基于PLC的水源热泵空调系统在大型商业建筑中的应用

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[摘 要] 中央空调系统是现代大型商业建筑中不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。而当今社会环境污染与能源危机已成为全人类必须面对并要加以解决的重大课题，在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应运而生，而基于plc的水源热泵技术正是满足这些要求的比较有代表性的低耗能新型供暖空调技术。

[关键词] 中央空调系统 商业建筑 PLC 水源热泵技术

一、引言

水源热泵系统（WLHPS：Water Loop source Heat Pump System）国外又习惯称作闭式环路水源热泵系统。水源热泵空调系统只取水中的热或冷而不消耗水，并且基本作到水体或地层蓄能的年平均能量平衡，不会造成任何污染。近几年以来，我国采用水源热泵空调系统的现代大型商业建筑也逐年增多。目前，在深圳，上海，北京以及一些中小城市均有工程实例，例如，北京天安大厦、上海锦江饭店、西安建国饭店、青岛华侨饭店、深圳同贸大厦等均采用了闭式环路水源热泵空调系统。特别是2008年奥运会将在北京举行，为办好本届绿色奥运，水源热泵式中央空调已成为2008年北京奥运会指定选用的空调型式。水源热泵在我国的推广应用前景极其广阔。

二、系统硬件设计

本文结合一个正在运行的工程实例，对水源热泵空调系统作进一步探讨。该工程实例用GP和PLC技术对水源热泵机组系统进行运行监控，包括井水泵、循环泵和压缩机的启停控制，压缩机的加卸载控制以及各温度的实时监控、显示和各种故障情况的报警及连锁保护控制等。实验结果表明，PLC和GP技术可以保证水源热泵空调机组正常可靠运行。本控制系统的核心部件采用德国SIEMENS公司S7-200系列可编程控制器，考虑到控制系统的规模，CPU选用6ES7-CPU214，带有扩展模块2块EM235、1块EM222和1块EM223；本控制系统的实际物理点数为13点数字量输入、22点数字量输出、6点模拟量输入。系统人机界面采用日本Digitail公司的GP37W2触摸屏，用于监视系统运行状况和设置工作参数，操作界面采用中文对话方式，易于操作。通过配置通讯适配器实现西门子MPI协议和RS232串行通信协议的转换，实现触摸屏和PLC之间的数据通信。温度传感器采用中美合资北京ACT公司生产的TD-6112-8000。系统构成如图：

三、系统软件设计

根据水源热泵机组的控制要求设计PLC程序，包括机房系统有关设备制冷制热两种工况下、自动和手动两种启停控制方式下各需求检测量(温度、能量级、故障、运行状态、辅助设备状态等)的实时检测、实时反馈处理与实时显示等，故障及时检测与报警处理以及各种保护的及时实现等。

以下主要介绍几个关键技术的实现:

1.对温度的控制设计

温度处理的核心部件是模拟量模块EM235。按照面向对象的思想，PLC控制程序主要通过在OB1(主程序)中多次调用子程序块实现对每一温度模拟量的处理,每一温度模拟量都是通过采样、量化将其转化为数字量。为了降低采样误差，减少显示值波动跳变以增加采样值稳定性和提高控制程序可靠性，鉴于系统特性，程序设计每个模拟量平均采样时间5秒，5秒内每秒对该模拟量采样1次，取其5次的平均值作为该运行时刻的温度值，存储到模块内部的V区，以供主程序调用。

2.对故障的检测处理

程序设计了对故障的实时检测，当管路系统出现共性非紧急故障(包括:压机油位保护、压机油压差保护和压机吸排气压力保护)时，机组投入快速卸载运行，每台压机先转入25%能量运行60秒后停机;当机组系统出现紧急故障(包括:压机电子保护、压机过载保护、电源保护和水流量开关保护)时，故障压机或系统立即停止运行。待故障消除后，可以重新自动投入运行。只要系统出现故障，程序将给出声光报警，控制柜上的故障指示灯和故障电铃显示和报警。操作人员可在触摸屏上查看故障原因，以便决定处理方法。

3.机组运行

按照结构化程序设计的思想，PLC控制程序主要通过多次使用编程工具中的比较指令和位逻辑指令等实现温度二维模拟方式并参考结合时间参数共同控制实现加、卸载的调度。机组分自动和手动两种工作方式。

自动制冷方式下：启动循环泵启动井水泵启动压机压机上载。

自动制热方式下：启动井水泵启动循环泵启动压机压机上载。

当选择手动方式时，井水泵、循环泵或压机都会单机运行。手动方式下压机的上卸载过程执行自动方式下的上卸载程序。

4.系统控制的优化

为了保证整体机组部件使用寿命平均，维护量基本相同，程序运用平均压缩机运行时间的优化控制模式均衡两台压机工作时间，即工作时间长者后启动先停机，工作时间短者先启动后停机；并且根据井水温度和循环水温度调节热泵的运行工作状态。

5.试运行

本程序编制了试运行时间控制这一特殊功能，在试运行期间，当机组的累计工作时间大于或等于调试人员预设定的机组限定时间后，机组将停止运行直到供应商根据试运行状态等去取消试运行。本功能的应用不但可让供应商可以准确掌握机组试运行期间内现场运行一手材料，还可以在一定程度上帮助供应商及时收回机组货款。

6.压缩机运行时间的累计

为了保持系统运行良好，必须定期对系统进行维护保养。本系统对压机的运行时间进行累计，累计值能够断电保持，即关断电源后累计值还存在。操作人员可以根据所显示的运行时间来安排系统的维护工作，为设备的管理提供了方便。

7.密码保护

为了保证系统操作的安全性，在人机界面中设置了用户等级，通过用户登录输入密码确定操作权限。0级为操作工级，无须输入密码；1级供机组管理人员使用，可以进入设置温度修正参数、加卸载间隔时间和加卸载温差；2级供厂商的调试和厂家技术人员使用，可以设置试运行的启用或关闭、修改机组运行时间。

四、结论

该控制系统通过PLC软件解决了机组控制系统复杂，故障点多的难点，通过GP方便地实现了人机对话，做到了性能可靠，控制精确，人机对话友好，能够满足用户的使用要求。基于PLC的水源热泵空调系统既节能又环保，该技术在我国的推广应用前景极其广阔。

参考文献:

[1]丁卫东 袁鲁滨:水源热泵技术在供热空调工程中的应用.节能，2002(5）

[2]徐伟等译:地源热泵工程技术指南.北京:建筑工业出版社，2001

[3]李先瑞 郎四维:热泵的现状与展望.建筑热能通风空调，1999(3）