控制系統(tǒng)在家用太陽熱水器熱性能試驗(yàn)中的應(yīng)用.docVIP

控制系統(tǒng)在家用太陽熱水器熱性能試驗(yàn)中的應(yīng)用摘要： 此項(xiàng)目為國家經(jīng)貿(mào)委和聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署全球環(huán)境基金支持的“加速 中國 可再生能源商業(yè)化能力建設(shè)項(xiàng)目”的子項(xiàng)之一，此試驗(yàn)系統(tǒng)既要滿足新的國家標(biāo)準(zhǔn)“家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn) 方法 ”GB/T18708-2002，又要滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9459-2中對(duì)熱性能試驗(yàn)系統(tǒng)的性能要求?？刂葡到y(tǒng)由研華板卡、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊及工控機(jī)構(gòu)成，并采用研華配套的組態(tài)軟件Autoview和軟邏輯Kingact實(shí)現(xiàn)上位機(jī)顯示控制及數(shù)據(jù)記錄功能。測(cè)量的參數(shù)包括太陽輻照量、風(fēng)速、流量，被控對(duì)象包括三通閥、電加熱、變頻器、水泵、電磁閥等。由于試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)溫度的高精度要求，文中詳細(xì)介紹了溫度控制的策略，并對(duì)軟件功能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。 目前 此試驗(yàn)系統(tǒng)以投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞： 太陽能熱水器 測(cè)控系統(tǒng) 溫度控制 組態(tài) 近年來隨著 經(jīng)濟(jì) 的快速 發(fā)展 ，能源和環(huán)境開始向人類提出了巨大的挑戰(zhàn)。以太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能為代表的綠色可再生能源的開發(fā)和利用將是解決能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的有效途徑。目前太陽能熱水器已在我國成為太陽能利用最成熟 應(yīng)用 最為廣泛的產(chǎn)品。作為國家經(jīng)貿(mào)委和聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署全球環(huán)境基金支持的“加速中國可再生能源商業(yè)化能力建設(shè)項(xiàng)目”的子項(xiàng)之一，家用太陽熱水器熱性能檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)將對(duì)國內(nèi)太陽熱水器產(chǎn)業(yè)進(jìn)行具有權(quán)威性、公證性、 科學(xué) 性的評(píng)判。此試驗(yàn)系統(tǒng)為適應(yīng)國內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，既要滿足新的國家標(biāo)準(zhǔn)“家用太陽能熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法”GB/T18708-2002，又要滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9459-2中對(duì)熱性能試驗(yàn)系統(tǒng)的性能要求。一、工藝簡(jiǎn)介 試驗(yàn)過程如下：早晨8點(diǎn)鐘以前將200.2（設(shè)定溫度與環(huán)境溫度有關(guān)）的水打入太陽能熱水器儲(chǔ)水箱入水口，當(dāng)水箱入口出口水溫在規(guī)定時(shí)間變化不大于1時(shí)，關(guān)閉太陽能熱水器儲(chǔ)水箱入口、出口閥門。太陽能熱水器在陽光的照射下儲(chǔ)熱，記錄此時(shí)溫度作為 計(jì)算 太陽能熱水器得熱量的初始溫度。8小時(shí)以后啟動(dòng)循環(huán)水泵使太陽能熱水器儲(chǔ)水箱內(nèi)溫度達(dá)到均勻。記錄此時(shí)的溫度并用稱重法測(cè)得熱水箱中水的體積按下面的公式計(jì)算太陽能熱水器的得熱量。Q S =P w C W V S （t 2 -t 1 ）其中：Q S 貯熱水箱中水的體積V S 中所含的系統(tǒng)得熱量，單位MJ；P W 水的密度，單位kg/m 3 ；C W 水的比熱容，單位J/kg.；V S 貯熱水箱中的流體容積，m 3 ；t 2 集熱式樣結(jié)束是貯熱水箱內(nèi)的水，單位；t 1 集熱試驗(yàn)開始時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫，單位；上述試驗(yàn)為一個(gè)獨(dú)立全天試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)由n個(gè)這樣的試驗(yàn)組成。最后給出太陽能熱水器在不同太陽幅照度下性能曲線。試驗(yàn)裝置局部見圖1。圖1 試驗(yàn)裝置局部系統(tǒng)圖 本試驗(yàn)系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行八臺(tái)太陽能熱水器熱性能檢測(cè)，其中六臺(tái)可進(jìn)行混水法試驗(yàn)，其余兩臺(tái)可進(jìn)行排水法試驗(yàn)。