基于ＰＬＣ的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在大型商業(yè)建筑中的應(yīng)用

[摘 要] 中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型商業(yè)建筑中不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。而當(dāng)今社會(huì)環(huán)境污染與能源危機(jī)已成為全人類必須面對(duì)并要加以解決的重大課題，在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，而基于PLC的水源熱泵技術(shù)正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型供暖空調(diào)技術(shù)。

[關(guān)鍵詞] 中央空調(diào)系統(tǒng) 商業(yè)建筑 PLC 水源熱泵技術(shù)

一、引言

水源熱泵系統(tǒng)（WLHPS：Water Loop source Heat Pump System）國(guó)外又習(xí)慣稱作閉式環(huán)路水源熱泵系統(tǒng)。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)只取水中的熱或冷而不消耗水，并且基本作到水體或地層蓄能的年平均能量平衡，不會(huì)造成任何污染。近幾年以來(lái)，我國(guó)采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)代大型商業(yè)建筑也逐年增多。目前，在深圳，上海，北京以及一些中小城市均有工程實(shí)例，例如，北京天安大廈、上海錦江飯店、西安建國(guó)飯店、青島華僑飯店、深圳同貿(mào)大廈等均采用了閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。特別是2008年奧運(yùn)會(huì)將在北京舉行，為辦好本屆綠色奧運(yùn)，水源熱泵式中央空調(diào)已成為2008年北京奧運(yùn)會(huì)指定選用的空調(diào)型式。水源熱泵在我國(guó)的推廣應(yīng)用前景極其廣闊。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文結(jié)合一個(gè)正在運(yùn)行的工程實(shí)例，對(duì)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作進(jìn)一步探討。該工程實(shí)例用GP和PLC技術(shù)對(duì)水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控，包括井水泵、循環(huán)泵和壓縮機(jī)的啟停控制，壓縮機(jī)的加卸載控制以及各溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示和各種故障情況的報(bào)警及連鎖保護(hù)控制等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PLC和GP技術(shù)可以保證水源熱泵空調(diào)機(jī)組正?？煽窟\(yùn)行。本控制系統(tǒng)的核心部件采用德國(guó)SIEMENS公司S7-200系列可編程控制器，考慮到控制系統(tǒng)的規(guī)模，CPU選用6ES7-CPU214，帶有擴(kuò)展模塊2塊EM235、1塊EM222和1塊EM223；本控制系統(tǒng)的實(shí)際物理點(diǎn)數(shù)為13點(diǎn)數(shù)字量輸入、22點(diǎn)數(shù)字量輸出、6點(diǎn)模擬量輸入。系統(tǒng)人機(jī)界面采用日本Digitail公司的GP37W2觸摸屏，用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況和設(shè)置工作參數(shù)，操作界面采用中文對(duì)話方式，易于操作。通過(guò)配置通訊適配器實(shí)現(xiàn)西門子MPI協(xié)議和RS232串行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC之間的數(shù)據(jù)通信。溫度傳感器采用中美合資北京ACT公司生產(chǎn)的TD-6112-8000。系統(tǒng)構(gòu)成如圖：

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)水源熱泵機(jī)組的控制要求設(shè)計(jì)PLC程序，包括機(jī)房系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備制冷制熱兩種工況下、自動(dòng)和手動(dòng)兩種啟?？刂品绞较赂餍枨髾z測(cè)量(溫度、能量級(jí)、故障、運(yùn)行狀態(tài)、輔助設(shè)備狀態(tài)等)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)反饋處理與實(shí)時(shí)顯示等，故障及時(shí)檢測(cè)與報(bào)警處理以及各種保護(hù)的及時(shí)實(shí)現(xiàn)等。

以下主要介紹幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn):

1.對(duì)溫度的控制設(shè)計(jì)

溫度處理的核心部件是模擬量模塊EM235。按照面向?qū)ο蟮乃枷?，PLC控制程序主要通過(guò)在OB1(主程序)中多次調(diào)用子程序塊實(shí)現(xiàn)對(duì)每一溫度模擬量的處理，每一溫度模擬量都是通過(guò)采樣、量化將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。為了降低采樣誤差，減少顯示值波動(dòng)跳變以增加采樣值穩(wěn)定性和提高控制程序可靠性，鑒于系統(tǒng)特性，程序設(shè)計(jì)每個(gè)模擬量平均采樣時(shí)間5秒，5秒內(nèi)每秒對(duì)該模擬量采樣1次，取其5次的平均值作為該運(yùn)行時(shí)刻的溫度值，存儲(chǔ)到模塊內(nèi)部的V區(qū)，以供主程序調(diào)用。

