基于PLC的水源热泵节能控制系统

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防范措施
一次调频参数的小小改动，造成了一次机组跳闸事
故，可见，逻辑参数设置的不当，也会危及机组的安全 运行。ＤＥＨ 逻辑设计严密，必须对逻辑进行全面深入分 析，对其彻底掌握后，才允许对逻辑参数进行修改。 设置一次调频参数时，要根据调频量的单位，对其 转换系数进行正确的设置，如本案例中的调频量 Ｘ １ ５ １ 是以 ＭＷ 为单位的，所以正确的 Ｋ１、Ｋ２ 应分别为 ０．１５６２５ 和 １，若单位为 ％，则 Ｋ１、Ｋ２ 分别为 １ 和 ６．４。机组投
图６ 触摸屏程序结构
入一次调频前，Ｋ１ 、Ｋ２ 默认值为 １ 是不正确的，必须 设置正确后才能投入一次调频，这一点需要特别的注 意。 ＤＥＨ 系统静态调试时，要对各项功能进行所有情况 下的仿真测试，彻底消除逻辑存在的隐患。如对 ＤＥＨ 遥 控功能测试时，至少要在 ＤＥＨ 变负荷过程中、功率回路 投入、调节级压力回路投入、一次调频投入（分有 ／ 无 调频量情况下分别进行）等方式下进行投 ／ 退遥控功能 的测试，检查 Ｄ Ｅ Ｈ 系统是否正常。
图３ ＰＬＣ控制系统组成图
３．３ 控制系统软件设计 方案的控制系统以回水温度为控制目标，通过控制压缩机 的能级及水泵的流量，把回水温度控制在给定值上。基于 ＰＬＣ 的水源热泵节能控制系统程序流程图如图 ４ 所示。
图２ 冷却水系统闭环控制框图
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控制系统设计
３．１ 水源热泵系统设备 以某医院病房水源热泵系统为例，有两台螺杆压缩机，每 台输入功率 ６５ｋＷ，Ｙ－ △起动，每台压缩机带有 ３ 个能量调节电 磁阀，使压缩机能分别工作在 ２５％、５０％、７５％、１００％ 能级。每 台压缩机带有排气温度过高保护，内部温度过高保护，高、低 压力保护，油压差保护，均为开关量。系统有冷冻水泵两台（１ 台备用），功率均为 １１ｋＷ，冷却水泵两台（１ 台备用），功率均为 １５ｋＷ，每台泵各匹配一个变频器。系统设水流开关两个，一个用 于冷冻水水流，一个用于冷却水水流，两个水流开关中任何一 个在断时，压缩机不能起动。这些设备和保护元件都需要检测 其运行状态和起、停控制，都是开关量。 ３．２ 控制系统硬件配置 根据系统分析和控制要求，系统安全运行要求控制端计有：系 统启动 ／ 停机按扭 ２ 个，压缩机排气温度保护 ２ 个，高、低压保护 ４个，内部温度过高保护２个，油压差保护２个，电机过流保护６个， 水泵电机保护 ４ 个，水流继电器 ２ 个，出水温度过低保护 １ 个，电 源相序保护２个，共要求控制系统根据运行输入２７个开关量以及 ４ 个模拟量信号，对这些信号进行处理后，给出的控制信号包 括：驱动水泵变频器 ４ 个，驱动压缩机运行 ６ 个，驱动压缩机能量 调节电磁阀 ６个， 驱动水回路电磁阀２个，共计输出开关量１８个。 根据以上系统要求的输入／输出端数量和系统特性， 选择日 本欧姆龙（ＯＭＲＯＮ）公司生产的 ＰＬＣ 系列产品组成控制系统，包 括有 ＣＰ１Ｈ－ＸＡ４０ＤＲ－Ａ 型号的 ＰＬＣ １ 台，ＮＴ５Ｚ－ＳＴ１２１Ｂ－ＥＣ 型 号的触摸屏 １ 台，３Ｇ３ＲＶ 系列的变频器 ４ 台，ＣＰＭ１Ａ－ＴＳ１０２ 型 号温度传感器单元 １ 台组成。其中触摸屏和变频器通过 ＲＳ－４８５ 串行通讯接口连接到 ＰＬＣ 。温度传感器单元通过其所带的扩展 Ｉ／Ｏ 连接电缆和 ＰＬＣ 相连，４ 路 Ｐｔ１００ 直接连接在温度传感器单 元的接线端。
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 ； ； ；
图１ 冷冻水系统闭环控制框图
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２００８ 年 １０ 月刊
AUTOMATION PANORAMA
当水源热泵系统首次起动时，电机在工频下全速运行，冷 冻水系统充分循环一段时间，然后再根据冷冻回水温度对频率 进行无级调速。其目的是促进冷冻水的流动，保证换热效果。 ２．２ 冷却水系统 水源热泵系统采用温度不变的地下恒温水源作为冷凝器的 冷却水源，负荷变化，冷凝器散发的热量也会变化。取冷凝器 两侧冷却水的温度作为控制参数，维持温差不变， 采用温度传感 器、ＰＬＣ 和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统，调节冷却水泵 的转速，从而调节冷却水流量跟随热负载变化。系统在满足冷 却需要的前提下，可以避免水泵全功率运行，达到节电的目的。
