大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统

技术领域：

本发明涉及大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统。

背景技术：
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海洋温差能发电是一种利用表层温海水和深层冷海水之间的热梯度进行发电的热电转换技术，是海洋可再生能源中能量最稳定的一种可再生能源，且储量巨大，我国南海温差能资源十分丰富，理论装机容量3.67×10⁸kw，按照2％的利用率计算，年发电量可达570亿度，此外，海洋温差能发电可带来大量的高品质深层冷海水，含有丰富的矿物质，使得该项技术附加价值变高。

由于海洋温差能资源多处于深远海海域，海洋工程投资高，制约了我国海洋温差能开发的产业化发展，而陆地实验测试平台投资成本低，可以开展海洋温差能发电关键技术的基础研究和应用研究，快速积累第一手实验数据，为实现关键技术与设备的国产化、填补我国海洋温差能发电技术与装备的空白提供技术支持，同时还能够为推进海洋示范工程的落地实施提供可靠的研发设计经验与实验数据。

目前，国内现有的模拟实验测试平台的功率较小，冷热源多采用储热储冷方式，该类实验平台存在诸多弊端，其中最大的弊端是限制了可测试的海洋温差能热电转换系统发电功率的提升，可测试的海洋温差能发电系统功率较小并且测试时间受限，而以热泵为基础的冷热源模拟系统是我国海洋温差能发电陆地实验测试平台冷热源模拟方法的发展趋势，不仅能够提高可测试的海洋温差能发电系统的发电功率，且实验时长可不受限。而基于热泵的海洋温差能发电陆地实验测试平台的控制系统设计方案更是制约我国海洋温差能发电技术与装备发展的关键问题。

技术实现要素：
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本发明实施例提供了大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统，结构设计合理，基于plc控制柜的集成控制原理，采用离散式计算机控制方法，在系统内分为三级控制器，能够对压力、流量、温度、阀门开度等信号进行数据采集和监控，也能够对系统内的受控设备运行情况进行监测、动态显示和控制，同时还可以对冷热源机组进行通讯控制模拟，丰富了实验平台的功能，控制逻辑清晰，提升了系统的实用性，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统，包括集散式的监控级控制器、信息管理级控制器和过程级控制器；所述控制系统用于对压力、流量、温度和阀门开度多个数据进行采集和监控；在监控级控制器内设有上位机和下位机，所述上位机为采用运行组态软件的工控机，所述下位机为plc控制柜；在下位机内设有信息管理级控制器和过程级控制器，所述信息管理级控制器为主站，所述过程级控制器为从站，所述信息管理级控制器用于对海洋温差能热电转换单元进行控制和数据采集，所述过程级控制器用于对冷热源模拟单元进行控制和数据采集并与信息管理级控制器相互通讯，将采集数据实时上传至信息管理级控制器，由信息管理级控制器综合控制。

所述主站控制的海洋温差能热电转换单元包括工质循环系统、电能处理系统和冷热源循环系统，信息管理级控制器以工质循环系统为主体，冷热源循环系统为工质循环系统的热能输入，电能处理系统为工质循环系统的电能输出进行数据处理和plc算法设计。

所述从站所控制的冷热源模拟单元至少包括水源热泵机组和风冷热泵机组。

所述信息管理级控制器为综合plc控制柜；所述过程级控制器为水源热泵机组和风冷热泵机组自带的plc控制柜。

在plc控制柜内至少安装有断路器、隔离变压器、直流开关电源、接触器和熔断器。

在plc控制柜上设有操作面板，在操作面板上至少安装有控制按钮、旋钮和触摸屏，以实现对系统自动操作/手动操作的切换和系统工作状态的显示和监控。

在海洋温差能热电转换单元内设有相连接配合的温度、压力、流量、转速、频率各类传感器，以获取实验平台中电能处理装置、发电机、膨胀机、蒸发器、冷凝器、热源水泵、冷源水泵和工质泵各个部件进出口的检测参数，计算各部件的工作状态。

所述检测参数至少包括电能处理装置输出的电气参数，蒸发器的热源温度/流量参数，冷凝器的冷源温度/流量参数、热电转换单元中循环工质流量参数，以及热电转换单元中工质泵、蒸发器、冷凝器、膨胀机各部件进出口的工质压力参数和温度参数。

