CN113587203A - 基于plc的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PLC的多模块联控太阳能‑热泵复合集热系统，包括数据采集模块、主控模块、执行器模块和上位监控模块；所述数据采集模块的数据输出端链接主控模块；所述主控模块的数据输出端连接执行器模块；所述上位监控模块连接主控模块，上位监控模块由触摸屏和监控软件组成。本发明可实现对太阳能集热系统的自动控制和远程控制，能够保证水温加热的精确度，以及达到恒温出水的目的；并且使用精智触摸屏作为人机交互界面作为现场操作设备简便易懂，降低管理人员的操作难度。

Description

基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统
技术领域
本发明涉及一种基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统。
背景技术
人类所有的生产生活都是以能源的消耗来实现，但由于以前大量使用化石能源造成全球变暖，严重污染我们的生活环境。而太阳能作为可再生能源中最主要的基本能源，它储量丰富，且具有普遍性、经济性和清洁无污染的优点，在能源利用方面具有独特的优势。其中集热系统正是太阳能热产业的一大核心，对于集热系统的控制研究也从未间断。太阳能集热系统的主要组成分为五大部分：太阳能集热器、管道循环系统、智能保温贮水箱、自动控制系统、空气能热泵辅助加热。
太阳能集热系统的迅猛发展主要取决于近些年来人们生活中对热水需求的提高，但是与之相配套的太阳能集热系统控制装置的研发却不尽如人意，一直停留在不成熟阶段，如：现有的传统太阳能热水工程的使用受天气影响较大，通常仅依赖阳光加热，在冬天或阴天等阳光较弱的情况下制热效果会变得很差，不能持续二十四小时为用户提供热水，体验感较差，而使用电辅助加热的热水器安全隐患较大，容易造成用户触电事故；为了更好的利用太阳能，提高加热效率，大多数太阳能集热器一般都会安装在高处，而且其物件复杂，日常维护较为麻烦；普通太阳能集热器的热水管路长达几十米，每次使用前都需要放掉很多冷水，不仅使用不方便，还对我们宝贵的水资源造成一定的浪费；大多数用户使用的出水口阀门为手动调节，需要先试好水温才能使用，使用过程中随着热水水量的减少以及冷水供应不稳定导致出水温度亦有可能忽高忽低，容易发生冷激或烫伤，舒适性较差。因此为给人们更加便利的生活，一款智能化无污染热水系统的研发显得尤为重要。此外，传统出水口阀门为用户手动调节，使用过程中随着热水水量的减少以及冷水供应不稳定导致出水温度忽高忽低，容易发生冷激或烫伤，不能给用户带来更好的使用体验；同时智能化不足的现状导致管理人员工作效率低下。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，包括数据采集模块、主控模块、执行器模块和上位监控模块；
所述数据采集模块包括储水箱液位传感器、储热水箱温度传感器、集热管温度传感器、循环管道温度传感器和出水口温度传感器，所述数据采集模块的数据输出端链接主控模块；
所述主控模块包括数据分析处理模块和故障报警模块，所述主控模块对采集到的数据进行分析处理，利用主控模块中可编程控制器内的PID算法合理搭建液位-温度模型，便于对采集到的数据更好的管理和运用来使系统的运行更加稳定；所述主控模块通过PLC控制器内部所编的程序将当前采集的数据与系统的预设值进行对比计算，根据其差值选择目前最佳的控制策略，生成相应的控制命令传输至执行器模块；
所述执行器模块包括上水电磁阀、出水电磁阀、空气能热泵和两个温差循环水泵，所述主控模块的数据输出端连接执行器模块；
所述上位监控模块连接主控模块，上位监控模块由触摸屏和监控软件组成。利用组态王KingView7软件组态现场工艺画面(包括完整系统运行模型图，各部件实时运行状态，常用控制按钮等)，绘制系统运行数据实时趋势图(系统运行数据实时更新显示)和故障报警记录表(故障记录日志存放历史故障数据，以便管理人员查看)。将绘制完成的工艺画面、实时趋势图和故障记录表下载至西门子触摸屏，触摸屏可安装于现场供管理人员实时查询系统运行状况。同时工程师亦可通过上位机的组态王软件对现场系统运行状况进行远程监控与操作。
进一步地，所述循环管道温度传感器包括用户室内用水管道温度传感器和外部集热输水管道温度传感器。
进一步对，在系统运行之前要求主控模块对整体参数进行预分析以保证本次系统无故障问题能够照常稳定运行，如有故障应立即发出报警提示并将故障数据实时显示在故障记录日志中，方便管理人员实时获取系统运行数据；
进一步地，所述出水电磁阀为混合型电磁阀，分别接通储热水箱和自来水两个输水管道，主控模块将出水口温度传感器采集到的水温与预设水温值作差对比，根据当前值所需，对出水电磁阀的两侧开度大小进行相应的调整，最终达到测量值与预设值相等(或在一定的误差范围内)即动作结束；
