浅析地源热泵空调计算机控制系统设计

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摘要：从地源热泵空调计算机控制系统构成出发，简单阐述其优点及其功能，在把握大的设计原则的基础上，采用工控机作为监控管理层设备，以及采用变频器、PLC等作为现场控制设备，利用传感装置将被控制对象中的物理量转换为电信号传递给上层控制器，以及采用先进的通信方式确保地源热泵空调系统的高效稳定的运行。

关键词：地源热泵 空调 计算机 智能控制

Source Heat Pump Computer Control System On the Ground

(Beijing Qingshang Environmental Art & Architecture Design Institute Co.,Ltd.BeiJing, 100084)

Abstract: The ground source heat pump computer control system constitutes a departure, briefly discusses its advantages and its function in holding the main design principles based on the management of IPC as monitoring equipment, and frequency converter, PLC, etc., as the scene control equipment, sensing devices will be controlled by the physical object is converted to electrical signals passed to the upper controller and the use of advanced means of communication to ensure that ground source heat pump system, highly efficient and stable operation.

Key words: Ground source;Heat pump ;Computer;Intelligent control

地源热泵空调计算机控制系统是计算机控制系统一个很热的且有待于成熟的部分，它是自动化控制技术、自动控制理论、计算机辅助设计技术、通信与网络技术以及检测与传感技术等多项高新技术紧密结合的产物。借助计算机的稳定性以及快速强大的数值计算、逻辑判断等信息处理和加工分析能力，计算机控制系统可快速实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案，为现如今远程控制理论的应用提供了有力的工具。

1某地方地源热泵空调计算机控制系统的基本组成

我们所说的地源热泵空调计算机控制系统中的计算机，也就只是一个广义上的概念，既可以是数字信号处理器、单片机、嵌入式处理器或可编程控制器，也可以是各种功能组合而成的工业控制所使用的计算机等。为保证地源热泵空调的正常使用，对计算机控制系统进行了优化，其计算机控制地源热泵空调系统的基本结构框图如图1。

图1 计算机控制系统的基本结构框图

大部分计算机控制系统由主控制和被控制两部分组成，其内容组成见图2所示。本系统使用的应用软件是为实现某矿区办公楼以及家用地源热泵空调计算机控制而专门设计的可视化友好程序，其地源热泵空调计算机控制系统主要有操作权限程序、数据采集程序、数据查询修改程序、动作判定控制决策程序、输入输出数据系统、远程控制程序、和报警处理程序等。

图2 计算机控制系统的详细内容

在地源热泵空调计算机控制系统中，作为一个相互协调，相互制约的整体系统，内部程序不是简单的控制外部硬件，而是相互的反馈和反复执行命令，在程序设计以及硬件设计时必须注意两者之间的有机协调，才能研制出满足某地区某地区满足客户实际应用的高质量、稳定的地源热泵控制系统。

地源热泵空调计算机控制系统按照控制模式不同，可分为开环控制和闭环控制两种。在该系统的开环控制中，各信号是从输入端到输出端单向传递的，不存在信息反馈，这种系统结构简单容易实现，且成本较低，但控制精度难以保证，适用范围较为狭窄，仅仅适用于元件工作特性较为稳定、干扰较小、控制精度要求不是不高的场合。在其系统闭环控制中，信号输出端和被控端之间存在正向和反向两条通道，其中一条从输出端向被控端传递信号的前向通道外，还有一条被控端向比较元件传递信号的反馈通道，因此我们把这种控制模式叫做反馈控制。

2地源热泵空调系统的优点

地源热泵空调计算机控制系统因采用了计算机模拟控制，与其传统空气源热泵中央空调的供热或制冷方式相比，很显然具有如下几方面的优点：

(1)系统在正常工作中，应用新技术新工艺，仅使用无污染、可再生且廉价的地下水源清洁能源，特别是对于煤矿开采中排水量较大的煤矿小区使用，环境效益十分显著，符合绿色城市建设的需要。

(2)地源热泵空调计算机控制系统是一项高效节能环保的新技术，因采用煤矿地下水，并辅以瓦斯或煤矸石发电进行加热等技术，其运行费用与其他常见方式相比较低。

(3) 地源热泵空调计算机控制系统采用计算机自动控制，其舒适度和自动化很大程度提高。采用地源热泵空调系统制冷和供暖的建筑，其室内温度相对稳定且持续时间有保障，设计上可辅以其他机械适当加大新风量以保证室内的舒适度。在制冷或供暖的同时还可提供生活热水，经济便捷实用。

(4)地源热泵系统采用计算机远程控制技术，可完全实现远程智能信息反馈自动化控制，几乎不需要人工干预，减轻了人工作业强度。

3地源热泵空调计算机控制系统实现的主要功能

地源热泵空调计算机控制系统要完成的主要功能有三个：

操作权限功能：在系统使用权限上设置不同的等级，可以方便系统的管理与应用，防止不法分子的破坏或者非工作人员的误操作，增加了系统的安全性。

动作判定控制决策功能：在客户端均匀安装若干传感器，通过网络传输，并且借助计算机强大的数据记录和处理能力，对采集到的各种反馈信息使用BP神经网络、模糊数学等理论，进行统计、分析和处理，并按系统设定好的的控制规律，做出控制命令，通过输出端数据线控制远程系统调节系统；