所述信号参数至少包括压力参数、流量参数、温度参数和阀位参数。

在上位机和下位机之间通过以太网进行高速通讯。

本发明采用上述结构，通过各种传感器对压力、流量、温度和阀门开度多个数据进行采集和监控，在监控级控制器内设置有相连接的上位机和下位机；通过信息管理级控制器用于对海洋温差能热电转换单元进行控制和数据采集，通过过程级控制器用于对冷热源模拟单元进行控制和数据采集并与信息管理级控制器相互通讯，将采集数据实时上传至信息管理级控制器，由信息管理级控制器综合控制；信息管理级控制器为主站，过程级控制器为从站以进行数据的上传和控制，具有简便实用、灵活精准的优点。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的控制逻辑图。

图3为本发明的海洋温差能热电转换单元和冷热源模拟单元的结构示意图。

图4为本发明的plc控制柜的硬件结构示意图。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-4中所示，大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统，包括集散式的监控级控制器、信息管理级控制器和过程级控制器；所述控制系统用于对压力、流量、温度和阀门开度多个数据进行采集和监控；在监控级控制器内设有上位机和下位机，所述上位机为采用运行组态软件的工控机，所述下位机为plc控制柜；在下位机内设有信息管理级控制器和过程级控制器，所述信息管理级控制器为主站，所述过程级控制器为从站，所述信息管理级控制器用于对海洋温差能热电转换单元进行控制和数据采集，所述过程级控制器用于对冷热源模拟单元进行控制和数据采集并与信息管理级控制器相互通讯，将采集数据实时上传至信息管理级控制器，由信息管理级控制器综合控制。

所述主站控制的海洋温差能热电转换单元包括工质循环系统、电能处理系统和冷热源循环系统，信息管理级控制器以工质循环系统为主体，冷热源循环系统为工质循环系统的热能输入，电能处理系统为工质循环系统的电能输出进行数据处理和plc算法设计。

所述从站所控制的冷热源模拟单元至少包括水源热泵机组和风冷热泵机组。

所述信息管理级控制器为综合plc控制柜；所述过程级控制器为水源热泵机组和风冷热泵机组自带的plc控制柜。

在plc控制柜内至少安装有断路器、隔离变压器、直流开关电源、接触器和熔断器。

在plc控制柜上设有操作面板，在操作面板上至少安装有控制按钮、旋钮和触摸屏，以实现对系统自动操作/手动操作的切换和系统工作状态的显示和监控。

在海洋温差能热电转换单元内设有相连接配合的温度、压力、流量、转速、频率各类传感器，以获取实验平台中电能处理装置、发电机、膨胀机、蒸发器、冷凝器、热源水泵、冷源水泵和工质泵各个部件进出口的检测参数，计算各部件的工作状态。

所述检测参数至少包括电能处理装置输出的电气参数，蒸发器的热源温度/流量参数，冷凝器的冷源温度/流量参数、热电转换单元中循环工质流量参数，以及热电转换单元中工质泵、蒸发器、冷凝器、膨胀机各部件进出口的工质压力参数和温度参数。

所述信号参数至少包括压力参数、流量参数、温度参数和阀位参数。

在上位机和下位机之间通过以太网进行高速通讯。

本发明实施例中的大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统的工作原理为：基于plc控制柜的集成控制原理，采用离散式计算机控制方法，在系统内分为三级控制器，能够对压力、流量、温度、阀门开度等信号进行数据采集和监控，也能够对系统内的受控设备运行情况进行监测、动态显示和控制，同时还可以对冷热源机组进行通讯和控制，丰富了实验平台的功能，控制逻辑清晰，提升了系统的实用性，是海洋温差能发电陆地模拟实验平台专用的控制系统，可以很好的进行适用，满足不同的工艺调整。

如图3所示，本发明提出的控制系统，所适用的大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台，由海洋温差能热电转换单元和冷热源模拟单元两大部分组成，其中，海洋温差能热电转换单元由工质循环系统、电能处理系统和冷热源循环系统组成，冷源循环系统由冷凝器与冷热源模拟单元之间冷源循环所必须的泵和阀门等部件组成，同理，热源循环系统由蒸发器与冷热源模拟单元之间热源循环所必须的泵和阀门等部件组成。

