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胡曉波（1977－）
男，陜西岐山人，講師，碩士，主要從事自動(dòng)控制教學(xué)及科研工作。

摘要：水源熱泵作為一種用地下恒溫水源代替冷卻塔的高效節(jié)能空調(diào)，在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)充分考慮主機(jī)、冷凍水泵和冷卻水泵等消耗能量最大的設(shè)備的節(jié)能問題。本文重點(diǎn)闡述了水源熱泵系統(tǒng)中冷凍水和冷卻水系統(tǒng)的變頻節(jié)能原理、閉環(huán)節(jié)能控制方案和對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，此控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對水源熱泵系統(tǒng)從電路到水路的最高效率控制。

關(guān)鍵詞：水源熱泵；節(jié)能；PLC；控制系統(tǒng)

Abstract: Water Source Heat Pump, which is an efficient energy-saving air-conditioning method, is used for an alternative of cooling tower. This alternative is achieved through the exploitation of heated underground water sources. In actual application, we should consider fully the energy-saving issues of big energy including refrigeration compressors、freezing water pumps and cooling water pumps. This article focuses on the frequency energy conservation principle of the freezing water and cooling water systems, the control programming of energy-saving closed-loop, and the design of control system in WSHP. The experiments proved that the control system achieves the most efficiency control from the circuits and water systems.

Key words: Water Source Heat Pump；Energy-saving；PLC；Control system

1 引言

    水源熱泵作為一種用地下恒溫水源代替冷卻塔的高效節(jié)能空調(diào)，在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高節(jié)能效果，還應(yīng)盡可能減少主機(jī)、冷凍水泵和冷卻水泵等主要耗能設(shè)備的用能。傳統(tǒng)的空調(diào)水系統(tǒng)使用定流量的運(yùn)行方式，水源熱泵主機(jī)本身具有能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，根據(jù)負(fù)載變化輸出的能量可以在額定值的25％-100％的范圍內(nèi)調(diào)整。但是，冷凍水泵和冷卻水泵卻不隨著負(fù)載變化做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，流量保持不變，導(dǎo)致水系統(tǒng)經(jīng)常在大流量、小溫差的工況下運(yùn)行，電能浪費(fèi)很大。采用定溫差變流量的水系統(tǒng)控制，可以避免這種浪費(fèi)。

    采用這種控制方式，可以把進(jìn)回水的溫差固定在一個(gè)較大的給定值上，在用戶負(fù)荷較小時(shí)，通過減少流量來滿足用戶要求，這樣水泵的能耗可以大大減少。隨著冷機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，蒸發(fā)器的流量可以在額定流量的60%-100%范圍內(nèi)變化，這樣就為采用交流變頻調(diào)速器對水源熱泵系統(tǒng)中的水泵進(jìn)行變流量節(jié)能控制提供了技術(shù)保證。本文將利用PLC、觸摸屏和變頻器對水源熱泵進(jìn)行變頻節(jié)能控制。

2 變頻節(jié)能控制方案

    采用變頻器配合可編程控制器組成控制單元,其中冷卻水泵、冷凍水泵均采用溫度自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，即用溫度傳感器對冷卻水、冷凍水的水溫進(jìn)行采樣,并轉(zhuǎn)換成電信號(一般為4-20 mA,0-10 V等)后送至PLC,通過PLC將該信號與設(shè)定值進(jìn)行比較再作PID運(yùn)算后，決定變頻器輸出頻率,以達(dá)到改變冷凍水泵、冷卻水泵轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到節(jié)能目的。

2.1 冷凍水系統(tǒng)

