PLC在水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

將HOLLiAS-LECG3小型一體化PLC應(yīng)用于水源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)，給出了PLC的I/O點(diǎn)分配表，介紹了控制系統(tǒng)組成和軟件設(shè)計思路，提出了一種隨機(jī)啟停的壓縮機(jī)控制方法。

1引言

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用自然水源作為冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)，其核心技術(shù)是水源熱泵技術(shù)。所謂水源熱泵技術(shù)，是利用地球表面淺層水源所吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。河水、湖水、地下水等地球表面淺層水源吸收了太陽輻射的能量，水源的溫度十分穩(wěn)定。在夏季，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量。在冬季，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)從水源中提取能量，根據(jù)熱泵原理，通過空氣或水作為載冷劑提升溫度后送到建筑物中。通常，水源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。由于水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了越來越多的應(yīng)用[1][2]。

空調(diào)系統(tǒng)的控制主要分為繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器（DDC）系統(tǒng)和可編程序控制器（PLC）系統(tǒng)等級幾種。由于故障率高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗高等明顯的缺點(diǎn)，繼電器控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。DDC控制系統(tǒng)雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展，但由于其本身抗干擾能力差、不易聯(lián)網(wǎng)、信息集成度不高和分級分步式結(jié)構(gòu)的局限性，從而限制了其應(yīng)用。相反，PLC控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，在智能建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可維護(hù)性，目前空調(diào)系統(tǒng)都傾向于采用先進(jìn)、實用、可靠的PLC來進(jìn)行控制[3]。

本文介紹和利時公司HOLLiAS-LECG3小型一體化PLC在水源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，說明了HOLLiAS-LECG3小型一體化PLC可以很好地實現(xiàn)中央空調(diào)智能化控制，達(dá)到減少無效能耗、提高能源利用效率和保護(hù)空調(diào)設(shè)備的目的。

2空調(diào)系統(tǒng)介紹

北京市某單位的辦公樓采用水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，總建筑面積8550m2，建筑高度20.5m，其中空調(diào)面積約6840m2。地下1層為各種設(shè)備房和操作間，地上1層為職工食堂、大廳和會議室，地上2～6層為商業(yè)辦公用房。

室內(nèi)溫度和相對濕度等技術(shù)參數(shù)的設(shè)計要求如表1所示。水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計制冷量為860kW，制熱量為950kW。空調(diào)的主機(jī)系統(tǒng)由四臺壓縮機(jī)組成，水源水系統(tǒng)由取水井、滲水井和水處理設(shè)備組成。

表1室內(nèi)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計要求

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)主要是根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出水溫度的變化來控制4臺壓縮機(jī)的啟停，使水溫穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)。4臺壓縮機(jī)分成A和B兩組，每組各有2臺壓縮機(jī)。系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配如表2所示，其中開關(guān)量輸入點(diǎn)6個，模擬量輸入點(diǎn)4個，開關(guān)量輸出點(diǎn)5個，模擬量輸出點(diǎn)1個。

表2系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配表

根據(jù)輸入和輸出的要求，該水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的控制器選用和利時公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的HOLLiAS-LECG3小型一體化PLC。考慮到此系統(tǒng)需要一定的備用I/O點(diǎn)，CPU模塊選擇帶有24點(diǎn)開關(guān)量的LM3107，其中開關(guān)量輸入14點(diǎn)，開關(guān)量輸出10點(diǎn)。模擬量輸入模塊選用四通道熱電阻輸入模塊LM3312，模擬量輸出模塊選用兩通道模擬量輸出模塊LM3320。PLC的人機(jī)界面選用EView觸摸屏。PLC控制系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的組成如圖1所示，這些配置完全能夠滿足系統(tǒng)的要求[4][5]。

圖1PLC控制系統(tǒng)的組成

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的主要功能是對熱泵進(jìn)行自動啟停，顯示溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)，顯示壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，記錄設(shè)備的運(yùn)行時間和故障原因，實現(xiàn)對水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的智能控制。從控制系統(tǒng)的主要功能出發(fā)，為了增加程序可讀性和減少程序代碼，PLC程序采用了主程序調(diào)用功能塊、功能塊調(diào)用函數(shù)的程序結(jié)構(gòu)。PLC程序由1個主程序、11個功能塊子程序和1個函數(shù)組成，其調(diào)用關(guān)系如圖2所示。程序編譯碼占用空間為30K。

程序設(shè)計的思路是，當(dāng)PLC上電后，一直進(jìn)行溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)的檢測，這些檢測主要在檢測程序、故障程序和A/B組故障停機(jī)程序中完成。如果相關(guān)參數(shù)均無異常，則開機(jī)功能塊子程序運(yùn)行，啟動壓縮機(jī)。在開機(jī)過程中，同時進(jìn)行溫度判斷。如果溫度達(dá)到了設(shè)定值，則進(jìn)入調(diào)節(jié)功能塊子程序，停止開機(jī)功能塊子程序，完成開機(jī)。根據(jù)溫度的變化，調(diào)節(jié)功能塊子程序控制壓縮機(jī)的啟停。變頻器的控制則是通過調(diào)用加載程序和降載程序來實現(xiàn)。

在這些程序中，為了滿足壓縮機(jī)的使用要求，調(diào)節(jié)功能塊子程序是最繁瑣的，例如壓縮機(jī)的啟動時間要小于30秒、壓縮機(jī)每小時的啟動次數(shù)不要超過5次等。為了平衡壓縮機(jī)的運(yùn)行時間，增加空調(diào)的使用壽命，傳統(tǒng)的程序設(shè)計采用先啟先停、先停先啟、開機(jī)過程中啟動次序輪換等控制方法，來協(xié)調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行時間。但是，如果本系統(tǒng)采用這種方法，則仍然存在某一臺壓縮機(jī)運(yùn)行時間過長的問題。因此決定對傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，采用隨機(jī)啟停的控制方法代替先啟先停、先停先啟的控制方法，解決了壓縮機(jī)的運(yùn)行時間不平衡的問題。

圖2程序調(diào)用關(guān)系圖

人機(jī)界面選用EView觸摸屏，首頁如圖3所示。輸入密碼后，點(diǎn)擊功能菜單，在彈出的快捷窗口中，可以選擇參數(shù)查詢、運(yùn)行時間、故障查詢、運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定、調(diào)節(jié)顯示、操作界面等子菜單，進(jìn)行相關(guān)的操作和顯示。

圖3人機(jī)界面首頁

5結(jié)論

采用傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)來實現(xiàn)熱泵的控制，由于機(jī)械接觸點(diǎn)很多，接線復(fù)雜，參數(shù)調(diào)整不方便，而且機(jī)械接觸點(diǎn)的工作頻率低，容易損壞，可靠性差。采用直接數(shù)字式控制器（DDC）雖然可以減少接線，可靠性有所提高，但由于DDC其本身的抗干擾能力差、不易聯(lián)網(wǎng)、信息集成度不高和分級分步式結(jié)構(gòu)的局限性，因此，越來越不能滿足復(fù)雜多變的智能控制要求。

采用PLC來控制熱泵系統(tǒng)，不僅可以通過編程實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，而且可以在很大程度上簡化硬件接線，提高控制系統(tǒng)可靠性，用戶操作界面友好，信息集程度高，便于實現(xiàn)智能控制。因此，在熱泵空調(diào)領(lǐng)域，PLC控制系統(tǒng)取代DDC控制系統(tǒng)是必然趨勢。