基于溴化鋰制冷技術(shù)的太陽能空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著光伏技術(shù)的開發(fā)，太陽能被應(yīng)用到了生活中的各個(gè)方面。目前，太陽能光伏系統(tǒng)大多都采用固定模式，這種系統(tǒng)對太陽能的利用率并不是很高，很多依靠太陽能的系統(tǒng)也會(huì)降低效率。本課題的太陽能空調(diào)系統(tǒng)由集熱系統(tǒng)和制冷器兩個(gè)大部分構(gòu)成。集熱式系統(tǒng)采用太陽能跟蹤儀?？梢愿鶕?jù)太陽的軌跡,實(shí)現(xiàn)對方向和俯瞰傾斜角進(jìn)行調(diào)整,仰角的控制則由伺服電機(jī)來確定。制冷裝置:溴化鋰制冷(一種高壓循環(huán)式制冷)通過集熱系統(tǒng)使吸收器里合成的溴化鋰、水混合液分解，分別成為高壓氣態(tài)水和液態(tài)溴化鋰；二者通過溶液泵循環(huán)泵可實(shí)現(xiàn)制冷，從而實(shí)現(xiàn)太陽能空調(diào)系統(tǒng)。本課題利用集熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對太陽光的跟蹤并利用的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了制冷的效果，在生活或工業(yè)中都能提供極大的便利。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是S7-300（CPU314C-2PN/DP）為主站，兩臺S7-200（S7-200Smart6ES7288-1SR40-0AA0）（S7-200Smart6ES7288-1ST30-0AA0）為從站從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)。主要分為三層主體結(jié)構(gòu)：執(zhí)行層，控制層和監(jiān)控層。監(jiān)控層有數(shù)據(jù)庫的建立，控制層包括PLC主:從機(jī)，執(zhí)行層包括步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)和溫控模塊等。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其高速的數(shù)據(jù)處理傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)拓展能力等優(yōu)勢，成為工業(yè)過程控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于太陽能空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)非常有實(shí)用價(jià)值的研究課題。關(guān)鍵詞：太陽能空調(diào)系統(tǒng)；工業(yè)以太網(wǎng)；太陽能追蹤集熱；溴化鋰制冷目錄摘要 第一章緒論選題依據(jù)太陽能空調(diào)系統(tǒng)是一種新型的環(huán)保清潔能源系統(tǒng)，隨著社會(huì)的光速發(fā)展，大量的不可再生能源被開采，自然環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)被破壞。溫室效應(yīng)的加劇，生活水平的提高，人類對空調(diào)的需求急劇上升。普通空調(diào)發(fā)展很快，但耗電大、對生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成極大的影響。為了避免對地球環(huán)境的影響，太陽能等各種新型能源被廣泛熟知并且利用。太陽能空調(diào)以不需電能、節(jié)約能源、沒有污染，沒有噪聲等優(yōu)點(diǎn)被大眾接受。太陽能作為一種特殊的清潔能源，可以被廣泛的利用和開發(fā)。隨著光伏技術(shù)的開發(fā)，太陽能被應(yīng)用到了生活中的各個(gè)方面。目前，太陽能系統(tǒng)大多都采用固定模式，電池板的采光角度是否合適將決定著在有效光照時(shí)間段所采集太陽能的多少，這種系統(tǒng)對太陽能的利用率并不是很高，并且有很多依靠太陽能的系統(tǒng)也會(huì)降低效率。在太陽能充沛的炎熱夏季，人們也迫切需要基于清潔能源的制冷系統(tǒng)降低生活環(huán)境的溫度。在此背景下，迫切需要進(jìn)一步研究太陽能空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，提高太陽能空調(diào)系統(tǒng)的能源利用率和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)效果。典型性的太陽能空調(diào)系統(tǒng)軟件關(guān)鍵包含太陽能集熱板及吸收式熱泵制冷機(jī)組兩一部分。多種類型的太陽光熱板把自然光的輻射源轉(zhuǎn)變成能源并歷經(jīng)熱液體來儲(chǔ)存發(fā)熱量,熱液體一般為原油或是水;在夏天,運(yùn)用加溫媒體的高溫驅(qū)動(dòng)器式消化吸收型制冷機(jī)組致冷;冬季,可立即用以工程建筑供暖,環(huán)境衛(wèi)生開水。針對高溫太陽能集熱系統(tǒng)軟件,熱液體也可根據(jù)燃?xì)庹羝仩t轉(zhuǎn)化成蒸氣,做為加溫,去濕或立即給予發(fā)熱量到需要的建筑空間。國內(nèi)外研究背景國外研究背景近年來,海外空調(diào)通風(fēng)設(shè)備層面的發(fā)展趨勢是緊緊圍繞節(jié)約資源及替代然料電力能源這一管理中心課題研究。運(yùn)用太陽能發(fā)電為房屋建筑采暖制冷的科學(xué)研究工作中發(fā)展趨勢迅速,方法亦十分多種多樣。很多國家發(fā)起了太陽能發(fā)電工業(yè)生產(chǎn)這類新起單位,許多太陽能利用機(jī)器設(shè)備已商業(yè)化。國際性及地域性的學(xué)術(shù)研究、展覽會(huì)、合作等交流學(xué)習(xí)經(jīng)常,早在1956年就創(chuàng)立了國際性太陽能發(fā)電學(xué)好,許多國家設(shè)立聯(lián)合會(huì),每2年舉辦一次工作會(huì)議。不少國家每年都撥出大量資金用于太陽能利用的研究。美國就這方面進(jìn)行了研究，氨吸收制冷機(jī)開始被采用，這種制冷劑制冷系數(shù)可以達(dá)到0.4左右。在日本，這個(gè)國家采用七千瓦的溴化鋰制冷機(jī)，這種制冷效果可以將其吸收的能量的70%進(jìn)行制冷。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，這種方式比較科學(xué)合理，被國際一些國家所采用。在這方面的研究也是越來越重視。