上述介紹的試驗(yàn)方法為混水法，排水法試驗(yàn)原理本文從略。二、測(cè)控制系統(tǒng)組成 由工藝過程可知，控制太陽能熱水器入口水溫為200.2 是很關(guān)鍵的。為此采用計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)由研華PCI、PCL系列板卡、ADAM4000系列數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊及工控機(jī)構(gòu)成，并采用研華配套的組態(tài)軟件Autoview和軟邏輯軟件Kingact實(shí)現(xiàn)上位機(jī)顯示控制及數(shù)據(jù)記錄功能。測(cè)量的參數(shù)包括溫度、太陽輻照量、風(fēng)速、流量；被控對(duì)象包括三通閥、電加熱器、變頻器、水泵、電磁閥等。控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。上位機(jī)操作系統(tǒng)為Windows2000，通過運(yùn)行監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、測(cè)量、控制、記錄，并對(duì)超限參數(shù)進(jìn)行報(bào)警及采取相應(yīng)應(yīng)急措施。工控組態(tài)軟件具有良好的人機(jī)界面，根據(jù)需要可以加載不同硬件產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序，縮短了項(xiàng)目的開發(fā)周期，避免了重復(fù)費(fèi)時(shí)的硬件接口開發(fā)工作。由于試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)溫度控制高精度的要求，溫度傳感器均采用鉑電阻Pt100，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定后的數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)擬合回歸后誤差小于0.05。流量計(jì)經(jīng)標(biāo)定回歸后為準(zhǔn)確度優(yōu)于給定量程范圍內(nèi)測(cè)量值的1，8臺(tái)電磁流量計(jì)中誤差最大的一臺(tái)測(cè)量誤差為0.25%。圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 三、典型控制環(huán)節(jié) 1、 循環(huán)水箱溫度控制 冷水機(jī)組自帶一套控制系統(tǒng)，根據(jù)循環(huán)水溫的設(shè)定值自動(dòng)啟停風(fēng)冷機(jī)組，冷水機(jī)組出口水溫波動(dòng)2之間。在板式換熱器一次側(cè)設(shè)電動(dòng)三通閥，根據(jù)循環(huán)水箱溫度調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥開度使循環(huán)水箱溫度控制在設(shè)定值1的范圍內(nèi)。2、 進(jìn)水干管溫度控制 進(jìn)水干管的水從循環(huán)水箱經(jīng)過一次電加熱器加熱送至各檢測(cè)單元進(jìn)水口，通過PID調(diào)節(jié)一次電加熱的可控硅調(diào)功器，將進(jìn)水干管的溫度控制在設(shè)定溫度的0.5范圍內(nèi)。3、 測(cè)量單元進(jìn)口溫度控制 本試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)共有8個(gè)檢測(cè)單元，各檢測(cè)單元的進(jìn)水溫度需要穩(wěn)定在設(shè)定溫度的0.2，將其設(shè)定值設(shè)為進(jìn)水干管溫度設(shè)定值加1，減小進(jìn)水干管的溫度波動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的 影響 。通過PID調(diào)節(jié)各檢測(cè)單元入口處二次電加熱的可控硅調(diào)控器，將溫度穩(wěn)定在要求范圍之內(nèi)。由上述介紹可知，水溫的控制是一個(gè)經(jīng)過四級(jí)控制逐步收斂的過程，首先冷水機(jī)組將常溫水降溫，自動(dòng)控制冷水機(jī)組出口水溫在162（以16為例）；再經(jīng)過調(diào)節(jié)板式換熱器一次側(cè)電動(dòng)三通閥使循環(huán)水箱水溫保持在181 ；經(jīng)過干管電加熱器將水溫提升至190.5；最后，對(duì)于每一臺(tái)熱水器入口水溫由二次電加熱器提升至200.2。見圖3。圖3 溫度控制系統(tǒng)圖四、測(cè)試數(shù)據(jù) 圖4中的數(shù)據(jù)曲線是在規(guī)范要求的太陽輻射度、風(fēng)速條件下，同時(shí)進(jìn)行4臺(tái)家用太陽能熱水器熱性能的試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)中的一組。在對(duì)熱水器進(jìn)行暴曬前，保證各檢測(cè)單元水溫波動(dòng)在0.2范圍內(nèi)，流量波動(dòng)在50L/h范圍內(nèi)。圖4 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)五、軟件的主要功能 1實(shí)時(shí)監(jiān)控人機(jī)界面 通過研華Autoview組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了方便、易用、友好的人機(jī)界面的開發(fā)。