控制系統在家用太陽熱水器熱性能試驗中的應用？
關鍵詞：太陽能熱水器 測控系統 溫度控制 組態
近年來隨著經濟的快速發展，能源和環境開始向人類提出了巨大的挑戰。以太陽能、地熱能、風能為代表的綠色可再生能源的開發和利用將是解決能源危機和環境危機的有效途徑。目前太陽能熱水器已在我國成為太陽能利用最成熟應用最為廣泛的產品。作為國家經貿委和聯合國開發計劃署全球環境基金支持的“加速中國可再生能源商業化能力建設項目”的子項之壹，家用太陽熱水器熱性能檢測試驗系統將對國內太陽熱水器產業進行具有權威性、公證性、科學性的評判。此試驗系統為適應國內外市場的競爭，既要滿足新的國家標準“家用太陽能熱水系統熱性能試驗方法”GB/T18708-2002，又要滿足國際標準ISO 9459-2中對熱性能試驗系統的性能要求。
壹、工藝簡介
試驗過程如下：早晨8點鐘以前將20±0.2℃（設定溫度與環境溫度有關）的水打入太陽能熱水器儲水箱入水口，當水箱入口出口水溫在規定時間變化不大於±1℃時，關閉太陽能熱水器儲水箱入口、出口閥門。太陽能熱水器在陽光的照射下儲熱，記錄此時溫度作為計算太陽能熱水器得熱量的初始溫度。8小時以後啟動循環水泵使太陽能熱水器儲水箱內溫度達到均勻。記錄此時的溫度並用稱重法測得熱水箱中水的體積按下面的公式計算太陽能熱水器的得熱量。
QS=PwCWVS（t2-t1）
其中：QS—貯熱水箱中水的體積VS中所含的系統得熱量，單位MJ； PW—水的密度，單位kg/m3； CW—水的比熱容，單位J/kg.℃； VS-貯熱水箱中的流體容積，m3； t2-集熱式樣結束是貯熱水箱內的水，單位℃； t1-集熱試驗開始時貯熱水箱內的水溫，單位℃；
上述試驗為壹個獨立全天試驗，整個試驗由n個這樣的試驗組成。最後給出太陽能熱水器在不同太陽幅照度下性能曲線。
本試驗系統可同時進行八臺太陽能熱水器熱性能檢測，其中六臺可進行混水法試驗，其余兩臺可進行排水法試驗。上述介紹的試驗方法為混水法，排水法試驗原理本文從略。
二、測控制系統組成
由工藝過程可知，控制太陽能熱水器入口水溫為20±0.2℃ 是很關鍵的。為此采用計算機測控系統。測控系統由研華PCI、PCL系列板卡、ADAM4000系列數據采集模塊、通訊模塊及工控機構成，並采用研華配套的組態軟件Autoview和軟邏輯軟件Kingact實現上位機顯示控制及數據記錄功能。測量的參數包括溫度、太陽輻照量、風速、流量；被控對象包括三通閥、電加熱器、變頻器、水泵、電磁閥等。
控制系統構成如圖2所示。
上位機操作系統為Windows2000，通過運行監控軟件可實現現場參數的實時顯示、測量、控制、記錄，並對超限參數進行報警及采取相應應急措施。工控組態軟件具有良好的人機界面，根據需要可以加載不同硬件產品的驅動程序，縮短了項目的開發周期，避免了重復費時的硬件接口開發工作。
由於試驗系統對溫度控制高精度的要求，溫度傳感器均采用鉑電阻Pt100，在整個系統運行的情況下進行標定，根據標定後的數據運用最小二乘法對數據擬合回歸後誤差小於0.05℃。流量計經標定回歸後為準確度優於給定量程範圍內測量值的±1%，8臺電磁流量計中誤差最大的壹臺測量誤差為0.25%。
三、典型控制環節
1、 循環水箱溫度控制
冷水機組自帶壹套控制系統，根據循環水溫的設定值自動啟停風冷機組，冷水機組出口水溫波動±2℃之間。在板式換熱器壹次側設電動三通閥，根據循環水箱溫度調節電動三通閥開度使循環水箱溫度控制在設定值±1℃的範圍內。
2、 進水幹管溫度控制
進水幹管的水從循環水箱經過壹次電加熱器加熱送至各檢測單元進水口，通過PID調節壹次電加熱的可控矽調功器，將進水幹管的溫度控制在設定溫度的±0.5℃範圍內。