    系統(tǒng)采用定溫差變流量的方式運(yùn)行，在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個(gè)冷凍水泵變頻器工作的最小工作頻率作為水泵運(yùn)行的下限頻率并鎖定；將電動(dòng)機(jī)工頻設(shè)定為上限頻率，改變變頻器頻率就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量。另一方面，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于低溫冷凍水溫度取決于蒸發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)，一般冷凍水出水溫度設(shè)定為8-10℃,因此，只需控制高溫冷凍水(回水)的溫度,即可控制溫差。為了確保冷凍水的出水回水溫差在設(shè)定的范圍內(nèi)，方案采用溫度傳感器在冷凍水入口測量水溫T，并與PLC、變頻器及水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，將冷凍水回水溫度控制在△T（一般取5-7℃）。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化，回水溫度跟著變化，控制系統(tǒng)跟著溫差的變化調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷凍水的流量，直到滿足新的負(fù)荷對冷凍水流量和溫差要求。

      

                                 圖1   冷凍水系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

    當(dāng)水源熱泵系統(tǒng)首次起動(dòng)時(shí)，電機(jī)在工頻下全速運(yùn)行，冷凍水系統(tǒng)充分循環(huán)一段時(shí)間，然后再根據(jù)冷凍回水溫度對頻率進(jìn)行無級調(diào)速。其目的是促進(jìn)冷凍水的流動(dòng)，保證換熱效果。

2.2 冷卻水系統(tǒng)

    水源熱泵系統(tǒng)采用溫度不變的地下恒溫水源作為冷凝器的冷卻水源，負(fù)荷變化，冷凝器散發(fā)的熱量也會(huì)變化。取冷凝器兩側(cè)冷卻水的溫度作為控制參數(shù),維持溫差不變，采用溫度傳感器、PLC和變頻器及冷卻水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)冷卻水流量跟隨熱負(fù)載變化。系統(tǒng)在滿足冷卻需要的前提下,可以避免水泵全功率運(yùn)行，達(dá)到節(jié)電的目的。

     
                           
                              圖2   冷卻水系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備

    以某醫(yī)院病房水源熱泵系統(tǒng)為例，有兩臺螺桿壓縮機(jī)，每臺輸入功率65kW，Y-△起動(dòng)，每臺壓縮機(jī)帶有3個(gè)能量調(diào)節(jié)電磁閥，使壓縮機(jī)能分別工作在25%、50%、75%、100%能級。每臺壓縮機(jī)帶有排氣溫度過高保護(hù)，內(nèi)部溫度過高保護(hù)，高、低壓力保護(hù)，油壓差保護(hù)，均為開關(guān)量。系統(tǒng)有冷凍水泵兩臺(1臺備用)，功率均為11kW，冷卻水泵兩臺(1臺備用),功率均為15kW，每臺泵各匹配一個(gè)變頻器。系統(tǒng)設(shè)水流開關(guān)兩個(gè),一個(gè)用于冷凍水水流，一個(gè)用于冷卻水水流，兩個(gè)水流開關(guān)中任何一個(gè)在斷時(shí)，壓縮機(jī)不能起動(dòng)。這些設(shè)備和保護(hù)元件都需要檢測其運(yùn)行狀態(tài)和起、停控制，都是開關(guān)量。

3.2 控制系統(tǒng)硬件配置

    根據(jù)系統(tǒng)分析和控制要求,系統(tǒng)安全運(yùn)行要求控制端計(jì)有:系統(tǒng)啟動(dòng)/停機(jī)按扭2個(gè),壓縮機(jī)排氣溫度保護(hù)2個(gè),高、低壓保護(hù)4個(gè),內(nèi)部溫度過高保護(hù)2個(gè),油壓差保護(hù)2個(gè),電機(jī)過流保護(hù)6個(gè),水泵電機(jī)保護(hù)4個(gè)，水流繼電器2個(gè),出水溫度過低保護(hù)1個(gè),電源相序保護(hù)2個(gè),共要求控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行輸入27個(gè)開關(guān)量以及4個(gè)模擬量信號，對這些信號進(jìn)行處理后，給出的控制信號包括：驅(qū)動(dòng)水泵變頻器4個(gè),驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行6個(gè),驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)電磁閥6個(gè)，驅(qū)動(dòng)水回路電磁閥2個(gè),共計(jì)輸出開關(guān)量18個(gè)。