近二十年來，不斷有來自英、美、法、日、德等國家對太陽能空調(diào)系統(tǒng)的報(bào)道，從性能、研發(fā)以及結(jié)構(gòu)等方面推動(dòng)了太陽能空調(diào)的發(fā)展。國內(nèi)研究背景近十多年來，我國太陽能空調(diào)技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水平。我們國家的科學(xué)家對這個(gè)體系不斷地進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。近幾年來，國內(nèi)陳瀅等人提出了一種新型單效雙層吸收式制冷循環(huán)，即增加一個(gè)發(fā)生器和一個(gè)換熱器，以提高熱源溫差。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的COP值在0.42~0.62之間，熱源出口溫度可降至55℃。劉霞炎等人針對太陽能吸附制冷技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)用這一難題，開發(fā)出一種新型的非金屬太陽能制冷管：外殼采用高透氣性的玻璃管，一根冷管作為一個(gè)制冷單元。所述的冷管的上端是吸附床段，內(nèi)含中空柱狀復(fù)合吸附劑塊，中部是凝結(jié)段，外接冷卻水冷卻，下端是蒸發(fā)段。冷管道式太陽能制冷系統(tǒng)具有太陽能利用率高，易于密封和長時(shí)間保持較高真空度，結(jié)構(gòu)簡單，易于模塊化等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的實(shí)用性。世界太陽能中央空調(diào)發(fā)展論壇于2010年在山東召開，會(huì)上我國發(fā)布了全球首款直驅(qū)式太陽能空調(diào)。證明了我國在太陽能空調(diào)系統(tǒng)創(chuàng)新領(lǐng)域取得很大的成功。隨著我國“十三五”計(jì)劃和國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑太陽能空調(diào)工程技術(shù)規(guī)范》GB50787-2012的實(shí)施，太陽能新能源的研究得到了國家的大力支持，國家強(qiáng)調(diào)應(yīng)該在這一方面得到更多的創(chuàng)新和技術(shù)的提高。我國在這方面的技術(shù)達(dá)到了新的高度，同時(shí)為太陽能空調(diào)技術(shù)在建筑中的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)太陽能空調(diào)系統(tǒng)的意義太陽能空調(diào)系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于，在太陽能輻射最強(qiáng)的時(shí)候人們最需要制冷，而太陽光能越多，該設(shè)備就更容易搜集到大量能量加以利用，以用于循環(huán)制冷系統(tǒng)。但是目前太陽能系統(tǒng)發(fā)展較慢，所以無論在經(jīng)濟(jì)還是環(huán)保方面，都有著很大的發(fā)展空間。若采用太陽能空調(diào)系統(tǒng)，太陽能追蹤儀會(huì)跟據(jù)陽光的方向而改變方向，太陽能的利用率將會(huì)大大提高；并且制冷系統(tǒng)，會(huì)將太陽能作為熱源，溴化鋰機(jī)組利用水在低壓下相態(tài)的變化（由液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)），吸收汽化潛熱來達(dá)到制冷的目的。無論是集熱系統(tǒng)的太陽能跟蹤儀，還是循環(huán)制冷從系統(tǒng)都需要各個(gè)電氣回路的準(zhǔn)確控制才能保證太陽能空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而太陽能的利用被廣泛提高。本課題主要實(shí)現(xiàn)太陽能空調(diào)系統(tǒng)中集熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的電氣回路控制，實(shí)現(xiàn)了對太陽光的跟蹤并且也能同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷的效果，不僅提高了太陽能的利用率，而且能夠增加太陽能空調(diào)系統(tǒng)的控制效率。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其高速的數(shù)據(jù)處理傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)拓展能力等優(yōu)勢，成為工業(yè)過程控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于太陽能空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)非常有實(shí)用價(jià)值的研究課題。1.4工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前工業(yè)以太網(wǎng)已從傳統(tǒng)的信息管理層逐漸滲透至控制系統(tǒng)管理層和裝置管理層,開始發(fā)展成為現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,如果我們把與工業(yè)控制相關(guān)的以太網(wǎng)所包含的內(nèi)容都作為我們需要考慮的內(nèi)容來進(jìn)行考量的話,那么我們就可把工業(yè)以太網(wǎng)這個(gè)概念擴(kuò)展開去,使之更加富有廣泛的意義,按照以太網(wǎng)在工業(yè)控制技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀,我們可以大致地歸納出以太網(wǎng)有3個(gè)主要的方面:1.4.1與其他控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的以太網(wǎng)以太網(wǎng)正逐漸地向現(xiàn)場層次深入發(fā)展,并盡量做到和其他各種形式的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合,這也許是工業(yè)以太網(wǎng)面臨的重大謀露,但以太網(wǎng)和Tcp/Ip協(xié)議最初也不是專門針對于控制技術(shù)領(lǐng)域的,在體系架構(gòu)、協(xié)議規(guī)則、物理介質(zhì)、數(shù)據(jù)、軟件、應(yīng)用環(huán)境等諸多方面與成熟的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化解決方案(例如plc)。