CPC型光伏/光热装置测控系统设计与实现

谢泽坤，金秀章

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003)

CPC型光伏/光热装置测控系统设计与实现

谢泽坤，金秀章

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003)

针对太阳能光伏光热综合利用技术中如何有效协调光热效率和光电效率的问题，开发一种以iFIX为支撑平台的CPC型光伏/光热装置测控系统。开发友好人机画面实时监测现场装置的主要运行参数，并手/自动调节入口水工质流量，对光伏电池板进行有效散热降温以及输出稳定温度的水工质，提高装置的光电效率和光热效率，从而达到高效的太阳能热电联用目的。

iFIX;光伏/光热;监控系统

0 引言

目前，全球经济发展导致的诸多环保问题已成为世界关注的焦点，同时煤炭、石油、天然气等可利用化石能源终将面临枯竭，人类依托科技进步，开发利用可再生能源已势在必行。发展太阳能利用技术对国家的经济、社会和环境保护能带来积极的意义。

太阳能利用是当今世界范围内一个重要的能源发展方向，可以减少人类对化石能源的依赖，减少二氧化碳的排放等环境污染问题。

在太阳能热电联用领域，国内外不乏理论与实验研究，但真正意义上把该项技术转化为具有普遍应用意义的太阳能光热利用系统尚无首例。因此，针对 CPC型光伏/光热装置，提出一种CPC型光伏/光热装置测控系统，结合太阳能光热/光伏 (PV/T)利用技术［1～3］，在 iFIX 组态软件平台上，设计并实现一种CPC型光伏/光热装置测控系统。iFIX作为自动化监控组态软件，能够灵活快速开发友好人机界面，实现生产操作过程可视化、数据采集和监控，精确快速地监视、控制生产过程，提高生产效率，在冶金、电力、石油化工、制药等领域受到广泛应用［4～5］。

1 CPC型光伏/光热装置简述

CPC型光伏/光热装置采用复合抛物面聚光器(CPC)为光伏电池聚光所用，装置由6个CPC—PV/T单元组件并联构成，CPC型光伏/光热装置如图1所示。

图1 CPC型光伏/光热装置结构

装置的下层管道采用并联方式连接，水工质流经下层管道并吸收光伏电池的热量进入水联箱混合后，再流经上层蛇形管道吸收太阳红外光的能量进行水工质的再次加热，加热后的水工质直接从上层蛇形管道流出。

2 系统介绍

2.1 系统简介

本系统采用Modbus TCP/IP通信协议，在现场装置的光伏电池板、下层6根并列流通管道和上层蛇形流通管道安装热电偶来采集现场温度数据，在水工质入口端和出口端安装流量计采集水流量信号，在光伏电池板上安装电流和电压传感器来采集电池板的电流电压信号，将热电偶和电流电压传感器的引脚引至数据采集及控制主模块(ADAM－5000/TCP)相应的子模块中，现场数据通过主模块的信号处理后，经过交换机传送至安装有iFIX5．0组态软件的工控机，控制信号通过MBE驱动和下位数据采集及控制主模块传送至现场装置的执行机构。数据通过由MBE驱动、驱动器映像表 (DIT)、报警扫描 (SAC)和过程数据库 (PDB)组成的数据链后传送至人机画面以报警、趋势图、报表等人机交互方式显示［6］。实时监测现场参数变化情况，输出控制信号，手/自动调节入口和出口流量，对光伏电池进行散热，保证稳定温度的出口水工质，有效提高光电效率与光热效率。CPC型光伏/光热装置测系统整体结构如图2所示。

图2 CPC型光伏/光热装置测控系统结构

2.2 实现功能

CPC型光伏/光热装置测控系统主要实现CPC型光伏/光热装置温度分布的在线采集，针对光伏电池最高温度的实时报警，历史/实时性能趋势图的在线显示，历史数据的手/自动保存，对入口水工质流量的手/自动调节等功能，通过在装置上合理布置热电偶，从整体上监测整个CPC型光伏/光热装置的运行参数变化情况。根据光伏电池温度、太阳辐射等参数变化情况，通过PID适当调节入口水工质流量，对光伏电池进行有效散热，同时也保证稳定温度的出口水工质，实现CPC型光伏/光热装置的电热联用目的。

