基于LabVIEW 的小型太陽能集熱實時監(jiān)控系統(tǒng)研究

◎董旭 董帥帥 王偉

一、引言

環(huán)境是人類生存和發(fā)展的前提，為我們提供了必要的資源和條件，環(huán)境問題是現(xiàn)在的生活中，大家所關注的問題，因為環(huán)境的好壞會直接影響生活質(zhì)量和健康等一系列問題。全球?qū)剂系男枨筮€在不斷擴大，全球變暖問題不斷加重，近些年，全球多個國家都出現(xiàn)了不同程度的罕見高溫，保護生態(tài)亟須使用更多可再生能源和清潔能源。冬季北方高寒地區(qū)氣溫很低，尤其在夜間或光照條件不好的情況下，要尤其防止管路凍脹的問題；冬季對生活熱水的需求量增大，加之北方冬季太陽實際輻射量偏低，為獲得熱水輸出，既要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上加以改進（如加裝電加熱輔熱系統(tǒng)），又要研發(fā)合理的系統(tǒng)運行控制策略。本研究旨在為太陽能在北方地區(qū)村鎮(zhèn)住宅的應用推廣，解決目前太陽能系統(tǒng)在北方地區(qū)應用時存在的問題，促進城市居民生活質(zhì)量的提高。本項目依托現(xiàn)有的基于PLC 的小型太陽能集熱控制實驗系統(tǒng)平臺，為提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和工作性能，在現(xiàn)有的現(xiàn)場人機交互界面平臺以外研發(fā)基于LabVIEW 的實時監(jiān)測系統(tǒng)，運行于PC 端，提高對系統(tǒng)實時監(jiān)測能力，為改善系統(tǒng)運行提供技術支撐。

二、試驗系統(tǒng)運行原理

小型太陽能集熱實驗系統(tǒng)一般由太陽能熱水箱、集熱器、混合水箱、PLC 控制器組成。系統(tǒng)控制器通過傳感器對水箱水溫及室內(nèi)外溫度、光照進行監(jiān)測，根據(jù)檢測反饋信息進行相應調(diào)控，采集管道入水出水壓力及水箱液位數(shù)據(jù)確保設備安全性及出水穩(wěn)定性，編寫模擬量讀取算法完成傳感器與控制器PLC 數(shù)據(jù)通信。當光輻射傳感器檢測到有陽光射入時，將相應的電信號傳送到PLC 控制器中，控制器啟動循環(huán)泵驅(qū)動管路水循環(huán)，對流經(jīng)集熱器冷水加熱，然后自來水和被加熱的水一起進入到混合水箱，供用戶使用。當光照強度較弱并且溫度較低時，集熱器中傳感器的檢測到溫度低于7℃的時候，將相應的電信號送到PLC 中，啟動循環(huán)泵，開始電加熱。將PT1000 高溫型鉑電阻溫度傳感器分別放置在太陽能儲水箱、集熱器入水出水端，對對循環(huán)系統(tǒng)運行進行監(jiān)控，防止溫度過低時，造成凍管現(xiàn)象。RG-2 型液位傳感器，用于檢測水箱中水位深度，不足時開啟水泵進行補水，確保熱水供應滿足用戶需求。飛思卡爾MPX5700AP 壓力傳感器，置于管網(wǎng)加熱循環(huán)和供水循環(huán)管路的出入水端，監(jiān)測管網(wǎng)壓力，確保系統(tǒng)運行過程中管路安全與出水穩(wěn)定。控制器依據(jù)檢測的信號輸出控制量，通過變頻器控制循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，根據(jù)采集得到的溫度數(shù)據(jù)對水循環(huán)速度進行調(diào)節(jié)從而使混合水箱的水達到設定溫度。

三、撒播集熱系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

集熱系統(tǒng)是一個動態(tài)運行系統(tǒng)，控制系統(tǒng)運行需要隨著外部環(huán)境、用戶使用情況進行實時調(diào)節(jié)，為確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行。由于供熱系統(tǒng)控制存在滯后性，基于PLC的自動控制方式并不能確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因而系統(tǒng)需要依靠實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，必要時采用手動與自動控制相結(jié)合的方式。本實驗系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的現(xiàn)場人機交互界面基礎上，增加了PC 端遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)多機組多系統(tǒng)實時在線運行維護，提高系統(tǒng)運行維護效率。

控制器PLC 通過RS485 通信與HMI人機交互界面建立信息交互，顯示前端采集數(shù)據(jù)，完成狀態(tài)查詢與參數(shù)的設定。HMI完成對系統(tǒng)運行情況的監(jiān)測，通過監(jiān)控太陽能集熱系統(tǒng)集熱循環(huán)和供熱循環(huán)入水出水溫度、混合水箱的出水口溫度，監(jiān)測循環(huán)加熱的過程中是否出現(xiàn)了異常。除此之外，還能顯示電磁閥的開關和變頻器的工作頻率等狀態(tài)。人機交互界面是基于windowsCE 實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)運行，通過專門應用于嵌入式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的的組態(tài)軟件MCGS 開發(fā)，適用于應用系統(tǒng)對功能，可靠性，成本，體積，功耗等綜合性有比較嚴格要求的工業(yè)控制領域運行系統(tǒng)。實時數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)人機交互界面實時性的重要部分，尤其是針對本項目的太陽能集熱控制，確保系統(tǒng)運行安全與熱水供應穩(wěn)定，改善用戶體驗尤為重要。遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于PC 端開發(fā)，借助美國NI 公司LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，LabVIEW監(jiān)控端通過GPRS 通信與PLC 和HMI 人機交互界面建立實時通信，顯示前端采集數(shù)據(jù)，完成遠程PC 端的狀態(tài)查詢與參數(shù)的設定。與現(xiàn)場HMI 人機交互界面相比，LabVIEW 監(jiān)控系統(tǒng)由于運行在PC 端，在運行維護效率方面更具優(yōu)勢，兩種實時監(jiān)測方式優(yōu)勢互補，是建立和完善小型太陽能集熱實時監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

四、結(jié)論與展望

本文針對小型太陽能集熱實驗裝置控制系統(tǒng)，搭建實時監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化運行維護與控制過程，低溫輔熱與自保護功能可有效提高系統(tǒng)低溫環(huán)境運行性能，提高北方嚴寒工況下的使用壽命?；贚ab-VIEW 環(huán)境的小型集熱實時監(jiān)測控制系統(tǒng)，極大改善了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，改善用戶體驗，具有良好的推廣與應用前景。

本論文研究工作得到吉林建筑大學省級大學生創(chuàng)新訓練項目"北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)研究"的支持。