因此，其他控制類型的形式和以太網(wǎng)則保留了各自的優(yōu)點(diǎn)、互作補(bǔ)充,是目前以太網(wǎng)直接進(jìn)入控制輸域的常見應(yīng)用。1.4.2少專用的工業(yè)以太控制網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)把它看成狹義的工業(yè)以太網(wǎng),采用了和普通以太網(wǎng)不同的一些特殊專有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù).就是利用以太網(wǎng)的特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場拓?fù)淇偩€所應(yīng)用需要必須具備的各種控制網(wǎng)絡(luò)功能,傳統(tǒng)的以太網(wǎng)主要就是采用了現(xiàn)場總線式的模擬拓?fù)淇偩€網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)和總線通信式的控制網(wǎng)絡(luò)方式,在對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性技術(shù)要求比較高的應(yīng)用場合下,重要的是數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送傳輸過程中就可能會(huì)容易出現(xiàn)中斷傳輸或者傳送延滯,這個(gè)特殊現(xiàn)象被我們稱為現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)的不穩(wěn)定硝化性和穩(wěn)定性,這也就是為何造成這些影響現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)長期而又始終無法直接深入投資到工業(yè)過程測量控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要一個(gè)根本原因之一,真正傳統(tǒng)意義上的現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)本身就現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)是一個(gè)能夠很好地解決其實(shí)時(shí)性的技術(shù)問題,此外.雖然新的工業(yè)以太網(wǎng)和普通的以太網(wǎng)一樣都應(yīng)該是能夠符合新的標(biāo)準(zhǔn)。但是由于目前工業(yè)現(xiàn)場以太也并沒有很好地能夠滿足現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場某些以太方網(wǎng)工作設(shè)備在不同工作溫度條件下的工作環(huán)境和企業(yè)辦公室的條件都可能存在著比較大的溫度差異。另外.以太網(wǎng)技術(shù)編寫而非集成的通用控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決辦法方案必須完全能夠滿足控制系統(tǒng)的性能可靠性各個(gè)方面。1.4.3嵌入式以太網(wǎng)控制隨著我國現(xiàn)代電子信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷改變,樓宇、工廠甚至于私人家庭都已經(jīng)逐漸開始了在電腦網(wǎng)絡(luò)中直接安裝了以嵌入式以太網(wǎng)為大網(wǎng)的各種形式網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行傳播和發(fā)布分享網(wǎng)絡(luò)信息.這些網(wǎng)絡(luò)通用的以太網(wǎng)靈活方便,費(fèi)用低廉,與internet大網(wǎng)自然相輔其成。這是當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中最新興的一個(gè)應(yīng)用發(fā)展熱點(diǎn),就是如何讓我們通過構(gòu)建internet,使所有與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)連上網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)備之間彼此能夠?qū)崿F(xiàn)信息互通、相連:從家用計(jì)算機(jī)、通信基礎(chǔ)設(shè)施等再到商用儀器儀表、家用電器。這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備經(jīng)過一段時(shí)間通過通用局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)internet直接交互相連,而且并沒有直接被有線撥號或者無線連接上網(wǎng),在以太網(wǎng)已經(jīng)完全占據(jù)了通用局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)整體技術(shù)統(tǒng)治核心地位的今天,一種新型的基于嵌入式,支持TCP/IP的無線網(wǎng)絡(luò)檢測控制器將可能會(huì)逐漸發(fā)展成為這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備第一次直接進(jìn)入整個(gè)通用局域網(wǎng)乃至于整個(gè)因特網(wǎng)的重要依托和技術(shù)基礎(chǔ),但這種由普通的以太網(wǎng)技術(shù)組合系統(tǒng)構(gòu)成的通用局域網(wǎng)技術(shù)存在于如何適應(yīng)各種特殊網(wǎng)絡(luò)對其實(shí)際應(yīng)用需求方面的各種特殊技術(shù)需求,例如保證網(wǎng)絡(luò)的各種本質(zhì)安全.惡劣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、可靠性等,它主要內(nèi)容指的也就是如何利用這種通用以太網(wǎng)技術(shù)可以同時(shí)接納各種帶有多個(gè)串行數(shù)據(jù)通信口的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測監(jiān)控設(shè)備,達(dá)到對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控的主要目標(biāo)。