基于PLC及HMI的地源熱泵中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)

許飛燕，許飛勇，盧月，張捷，李娟

（中國(guó)人民解放軍第7451工廠，湖南郴州，423000）

0 引言

PLC和HMI廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、冶金、石油、化工、電力、智能建筑和軍事科工等諸多領(lǐng)域。本文介紹了西門子PLC和維綸通觸摸屏在地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，內(nèi)容包括了中央空調(diào)機(jī)組組成，智能控制流程設(shè)計(jì)，PLC硬件及外圍電路設(shè)計(jì)，I/O資源存儲(chǔ)單元分配，PLC梯形圖設(shè)計(jì)和HMI組態(tài)設(shè)計(jì)五個(gè)部分。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 中央空調(diào)機(jī)組組成

中央空調(diào)機(jī)組主要包括690空調(diào)主機(jī)兩臺(tái)、120熱回收主機(jī)兩臺(tái)、內(nèi)循環(huán)泵四臺(tái)、低位熱水循環(huán)泵一臺(tái)、4Kw潛水泵一臺(tái)、15Kw冷卻泵一臺(tái)、7.5Kw冷卻泵一臺(tái)、備用11Kw冷卻泵一臺(tái)、備用5.5Kw冷卻泵一臺(tái)、電氣控制柜一套及管路閥門一套。

1.2 智能控制流程設(shè)計(jì)

中央空調(diào)的運(yùn)行分為夏季和冬季兩個(gè)模式：夏季為制冷模式，分為高峰期（早上9：00-次日凌晨2：00）和低峰期（凌晨2：00-次日早上9：00），內(nèi)循環(huán)泵用于抽地表水進(jìn)行初級(jí)熱交換，如高峰期冷水回水溫度上升至16度時(shí)（低峰期回水溫度上升至18度時(shí)），啟動(dòng)1#空調(diào)主機(jī)及冷卻泵抽地下水進(jìn)行熱交換，如制冷效果還不夠，回水溫度上升至22度時(shí)，啟動(dòng)2#空調(diào)主機(jī)及冷卻泵抽地下水進(jìn)行熱交換，回水溫度下降至某溫度時(shí)，依次關(guān)閉2#，1#空調(diào)主機(jī)；冬季為制熱模式，也分為高峰期（早上9：00-次日凌晨2：00）和低峰期（凌晨2：00-次日早上9：00），內(nèi)循環(huán)泵用于抽地表水進(jìn)行初級(jí)熱交換，如高峰期熱水回水溫度下降至30度時(shí)（低峰期回水溫度下降至35度時(shí)），啟動(dòng)1#空調(diào)主機(jī)及冷卻泵抽地下水進(jìn)行熱交換，如制熱效果還不夠，回水溫度下降至35度時(shí)，啟動(dòng)2#空調(diào)主機(jī)及冷卻泵抽地下水進(jìn)行熱交換，熱水回水溫度達(dá)到某溫度時(shí)，依次關(guān)閉2#，1#空調(diào)主機(jī)。地面設(shè)有熱回收機(jī)組，回收的熱量用于給生活用水蓄水箱加熱。

圖1 夏季制冷及熱回收系統(tǒng)流程圖

圖2 冬季制熱及熱回收系統(tǒng)流程圖

圖3 PLC硬件及核心電路（數(shù)字量）

1.3 PLC硬件及核心電路設(shè)計(jì)

PLC選用西門子S7-200 CPU 226 CN AC/DC/Relay中央處理模組一個(gè)，并擴(kuò)展數(shù)字量模塊EM223 32Inputs/32Relay Outputs一個(gè)和模擬量EM231 4 Analog Inputs兩個(gè)。數(shù)字量輸入用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各種狀況，如水位壓力反饋，電機(jī)起停和故障反饋，閥門開(kāi)啟反饋；數(shù)字量輸出用于輸出各種控制命令，電機(jī)啟動(dòng)和閥門開(kāi)啟命令；模擬量輸入用于采集冷卻水、冷凍水、熱水回水溫度和低位水箱溫度。

圖4 PLC硬件及核心電路（模擬量）

1.4 PLC內(nèi)部資源分配

1.4.1 I/O資源存儲(chǔ)單元分配

1.4.2 PLC內(nèi)部位存儲(chǔ)器M分配表

表2 智能控制系統(tǒng)內(nèi)部位存儲(chǔ)器M分配表（部分）

1.5 PLC梯形圖設(shè)計(jì)

PLC主程序分為主程序，自動(dòng)運(yùn)行程序，夏季程序，冬季程序，自動(dòng)停機(jī)保護(hù)程序，冬季熱回收程序，夏季熱回收程序，夏季熱回收停機(jī)程序，冬季熱回收停機(jī)程序，設(shè)置定時(shí)中斷，夏季保護(hù)停機(jī)程序，冬季保護(hù)停機(jī)程序，上電復(fù)位程序，夏季循環(huán)控制程序，冬季循環(huán)控制程序，停機(jī)程序，水溫檢測(cè)程序等17個(gè)部分組成。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行程序（部分）

圖6 冬季程序（部分）

1.6 HMI組態(tài)設(shè)計(jì)

HMI人機(jī)界面選用維綸通MT8071iE七寸觸摸屏，按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物配置組態(tài)圖案，美觀大氣，操作簡(jiǎn)單：（1）一鍵啟停：系統(tǒng)的起動(dòng)/停止操作只需按下起動(dòng)/停止即可完成，操作簡(jiǎn)單明了。（2）確認(rèn)保護(hù)：為防止誤操作或無(wú)意觸碰，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了確認(rèn)對(duì)話框進(jìn)行安全保護(hù)。

2 性能效果

圖7 觸摸屏組態(tài)

本地源熱泵中央空調(diào)機(jī)組運(yùn)行后，運(yùn)行穩(wěn)定，相比傳統(tǒng)純電力、燃料中央空調(diào)一年可節(jié)約燃料費(fèi)用12萬(wàn)余元，為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況要求，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了很多功能：（1）系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)功能：系統(tǒng)在起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，如水壓、水位變低系統(tǒng)將運(yùn)行自動(dòng)保護(hù)程序，在水壓、水位恢復(fù)正常時(shí)又能自動(dòng)正常工作。（2）智能替換：當(dāng)1、2和3號(hào)內(nèi)循環(huán)泵發(fā)生故障時(shí)，4號(hào)內(nèi)循環(huán)泵能自動(dòng)開(kāi)始工作，并以故障泵的工作方式工作，當(dāng)故障泵恢復(fù)正常時(shí)，4號(hào)內(nèi)循環(huán)泵自動(dòng)退出工作。（3）實(shí)時(shí)可調(diào)定時(shí)：對(duì)控制系統(tǒng)流程運(yùn)行所有溫度均可隨時(shí)設(shè)定并保存；對(duì)690主機(jī)、120主機(jī)和3號(hào)內(nèi)循環(huán)泵起動(dòng)后延時(shí)時(shí)間可隨時(shí)設(shè)定；以上所有設(shè)定輸入確認(rèn)后立即生效。

3 結(jié)論

節(jié)能環(huán)保新能源開(kāi)發(fā)利用是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，地源熱泵中央空調(diào)比傳統(tǒng)能源空調(diào)高效便捷易于開(kāi)發(fā)利用且不會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染，在我國(guó)地表水資源豐富的地區(qū)均可引進(jìn)利用。