根據(jù)功能和流程的不同，將畫面分為如下幾類：工藝流程畫面、檢測(cè)單元畫面、報(bào)警畫面、報(bào)表查詢畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面、 歷史 趨勢(shì)畫面、PID控制畫面以及環(huán)境參數(shù)畫面，各畫面可以方便切換，各種參數(shù)可以實(shí)時(shí)在線調(diào)整。在工藝流程畫面上可以顯示出工藝流程各單元之間的關(guān)系，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，例如：水泵的啟停，故障狀態(tài)，水泵變頻調(diào)速器設(shè)定的頻率值，各控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)等。在PID控制界面上，可以顯示出控制環(huán)節(jié)的設(shè)定值，實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，輸出量的百分比，PID 參數(shù)和溫度控制過程曲線。可以在這個(gè)界面上修改設(shè)定值，PID參數(shù)等。2報(bào)警和事件 報(bào)警和事件主要包括變量報(bào)警事件、操作事件、用戶登錄事件。通過這些報(bào)警和事件，用戶可以方便地監(jiān)視和查看系統(tǒng)的報(bào)警、操作運(yùn)行情況。當(dāng)有參數(shù)超限時(shí)，報(bào)警畫面會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)提示，當(dāng)參數(shù)恢復(fù)到正常范圍時(shí)，報(bào)警畫面提示報(bào)警恢復(fù)。報(bào)警和事件歷史記錄可以實(shí)時(shí)在上位機(jī)上顯示，同時(shí)通過ODBC將報(bào)警和事件寫入到ACCESS數(shù)據(jù)庫中，便于故障和事件的 分析 。 3實(shí)時(shí)趨勢(shì)及歷史趨勢(shì) 對(duì)參數(shù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，通過實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面的顯示，可以觀察設(shè)定值和實(shí)際值的差別，進(jìn)而對(duì)比例、積分、微分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。歷史趨勢(shì)畫面可以同時(shí)查詢八個(gè)參數(shù)在一定時(shí)間段的變化趨勢(shì)。歷史趨勢(shì)畫面還可以自由選擇需要查看的參數(shù)以及查詢的時(shí)間段。4報(bào)表 在報(bào)表畫面中，操作人員可以根據(jù)需要選擇報(bào)表所需的參數(shù)及相應(yīng)的時(shí)間區(qū)間，查詢結(jié)果顯示在屏幕上，通過打印機(jī)可以直接打印輸出。5 數(shù)據(jù)記錄 系統(tǒng)采集和控制的歷史數(shù)據(jù)在指定的數(shù)據(jù)庫路徑下保存為rec的格式。歷史數(shù)據(jù)可以通過報(bào)表查詢和歷史趨勢(shì)調(diào)出查看。由于記錄的數(shù)據(jù)量比較大，重要的參數(shù)通過腳本編程調(diào)用SQL函數(shù)，設(shè)定ODBC將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸CCESS數(shù)據(jù)庫中。6 系統(tǒng)的安全管理 為保證系統(tǒng)正常工作防止誤操作對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響，同時(shí)兼顧軟件本身的安全性，防止操作人員誤操作修改源程序，設(shè)計(jì)了不同的安全區(qū)，將不同的權(quán)限分配給不同的操作人員，保證控制命令的準(zhǔn)確發(fā)送。7 軟邏輯與組態(tài)軟件的結(jié)合 采用Kingact軟邏輯軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。軟邏輯控制器被看作一個(gè)控制設(shè)備加載到組態(tài)軟件當(dāng)中。采集上來的被控參數(shù)和需要設(shè)定調(diào)整的參數(shù)以及進(jìn)行控制的條件參數(shù)經(jīng)過設(shè)定賦給相應(yīng)的軟邏輯參數(shù)寄存器，然后將其傳輸?shù)終ingact相關(guān)功能模塊中。通過梯形圖進(jìn)行Kingact的編程，然后進(jìn)行在線調(diào)試、動(dòng)態(tài)編輯下載，用軟的邏輯實(shí)現(xiàn)控制功能，實(shí)踐證明達(dá)到了良好的控制結(jié)果。六、結(jié)論 通過整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)調(diào)試，得出的經(jīng)驗(yàn)是要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)通盤考慮，各專業(yè)應(yīng)相互滲透，在設(shè)計(jì)階段自控專業(yè)要跟工藝專業(yè)緊密配合，并要對(duì)相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有較深的理解，在調(diào)試過程中控制專業(yè)與工藝仍需緊密合作，共同分析和解決調(diào)試中出現(xiàn)的 問題