利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信管理技術(shù)、socket通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理分析技術(shù)及面向?qū)ο蟮榷喾N應(yīng)用軟件技術(shù),從而基本實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際操作包括人員信息管理、用戶信息管理、裝置狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及故障報(bào)警等多個(gè)功能模塊,其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一是那就是使本系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用了國內(nèi)外企業(yè)現(xiàn)有的全局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源和我國廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息、資源和管理任務(wù)的實(shí)時(shí)整體化和綜合信息共享與實(shí)現(xiàn)全局域網(wǎng)一體化數(shù)據(jù)管理。

第二章太陽能空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1太陽能空調(diào)系統(tǒng)總體功能介紹本文的太陽能空調(diào)系統(tǒng)一般由集熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩個(gè)大部分構(gòu)成。集熱式系統(tǒng):選用太陽能追蹤儀。太陽能發(fā)電追蹤儀能夠測算出自然光的運(yùn)動(dòng)軌跡,完成對方位和俯覽傾角開展調(diào)節(jié),方位控制系統(tǒng)在尾端上安裝了伺服電機(jī),檢驗(yàn)具體歪斜視角的準(zhǔn)確性是不是符合規(guī)定,仰角的操縱則由交流伺服電機(jī)來明確。制冷機(jī)組：溴化鋰制冷機(jī)組(高壓循環(huán)制冷機(jī)組)除發(fā)生器內(nèi)部處于低溫高壓環(huán)境外，其它容器內(nèi)部均處于低壓環(huán)境。利用集熱系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)化為熱能，在發(fā)生器中加熱的冷水作為熱介質(zhì)，把吸收器中合成的溴化鋰分解為混合物，然后把混合物變成高壓氣態(tài)水和液態(tài)溴化鋰；液態(tài)溴化鋰由溶液泵抽回吸收器，高壓氣態(tài)水進(jìn)入吸收器冷凝成低壓液態(tài)水；通過冷凝生成低壓液態(tài)水，在進(jìn)入管路和蒸發(fā)器之前，它就開始吸收熱量，同時(shí)也吸收蒸發(fā)器中有一定溫度的工業(yè)冷卻水，把低壓液態(tài)水轉(zhuǎn)化成低壓氣態(tài)水；最后，低壓氣態(tài)水進(jìn)入吸收器，由溴化鋰大量吸收，從而形成太陽能空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，利用博圖編程，并結(jié)合了觸摸屏的手動(dòng)控制。設(shè)計(jì)了太陽能空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，報(bào)警記錄等界面，從而實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)配置靈活，控制可靠；提高了生產(chǎn)效率，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)主要分為三個(gè)層，包括監(jiān)控層，控制層，執(zhí)行層，控制層主要是PLC,通過程序控制各電機(jī)運(yùn)行，執(zhí)行層主要是各電機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控界面包括自動(dòng)模式，手動(dòng)模式，用戶管理，報(bào)警記錄等。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控操作，可以實(shí)現(xiàn)異地操作，下位機(jī)采用西門子S7-300系列PLC，由PLC直接控制前端設(shè)備的啟停操作，保證系統(tǒng)可靠的執(zhí)行啟停指令.同時(shí)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過信號線直接接入PLC，保證運(yùn)行信號實(shí)時(shí)、可靠地傳到控制系統(tǒng).當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并作出相應(yīng)處理動(dòng)作.下位機(jī)程序部分包括自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，可以實(shí)現(xiàn)各電機(jī)對控制。以及PLC與上位機(jī)之間的通信?？傮w設(shè)計(jì)方案如下圖所示:圖2.1系統(tǒng)總體控制2.2下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下位機(jī)系統(tǒng)本課題使用三臺西門子S7系列PLC，指定西門子S7-300為主站，2臺S7-200Smart為從站，以工業(yè)以太網(wǎng)的形式組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具備手動(dòng)調(diào)試模式和自動(dòng)加工模式兩種工作模式。手動(dòng)模式下通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)相應(yīng)的調(diào)試頁面對循環(huán)泵回路，溶液泵回路等回路分別進(jìn)行調(diào)試。全自動(dòng)方式下觸摸顯示屏上按住運(yùn)行按鍵，集熱系統(tǒng)軟件和制冷機(jī)組各自運(yùn)作，各不影響；集熱系統(tǒng)軟件依照規(guī)定運(yùn)作，制冷機(jī)組等候外界溫度感應(yīng)器檢驗(yàn)外界工作溫度做到預(yù)設(shè)值及之上，打開清理電動(dòng)機(jī)沖洗太陽能發(fā)電太陽能電池板，運(yùn)作一定時(shí)間后終止。當(dāng)產(chǎn)生器內(nèi)的溫度做到要求溫度時(shí)，水溶液泵運(yùn)行；等候一段時(shí)間后，空調(diào)蒸發(fā)器內(nèi)的循環(huán)水泵運(yùn)作。