PLC在水源熱泵空調系統中的典型應用

將HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC應用于水源熱泵空調控制系統，給出了PLC的I/O點分配表，介紹了控制系統組成和軟件設計思路，提出了一種隨機啟停的壓縮機控制方法。
關鍵詞： PLC；水源熱泵；中央空調；控制系統；壓縮機；
　　1 引言
　　水源熱泵空調系統是一種利用自然水源作為冷熱源的空調系統，其核心技術是水源熱泵技術。所謂水源熱泵技術，是利用地球表面淺層水源所吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。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，水源的溫度十分穩定。在夏季，水源熱泵空調系統將建筑物中的熱量轉移到水源中，由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量。在冬季，水源熱泵空調系統從水源中提取能量，根據熱泵原理，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。由于水源熱泵空調系統具有高效、節能和環保等優點，近年來得到了越來越多的應用[1][2]。

　　空調系統的控制主要分為繼電器控制系統、直接數字式控制器（DDC）系統和可編程序控制器（PLC）系統等級幾種。由于故障率高、系統復雜、功耗高等明顯的缺點，繼電器控制系統已逐漸被淘汰。DDC控制系統雖然在智能化方面有了很大的發展，但由于其本身抗干擾能力差、不易聯網、信息集成度不高和分級分步式結構的局限性，從而限制了其應用。相反，PLC控制系統以其運行可靠、使用維護方便、抗干擾能力強、適合新型高速網絡結構等顯著的優點，在智能建筑中得到了廣泛的應用。為了提高空調系統的經濟性、可靠性和可維護性，目前空調系統都傾向于采用先進、實用、可靠的PLC來進行控制[3]。
　　本文介紹和利時公司HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC在水源熱泵空調控制系統中的成功應用，說明了HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC可以很好地實現中央空調智能化控制，達到減少無效能耗、提高能源利用效率和保護空調設備的目的。
　　2 空調系統介紹
　　北京市某單位的辦公樓采用水源熱泵中央空調系統，總建筑面積8550m2，建筑高度20.5m，其中空調面積約6840m2。地下1層為各種設備房和操作間，地上1層為職工食堂、大廳和會議室，地上2～6層為商業辦公用房。
　　室內溫度和相對濕度等技術參數的設計要求如表1所示。水源熱泵中央空調系統的設計制冷量為860kW，制熱量為950kW。空調的主機系統由四臺壓縮機組成，水源水系統由取水井、滲水井和水處理設備組成。

表1 室內技術參數的設計要求

　　3 控制系統硬件設計
　　該水源熱泵中央空調系統主要是根據蒸發器和冷凝器進出水溫度的變化來控制4臺壓縮機的啟停，使水溫穩定在設定的范圍內。4臺壓縮機分成A和B兩組，每組各有2臺壓縮機。系統的I/O點分配如表2所示，其中開關量輸入點6個，模擬量輸入點4個，開關量輸出點5個，模擬量輸出點1個。

表2 系統的I/O點分配表
　　根據輸入和輸出的要求，該水源熱泵中央空調系統的控制器選用和利時公司具有自主知識產權的HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC。考慮到此系統需要一定的備用I/O點，CPU模塊選擇帶有24點開關量的LM3107，其中開關量輸入14點，開關量輸出10點。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的人機界面選用EView觸摸屏。PLC控制系統及相關設備的組成如圖1所示，這些配置完全能夠滿足系統的要求[4][5]。

　

圖1 PLC控制系統的組成

4 控制系統軟件設計
　　控制系統的主要功能是對熱泵進行自動啟停，顯示溫度、壓力、流量等運行參數，顯示壓縮機的工作狀態，記錄設備的運行時間和故障原因，實現對水源熱泵中央空調系統的智能控制。從控制系統的主要功能出發，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用功能塊、功能塊調用函數的程序結構。PLC程序由1個主程序、11個功能塊子程序和1個函數組成，其調用關系如圖2所示。程序編譯碼占用空間為30K。
　　程序設計的思路是，當PLC上電后，一直進行溫度、壓力、流量等運行參數的檢測，這些檢測主要在檢測程序、故障程序和A/B組故障停機程序中完成。如果相關參數均無異常，則開機功能塊子程序運行，啟動壓縮機。在開機過程中，同時進行溫度判斷。如果溫度達到了設定值，則進入調節功能塊子程序，停止開機功能塊子程序，完成開機。根據溫度的變化，調節功能塊子程序控制壓縮機的啟停。變頻器的控制則是通過調用加載程序和降載程序來實現。
　　在這些程序中，為了滿足壓縮機的使用要求，調節功能塊子程序是最繁瑣的，例如壓縮機的啟動時間要小于30秒、壓縮機每小時的啟動次數不要超過5次等。為了平衡壓縮機的運行時間，增加空調的使用壽命，傳統的程序設計采用先啟先停、先停先啟、開機過程中啟動次序輪換等控制方法，來協調壓縮機的運行時間。但是，如果本系統采用這種方法，則仍然存在某一臺壓縮機運行時間過長的問題。因此決定對傳統方法進行改進，采用隨機啟停的控制方法代替先啟先停、先停先啟的控制方法，解決了壓縮機的運行時間不平衡的問題。

圖2 程序調用關系圖

　　人機界面選用EView觸摸屏，首頁如圖3所示。輸入密碼后，點擊功能菜單，在彈出的快捷窗口中，可以選擇參數查詢、運行時間、故障查詢、運行狀態、參數設定、調節顯示、操作界面等子菜單，進行相關的操作和顯示。

圖3 人機界面首頁

5 結論
　　采用傳統的繼電器控制系統來實現熱泵的控制，由于機械接觸點很多，接線復雜，參數調整不方便，而且機械接觸點的工作頻率低，容易損壞，可靠性差。采用直接數字式控制器（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、不易聯網、信息集成度不高和分級分步式結構的局限性，因此，越來越不能滿足復雜多變的智能控制要求。
　　采用PLC來控制熱泵系統，不僅可以通過編程實現復雜的邏輯控制，而且可以在很大程度上簡化硬件接線，提高控制系統可靠性，用戶操作界面友好，信息集程度高，便于實現智能控制。因此，在熱泵空調領域，PLC控制系統取代DDC控制系統是必然趨勢。
　　參考文獻
　　[1] 王芳，范曉偉，周光輝. 我國水源熱泵研究現狀[J]. 流體機械, 2003, 31(4):57-59.
　　[2] 倪龍，封家平，馬最良. 地下水源熱泵的研究現狀與進展[J]. 建筑熱能通風空調,2004, 23(2):26-31.
　　[3] 智能建筑中央空調PLC控制系統的設計.
　　[4] 杭州和利時自動化有限公司. HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC硬件手冊，2006
　　[5] 杭州和利時自動化有限公司. HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC軟件手冊，2006