3 测点布置方案

测点根据现场装置以及研究需要灵活布置。要采集的基本参数包括光伏电池温度、短路电流、开路电压、水工质进出口温度、管道流量与管道压力。采用热电偶进行光伏电池和管路水工质温度的数据采集，光伏电池温度和流体温度测点的采集信号为4～20 mA的直流电流，通过数据采集模块处理还原为真实值，水工质流量控制的输出信号为0～10 V直流电压，下层并联管道温度测点布置如图3所示。

图3 下层管道测点布置示意图

上层蛇形管道以及光伏电池板温度测点布置如图4所示。

图4 上层管道及光伏电池板测点布置示意图

装置一共有6块光伏电池板，因此在每块光伏电池板上等距离安装温度测点，在6块光伏电池板上共布置18个热电偶，监测光伏电池板温度变化情况，及时调节入口水流量对电池板进行降温。在每块光伏电池板上安置一个电压传感器和电流传感器用于检测光伏电池的短路电流和开路电压，共12个测点。

在每块光伏电池板下方均有一根管道，在下层管道的上、中、下部安装温度测点，共布置18个热电偶，可以监测水工质温度变化情况，在光伏电池板的上层蛇形管道以等间隔的距离安装6个热电偶，监测水工质流经上层蛇形管道的温升情况。在水工质入口和上层蛇形管道出口均布置一个流量测点，在水工质入口处和蛇形管道出口处安装一个变频泵用于流量调节。

4 系统实现

4.1 MBE驱动

iFIX5．0与研华亚当系列的ADAM5000/TCP采用以太网通讯，MBE驱动支持Modbus TCP/IP协议，通过MBE驱动，监控端的iFIX从主模块ADAM5000/TCP采集装置现场数据，根据运行情况，向下位的ADAM5000/TCP传送控制信号，调节现场运行参数。MBE驱动配置界面如图5所示。

图5 MBE驱动配置界面

在MBE驱动配置界面添加通道、设备名及设备的 IP地址、数据块名，并根据主模块 ADAM5000/TCP地址配置的要求配置数据块的访问地址。主模块ADAM5000/TCP连接正常，地址配置正确后，在MBE驱动配置界面能够直接看到寄存器的值。

4.2 iFIX界面设计

监控系统所有的人机界面底色均采用柔和的浅蓝色色调，美观且不易造成视觉疲劳。为了直观显示方便的需要，将人机界面中装置的上下层管道分开布局，上层蛇形管道在联箱的上方，下层并联管道在联箱的下方。系统界面主要包括热能参数监测、电能参数监测、系统控制、报表浏览、实时曲线、历史曲线和报警一览共7个界面。

热能参数监测界面除了从宏观上显示整个CPC型光伏/光热装置光伏电池和管道布局外，还可直观看到温度测点的分布及其数值的动态变化情况，热能参数监测仿真界面如图6所示。

图6 热能参数监测仿真界面

在界面的底栏设置虚拟报警灯，若光伏电池板最高温度测点超过55℃报警灯显示红色，表示温度过高，否则，显示绿色，表示运行良好。

电能参数监测界面显示的是光伏电池板的短路电流和开路电压以及电功率的动态数值。电流、电压和电功率变化情况能够为运行人员提供调节控制操作的依据。

系统控制界面主要功能是根据入口水工质流量、光伏电池温度、蛇形管道出口温度等关键控制参数来进行水工质的手/自动调节，系统控制仿真界面如图7所示。

“入口流量手动调节”按钮实现手动改变CPC型光伏/光热装置入口水工质的流量，也可通过点击“入口流量自动调节”按钮改变对现场变频泵的控制信号输入，实现入口水工质流量的自动调节，达到良好的光伏生电效果和稳定温度的出口水工质。