該全過程運(yùn)作狀況即時(shí)表明在觸摸顯示屏上，包含電動(dòng)機(jī)運(yùn)作情況，運(yùn)作速率，器皿內(nèi)工作壓力表明等。兩個(gè)模式組織結(jié)構(gòu)為下圖2.2。圖2.2下位機(jī)結(jié)構(gòu)組織2.3上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)上位機(jī)在上位機(jī)監(jiān)控軟件上實(shí)現(xiàn)，包括圖形監(jiān)控畫面，報(bào)警顯示等功能，人機(jī)界面友好。包含指示燈和調(diào)試按鈕，可以實(shí)現(xiàn)用戶的權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)變量參數(shù)的記錄，便于后期軟件數(shù)據(jù)的集成。該控制系統(tǒng)節(jié)約了系統(tǒng)資源，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖2.4上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.4工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中管理層中作為一種最有效的的子網(wǎng)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信管理技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理分析技術(shù)及面向?qū)ο蟮榷喾N應(yīng)用軟件技術(shù),從而基本實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際操作包括人員信息管理、用戶信息管理、裝置狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及故障報(bào)警等多個(gè)功能模塊。圖2.5管理層以太網(wǎng)連第三章PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1PLC硬件配置選型和系統(tǒng)控制方案選定PLC又名可編程控制器，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。目前PLC主流的通訊接口包括串行并行接口以及工業(yè)以太網(wǎng)和常用的DCS接口等。本課題中的通訊網(wǎng)絡(luò)形式為1臺PLC300為主站，兩臺PLC200為從站，構(gòu)成主從式PLC網(wǎng)絡(luò)，通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)。PLC中的CPU也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，主要有運(yùn)算器，控制器，寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成，總線接口及有關(guān)電路。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)模，工作速度和內(nèi)存容量等。PLC可以對硬件和軟件進(jìn)行診斷，如果運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，借助自程序可以找到故障點(diǎn)。本系統(tǒng)可用梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷和處理?；谏鲜鲆?，本文選擇的PLC是西門子公司生產(chǎn)的S7-200和S7-300。S7-200和S7-300PLC系列的PLC控制器是西門子公司生產(chǎn)的比較小型的PLC控制器，其功能非常強(qiáng)大，和大、中型PLC的功能很接近，大、中型PLC可以實(shí)現(xiàn)的，S7-200和S7-300PLC也可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。此產(chǎn)品同時(shí)具有多種功能模塊和人機(jī)界面供使用者選擇，所以系統(tǒng)的集成度非常高，也非常方便。因此，本文采用此類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。它指令豐富、功能強(qiáng)大、可靠性高、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊、便于擴(kuò)展、性能價(jià)格比高，可以應(yīng)用于各種小型自動(dòng)化系統(tǒng)。本課題組合分配方案如3.1圖所示：圖3.1組合分配方案S7-200SMARTSR40負(fù)責(zé)循環(huán)泵，溶液泵和太陽板清洗的控制，即一臺雙速電機(jī)M1和兩臺三相異步電動(dòng)機(jī)M2，M3。由于M2是多段速運(yùn)行，所以需要西門子MM420變頻器來控制。而M3只進(jìn)行單向正轉(zhuǎn)運(yùn)行。S7-200SMARTST30負(fù)責(zé)太陽板仰角電機(jī)M4和太陽板方向電機(jī)M5的控制。根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的分辨率，合理設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器電子齒輪比，使伺服電動(dòng)機(jī)每次轉(zhuǎn)一圈需要PLC發(fā)出1600個(gè)脈沖。設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分撥碼，使步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需要1000個(gè)脈沖。太陽能空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行分別為手動(dòng)調(diào)試模式和自動(dòng)運(yùn)行模式。當(dāng)系統(tǒng)得電使，上位機(jī)畫面從用戶登錄界面進(jìn)入到調(diào)試畫面，通過對調(diào)試界面的操作，可以控制五個(gè)電機(jī)順序執(zhí)行調(diào)試動(dòng)作。在調(diào)試工作完畢之后，通過上位機(jī)觸摸屏界面開關(guān)切換到自動(dòng)運(yùn)行模式，集熱和制冷系統(tǒng)分別開始自動(dòng)運(yùn)行。3.2網(wǎng)絡(luò)的組建本系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)組成示意圖如圖3.2所示。