基于LabVIEW 的小型太阳能集热实时监控系统研究

◎董旭 董帅帅 王伟

一、引言

环境是人类生存和发展的前提，为我们提供了必要的资源和条件，环境问题是现在的生活中，大家所关注的问题，因为环境的好坏会直接影响生活质量和健康等一系列问题。全球对化石燃料的需求还在不断扩大，全球变暖问题不断加重，近些年，全球多个国家都出现了不同程度的罕见高温，保护生态亟须使用更多可再生能源和清洁能源。冬季北方高寒地区气温很低，尤其在夜间或光照条件不好的情况下，要尤其防止管路冻胀的问题；冬季对生活热水的需求量增大，加之北方冬季太阳实际辐射量偏低，为获得热水输出，既要在系统结构上加以改进（如加装电加热辅热系统），又要研发合理的系统运行控制策略。本研究旨在为太阳能在北方地区村镇住宅的应用推广，解决目前太阳能系统在北方地区应用时存在的问题，促进城市居民生活质量的提高。本项目依托现有的基于PLC 的小型太阳能集热控制实验系统平台，为提高系统运行的稳定性和工作性能，在现有的现场人机交互界面平台以外研发基于LabVIEW 的实时监测系统，运行于PC 端，提高对系统实时监测能力，为改善系统运行提供技术支撑。

二、试验系统运行原理

小型太阳能集热实验系统一般由太阳能热水箱、集热器、混合水箱、PLC 控制器组成。系统控制器通过传感器对水箱水温及室内外温度、光照进行监测，根据检测反馈信息进行相应调控，采集管道入水出水压力及水箱液位数据确保设备安全性及出水稳定性，编写模拟量读取算法完成传感器与控制器PLC 数据通信。当光辐射传感器检测到有阳光射入时，将相应的电信号传送到PLC 控制器中，控制器启动循环泵驱动管路水循环，对流经集热器冷水加热，然后自来水和被加热的水一起进入到混合水箱，供用户使用。当光照强度较弱并且温度较低时，集热器中传感器的检测到温度低于7℃的时候，将相应的电信号送到PLC 中，启动循环泵，开始电加热。将PT1000 高温型铂电阻温度传感器分别放置在太阳能储水箱、集热器入水出水端，对对循环系统运行进行监控，防止温度过低时，造成冻管现象。RG-2 型液位传感器，用于检测水箱中水位深度，不足时开启水泵进行补水，确保热水供应满足用户需求。飞思卡尔MPX5700AP 压力传感器，置于管网加热循环和供水循环管路的出入水端，监测管网压力，确保系统运行过程中管路安全与出水稳定。控制器依据检测的信号输出控制量，通过变频器控制循环水泵转速，根据采集得到的温度数据对水循环速度进行调节从而使混合水箱的水达到设定温度。

三、撒播集热系统实时监控系统设计

集热系统是一个动态运行系统，控制系统运行需要随着外部环境、用户使用情况进行实时调节，为确保系统平稳运行。由于供热系统控制存在滞后性，基于PLC的自动控制方式并不能确保系统稳定运行。因而系统需要依靠实时监控系统检测系统运行状态，必要时采用手动与自动控制相结合的方式。本实验系统实时监控系统是在传统的现场人机交互界面基础上，增加了PC 端远程监控系统，可实现多机组多系统实时在线运行维护，提高系统运行维护效率。

控制器PLC 通过RS485 通信与HMI人机交互界面建立信息交互，显示前端采集数据，完成状态查询与参数的设定。HMI完成对系统运行情况的监测，通过监控太阳能集热系统集热循环和供热循环入水出水温度、混合水箱的出水口温度，监测循环加热的过程中是否出现了异常。除此之外，还能显示电磁阀的开关和变频器的工作频率等状态。人机交互界面是基于windowsCE 实时多任务嵌入式操作系统运行，通过专门应用于嵌入式计算机监控系统的的组态软件MCGS 开发，适用于应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗等综合性有比较严格要求的工业控制领域运行系统。实时数据库是实现人机交互界面实时性的重要部分，尤其是针对本项目的太阳能集热控制，确保系统运行安全与热水供应稳定，改善用户体验尤为重要。远程监控系统基于PC 端开发，借助美国NI 公司LabVIEW 开发环境，LabVIEW监控端通过GPRS 通信与PLC 和HMI 人机交互界面建立实时通信，显示前端采集数据，完成远程PC 端的状态查询与参数的设定。与现场HMI 人机交互界面相比，LabVIEW 监控系统由于运行在PC 端，在运行维护效率方面更具优势，两种实时监测方式优势互补，是建立和完善小型太阳能集热实时监控系统的重要组成部分。

四、结论与展望

本文针对小型太阳能集热实验装置控制系统，搭建实时监控系统，优化运行维护与控制过程，低温辅热与自保护功能可有效提高系统低温环境运行性能，提高北方严寒工况下的使用寿命。基于Lab-VIEW 环境的小型集热实时监测控制系统，极大改善了系统运行稳定性，改善用户体验，具有良好的推广与应用前景。

本论文研究工作得到吉林建筑大学省级大学生创新训练项目"北方小型太阳能集热控制系统研究"的支持。