3、 測量單元進口溫度控制
本試驗測試系統***有8個檢測單元，各檢測單元的進水溫度需要穩定在設定溫度的±0.2℃，將其設定值設為進水幹管溫度設定值加1℃，減小進水幹管的溫度波動對其產生的影響。通過PID調節各檢測單元入口處二次電加熱的可控矽調控器，將溫度穩定在要求範圍之內。
由上述介紹可知，水溫的控制是壹個經過四級控制逐步收斂的過程，首先冷水機組將常溫水降溫，自動控制冷水機組出口水溫在16±2℃（以16℃為例）；再經過調節板式換熱器壹次側電動三通閥使循環水箱水溫保持在18±1℃ ；經過幹管電加熱器將水溫提升至19±0.5℃；最後，對於每壹臺熱水器入口水溫由二次電加熱器提升至20±0.2℃。
四、測試數據
圖4中的數據曲線是在規範要求的太陽輻射度、風速條件下，同時進行4臺家用太陽能熱水器熱性能的試驗得到的數據中的壹組。在對熱水器進行暴曬前，保證各檢測單元水溫波動在±0.2℃範圍內，流量波動在±50L/h範圍內。
五、軟件的主要功能
1.實時監控人機界面
通過研華Autoview組態軟件實現了方便、易用、友好的人機界面的開發。根據功能和流程的不同，將畫面分為如下幾類：工藝流程畫面、檢測單元畫面、報警畫面、報表查詢畫面、實時趨勢畫面、歷史趨勢畫面、PID控制畫面以及環境參數畫面，各畫面可以方便切換，各種參數可以實時在線調整。
在工藝流程畫面上可以顯示出工藝流程各單元之間的關系，設備的運行狀態，例如：水泵的啟停，故障狀態，水泵變頻調速器設定的頻率值，各控制點的實時溫度數據等。在PID控制界面上，可以顯示出控制環節的設定值，實時溫度數據，輸出量的百分比，PID 參數和溫度控制過程曲線。可以在這個界面上修改設定值，PID參數等。
2.報警和事件
報警和事件主要包括變量報警事件、操作事件、用戶登錄事件。通過這些報警和事件，用戶可以方便地監視和查看系統的報警、操作運行情況。當有參數超限時，報警畫面會出現相應提示，當參數恢復到正常範圍時，報警畫面提示報警恢復。報警和事件歷史記錄可以實時在上位機上顯示，同時通過ODBC將報警和事件寫入到ACCESS數據庫中，便於故障和事件的分析。
3.實時趨勢及歷史趨勢
對參數進行PID調節時，通過實時趨勢畫面的顯示，可以觀察設定值和實際值的差別，進而對比例、積分、微分參數進行調整。歷史趨勢畫面可以同時查詢八個參數在壹定時間段的變化趨勢。歷史趨勢畫面還可以自由選擇需要查看的參數以及查詢的時間段。
4.報表
在報表畫面中，操作人員可以根據需要選擇報表所需的參數及相應的時間區間，查詢結果顯示在屏幕上，通過打印機可以直接打印輸出。
5. 數據記錄
系統采集和控制的歷史數據在指定的數據庫路徑下保存為rec的格式。歷史數據可以通過報表查詢和歷史趨勢調出查看。由於記錄的數據量比較大，重要的參數通過腳本編程調用SQL函數，設定ODBC將數據傳輸到ACCESS數據庫中。
6. 系統的安全管理
為保證系統正常工作防止誤操作對整個系統造成的影響，同時兼顧軟件本身的安全性，防止操作人員誤操作修改源程序，設計了不同的安全區，將不同的權限分配給不同的操作人員，保證控制命令的準確發送。
7. 軟邏輯與組態軟件的結合
采用Kingact軟邏輯軟件實現復雜的控制功能。軟邏輯控制器被看作壹個控制設備加載到組態軟件當中。采集上來的被控參數和需要設定調整的參數以及進行控制的條件參數經過設定賦給相應的軟邏輯參數寄存器，然後將其傳輸到Kingact相關功能模塊中。通過梯形圖進行Kingact的編程，然後進行在線調試、動態編輯下載，用軟的邏輯實現控制功能，實踐證明達到了良好的控制結果。
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