2.對(duì)故障的檢測(cè)處理

程序設(shè)計(jì)了對(duì)故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)管路系統(tǒng)出現(xiàn)共性非緊急故障(包括:壓機(jī)油位保護(hù)、壓機(jī)油壓差保護(hù)和壓機(jī)吸排氣壓力保護(hù))時(shí)，機(jī)組投入快速卸載運(yùn)行，每臺(tái)壓機(jī)先轉(zhuǎn)入25%能量運(yùn)行60秒后停機(jī);當(dāng)機(jī)組系統(tǒng)出現(xiàn)緊急故障(包括:壓機(jī)電子保護(hù)、壓機(jī)過(guò)載保護(hù)、電源保護(hù)和水流量開關(guān)保護(hù))時(shí)，故障壓機(jī)或系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。待故障消除后，可以重新自動(dòng)投入運(yùn)行。只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，程序?qū)⒔o出聲光報(bào)警，控制柜上的故障指示燈和故障電鈴顯示和報(bào)警。操作人員可在觸摸屏上查看故障原因，以便決定處理方法。

3.機(jī)組運(yùn)行

按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想，PLC控制程序主要通過(guò)多次使用編程工具中的比較指令和位邏輯指令等實(shí)現(xiàn)溫度二維模擬方式并參考結(jié)合時(shí)間參數(shù)共同控制實(shí)現(xiàn)加、卸載的調(diào)度。機(jī)組分自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式。

自動(dòng)制冷方式下：?jiǎn)?dòng)循環(huán)泵啟動(dòng)井水泵啟動(dòng)壓機(jī)→壓機(jī)上載。

自動(dòng)制熱方式下：?jiǎn)?dòng)井水泵啟動(dòng)循環(huán)泵啟動(dòng)壓機(jī)→壓機(jī)上載。

當(dāng)選擇手動(dòng)方式時(shí)，井水泵、循環(huán)泵或壓機(jī)都會(huì)單機(jī)運(yùn)行。手動(dòng)方式下壓機(jī)的上卸載過(guò)程執(zhí)行自動(dòng)方式下的上卸載程序。

4.系統(tǒng)控制的優(yōu)化

為了保證整體機(jī)組部件使用壽命平均，維護(hù)量基本相同，程序運(yùn)用平均壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化控制模式均衡兩臺(tái)壓機(jī)工作時(shí)間，即工作時(shí)間長(zhǎng)者后啟動(dòng)先停機(jī)，工作時(shí)間短者先啟動(dòng)后停機(jī)；并且根據(jù)井水溫度和循環(huán)水溫度調(diào)節(jié)熱泵的運(yùn)行工作狀態(tài)。

5.試運(yùn)行

本程序編制了試運(yùn)行時(shí)間控制這一特殊功能，在試運(yùn)行期間，當(dāng)機(jī)組的累計(jì)工作時(shí)間大于或等于調(diào)試人員預(yù)設(shè)定的機(jī)組限定時(shí)間后，機(jī)組將停止運(yùn)行直到供應(yīng)商根據(jù)試運(yùn)行狀態(tài)等去取消試運(yùn)行。本功能的應(yīng)用不但可讓供應(yīng)商可以準(zhǔn)確掌握機(jī)組試運(yùn)行期間內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一手材料，還可以在一定程度上幫助供應(yīng)商及時(shí)收回機(jī)組貨款。

6.壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)

為了保持系統(tǒng)運(yùn)行良好，必須定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。本系統(tǒng)對(duì)壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，累計(jì)值能夠斷電保持，即關(guān)斷電源后累計(jì)值還存在。操作人員可以根據(jù)所顯示的運(yùn)行時(shí)間來(lái)安排系統(tǒng)的維護(hù)工作，為設(shè)備的管理提供了方便。

7.密碼保護(hù)

為了保證系統(tǒng)操作的安全性，在人機(jī)界面中設(shè)置了用戶等級(jí)，通過(guò)用戶登錄輸入密碼確定操作權(quán)限。0級(jí)為操作工級(jí)，無(wú)須輸入密碼；1級(jí)供機(jī)組管理人員使用，可以進(jìn)入設(shè)置溫度修正參數(shù)、加卸載間隔時(shí)間和加卸載溫差；2級(jí)供廠商的調(diào)試和廠家技術(shù)人員使用，可以設(shè)置試運(yùn)行的啟用或關(guān)閉、修改機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。

四、結(jié)論

該控制系統(tǒng)通過(guò)PLC軟件解決了機(jī)組控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障點(diǎn)多的難點(diǎn)，通過(guò)GP方便地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話，做到了性能可靠，控制精確，人機(jī)對(duì)話友好，能夠滿足用戶的使用要求?；赑LC的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保，該技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用前景極其廣闊。

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