整个控制系统采用离散式计算机控制系统，主要分为三级，分别为监控级控制器、信息管理级控制器和过程级控制器；监控级控制器不仅用于对系统各个受控设备的运行情况进行监测和动态显示，还通过上下位机之间的以太网通讯功能，根据用户的操作对实验平台各部件的控制参数进行调整，信息管理级控制器用于对海洋温差能热电转换单元进行控制和数据采集，过程级控制器用于对冷热源模拟单元进行控制和数据采集并与信息管理级控制器相互通讯，将采集数据实时上传至信息管理级控制器，由信息管理级控制器综合控制，能够适合于需采用热泵机组模拟冷热源的大功率海洋温差能发电系统模拟实验。

优选的，在监控级控制器内设有上位机和下位机，上位机为采用运行组态软件的工控机，下位机为plc控制柜，并通过以太网进行高速通讯，对系统各个受控设备的运行情况进行监测、动态显示和控制；在下位机内设有信息管理级控制器和过程级控制器，信息管理级控制器为主站，过程级控制器为从站，以构成基本整体电气结构，为模拟实验提供了基础。

优选的，作为主站的信息管理级控制器为综合plc控制柜；作为从站的过程级控制器为水源热泵机组和风冷热泵机组自带的plc控制柜，所有的数据均可以在信息管理级控制器和过程级控制器之间进行相互通讯，从站将数据实时上传至主站，并且还能够由主站进行综合控制。

上述所有的plc控制柜中均至少安装有断路器、隔离变压器、直流开关电源、接触器和熔断器，在控制数据传输过程的同时还能够提供相应的电源和动力；在plc控制柜上还设有操作面板，在操作面板上至少安装有控制按钮、旋钮和触摸屏，以实现对系统自动操作/手动操作的切换和电源电压、工作电流、压力、报警等各种系统工作状态的显示和监控。

具体的，在实验平台上主要安装工控机、plc可编程控制器、触摸屏、中间继电器等，能够通过各参数测量仪表与plc控制柜的通讯完成对各参数的信号采集，从而完成对系统运行状态的检测以及对各开关量的输入输出和系统逻辑功能的控制。

海洋温差能热电转换单元内设有相连接配合的温度、压力、流量、转速、功率、频率等各类传感器，以获取实验平台中电能处理装置、发电机、膨胀机、蒸发器、冷凝器、热源水泵、冷源水泵和工质泵等各个部件进出口的检测参数，计算各部件的工作状态。所采集的参数包括电能处理装置输出的电气参数，蒸发器的热源温度/流量参数，冷凝器的冷源温度/流量参数，热电转换单元中循环工质流量参数，以及热电转换单元中工质泵、蒸发器、冷凝器、膨胀机等各部件进出口的工质压力/温度参数。

如图3所示，对应的，包括1-8点的压力参数p和温度参数t、4点检测的工质流量参数、6点检测的热源流量参数和8点检测的冷源流量参数；还包括电能处理装置的电流参数i、电压参数v和频率参数f，以及膨胀发电机的转速s。

整个系统采用离散式的计算机控制系统，控制逻辑清晰；主站除了能监控各从站外，还能控制包括工质循环系统、电能处理系统和冷热源循环系统在内的海洋温差能热电转换单元，以及可以控制整个系统内各单元之间动作逻辑关系，满足不同的工艺调整。

综上所述，本发明实施例中的大功率海洋温差能发电陆地模拟实验平台控制系统基于plc控制柜的集成控制原理，采用离散式计算机控制方法，在系统内分为三级控制器，能够对压力、流量、温度、阀门开度等信号进行数据采集和监控，也能够对系统内的受控设备运行情况进行监测、动态显示和控制，同时还可以对冷热源机组进行通讯控制模拟，丰富了实验平台的功能，控制逻辑清晰，提升了系统的实用性，是海洋温差能发电陆地模拟实验平台专用的控制系统，可以很好的进行适用，满足不同的工艺调整，可为我国大功率海洋温差能发电陆地实验测试平台控制系统搭建提供一个新思路。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。