作為控制系統(tǒng)的主站，S7-300CPU314-2PN/DP與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。倆個(gè)從站S7-200SMARTSR40和S7-200SMARTST30通過交換機(jī)與主站通信，實(shí)現(xiàn)各自的控制功能。圖3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖3.2.1設(shè)置IP及S7連接屬性在CPU314C2PN/DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)過程，新建網(wǎng)絡(luò)IP地址設(shè)置應(yīng)該與計(jì)算機(jī)同一子網(wǎng)下的網(wǎng)絡(luò)保持一致，如圖3.3所示。完成網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，點(diǎn)擊選項(xiàng)進(jìn)入組態(tài)網(wǎng)絡(luò)，為項(xiàng)目創(chuàng)建S7做準(zhǔn)備，同時(shí)右擊CPU選擇“插入新連接”，連接路徑需要更改伙伴的IP地址，要與其他通信站在同一子網(wǎng)下，如圖3,4所示。圖3.3網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置圖3.4設(shè)置S7連接屬性在S7-300站點(diǎn)下，編寫通信程序。GET是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)讀指令，這里的程序段是子站一S7-200SMARTST30的區(qū)域數(shù)據(jù)被讀到CPU300的區(qū)域數(shù)據(jù)內(nèi)。REQ作為一個(gè)跳變信號，只有收到脈沖時(shí)才能不斷把數(shù)據(jù)發(fā)送其他點(diǎn)；ID是建立S7連接的一個(gè)伙伴的地址標(biāo)志，ADDR_1是伙伴中放置數(shù)據(jù)的區(qū)域數(shù)據(jù)，設(shè)置為DB1.DBX.0.0BYTE10,RD_1是S7-300站中放置數(shù)據(jù)的區(qū)域地址，設(shè)置為DB2.DBX.0.0BYTE10，如圖3.5所示。圖3.6程序段是子站一S7-200SMARTSR40的區(qū)域數(shù)據(jù)被讀到CPU300的區(qū)域數(shù)據(jù)內(nèi)。ADDR_1設(shè)置為DB1.DBX.20.0BYTE10,RD_1設(shè)置為DB3.DBX.0.0BYTE10。圖3.5主站從ST30站中讀取數(shù)據(jù)程序功能塊圖3.6主站從SR40站中讀取數(shù)據(jù)程序功能塊PUT是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)寫功能塊，它的作用是將S7-300戰(zhàn)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)發(fā)送給S7-200SMARTST30和S7-200SMARTSR40中，REQ作為一個(gè)跳變信號；ID是建立S7連接的一個(gè)伙伴的地址標(biāo)志，ADDR_1是伙伴中需要接收數(shù)據(jù)的區(qū)域數(shù)據(jù)地址，分別設(shè)置為DB1.DBX20.0BYTE10和P#DB1.DBX30.0BYTE10，RD_1是S7-300站中發(fā)送數(shù)據(jù)的區(qū)域地址，分別設(shè)置為DB2.DBX10.0BYTE10和P#DB3.DBX30.0BYTE10。如圖3.7和3,8所示。圖3.7S7-300寫入數(shù)據(jù)到ST30站功能塊圖3.8S7-300寫入數(shù)據(jù)到SR40站功能塊在本系統(tǒng)中，是通過主站PLC300的DB塊和兩個(gè)從站SMART200的V區(qū)通過S7通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互而實(shí)現(xiàn)的，如圖3.9所示。圖3.9數(shù)據(jù)交互調(diào)用圖3.2.2從站控制本系統(tǒng)中選用S7-200SMARTSR40作為其中一個(gè)子站，通過三臺電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)子站的運(yùn)行，而另一個(gè)子站S7-200SMARTST30控制兩個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)子站運(yùn)行。如圖3.10和3.11所示是兩個(gè)子站控制系統(tǒng)的電路圖。圖3.10ST30子站電路圖圖3.11SR40子站電路圖在子站SR40中需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中地區(qū)，時(shí)間，太陽板仰角角度和旋轉(zhuǎn)位置以及四個(gè)限位開關(guān)等變量的控制。而在子站ST30中僅需要對電機(jī)和指示燈的變量控制。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)變量如下圖3.12和3.13所示。圖3.11SR40子站數(shù)據(jù)變量圖3.11SR40子站數(shù)據(jù)變量第四章上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1WinCC軟件介紹作為一個(gè)行業(yè)中比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，WinCC是西門子公司全新推出的工業(yè)自動(dòng)化軟件。簡單地說，它繼承了西門子自動(dòng)控制產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)，并具有無縫集成的特點(diǎn)，用戶可以在操作系統(tǒng)環(huán)境中使用各種通用軟件的功能，從而實(shí)現(xiàn)直觀、高效、快速的自動(dòng)控制項(xiàng)目。winCC系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，完全依賴于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想，通過模塊化設(shè)計(jì)，使其能夠靈活地進(jìn)行擴(kuò)展。該系統(tǒng)既可用于單用戶系統(tǒng)，又可組成多用戶系統(tǒng)，集生產(chǎn)、自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)相互集成。