基于PLC的船舶空氣源熱泵供熱水控制系統(tǒng)研發(fā)

張 辰，俞萬(wàn)能

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基于PLC的船舶空氣源熱泵供熱水控制系統(tǒng)研發(fā)

張 辰，俞萬(wàn)能

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院與船機(jī)檢測(cè)與再制造福建省高校工程研究中心，福建廈門(mén)361021）

為了極大限度節(jié)省船舶熱水站能耗，研制出一套空氣源熱泵熱水控制系統(tǒng)及PLC與變頻器構(gòu)成恒壓供熱水系統(tǒng)，并通過(guò)觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)監(jiān)控，可保證晝夜不間斷恒壓供水，提高了船舶熱水站的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

熱泵 PLC 變頻器 觸摸屏

0 引言

我國(guó)是人均資源十分匱乏的國(guó)家，節(jié)能環(huán)保對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，傳統(tǒng)船舶對(duì)資源的消耗量比較大，所以對(duì)船舶的節(jié)能研究十分必要。船舶航行過(guò)程中，機(jī)艙空氣中蘊(yùn)含著大量的熱量，其主要來(lái)源于柴油機(jī)、輔助設(shè)備的散熱，但這部分能量利用的較少。隨著空氣源熱泵技術(shù)的發(fā)展及不斷成熟，利用熱泵技術(shù)來(lái)回收利用船舶機(jī)艙空氣的熱量，具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

傳統(tǒng)的船舶供水主要采用壓力水柜方式供水。這種供水方式簡(jiǎn)單實(shí)用,但體積重量大,供水壓力波動(dòng)大，容易造成用水的2次污染[2]。而且壓力水柜一般使用水泵定速運(yùn)行，不僅造成電能的浪費(fèi)，而且由于泵長(zhǎng)期高速運(yùn)行，易使軸承損壞，影響泵的使用壽命。[3]有效的解決辦法就是使用變頻泵恒壓供水。為此，采用ABB可編程控制器、變頻器與MCGS觸摸屏，研制了變頻恒壓供熱水控制與監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制內(nèi)容

系統(tǒng)配置安裝1個(gè)方型組合儲(chǔ)熱水箱，采用4臺(tái)空氣源循環(huán)加熱式低溫?zé)岜眠M(jìn)行加熱，定溫控制。熱泵會(huì)對(duì)水箱溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)加熱，PLC對(duì)熱泵狀態(tài)進(jìn)行采集，保證在熱泵工作時(shí)循環(huán)水泵開(kāi)啟。熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)需要滿足的控制功能為：

1）補(bǔ)水采用1只電磁閥定時(shí)定溫定量控制補(bǔ)水。每天定時(shí)1次性補(bǔ)滿水。在這個(gè)補(bǔ)水時(shí)間以外當(dāng)熱水箱水位降低后熱水溫度大于T1才開(kāi)始補(bǔ)水，當(dāng)熱水箱熱水溫度降至T2時(shí)停止補(bǔ)水。任何時(shí)候設(shè)強(qiáng)制保底水位控制補(bǔ)水。即水箱水位低于低水位時(shí)開(kāi)始補(bǔ)水，達(dá)到滿水位時(shí)停止補(bǔ)水。

2）供熱水采用變頻加壓泵加壓供水，并配置安裝一主一副兩臺(tái)熱水加壓泵，受水壓P上下限控制。主泵變頻工作，當(dāng)用熱水量增加時(shí)，副泵工頻啟動(dòng)，保證水壓均衡。

3）四臺(tái)熱泵并列加熱，采用兩臺(tái)循環(huán)泵循環(huán)加熱。當(dāng)熱水箱內(nèi)水溫度小于Ta時(shí)，熱泵開(kāi)始工作。當(dāng)熱水箱內(nèi)水溫度升至Tb時(shí)，熱泵停止工作。

4）為了保護(hù)機(jī)艙低層用戶隨時(shí)有熱水供應(yīng)，系統(tǒng)配置安裝回水系統(tǒng)?；厮到y(tǒng)采用回水電磁閥定溫控制。當(dāng)回水總管內(nèi)水溫度T2小于40℃時(shí)，回水電磁閥打開(kāi)開(kāi)始回水，當(dāng)回水總管內(nèi)水溫度T2升至45℃時(shí)，回水電磁閥關(guān)閉停止回水。

2 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)采用ABB PM564 PLC及其模擬量擴(kuò)展模塊AX561，變頻器則使用ABB ACS550-01系列，根據(jù)電機(jī)參數(shù)確定變頻器具體型號(hào)，變頻器最大輸出功率須大于或等于單個(gè)泵的功率。

控制系統(tǒng)的主電路圖、原理圖及PLC的I/O點(diǎn)配置如圖2、3所示。

2.2恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供水管壓力傳感器通過(guò)將供水水壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)，傳給PLC的模擬量輸入端，PLC再將電流信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。ABB AC500系列PLC指令系統(tǒng)中帶有PID控制模塊供用戶選擇，如圖4所示。將采集的壓力值作為PID模塊測(cè)量值（ACTUAL）的輸入，分別定義給定值、輸出上下限和比例、積分、微分系數(shù)，PID模塊的輸出值須用程序轉(zhuǎn)換為字類型數(shù)，再由PLC模擬量擴(kuò)展模塊輸出電壓信號(hào)至變頻器，變頻器根據(jù)電壓信號(hào)大小調(diào)整輸出頻率，達(dá)到變頻調(diào)速的目的。變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖5所示。為4 PID控制模塊。

