基于物联网的棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热控制系统设计

■刘进军

〔河南农业大学，河南郑州450002〕

基于物联网的棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热控制系统设计

■刘进军

〔河南农业大学，河南郑州450002〕

加强可再生能源开发利用，是应对日益严重的能源和环境问题的关键所在，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。世界上很多国家都在努力探求更好地利用可再生能源的模式，棉花秸秆和太阳能都属于可再生能源，我国适宜种植棉花的区域广泛且产棉区太阳能资源丰富，生物质能和太阳能互补供热是非常理想的供能方式。那么如何组合、控制两种能源实现供能系统的最优化，实现系统与用户之间的密切互动，及时发现运行中出现的突发故障，提升日常的维护管理水平，这些问题的解决是供能系统实现真正集成、高效和智能运行的关键。

物联网是把物体通过信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的新型通信网络，它利用各种信息传感设备与互联网结合而形成的一个巨大网络，让所有的物品都能够被远程感知和控制，从而形成一个更加智慧的生产生活体系。物联网是我国大力培育的战略新兴产业，近年来已经广泛应用于交通运输、智慧城市、农业生产等多个领域。

在此背景下，本文提出了基于物联网的棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热控制系统，它将两种可再生能源实现最优化的供能互补，并把它和我们周围的网络联系在一起，真正实现智能化运行。对我国产棉区形成现代化的清洁、高效、低成本供热模式具有一定的借鉴价值。

一、基于物联网的棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热控制系统构架

基于物联网棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热控制系统分为本地感知层、本地控制层、远程监控终端三个层次，由太阳能集热器和棉花秸秆锅炉的各类传感器、信号传输媒介、PLC控制器、互联网、移动无线网络以及PC机和智能手机等终端设备构成，如图1所示。

图1 控制系统构架

（一）本地感知层

本地感知层通过太阳能集热器和棉花秸秆锅炉的各类传感器、感知和采集系统所有运行状态信息，包括系统相关的水温、水位、压力、安防装置、保护装置（高压开关、直流接地等）、计量装置（电量/流量）等，通过有线或无线的传输方式将本地感知层采集到的信息传输至本地控制层。

（二）本地控制层

本地控制层是整个控制系统的核心，PLC控制器用来接受和处理本地传输层发送来的信号，并对处理过的信号进行显示和保存并做出相应的反馈，同时提供便捷的人机交换界面。它还可以将设备的各种状态信息传输至远程传输层，通过Internet网以及GSM网连接远程监控终端，进行信息的远程传输，从而实现远程运行管理、系统查询、远程监控等功能。

（三）远程监控终端

用户可以通过手机、电脑等终端设备远程实时监控系统运行情况，并能随时修改控制系统设定值。当真空集热管爆管，循环泵、电磁阀非正常停止运行，水位超限、温度超高、控制系统出现故障时，系统会自动将预设的报警短语以短信的形式发送给预设的手机，及时提醒售后和管理人员。

二、硬件设计

本控制系统硬件采用模块化设计，控制系统的核心使用PLC动态控制系统的运行状况和分析用户指令，并根据用户指令要求进行相关处理。系统通过输入模块采集系统的水温、水位、高低点温度以及水压等信号，通过输出模块控制循环泵开关、电磁阀开启以及秸秆锅炉的启动等，同时通过INTERN模块、GSM模块实现远程监控，控制系统硬件设计结构，如图2所示。

图2 控制系统硬件结构图

PLC作为控制系统的核心可以提供强大的组态功能以及良好的扩展能力和通信能力，用MPI适配器将PLC的MPI口和适配器的COM口相连，实现PLC和上位机之间的通信，通过MPI通信协议进行数据传输。运行时信号通过接口电路、模拟量扩展模块将这些信号转换成中央处理单元CPU能够识别和处理的数字量信号，并存到输入映像寄存器中，CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行计算、线性化处理，将处理结果传送到输出映像寄存器。PLC通过与设定值的比较，将输出接口电路的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、继电器等被控设备的执行元件。监控系统采用远程监控与现场监控相结合的方法，现场监控采用人机界面（触摸屏）和配置有组态软件的PC机作为可视操作界面，将控制室配置有力控组态软件的PC机通过TCP/IP网络协议连接到局域网，可实现对系统的远程监控，选择抗干扰能力强、性能稳定和支持标准GSM 07 AT指令集的短信猫模块，将其作为主处理器与用户手机间进行数据传输的通信中介。

三、软件设计

控制系统软件主要包括上位机的组态软件和下位机的编程软件。

组态软件是对现场数据进行采集与过程控制的专用软件，是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。它能以灵活多样的“组态方式”进行系统集成，可提供良好的开发界面和简捷的工程实现方法。

系统程序采用编程软件编写，编程软件具有函数功能块，可以从硬盘导入函数功能文件。编程方式用梯形图编程和命令语句编程。两种方法编制的程序全部以指令表方式储存在可编程控制器的程序内存中，控制系统主流程如图3所示。

图3 控制系统主流程图

系统将预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可容易地实现和完成本地控制层的各项功能。

四、应用情况

以某高校浴池太阳能工程为例，系统中用力控组态软件编程实现的可视操作界面如图4所示，系统投入运行后，经调试，运行稳定，可远程控制所有泵、电磁阀的开关、实时监控各个保温水箱的液位、温度及各种变量的变化，具备完善的故障报警功能，实现了信息数据的远距离传输和远程监控，无论何时何地管理人员都能对系统各个参数进行实时采集和监控，及时解决运行中出现的爆管、漏水、气阻等突发故障，提高了太阳能工程日常的维护管理水平，实现了太阳能工程真正的无人值守，达到预期目标。

图4 可视操作界面

五、结束语

本文介绍了一种基于物联网的棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热控制系统，该系统运用物联网技术把棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热系统和我们周围的网络联系在一起，改变了现有的使用方式，使供热系统从以往的被动控制发展到能够主动传递信息和被远程感知和远程控制，真正实现了智能化运行和无人值守。随着物联网技术的迅猛发展，棉花秸秆锅炉+太阳能互补供热控制系统将有广阔的市场前景。☆