本課題使用的是WinCC上位機(jī)軟件系統(tǒng)，相比于其他版本的上位機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有有更高的創(chuàng)新點(diǎn)，在人機(jī)交互管理，控制管理，數(shù)據(jù)集成管理等系統(tǒng)功能進(jìn)行了優(yōu)化，因此采用該軟件可以更好的展示并且監(jiān)視整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)。4.2監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在該系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，一些數(shù)據(jù)參數(shù)都需要被采集并且處理，例如溫度等。這些參數(shù)在該系統(tǒng)中至關(guān)重要，一些差錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法運(yùn)行。因此需要對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在該系統(tǒng)中，使用PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。該系統(tǒng)的上位機(jī)主要進(jìn)行人機(jī)交互，并向下位機(jī)發(fā)送命令和接受下位機(jī)所反饋的反應(yīng)，設(shè)計(jì)人機(jī)交互頁面是為了用戶更方便的使用該系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個(gè)功能：（1）登錄界面登錄界面主要有用戶登錄、進(jìn)入主畫面的操作。在主畫面中，有報(bào)警記錄，手自動(dòng)方式，趨勢曲線圖等界面。（2）系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)備監(jiān)控是對全部系統(tǒng)軟件的當(dāng)場機(jī)器設(shè)備（全自動(dòng)方式與手動(dòng)式方式等）運(yùn)行情況的監(jiān)控和操縱。能夠?qū)C(jī)器設(shè)備的運(yùn)作主要參數(shù)開展設(shè)定，手動(dòng)式設(shè)定合乎當(dāng)場工作狀況的機(jī)器設(shè)備運(yùn)作主要參數(shù)。（3）趨勢曲線畫面實(shí)時(shí)趨勢通過曲線畫面對系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。歷史趨勢提供數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)繪制歷史曲線，按相應(yīng)的要求可以查詢數(shù)據(jù)趨勢歷史記錄。（4）報(bào)警信息畫面即時(shí)警報(bào)顯示設(shè)備當(dāng)今運(yùn)作時(shí)的機(jī)器設(shè)備常見故障、警報(bào)、不正確等信息內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)警報(bào)部位。警報(bào)能夠?qū)⑷康木瘓?bào)信息內(nèi)容開展歸納表明，有利于開展警報(bào)信息內(nèi)容訪問。4.3人機(jī)界面設(shè)計(jì)根據(jù)本課題控制要求，需要對上位機(jī)和主站進(jìn)行通信，因此需要根據(jù)PLC和WinCC的交互添加相關(guān)的變量，在本系統(tǒng)中相關(guān)變量如圖4.1所示。主站與上位機(jī)進(jìn)行通訊同時(shí)也需要更改路徑中的IP地址，從而更好的實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。圖4.1上位機(jī)與主站數(shù)據(jù)變量圖4.2上位機(jī)與主站通訊連接通過WinCC上位機(jī)建立人機(jī)交互界面組態(tài)，通過組態(tài)把PLC的變量添加到上位機(jī)組態(tài)中，可以實(shí)現(xiàn)集中管理，包括運(yùn)行情況等。人機(jī)交互系統(tǒng)通過畫面組態(tài)直觀的把自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的全部設(shè)備都集中在一個(gè)開發(fā)環(huán)境中，方便對自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行管理。在進(jìn)入設(shè)備監(jiān)控界面之前，創(chuàng)建一個(gè)登錄界面，增加人機(jī)界面的友好性。如圖4.5和4.6所示，只有具備登錄權(quán)限的用戶才可以對太陽能系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視和控制。點(diǎn)擊登錄按鈕進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面，只有事先分配相應(yīng)權(quán)限的用戶才能登錄成功，或者使用以管理員身份進(jìn)入系統(tǒng)，只能查看部分界面信息，不能進(jìn)行任何形式的設(shè)備操作。圖4.5登錄界面圖4.6用戶登錄權(quán)限在上位機(jī)中創(chuàng)建手動(dòng)自動(dòng)畫面，手動(dòng)畫面包括了手動(dòng)和自動(dòng)畫面的切換，系統(tǒng)的運(yùn)行和復(fù)位停止按鈕，以及五個(gè)電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況?？稍诮Y(jié)束手動(dòng)調(diào)試或運(yùn)行狀態(tài)后自動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行畫面。在自動(dòng)自動(dòng)畫面，左側(cè)顯示每個(gè)電機(jī)的狀態(tài)，右側(cè)設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的畫面，狀態(tài)更新可以實(shí)時(shí)顯示太陽板的仰角和旋轉(zhuǎn)角度，冷凝裝置中發(fā)生器，吸收器，蒸發(fā)器的實(shí)時(shí)壓力溫度。并且可以切換不同的地理位置如三亞，可以即時(shí)顯示當(dāng)?shù)氐臏囟鹊葦?shù)據(jù)。手動(dòng)模式為圖4.7，自動(dòng)模式為圖4.8所示。