进一步地，循环管道由用户室内用水管道和外部集热输水管道组成，所述两个温差循环水泵分别为用户管道循环水泵P1和外部管道循环水泵P2，太阳能集热管与储热水箱连接管道的水用循环水泵P1来强制循环，如此储热水箱的位置则不必限制于高处，室内用水管道与储热水箱连接管道的水用循环水泵P2来强制循环，当集热器中的温度传感器测量值不在预设范围内时，启动循环水泵P1进行集热器与储热水箱水循环，当室内用水管道中温度传感器测量值低于设定值时，启动循环水泵P2进行室内用水管道与储热水箱水循环；
进一步地，所述空气能热泵为辅助加热设备，通过分析太阳能设备集热效率的季节性变化，建立节能控制策略，天气状况多变时优先利用太阳能集热，减少空气能热泵的启停次数，实现太阳能的最优化利用，合理安排太阳能设备与空气能设备的使用，做到1+1>2的效果。
优选的，所述触摸屏为西门子700IE-V3smart触摸屏。
优选的，所述监控软件为KingView7软件。
进一步地，所述上位机通过以太网连接主控模块。
与现有技术相比，本发明基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统具有以下有益效果：
(1)本发明可实现对太阳能集热系统的自动控制和远程控制，从传感器采集各部分温度及液位数据到主控模块接收数据信息并进行处理，再到实时发送控制信号给执行机构进行相应的动作，以及上位机对整个运行的系统进行监控管理，处理报警信号，这一系列闭环动作实现了系统的实时精准自动控制；可最大程度的解放管理人员双手，同时通过使用可编程控制器PLC、人机交互界面触摸屏以及与上位机以太网连接实现无人值守功能以及真正的智能化管理目的；
(2)本发明系统采用太阳能-空气能热泵复合集热，环保器件弥补太阳能受天气限制的不足，合理安排太阳能和热泵的集热时间以达到最佳节能减排目的；并且空气能热泵辅助加热时保证水温加热的精确度，根据用户日常使用热水的量合理加热足量热水且避免浪费；使用温度传感器及控制电磁阀出水温度以达到恒温出水的目的，避免对用户造成冷激或烫伤等问题，用户端可自行设定出水温度，满足个性化需求；采用温差循环水泵强制管道与储热水箱的水进行循环使管道内的水保持在一定的温度范围内，避免水资源浪费；
(3)使用精智触摸屏作为人机交互界面作为现场操作设备简便易懂，降低管理人员的操作难度；上位机监控可记录历史运行数据及故障报警日志，便于工程师对系统性能进行分析，及时找出故障问题并加以解决，在每次运行之前先对系统进行预故障分析处理，提高系统运行的安全性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统运行图；
图2为本发明基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统工艺简图；
图3为本发明基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统硬件结构图；
图4为本发明基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统软件原理图。
图中标记：1-储热水箱，2-循环水泵P1，3-循环水泵P2，4-液位传感器，5-上水电磁阀，6-集热管温度传感器，7-储热水箱温度传感器，8-循环管道温度传感器，9-出水口温度传感器，10-集热器，11-出水口，12-混合出水电磁阀，13-空气能热泵。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1～4所示，一种基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，包括数据采集模块、主控模块、执行器模块和上位监控模块；
所述数据采集模块包括储水箱液位传感器4、储热水箱温度传感器7、集热管温度传感器6、循环管道温度传感器8和出水口温度传感器9，所述数据采集模块的数据输出端链接主控模块；所述循环管道温度传感器包括用户室内用水管道温度传感器和外部集热输水管道温度传感器；
所述主控模块包括数据分析处理模块和故障报警模块，所述主控模块包括PLC控制柜(S7-200smart)，主控模块对采集到的数据进行分析处理，利用主控模块中可编程控制器内的PID算法合理搭建液位-温度模型，便于对采集到的数据更好的管理和运用来使系统的运行更加稳定；所述主控模块通过PLC控制器内部所编的程序将当前采集的数据与系统的预设值进行对比计算，根据其差值选择目前最佳的控制策略，生成相应的控制命令传输至执行器模块；在系统运行之前要求主控模块对整体参数进行预分析以保证本次系统无故障问题能够照常稳定运行，如有故障应立即向管理人员报警提示并将故障数据实时显示在故障记录日志中，方便管理人员实时获取系统运行数据；
