摘  要：節約能源、保護環境，開發利用清潔、環保的可再生能源，優化能源結構、發展低碳經濟是我國實現可持續發展的重要途徑。太陽能以其儲量豐富、安全可靠、清潔無污染等優勢，成為世界各國應對能源危機、環境惡化，實現可持續發展的重要選擇之一。利用臺達PLC對太陽能熱水系統進行控制，可實現系統自動化，提高系統運行穩定性，降低運行成本。此系統實用性強，安裝運行成本低，具有很強的推廣性。

      1引言

　　本系統應用廣泛，適用于需要熱水供應的場合，比如辦公大樓，賓館洗浴等，尤其適合太陽能資源比較豐富的地區。控制系統采用臺達DVP40ES2 PLC、DVP04PT-E2、DVP04AD-E2，臺達人機界面 HMI B07S515。本系統工作性能穩定，自動化程度高，尤其是恒溫出水的設計節約了大量水資源，集熱循環的設計使得太陽能熱水高效循環進入水箱，輔助熱源的加入很好的解決了太陽能資源不足天氣情況下的熱水供應。

　　2系統構成

　　臺達系列人機界面，臺達ES2系列CPU、臺達PT-E2系列溫度控制模塊，臺達AD-E2系列模擬量轉數字量模塊、太陽能集熱器、電熱絲(或空氣源熱泵等其它輔助熱源)、保溫水箱、洗浴控制泵、集熱循環泵、電磁閥、溫度傳感器、液位傳感器、功率變送器等，如圖1所示。

　　圖1 系統框架圖

　　3系統工作原理及循環過程

　　(1)自動上水

　　水箱內裝液位傳感器p，水箱內水低于一定值時(20%)，自動補水閥上電，水箱自動補水，水位達到設定值時(90%)，自動補水閥斷電，自動補水停止。

　　(2)集熱循環

　　當集熱器出水口水溫(出水口安裝溫度傳感器)高于水箱內水溫，達到PLC設定啟動溫差(6-10攝氏度)時，集熱循環泵啟動；集熱水箱中的低溫水進入到真空管集熱器組中，集熱器中的相對高溫水循環到集熱水箱中，使水箱中的水溫升高。當溫差值降低到系統設定停止溫差時(1-3攝氏度)，循環泵停止，集熱循環停止。如此反復進行，逐漸將熱量傳遞到水箱，使水箱中的水溫度逐漸提升，直到達到洗浴要求的溫度。

　　(3)管路恒溫出水

　　恒溫回水管路循環主要是針對室內的洗浴熱水管道而言，為了保證洗浴時一開噴頭閥門即有熱水，同時減少無效冷水的浪費，必須安裝熱水回水管路，采取管路循環措施。管路循環采用定溫循環方式，在室內熱水回水管路中適當位置安裝溫度檢測傳感器和循環泵，設置一個溫度范圍來控制泵的運行。當管道內水溫低于設定值時，啟動洗浴管道循環泵，將管路中的低溫熱水打入保溫水箱，當水溫達到設定值時，管道循環泵停止運行。

　　(4)恒溫控制

　　當水箱內水溫低于一定值時，集熱器不能達到洗浴熱水的溫度要氣，此時開啟水箱內電加熱或其它輔助熱源(空氣源熱泵)，以實現任何天氣條件下都能保證有熱水供應的要氣。

　　(5)冬季防凍循環

　　室外管道(保溫水箱和集熱器之間)在寒冷的冬天可能被凍，因此必須有防凍循環功能；當集熱器溫度(檢測傳感器測溫)低于一定值(2-5攝氏度)時，啟動集熱循環泵，將保溫水箱中的熱水打進集熱器，防止管路結凍。

　　4電氣控制系統設計

　　系統上位機選用HMI b7s515型號觸摸屏以實現系統運行的可視化監測與控制，下位機選用臺達系列PLC，主機CPU選用DVP40ES2，溫度模塊選用04PT-E2，AD模塊選用04AD-E2。擴展模塊還可加入功率變送器，監測電磁閥，循環泵以及輔助熱源的功率，如圖2所示。

　　圖2 系統硬件框架示意圖

　　(1)溫度傳感器所測得溫度相關信號經PT模塊轉化為數字量后傳回PLC的CPU，PLC的狀態反應到觸摸屏上，實現數據的實時監控，如圖3所示。

　　圖3 溫度傳感器PT100與DVP04PT模塊的外部接線圖

　　(2)水箱液位傳感器測得電信號后，經液位變送器將電信號轉化為4-20mA的標準電流信號后，經AD模塊轉換為數字量信號傳回PLC，PLC根據設定值做出判斷，控制水箱電磁閥的開啟與斷開，如圖4所示。

　　圖4 液位變送器與04AD-E2模塊的外部接線圖

　　另外，各溫度傳感器的測量溫度直接代表各個組成部分的溫度，以此來控制系統的運行，因此，溫度傳感器的安裝位置極其重要。溫度傳感器安裝處的水溫必須能代表所測部分的平均溫度。

　　5電氣控制系統軟件開發

　　(1)WPL Soft開發PLC控制程序

　　WPL Soft為臺達電子可編程控制器DVP系列在Windows存在系統環境下所使用的程序編程軟件，臺達PLC采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

　　系統控制的關鍵是溫度、液位的比較，通過PLC的比較指令可方便的實現。 

　　各擴展模塊讀取參數的頻率、精度是本控制系統的關鍵，臺達PLC提供的溫度控制模塊、AD轉換模塊可以輕松的實現系統的自動化精確控制。

　　(2)觸摸屏人機界面(HMI)程序

　　觸摸屏替代鼠標及鍵盤部分功能，安裝在顯示屏前端的輸入設備，是人與控制系統之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，包括遠距離的信息傳遞與控制，是控制系統的重要組成部分。在PLC控制程序中加入開關量，與HMI的寄存器相關聯，實現HMI與PLC的關聯，如圖5所示。

　　圖5 PLC程序控制集熱循環泵的啟動與停止

　　6結論  

　　本應用通過臺達PLC及其觸摸屏實現了對熱水系統的自動化控制及其監測，輔助熱源的加入解決了單一太陽能受天氣狀況影響大的缺點(若輔助熱源選用空氣源熱泵，則系統較之電加熱具有顯著的耗電量低、安全、舒適、綠色環保、低碳的優點)。

　　控制系統上，加入了溫度、液位、功率等多個參數，反映到觸摸屏上實現了運行系統的重要參數可視化監控。使用戶對水箱內水溫度，洗浴熱水溫度、水箱內水量，系統耗電量等多項參數有明確的掌握。實際系統運行穩定，維護保養方便,可推廣性極強，尤其適合賓館洗浴、辦公大樓等場合的熱水供應。此外，還可根據冬季室內取暖的要求，自動控制適宜溫度的熱水進入暖氣管道，實現洗浴、采暖兼容的熱水控制系統，如附表所示。

附表 本系統與普通太陽能熱水系統對照表

　　作者簡介

　　孔令奇（1990-）男 碩士研究生，現就讀于山東科技大學，主要研究方向為機械、電氣自動化。

　　參考文獻

　　[1]丁鴻昌.基于多參數空氣源熱泵輔助太陽能熱水機組的控制系統[J].可再生能源，2013(08).

　　[2]袁家普.太陽能熱水系統手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.