圖4.7手動(dòng)模式圖4.8自動(dòng)模式。上位機(jī)軟件系統(tǒng)軟件中，警報(bào)報(bào)警設(shè)備的配備十分關(guān)鍵。系統(tǒng)軟件假如檢驗(yàn)到有常見故障產(chǎn)生，便會(huì)馬上傳出報(bào)警系統(tǒng)并指出常見故障產(chǎn)生部位和時(shí)間顯示。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)處理，有利于迅速清除機(jī)器設(shè)備常見故障，保證系統(tǒng)優(yōu)化穩(wěn)定運(yùn)作。文中運(yùn)用WinCC的報(bào)警設(shè)備作用部件配備了健全的警報(bào)信息系統(tǒng)軟件。警報(bào)信息一般應(yīng)包括該警報(bào)發(fā)生常見故障的具體地址、常見故障級別和常見故障時(shí)間等特性。警報(bào)界面如4.9所顯示。圖4.9報(bào)警畫面在項(xiàng)目監(jiān)控畫面中組態(tài)一個(gè)趨勢圖畫面，過程變量值將以實(shí)時(shí)曲線的形式顯示在上位計(jì)算機(jī)的監(jiān)控畫面中。趨勢圖可以使用單個(gè)過程變量值連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集過程之間的變量值連續(xù)顯示趨勢，通過對變量設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期和時(shí)間間隔來進(jìn)行變量值讀取。趨勢圖在監(jiān)控畫面中及時(shí)顯示所需記錄值，管理者能夠通過趨勢圖畫面實(shí)時(shí)查看關(guān)鍵變量值變化。第五章太陽能空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)5.1上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)要求在本案例中上位機(jī)采用的是WinCC進(jìn)行畫面控制。作為主站的S7-300PLC，在這次設(shè)計(jì)中的邏輯控制是屬于自己調(diào)度自己的動(dòng)作程序來完成的太陽能空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控，只是把這兩部分分為兩臺S7-200SMART執(zhí)行屬于子站，現(xiàn)場采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式進(jìn)行命令調(diào)度的下達(dá)和執(zhí)行反饋，信號反饋等。首先，建立用戶登錄界面，在登錄界面使用用戶管理權(quán)限，通過輸入用戶名和密碼才能登錄成功。接下來設(shè)計(jì)手動(dòng)自動(dòng)界面，趨勢曲線圖、報(bào)警記錄等。這樣可快速生成一個(gè)符合控制要求的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場太陽能設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)控管理及操作，管理員通過監(jiān)控畫面可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。5.2系統(tǒng)調(diào)試采用上位機(jī)軟件WinCC和下位機(jī)PLC通訊連接，通過WinCC創(chuàng)建手動(dòng)控制和自動(dòng)控制畫面，在手自動(dòng)畫面進(jìn)行手動(dòng)操作、自動(dòng)操作、參數(shù)設(shè)置、地區(qū)切換等設(shè)置，并顯示運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果，在調(diào)試過程中實(shí)現(xiàn)了WinCC監(jiān)控系統(tǒng)與下位機(jī)之間的連接，實(shí)現(xiàn)了用戶控制程序的在線調(diào)試。圖5.1在線調(diào)試總結(jié)本文所提出要求的太陽能集熱板追日自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)速度快而精確,系統(tǒng)工作可靠運(yùn)行安全,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)單列大型太陽能發(fā)電集熱板的手動(dòng)安裝切換和自動(dòng)安裝選擇。操作界面友好,控制操作過程簡單易于輕松實(shí)現(xiàn)從單臺多列板到太陽能控制板的自動(dòng)控制,達(dá)到了一個(gè)好的單臺plc組就可以輕松做到控制太陽能板。主要特點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新主要特征之一是采用視日強(qiáng)度法聚焦太陽能光計(jì)算精度追溯與光強(qiáng)度法聚焦精度反饋技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計(jì),聚焦反饋精度最高范圍可以同時(shí)達(dá)到0.3度。視日圖算法對地球太陽追蹤計(jì)算機(jī)的追蹤不會(huì)因?yàn)槭艿降厍蛱栮柟廨椛浼暗厍蛱鞖庾兓癄顟B(tài)等客觀因素的直接影響,可以輕松實(shí)現(xiàn)快速地精確定位太陽追蹤。而光強(qiáng)度的聚焦式天氣反饋?zhàn)詣?dòng)追蹤目標(biāo)系統(tǒng)則缺點(diǎn)是雖然跟蹤準(zhǔn)確,但是由于受到當(dāng)?shù)靥鞖獾淖兓绊戄^大,尋找目標(biāo)重心比較緩慢。二者相互地點(diǎn)的結(jié)合后來又采用了一種也被稱為太陽視日點(diǎn)方法快速太陽定位計(jì)算地點(diǎn)追蹤儀的技術(shù)方法來對其進(jìn)行快速太陽定位初步測量追蹤,到達(dá)所有者需要的太陽計(jì)算地點(diǎn)空間特定區(qū)域時(shí)后再經(jīng)過光強(qiáng)儀和聚焦儀的反饋?zhàn)粉櫻b置對其亮度進(jìn)行校正和實(shí)時(shí)精調(diào),已經(jīng)基本達(dá)到了初步追蹤快而準(zhǔn)的最佳效果,提高了太陽資源的綜合利用率。觸摸屏的操作界面友好,調(diào)試設(shè)計(jì)功能中電池集熱板按鍵控制按鈕系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為早晨向同時(shí)運(yùn)行,晚向同時(shí)運(yùn)行、自動(dòng)狀態(tài)追蹤和同時(shí)啟動(dòng)起或停止4個(gè)按鍵功能控制按鈕,方便于用戶調(diào)試,也用戶可以直接將其進(jìn)行切換至自動(dòng)