图7 系统控制仿真界面

报表浏览界面能够直观看到报表网格中动态变化的参数数值，通过添加基于时间项的调度，每隔5 min自动保存数据至硬盘的Excel报表。通过日期控件和点击“报表日期查询”按钮，能够手动打开具体日期的报表查看数据，通过点击“报表手动保存”按钮，能够实现具体时刻的报表保存［7］。

在实时曲线界面中，点击标签名，能够将其对应的运行参数实时变化趋势以曲线形式显示。在实时趋势图中，横轴表示时间，纵轴根据标签点不同，其代表的含义也不同，例如选择流量标签点，纵轴表示流量，选择温度标签点，纵轴表示温度。

在历史曲线界面中，通过编程实现时间范围选择和添加笔功能，能够以曲线形式显示过去具体时间段的参数变化趋势，且能够同时显示多个参数历史曲线。

报警一览界面除了能够实时显示报警信号外，还能够通过日期控件的设置和点击按钮，以文本格式打开具体日期的历史报警。

4.3 过程数据库的创建

过程数据库由模拟量、数字量和二级块等标签组成，打开数据库编辑器，创建新标签，标签类型设置为AI(模拟量输入)。一级块以AI001为例，如图8所示，描述为入口工质温度，I/O驱动器选择MBE，地址设置为Device0:40001。

4.4 系统仿真运行

测控系统的人机界面以全屏方式运行，数据输入可通过滚动条和人机界面的虚拟数字键输入。启动iFIX软件后，采用Modsim仿真器代替现场数据进行数据采集，能够实现系统的报警灯显示、报表生成、曲线显示与控制功能。当不运行系统时，点击退出系统按钮，系统自动关闭。

图8 模拟量输入标签

5 结论

在太阳能技术领域，目前国内尚处于试验和项目起步阶段，而CPC型光伏/光热装置测控系统重点落实在实现太阳光高效率的热电联用技术，通过测控系统实时监测数据，手/自动控制现场执行机构，调节入水口水工质流量，保证稳定高效的光电、光热效率，有效协调光伏发电和光热利用效果，同时也降低了光伏发电成本，使光伏/光热综合利用技术具有极高的推广价值，具有良好的经济效益同时，也带来了很好的社会效益。

［1］王宝群，姚强，宋蔷，等．光伏/光热 (PV/T)系统概况与评价［J］．太阳能学报，2009，30(2):193-200．

［2］刘亚雷，张红，许辉，等．CPC型聚光光伏光热系统的性能分析 ［J］．可再生能源，2011，29(1):1-5．

［3］刘鹏，关欣，穆志君，等．PVT系统运行的数值模拟与实验研究 ［J］．太阳能学报，2010，31(8):999-1004．

［4］许铁，金秀章．基于iFIX的空冷岛温度场监测系统［J］．电力科学与工程，2013，29(7):74-77．

［5］马冲．基于iFix计算机测控系统的软件设计与实现［J］．计算机技术与发展，2011，21(6):185-188．

［6］蔡毅恒，田沛．iFIX工控组态软件在大型火电厂外围设备控制系统改造中的应用 ［J］．测控技术，2004，23(2):51-54．

［7］巩伟，宋勇江．EXCEL在 IFIX软件的报表实现 ［J］． 自动化技术与应用，2011，30(6):89-90．

Design and Implement of Measuring and Controlling System for CPC-PV/T Equipment

Xie Zekun，Jin Xiuzhang

(School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

For the issue of how to coordinate photoelectric efficiency and thermal efficiency in the photovoltaic solar thermal utilization technology，a kind of measuring and controlling system based on iFIX platform is developed for CPC-PV/T equipment．Friendly HMI screen for real-time monitoring of the main operating parameters of field devices is designed，and the inlet water flow is regulated manually or automatically for dissipating photovoltaic cells'heat and lowering its temperature，and outputting water liquid with stable temperature，so as to improve photoelectric efficiency and thermal efficiency，and achieve the purpose of efficient use of solar thermal and electricity．

iFIX;PV/T;measuring and controlling system

TP29

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.017

2013－11－28。

谢泽坤 (1989-)，男，硕士研究生，研究方向为太阳能热电联产领域的控制策略及其性能分析研究，E-mail:919408299@qq．com。