摘 要 將HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC應(yīng)用于水源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)，給出了PLC的I/O點(diǎn)分配表，介紹了控制系統(tǒng)組成和軟件設(shè)計(jì)思路，提出了一種隨機(jī)啟停的壓縮機(jī)控制方法。
關(guān)鍵詞 PLC；水源熱泵；中央空調(diào)；控制系統(tǒng)；壓縮機(jī)；
分類號(hào) TP332；TP391

1 引言

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用自然水源作為冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)，其核心技術(shù)是水源熱泵技術(shù)。所謂水源熱泵技術(shù)，是利用地球表面淺層水源所吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，并采用熱泵原理，通過(guò)少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。河水、湖水、地下水等地球表面淺層水源吸收了太陽(yáng)輻射的能量，水源的溫度十分穩(wěn)定。在夏季，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)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(diào)系統(tǒng)從水源中提取能量，根據(jù)熱泵原理，通過(guò)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(diào)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[1][2]。
空調(diào)系統(tǒng)的控制主要分為繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器（DDC）系統(tǒng)和可編程序控制器（PLC）系統(tǒng)等級(jí)幾種。由于故障率高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗高等明顯的缺點(diǎn)，繼電器控制系統(tǒng)已逐漸被淘汰。DDC控制系統(tǒng)雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展，但由于其本身抗干擾能力差、不易聯(lián)網(wǎng)、信息集成度不高和分級(jí)分步式結(jié)構(gòu)的局限性，從而限制了其應(yīng)用。相反，PLC控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，在智能建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可維護(hù)性，目前空調(diào)系統(tǒng)都傾向于采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的PLC來(lái)進(jìn)行控制[3]。
本文介紹和利時(shí)公司HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC在水源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，說(shuō)明了HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC可以很好地實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)智能化控制，達(dá)到減少無(wú)效能耗、提高能源利用效率和保護(hù)空調(diào)設(shè)備的目的。

2 空調(diào)系統(tǒng)介紹

北京市某單位的辦公樓采用水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，總建筑面積8550m2，建筑高度20.5m，其中空調(diào)面積約6840m2。地下1層為各種設(shè)備房和操作間，地上1層為職工食堂、大廳和會(huì)議室，地上2～6層為商業(yè)辦公用房。

室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度等技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)要求如表1所示。水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制冷量為860kW，制熱量為950kW。空調(diào)的主機(jī)系統(tǒng)由四臺(tái)壓縮機(jī)組成，水源水系統(tǒng)由取水井、滲水井和水處理設(shè)備組成。

表1 室內(nèi)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)要求


3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)主要是根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出水溫度的變化來(lái)控制4臺(tái)壓縮機(jī)的啟停，使水溫穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)。4臺(tái)壓縮機(jī)分成A和B兩組，每組各有2臺(tái)壓縮機(jī)。系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配如表2所示，其中開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)4個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)5個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。

表2 系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配表


根據(jù)輸入和輸出的要求，該水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的控制器選用和利時(shí)公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC。考慮到此系統(tǒng)需要一定的備用I/O點(diǎn)，CPU模塊選擇帶有24點(diǎn)開(kāi)關(guān)量的LM3107，其中開(kāi)關(guān)量輸入14點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出10點(diǎn)。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(jī)界面選用EView觸摸屏。PLC控制系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的組成如圖1所示，這些配置完全能夠滿足系統(tǒng)的要求[4][5]。


圖1 PLC控制系統(tǒng)的組成

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主要功能是對(duì)熱泵進(jìn)行自動(dòng)啟停，顯示溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)，顯示壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，記錄設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和故障原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的智能控制。從控制系統(tǒng)的主要功能出發(fā)，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(diào)用功能塊、功能塊調(diào)用函數(shù)的程序結(jié)構(gòu)。PLC程序由1個(gè)主程序、11個(gè)功能塊子程序和1個(gè)函數(shù)組成，其調(diào)用關(guān)系如圖2所示。程序編譯碼占用空間為30K。
程序設(shè)計(jì)的思路是，當(dāng)PLC上電后，一直進(jìn)行溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)，這些檢測(cè)主要在檢測(cè)程序、故障程序和A/B組故障停機(jī)程序中完成。如果相關(guān)參數(shù)均無(wú)異常，則開(kāi)機(jī)功能塊子程序運(yùn)行，啟動(dòng)壓縮機(jī)。在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行溫度判斷。如果溫度達(dá)到了設(shè)定值，則進(jìn)入調(diào)節(jié)功能塊子程序，停止開(kāi)機(jī)功能塊子程序，完成開(kāi)機(jī)。根據(jù)溫度的變化，調(diào)節(jié)功能塊子程序控制壓縮機(jī)的啟停。變頻器的控制則是通過(guò)調(diào)用加載程序和降載程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在這些程序中，為了滿足壓縮機(jī)的使用要求，調(diào)節(jié)功能塊子程序是最繁瑣的，例如壓縮機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間要小于30秒、壓縮機(jī)每小時(shí)的啟動(dòng)次數(shù)不要超過(guò)5次等。為了平衡壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，增加空調(diào)的使用壽命，傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用先啟先停、先停先啟、開(kāi)機(jī)過(guò)程中啟動(dòng)次序輪換等控制方法，來(lái)協(xié)調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。但是，如果本系統(tǒng)采用這種方法，則仍然存在某一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。因此決定對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，采用隨機(jī)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(jī)的運(yùn)行時(shí)間不平衡的問(wèn)題。

圖2 程序調(diào)用關(guān)系圖

人機(jī)界面選用EView觸摸屏，首頁(yè)如圖3所示。輸入密碼后，點(diǎn)擊功能菜單，在彈出的快捷窗口中，可以選擇參數(shù)查詢、運(yùn)行時(shí)間、故障查詢、運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定、調(diào)節(jié)顯示、操作界面等子菜單，進(jìn)行相關(guān)的操作和顯示。


圖3 人機(jī)界面首頁(yè)

5 結(jié)論

采用傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱泵的控制，由于機(jī)械接觸點(diǎn)很多，接線復(fù)雜，參數(shù)調(diào)整不方便，而且機(jī)械接觸點(diǎn)的工作頻率低，容易損壞，可靠性差。采用直接數(shù)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(lián)網(wǎng)、信息集成度不高和分級(jí)分步式結(jié)構(gòu)的局限性，因此，越來(lái)越不能滿足復(fù)雜多變的智能控制要求。
采用PLC來(lái)控制熱泵系統(tǒng)，不僅可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，而且可以在很大程度上簡(jiǎn)化硬件接線，提高控制系統(tǒng)可靠性，用戶操作界面友好，信息集程度高，便于實(shí)現(xiàn)智能控制。因此，在熱泵空調(diào)領(lǐng)域，PLC控制系統(tǒng)取代DDC控制系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)
[1] 王芳，范曉偉，周光輝. 我國(guó)水源熱泵研究現(xiàn)狀[J]. 流體機(jī)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(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào),
2004, 23(2):26-31.
[3] 智能建筑中央空調(diào)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).
http://www.cps.com.cn/protech/1/2005/12/12/0177820051212.htm
[4] 杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司. HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC硬件手冊(cè)，2006
[5] 杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司. HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC軟件手冊(cè)，2006