实时数据采集：对来自测量信息实现即时的信息采集，去除不用的信息，保存具有价值的数据信息，为后期的研究和故障判断积累数据；

报警处理功能：对于错误或者重大的决策，采用了报警处理功能，可以防止工作人员的误操作。

实时控制输出：根据控制决策，通过数据线远程适时地对系统执行部件发出控制信号，完成控制任务。

4地源热泵空调计算机节能控制系统设计

4.1地源热泵控制系统设计的基本原则

地源热泵中央空调计算机节能控制系统的最终目的是使其空调系统工作中能够满足各个楼层各个用户的制冷、制热以及热水供应的需要，同时还要更大程度地节约电能，保护环境等，于是，该设计总体方案构建的是否合理高效就直接决定了控制系统能否成功的实施应用。

地源热泵中央空调计算机节能控制系统的设计应根据地源热泵空调的运行模式进行，并遵循以下几方面的原则：

（1）其控制系统应做到最大程度的节能，这是地源热泵的设计宗旨，也是最根本的目的。

（2）其控制系统应稳定可靠。地源热泵空调系统由于存在室内外换热部分，为确保其在不同的条件下能够长期稳定的运行使用，设计的控制系统的可靠性稳定性一定要充分重视。

（3）其控制系统智能化程度要高。地源热泵空调系统的运行环境极为复杂，个别地方的环境还十分恶劣，控制系统应能完成室内外不同环境温度和湿度、地热水温度、热泵机组出口水温以及流量的实时测量，并在此基础上应用先进的可靠地数值分析方法计算出各种负荷及烩值等，远程智能地进行逻辑判断并作出相应的运行控制，以跟随其系统自身各级负荷的变化，对系统作出最佳工作状态。

（4）其控制系统的协作性要好。地源热泵空调中的加热器、压缩机等设备均建立在各级负荷分配的基础上，为了保证协作顺畅，满足实际生活需要，应保证控制系统与其他设备之间相互匹配。

4.2地源热泵控制系统总体设计思路

地源热泵空调控制系统的总体设计方案如图3。

图3 地源热泵空调计算机控制系统整体结构图

地源热泵中央空调计算机节能控制系统中，通过安装在建筑内部的各类传感器，检测室地热出口水温及流量、内外环境温度和湿度、地热水温度、冷冻水的进出口温度和流量等参数，并将这些测量反馈的模拟数据转换为数字信号经通过BP神经网络、模糊数学或者支持向量机等理论算法进行运算之后发出相应的控制指令。由控制中心实施对冷却水泵和冷冻水泵的台数及频率作出相应的控制。其系统还可附加键盘、触摸板、显示电路和故障报警电路等设备进行进一步的优化。

4.3地源热泵计算机控制系统的结构

地源热泵空调系统的作用是通过提取地表浅层的土壤热源进行热交换，从而为用户制冷或供暖，并同时提供生活使用的热水。整个系统采用工业PC集中控制的设计方式，分为系统监控管理层、系统终端控制层和数据采集变送层三个层次。其系统结构框图如图4所示。

图4 地源热泵计算机控制系统结构系统结构框图

在系统监控管理层，采用硬盘容量大，计算速度快，稳定性能高的工业PC作为主体监控机，其与各信息采集终端的通信依赖于MPI多点接口。终端安装的终端机械的作用是对地源热泵空调系统进行远程集中操作控制。管理人员可以直接通过终端工控机方便快捷准确地查看空调现场系统运行状况，对水泵、风机、压缩机、过滤机等电气设备进行参数调整和实时控制。利用终端工控机强大的数据存储能力，还可将本系统运行过程中产生的所有历史数据存储在终端中控计算机的数据库中，方便今后的查询和研究。这些数据对空调的优化设计具有十分重要的意义，计算机可以用这些历史数据使用数理统计以及数值分析等数学方法，产生空调系统优化的的各种参数报表，为今后的设计研发提供了重要资料。

在终端控制层，一般采用能适应恶劣环境、抗干扰能力强的PLC控制器作为系统中间部分的控制核心，由PLC以及电器回路组成。PLC通过远程MPI多点接口与终端工控机通信，将现场采集到的各种有用信息信息传送给终端计算机上，终端计算机在对这些信息进行快速分析处理之后作出相应的控制命令传回给PLC控制器，由PLC控制器对现场设备进行相应的调整。PLC通过数据总线与各个变频器进行通信，可以分别对地下深井水泵、循环水泵、风机和变速器等进行启停控制或电机变速设置。

现场数据采集变送层位于其控制系统的最前端，设置有温度、湿度等多种信号传感器、传输器以及变送器，主要完成现场数据的采集、预处理、变送和数据的加密传输等工作。利用传感器采集地地热水出水压力、热水进出口水温、风机送风温度和回水温度、热泵出水温度和回水温度、室内外的温湿度等信息，并由变送器将这些压力、温度、湿度等物理量转换成电信号再传送给PLC控制器进行数据处理。

5小结

现如今计算机飞速发展，其远程控制技术己深入到人们生活的各个领域，利用计算机强大的逻辑运算能力，再结合BP神经网络、支持向量机以及模糊数学等数值分析理论，可组成多种多样的控制系统，完成众多智能控制系统。采用终端工控机作为监控管理层设备，以PLC等作为现场控制设备，利用传感装置将被控制对象中的温度湿度等物理量转换为电信号送给集中控制器。再加之采用加密的通信方式可确保地源热泵空调系统的高效稳定运行。

参考文献：

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。