基于物聯網的棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱控制系統設計

■劉進軍

〔河南農業大學，河南鄭州450002〕

基于物聯網的棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱控制系統設計

■劉進軍

〔河南農業大學，河南鄭州450002〕

加強可再生能源開發利用，是應對日益嚴重的能源和環境問題的關鍵所在，也是人類社會實現可持續發展的必由之路。世界上很多國家都在努力探求更好地利用可再生能源的模式，棉花秸稈和太陽能都屬于可再生能源，我國適宜種植棉花的區域廣泛且產棉區太陽能資源豐富，生物質能和太陽能互補供熱是非常理想的供能方式。那么如何組合、控制兩種能源實現供能系統的最優化，實現系統與用戶之間的密切互動，及時發現運行中出現的突發故障，提升日常的維護管理水平，這些問題的解決是供能系統實現真正集成、高效和智能運行的關鍵。

物聯網是把物體通過信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的新型通信網絡，它利用各種信息傳感設備與互聯網結合而形成的一個巨大網絡，讓所有的物品都能夠被遠程感知和控制，從而形成一個更加智慧的生產生活體系。物聯網是我國大力培育的戰略新興產業，近年來已經廣泛應用于交通運輸、智慧城市、農業生產等多個領域。

在此背景下，本文提出了基于物聯網的棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱控制系統，它將兩種可再生能源實現最優化的供能互補，并把它和我們周圍的網絡聯系在一起，真正實現智能化運行。對我國產棉區形成現代化的清潔、高效、低成本供熱模式具有一定的借鑒價值。

一、基于物聯網的棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱控制系統構架

基于物聯網棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱控制系統分為本地感知層、本地控制層、遠程監控終端三個層次，由太陽能集熱器和棉花秸稈鍋爐的各類傳感器、信號傳輸媒介、PLC控制器、互聯網、移動無線網絡以及PC機和智能手機等終端設備構成，如圖1所示。

圖1 控制系統構架

（一）本地感知層

本地感知層通過太陽能集熱器和棉花秸稈鍋爐的各類傳感器、感知和采集系統所有運行狀態信息，包括系統相關的水溫、水位、壓力、安防裝置、保護裝置（高壓開關、直流接地等）、計量裝置（電量/流量）等，通過有線或無線的傳輸方式將本地感知層采集到的信息傳輸至本地控制層。

（二）本地控制層

本地控制層是整個控制系統的核心，PLC控制器用來接受和處理本地傳輸層發送來的信號，并對處理過的信號進行顯示和保存并做出相應的反饋，同時提供便捷的人機交換界面。它還可以將設備的各種狀態信息傳輸至遠程傳輸層，通過Internet網以及GSM網連接遠程監控終端，進行信息的遠程傳輸，從而實現遠程運行管理、系統查詢、遠程監控等功能。

（三）遠程監控終端

用戶可以通過手機、電腦等終端設備遠程實時監控系統運行情況，并能隨時修改控制系統設定值。當真空集熱管爆管，循環泵、電磁閥非正常停止運行，水位超限、溫度超高、控制系統出現故障時，系統會自動將預設的報警短語以短信的形式發送給預設的手機，及時提醒售后和管理人員。

二、硬件設計

本控制系統硬件采用模塊化設計，控制系統的核心使用PLC動態控制系統的運行狀況和分析用戶指令，并根據用戶指令要求進行相關處理。系統通過輸入模塊采集系統的水溫、水位、高低點溫度以及水壓等信號，通過輸出模塊控制循環泵開關、電磁閥開啟以及秸稈鍋爐的啟動等，同時通過INTERN模塊、GSM模塊實現遠程監控，控制系統硬件設計結構，如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構圖

PLC作為控制系統的核心可以提供強大的組態功能以及良好的擴展能力和通信能力，用MPI適配器將PLC的MPI口和適配器的COM口相連，實現PLC和上位機之間的通信，通過MPI通信協議進行數據傳輸。運行時信號通過接口電路、模擬量擴展模塊將這些信號轉換成中央處理單元CPU能夠識別和處理的數字量信號，并存到輸入映像寄存器中，CPU從輸入映像寄存器讀取輸入信息并進行計算、線性化處理，將處理結果傳送到輸出映像寄存器。PLC通過與設定值的比較，將輸出接口電路的弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、繼電器等被控設備的執行元件。監控系統采用遠程監控與現場監控相結合的方法，現場監控采用人機界面（觸摸屏）和配置有組態軟件的PC機作為可視操作界面，將控制室配置有力控組態軟件的PC機通過TCP/IP網絡協議連接到局域網，可實現對系統的遠程監控，選擇抗干擾能力強、性能穩定和支持標準GSM 07 AT指令集的短信貓模塊，將其作為主處理器與用戶手機間進行數據傳輸的通信中介。

三、軟件設計

控制系統軟件主要包括上位機的組態軟件和下位機的編程軟件。

組態軟件是對現場數據進行采集與過程控制的專用軟件，是自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境。它能以靈活多樣的“組態方式”進行系統集成，可提供良好的開發界面和簡捷的工程實現方法。

系統程序采用編程軟件編寫，編程軟件具有函數功能塊，可以從硬盤導入函數功能文件。編程方式用梯形圖編程和命令語句編程。兩種方法編制的程序全部以指令表方式儲存在可編程控制器的程序內存中，控制系統主流程如圖3所示。

圖3 控制系統主流程圖

系統將預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可容易地實現和完成本地控制層的各項功能。

四、應用情況

以某高校浴池太陽能工程為例，系統中用力控組態軟件編程實現的可視操作界面如圖4所示，系統投入運行后，經調試，運行穩定，可遠程控制所有泵、電磁閥的開關、實時監控各個保溫水箱的液位、溫度及各種變量的變化，具備完善的故障報警功能，實現了信息數據的遠距離傳輸和遠程監控，無論何時何地管理人員都能對系統各個參數進行實時采集和監控，及時解決運行中出現的爆管、漏水、氣阻等突發故障，提高了太陽能工程日常的維護管理水平，實現了太陽能工程真正的無人值守，達到預期目標。

圖4 可視操作界面

五、結束語

本文介紹了一種基于物聯網的棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱控制系統，該系統運用物聯網技術把棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱系統和我們周圍的網絡聯系在一起，改變了現有的使用方式，使供熱系統從以往的被動控制發展到能夠主動傳遞信息和被遠程感知和遠程控制，真正實現了智能化運行和無人值守。隨著物聯網技術的迅猛發展，棉花秸稈鍋爐+太陽能互補供熱控制系統將有廣闊的市場前景。☆