由于船員的熱水用量在不同時(shí)段需求變化很大，若使用一臺(tái)工頻泵供水可能出現(xiàn)在用水高峰時(shí)水壓不足的情況，故本系統(tǒng)采用主副兩泵進(jìn)行恒壓供水，在用水量較低時(shí)，主泵變頻供水；當(dāng)用水量增加，供水管壓力至主泵工頻供水仍不能達(dá)到設(shè)定水壓時(shí)，直接啟動(dòng)副泵，兩泵同時(shí)進(jìn)行供水；當(dāng)用水量降低，供水管壓力至副泵切換條件時(shí)，副泵停止，主泵變頻供水。雙泵控制流程圖如圖6所示。

在ACS550-01參數(shù)設(shè)置中有PFC控制，這是一種風(fēng)機(jī)-水泵控制模式，使一臺(tái)變頻器可自動(dòng)切換控制多臺(tái)變頻泵的模式，PFC主要控制特點(diǎn)有[4]：

1）當(dāng)需求量 (由給定信號(hào)決定)超過(guò)了1號(hào)電機(jī)的能力 (起動(dòng)頻率)，PFC調(diào)節(jié)器自動(dòng)起動(dòng)輔泵。PFC調(diào)節(jié)器同時(shí)也降低1號(hào)泵的速度，這樣兩臺(tái)泵輸出的總量成為系統(tǒng)的總輸出。然后PFC調(diào)節(jié)器和前述一樣自動(dòng)調(diào)整著1號(hào)泵運(yùn)行速度(頻率)，使實(shí)際信號(hào)能跟隨給定信號(hào)。

2）當(dāng)需求量減少，這樣1 號(hào)泵的速度降到了設(shè)定的下限以下（停止頻率），PFC調(diào)節(jié)器自動(dòng)停止輔泵。PFC調(diào)節(jié)器同時(shí)增加1號(hào)泵的轉(zhuǎn)速，以彌補(bǔ)因輔泵停止后的輸出減少。

3）自動(dòng)切換功能能夠使各臺(tái)泵均攤負(fù)載時(shí)間。自動(dòng)切換功能能周期性地調(diào)整各臺(tái)電機(jī)調(diào)用的位置，例如調(diào)速電機(jī)成為最后被調(diào)用的輔助電機(jī)，而第一臺(tái)輔助電機(jī)成為調(diào)速電機(jī)。

采用PFC控制可有效避免變頻器在加減泵時(shí)頻繁啟停泵，并定時(shí)自動(dòng)切換主泵與副泵，平均2臺(tái)泵的工作時(shí)間，防止頻繁使用某一臺(tái)泵影響其使用壽命。

3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

系統(tǒng)采用北京昆侖通態(tài)的TPC7062TX系列觸摸屏，其預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。[5]觸摸屏通過(guò)背部的RS485串口與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使觸摸屏可對(duì)PLC程序中參數(shù)設(shè)定，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力、液位、溫度以及熱泵狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)水位或水溫過(guò)低時(shí)有警報(bào)提示，系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)船舶熱泵供熱水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用空氣源熱泵熱水，PLC與變頻器控制供水泵恒壓供水和觸摸屏對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)不僅操作簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，而且節(jié)省了大量電能，提高了船舶供熱水的可靠性。但是系統(tǒng)在啟動(dòng)和停止工頻泵時(shí)會(huì)造成管壓波動(dòng)，對(duì)于平穩(wěn)投切水泵使管壓波動(dòng)很小，在切換時(shí)機(jī)和減加泵后變頻泵升降速等方面還需要進(jìn)一步研究。

[1] 吳曉陽(yáng).船舶機(jī)艙空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用分析[J].機(jī)電設(shè)備，2014,3:21-23.

[2] 王行,龐之洋,李雁飛,陳金增.基于變頻器的艦用恒壓供水裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2011,11:81-84.

[3] 陳立軍,田海軍. PLC控制恒壓變頻供水系統(tǒng)在熱網(wǎng)補(bǔ)水中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2002,(2):59-60.

[4] ABB公司. ASC550-01變頻器用戶手冊(cè).

[5] 張軍賢,俞萬(wàn)能. 基于PLC的樓宇熱水站控制與監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表,2015,2:150-152.

Research on Control System of Shipboard Air Source Heat Pump Water Heater Based on PLC

Zhang Chen，Yu Wanneng

(School of Marine Engineer, Jimei University &Fujian Engineering Research Center of Marine Engine Detecting and Remanufacturing, Xiamen 361021, Fujian, China)

To decrease the ship’s energy consumption of hot water station as greatly much as possible, the paper presents a set of air source heat pump hot water control system and PLC and inverter constant pressure heating water system. By means of the touch screen to set the system parameters and real-time monitoring, the system can ensure uninterrupted water supply, and improve the reliability and economy of the ship’s hot water station.

heat pump; PLC; frequency converter; touch screen

TP391

A

1003-4862（2016）03-0053-04

2014-11-09

交通部科技項(xiàng)目（2015329815160），福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目（2013H0034），福建省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(2013J05081)，福建省科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(2014H2001)

張辰（1990-），男，碩士生。研究方向：船舶自動(dòng)控制與仿真研究。

俞萬(wàn)能（1970-），男，博士，教授。研究方向：船舶電力推進(jìn)、船舶新能源應(yīng)用、船舶智能控制。