水工程的指挥中心，通过读取温度、水位等数据信息，并与设定的数据进行对比和运算，从而对现场的设备进行控制与保护，控制系统能否稳定运行，直接决定了太阳能热水工程的应用性能与用户体验。

2 系统结构

2.1 硬件结构框架

本系统硬件结构共分为储水模块、加热模块、循环模块、采集模块、控制模块，储水模块主要用三个水箱和补水泵组成；加热模块则由大面积的集热阵列、三台十匹空气能热泵组成；循环模块由三台水箱间循环泵及出水泵组成；采集模块负责采集系统中温度、水位等数据[4]。系统硬件结构部分如图1所示。

图1 硬件结构框架

2.2 控制系统框架

控制系统由传感器采集现场环境的温度、液位数据与HMI(Human Machine Interface，人机界面)中设置的数值进行计算后，由PLC的Y口输出直接控制中间继电器的吸合，并进一步控制交流接触器从而达到对用电器的精准控制；同时本工程为了确保学生的日常用水，在出水循环等关键位置加装了备用水泵，由互感开关检测其运行情况。控制系统的框架如图2所示。

图2 控制系统框架

3 PLC程序与HMI人机界面的编写

3.1 控制系统流程

本系统通过用户在触摸屏(HMI)界面设定参数，并由PLC读取HMI参数经过计算从而确定水泵、热泵等用电设备的开关，进而实现系统预设的各项功能。系统设计了手动、自动运行模式及补水控制、加热控制、供水控制、故障自检、数据读取等多个功能模块。系统主要设定的数据有：水位上下限WH、WL，水箱水温上限TH,水箱水温下限TL，温差上限TD1,温差下限TD2，数据采集间隔TI，热泵工作极限温度TX，集热阵列中的温度TJ，室外温度TS，水量以百分比形式显示，温度参数为摄氏度，控制系统的总体控制条件如表1所示[3]116。

表1 系统功能介绍

PLC控制程序由主程序、数据读取子程序、集热子程序、辅助加热子程序、供水子程序、故障自检子程序、数据记录子程序，程序流程如图3所示。

图3 控制程序流程图

3.2 HMI人机界面设计

HMI是用户与整个系统接触感官最明显的部分，主要的功能是人机的信息交互，通过HMI可以直观地看到温度、水位实时信息、各设备的使用情况，因此人机界面的设计需要做到美观、直观、浅显易懂、操作便捷等特点，根据PLC程序的功能，主要设计以下几类画面：第一类是控制画面，包含所有设备的控制画面，方便用户快速准确找到所需要查看的设备；第二类是设置画面，主要是温度、水位、使用时间等各项参数的设置；第三类是实时画面，该画面提供图表展示传感器的实时温度；第四类是报警画面，负责监测现场状况，当检测到设备运行出现异常时，系统可自动处理，若系统无法处理则弹出报警框并停止设备的运行。部分HMI上的画面如图4所示。

图4 部分HMI画面

4 节能效益分析

建成的系统在本校一栋210间八百多人的学生宿舍投入使用之后，通过统计其3月6日至4月27日两个月的用电量，分析其节能效益，通过图5的用电量统计可得出，3月6日到4月27日，该栋宿舍楼共用电10 070 kW·h，平均每天用电193.65 kW·h，每间宿舍使用0.92 kW·h /天，每人0.242 kW·h /天，以本地0.54 元/kW·h的电费来算，则能耗成本为0.131元/天，与储水式电热水器的0.628 元/天[5]相比，能耗仅为储水式电热水器的1/5，节能效果极其显著。

图5 用电量统计

5 结束语

本文介绍了一套适合用于宿舍、酒店等多人集体住宿的太阳能热水工程，通过PLC与HMI的为核心的控制系统，保证其高效稳定的工作，通过对该系统两个月的用电量分析，可以得出该系统具体高效、节能绿色的优点，实践证明，该系统运行稳定、操作简单能满足用户的使用要求，具有很强的推广价值。

[1] 耿立明,刘漫洲,刘雨刚,等. 基于PLC的太阳能热水器的自动控制系统[J]. 电气传动,2006,48(11):54-56.

[2] 寇志伟,徐明娜,李文军,等. 基于PLC的太阳能热水工程水位测控系统[J]. 国外电子测量技术,2015,28(1):69-72;79.

[3] 寇志伟,徐明娜,李文军,等. 基于PLC与HMI的太阳能热水工程控制系统[J]. 制造业自动化,2015,37(12):114-117.

[4] 蓝良生. 空气能和太阳能供热的宾馆中央热水控制系统设计与实现[J]. 科技资讯,2014,12(3):14-15.

[5] 董军. 储水式电热水器能耗测试方法探讨[J]. 家电科技,2011,31(10):66-68.

Design of a PLC and HMI-based Control System for Solar Water Heating for University Dormitories

Xu Yunlong, Zhai Yongquan, Hu Lihua, Chen Xueyong

(Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350007, China)

This paper presents the design of a control scheme for solar water heating based on PLC and HMI, which can effectively utilize the energy absorbed by the solar heat collection array. Using Delta DVP-32ES as core controller and DOP-07S415 touch screen as HMI, we design hardware circuitry and software system. Practical application shows that this highly intelligent system has steady operation and remarkable energy saving effect, and is worthy of popularization in the control application of solar water heating.

PLC; HMI; solar water heating; control system; energy saving

项目基金编号(JK2013017)，新型振动挖掘系统的设计

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.030

TP271

A

1000-3886(2017)02-0098-02

许云龙(1991-)，男，福建德化人，福建农林大学机械设计及理论专业硕士生，主要研究方向为机电装备设计方法与实现技术。

定稿日期: 2016-12-14