    根據(jù)以上系統(tǒng)要求的輸入/輸出端數(shù)量和系統(tǒng)特性，選擇日本歐姆龍(OMRON)公司生產(chǎn)的PLC系列產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)，包括有CP1H-XA40DR-A型號的PLC 1臺，NT5Z-ST121B-EC型號的觸摸屏1臺，3G3RV系列的變頻器4臺，CPM1A-TS102型號溫度傳感器單元1臺組成。其中觸摸屏和變頻器通過RS-485串行通訊接口連接到PLC。溫度傳感器單元通過其所帶的擴(kuò)展I/O連接電纜和PLC相連，4路Pt100直接連接在溫度傳感器單元的接線端。

                                     圖3   PLC控制系統(tǒng)組成圖

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    方案的控制系統(tǒng)以回水溫度為控制目標(biāo)，通過控制壓縮機(jī)的能級及水泵的流量，把回水溫度控制在給定值上。基于PLC的水源熱泵節(jié)能控制系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

                                     圖4   PLC程序流程

                                 圖5   模擬量處理流程

    主程序主要功能為現(xiàn)場運(yùn)行各泵的啟停切換提供信號、以及處理模擬量和與觸摸屏通信數(shù)據(jù)等。可以分為4個(gè)部分：系統(tǒng)初始化、模擬量處理程序、觸摸屏通信程序和主控程序。當(dāng)用戶的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)檢測到冷凍水出水和回水的溫差超過觸屏設(shè)定值之后，程序自動(dòng)跳入到中斷處理程序。及時(shí)調(diào)整變頻器輸出頻率，調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速改變冷凍水流量，使冷負(fù)荷滿足新的要求，中央空調(diào)的溫度回到設(shè)定的范圍內(nèi)。程序的編制過程中要考慮水泵的運(yùn)行狀態(tài)及互鎖關(guān)系，避免燒壞變頻器。在設(shè)計(jì)中還要注意PLC和觸摸屏通信能安全可靠，要設(shè)定好RS-485端口的屬性值和波特率，確保程序的地址值和觸屏按鈕的地址一一對應(yīng)，否則通過觸屏按鈕就不能控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

    觸摸屏系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化設(shè)置、運(yùn)行模式選擇、PID參數(shù)設(shè)置、溫度顯示、故障報(bào)警及復(fù)位等界面組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    從圖6中可以看出一啟動(dòng)觸摸屏，則進(jìn)入觸摸屏主界面，在主界面里可以通過運(yùn)行模式的選擇對水泵電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)，通過小鍵盤設(shè)置合適的PID參數(shù)優(yōu)化控制，通過溫度顯示界面顯示進(jìn)出水口的溫度變化，運(yùn)行一旦發(fā)生故障，可以從報(bào)警復(fù)位界面顯示故障位置。觸摸屏系統(tǒng)在運(yùn)行控制上不但可以進(jìn)行組態(tài)，而且還能監(jiān)控下位機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)一體化的現(xiàn)場管理。

          

                                 圖6   觸摸屏程序結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

    實(shí)踐證明：由PLC、觸摸屏和變頻器組成的水源熱泵節(jié)能控制系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

   （1）根據(jù)實(shí)際需要負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的能級和水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了從電路到水路的最高效率控制。

   （2）采用變頻控制，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的軟啟動(dòng)和軟停止，減少對電網(wǎng)和設(shè)備的電氣及機(jī)械沖擊，還可以減少設(shè)備的磨損及維護(hù)，延長主泵電機(jī)的使用壽命。

   （3）采用觸摸屏監(jiān)控，一方面可以很方便設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和調(diào)整工況，另一方面能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    總之，基于PLC、觸摸屏和變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)已在水源熱泵等中央空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好，節(jié)能效果顯著，受到了用戶的好評，具有很好的應(yīng)用前景。
　　
參考文獻(xiàn)：

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