摘要：水源热泵作为一种用地下恒温水源代替冷却塔的高效节能空调， 在实 际应用中，还应充分考虑主机、 冷冻水泵和冷却水泵等消耗能量最大的设备 的节能问题。 本文重点阐述了水源热泵系统中冷冻水和冷却水系统的变频节 能原理、闭环节能控制方案和对控制系统的设计。实践证明，此控制系统实 现了对水源热泵系统从电路到水路的最高效率控制。 关键词：水源热泵；节能；ＰＬＣ；控制系统
（郑州牧业工程高等专科学校，河南 郑州 ４５００１１）胡晓波，程花蕊 （河南科技大学， 河南 洛阳 ４７１００３） 彭晓楠
采用这种控制方式，可以把进回水的温差固定在一个较大
胡晓波（１９７７ －）
男，陕西岐山人，讲师，硕士，主要从事自动 控制教学及科研工作。
的给定值上，在用户负荷较小时，通过减少流量来满足用户要 求，这样水泵的能耗可以大大减少。随着冷机技术的进步，蒸 发器的流量可以在额定流量的 ６０％－１００％ 范围内变化，这样就 为采用交流变频调速器对水源热泵系统中的水泵进行变流量节 能控制提供了技术保证。本文将利用 ＰＬＣ 、触摸屏和变频器对
水源热泵进行变频节能控制。
２
变频节能控制方案
采用变频器配合可编程控制器组成控制单元， 其中冷却水
泵、冷冻水泵均采用温度自动闭环调节，即用温度传感器对冷 却水、 冷冻水的水温进行采样，并转换成电信号（一般为４－２０ ｍＡ， ０－１０ Ｖ 等）后送至 ＰＬＣ，通过 ＰＬＣ 将该信号与设定值进行比较再 作 ＰＩＤ 运算后，决定变频器输出频率，以达到改变冷冻水泵、冷 却水泵转速，从而达到节能目的。 ２．１ 冷冻水系统 系统采用定温差变流量的方式运行，在保证最末端设备冷 冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻水泵变频器工作的最小 工作频率作为水泵运行的下限频率并锁定；将电动机工频设定 为上限频率，改变变频器频率就可以调节系统的流量。另一方 面，在系统运行时，由于低温冷冻水温度取决于蒸发器的运行 参数，一般冷冻水出水温度设定为 ８－１０℃，因此， 只需控制高温 冷冻水（回水）的温度，即可控制温差。 为了确保冷冻水的出水回 水温差在设定的范围内，方案采用温度传感器在冷冻水入口测 量水温 Ｔ ，并与 Ｐ Ｌ Ｃ 、变频器及水泵组成闭环控制系统，将冷 冻水回水温度控制在△ Ｔ（一般取 ５－７℃） 。当负荷发生变化，回 水温度跟着变化，控制系统跟着温差的变化调节水泵的转速从 而调节系统冷冻水的流量，直到满足新的负荷对冷冻水流量和 温差要求。
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结束语
实践证明：由 ＰＬＣ、触摸屏和变频器组成的水源热泵节能
控制系统，具有如下优点： （１）根据实际需要负荷的变化自动调节压缩机的能级和水 泵的转速，实现了从电路到水路的最高效率控制。 （２）采用变频控制，实现对电机的软启动和软停止，减少 对电网和设备的电气及机械冲击，还可以减少设备的磨损及维 护，延长主泵电机的使用寿命。 （３）采用触摸屏监控，一方面可以很方便设置系统参数和 调整工况，另一方面能实现对系统运行情况的实时监控。 总之，基于 ＰＬＣ、触摸屏和变频器的闭环控制系统已在水 源热泵等中央空调系统中得到广泛应用，运行状况良好，节能 效果显著，受到了用户的好评，具有很好的应用前景。
图５ 模拟量处理流程 图４ ＰＬＣ程序流程
主程序主要功能为现场运行各泵的启停切换提供信号、以 及处理模拟量和与触摸屏通信数据等。可以分为 ４ 个部分：系 统初始化、模拟量处理程序、触摸屏通信程序和主控程序。当 用户的负荷发生变化时，控制系统检测到冷冻水出水和回水的 温差超过触屏设定值之后，程序自动跳入到中断处理程序。及 时调整变频器输出频率，调整水泵的转速改变冷冻水流量，使 冷负荷满足新的要求，中央空调的温度回到设定的范围内。程
技术纵横
Method
方法
文献标识码 Ｂ 文章编号 １００３－０４９２（２００８）１０－００８０－０３ 中图分类号 ＴＰ２７３ ： ： ：
基于 ＰＬＣ 的水源热泵节能控制系统
The Energy-saving Control System Based on PLC for Water Source Heat Pump