所述执行器模块包括上水电磁阀5、混合出水电磁阀12、空气能热泵13和两个温差循环水泵，所述主控模块的数据输出端连接执行器模块；所述出水电磁阀为混合型电磁阀，分别接通储热水箱1和自来水8两个输水管道，主控模块将出水口温度传感器采集到的水温与预设水温值作差对比，根据当前值所需，对出水电磁阀的两侧开度大小进行相应的调整，最终达到测量值与预设值相等(或在一定的误差范围内)即动作结束；循环管道由用户室内用水管道和外部集热输水管道组成，所述两个温差循环水泵分别为用户管道循环水泵P2和外部管道循环水泵P1，太阳能集热器 10与储热水箱连接管道的水用循环水泵P1来强制循环，如此储热水箱的位置则不必限制于高处，室内用水管道与储热水箱连接管道的水用循环水泵P2来强制循环，当集热器10中的温度传感器测量值不在预设范围内时，启动循环水泵P1进行集热器与储热水箱水循环，当室内用水管道中温度传感器测量值低于设定值时，启动循环水泵P2进行室内用水管道与储热水箱水循环；所述空气能热泵为辅助加热设备，通过分析太阳能设备集热效率的季节性变化，建立节能控制策略，天气状况多变时优先利用太阳能集热，减少空气能热泵的启停次数，实现太阳能的最优化利用，合理安排太阳能设备与空气能设备的使用，做到1+1>2的效果。设计自动和手动两种模式，可实现短期无人值守目标。
所述上位监控模块由西门子700IE-V3smart触摸屏和组态王监控软件组成。利用组态王KingView7软件组态现场工艺画面(包括完整系统运行模型图，各部件实时运行状态，常用控制按钮等)，绘制系统运行数据实时趋势图(系统运行数据实时更新显示)和故障报警记录表(故障记录日志存放历史故障数据，以便管理人员查看)。所述上位机通过以太网连接主控模块。将绘制完成的工艺画面、实时趋势图和故障记录表下载至西门子触摸屏，触摸屏可安装于现场供管理人员实时查询系统运行状况。同时工程师亦可通过上位机的组态王软件对现场系统运行状况进行远程监控与操作。
四个模块协同作用，针对不同的用户需求，应用不同控制策略，构建“数据采集——反馈对比——控制执行——上位监控”的多模块联控智能集热系统；特别适用于我国北方地区集中供水工程。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，包括数据采集模块、主控模块、执行器模块和上位监控模块；
所述数据采集模块包括储水箱液位传感器、储热水箱温度传感器、集热管温度传感器、循环管道温度传感器和出水口温度传感器，所述数据采集模块的数据输出端链接主控模块；
所述主控模块包括数据分析处理模块和故障报警模块，所述主控模块对采集到的数据进行分析处理，利用主控模块中可编程控制器内的PID算法合理搭建液位-温度模型；所述主控模块通过PLC控制器内部所编的程序将当前采集的数据与系统的预设值进行对比计算，根据其差值选择目前最佳的控制策略，生成相应的控制命令传输至执行器模块；
所述执行器模块包括上水电磁阀、出水电磁阀、空气能热泵和两个温差循环水泵，所述主控模块的数据输出端连接执行器模块；
所述上位监控模块连接主控模块，上位监控模块由触摸屏和监控软件组成。
2.根据权利要求1所述基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，所述循环管道温度传感器包括用户室内用水管道温度传感器和外部集热输水管道温度传感器。
3.根据权利要求1所述基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，在系统运行之前要求主控模块对整体参数进行预分析以保证本次系统无故障问题能够照常稳定运行，如有故障则发出报警提示并将故障数据实时显示在故障记录日志中。
4.根据权利要求1所述基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，所述出水电磁阀为混合型电磁阀，分别接通储热水箱和自来水两个输水管道，主控模块将出水口温度传感器采集到的水温与预设水温值作差对比，根据当前值所需，对出水电磁阀的两侧开度大小进行相应的调整。
5.根据权利要求1所述基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，循环管道由用户室内用水管道和外部集热输水管道组成，所述两个温差循环水泵分别为用户管道循环水泵P1和外部管道循环水泵P2，太阳能集热管与储热水箱连接管道的水用循环水泵P1来强制循环，室内用水管道与储热水箱连接管道的水用循环水泵P2来强制循环，当集热器中的温度传感器测量值不在预设范围内时，启动循环水泵P1进行集热器与储热水箱水循环；当室内用水管道中温度传感器测量值低于设定值时，启动循环水泵P2进行室内用水管道与储热水箱水循环。
6.根据权利要求1所述基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，所述触摸屏为西门子700IE-V3smart触摸屏。
7.根据权利要求1所述基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，所述监控软件为KingView7软件。
8.根据权利要求1所述基于PLC的多模块联控太阳能-热泵复合集热系统，其特征在于，所述上位机通过以太网连接主控模块。
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CN115061517B (zh) * 2022-07-14 2023-11-24 山东建筑大学 一种基于人机交互的光伏集热单元控制系统

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