楊軍紅

基于PLC的水源CO2熱泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊軍紅

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650200）

水源CO2熱泵是一種高效、環(huán)保的制熱設(shè)備，在熱泵制熱過程中如何快速、高效、穩(wěn)定的獲取高溫?zé)崴菬岜每刂频年P(guān)鍵，結(jié)合水源CO2熱泵的實(shí)際應(yīng)用，闡述如何利用PLC、變頻器及觸摸屏來進(jìn)行熱泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

熱泵；PLC；觸摸屏；變頻；PID控制

0 引言

水源CO2熱泵是一種以CO2作為冷媒的水源（工業(yè)廢水、地下水等）余熱回收設(shè)備，其與傳統(tǒng)的熱泵相比具有綠色環(huán)保、COP高、出水溫度高等特點(diǎn)。水源CO2熱泵是一種遵循逆卡諾原理能量轉(zhuǎn)換設(shè)備[1]，工作時(shí)消耗小部分電能，就能從工業(yè)廢水、地下水等水源中吸收大量余熱，然后通過壓縮機(jī)做功輸出高溫?zé)崮埽瑥亩_(dá)到水源余熱回收利用的目的。

水源CO2熱泵主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷疑器、膨脹裝置四部分組成，熱泵制熱過程中通過讓CO2冷媒不斷完成蒸發(fā)（冷媒吸收熱量）→壓縮→冷疑（冷媒釋放熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程[2]，從而對(duì)工業(yè)廢水、地下水等水源中的熱量進(jìn)行回收利用，熱泵原理如圖1所示。

圖1 水源CO2熱泵原理圖

1 控制系統(tǒng)方案

水源CO2熱泵運(yùn)行的最終目的是通過壓縮機(jī)做功將工業(yè)廢水、地下水等熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到生活用水中，如何快速、高效、穩(wěn)定的獲取高溫?zé)崴菬岜每刂频年P(guān)鍵。在水源CO2熱泵的實(shí)際使用過程中，由于工業(yè)廢水、地下水等水源的溫度及冷水溫度相對(duì)穩(wěn)定，若作為熱量來源的水源流量也相對(duì)穩(wěn)定（水源泵定頻運(yùn)行），則熱泵熱力循環(huán)轉(zhuǎn)移的熱量也是一定的，因此可通過對(duì)水源CO2熱泵的冷水泵進(jìn)行變頻控制，利用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)冷水泵水流量（冷水進(jìn)水流量）來快速穩(wěn)定、調(diào)節(jié)熱水出水溫度[3,4]。

冷水泵的變頻控制可以通過PLC加變頻器的方式來實(shí)現(xiàn)，熱泵熱水出水端安裝有溫度傳感器，PLC模擬量輸入端子可采集熱水出水端溫度傳感器信息（4～20mA模擬信號(hào)），然后由PLC根據(jù)實(shí)時(shí)采集的熱水出水溫度進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，并通過變頻器改變冷水泵的運(yùn)行頻率。

2 控制系統(tǒng)硬件

水源CO2熱泵控制系統(tǒng)硬件由PLC及相應(yīng)I/O模塊、觸摸屏、變頻器組成。PLC選擇瑞士ABB公司AC500系列的PM554-TP-ETH及相應(yīng)I/O擴(kuò)展模塊（AX561、DO5611各一個(gè)），其可提供4個(gè)模擬量輸入端子、2個(gè)模擬量輸出端子、8個(gè)數(shù)字量輸入端子以及14個(gè)數(shù)字量輸出端子，變頻器選擇海利普的HLPNV0D7543B，觸摸屏選用威倫通MT6070IQ。觸摸屏與PLC之間通過RS485串口進(jìn)行通訊，熱泵熱水出水端溫度傳感器、變頻器等通過I/O擴(kuò)展模塊與PLC相連。

3 控制系統(tǒng)軟件

水源CO2熱泵控制系統(tǒng)軟件包括PLC軟件和觸摸屏軟件兩部分，PLC軟件主要是完成熱泵壓縮機(jī)、水源泵、冷水泵、膨脹裝置電磁閥等部件的啟/停、熱水出水溫度采集、冷水泵的頻率調(diào)節(jié)以及故障判斷；觸摸屏軟件則主要是完成熱泵啟停操作、參數(shù)設(shè)置、信息顯示及故障報(bào)警提示等功能。

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件采用易看懂、易編程的梯形圖語言（LD）編寫，軟件采取模塊化設(shè)計(jì)，其由初始化及參數(shù)存取、I/O輸入處理、故障診斷、啟?？刂啤㈩l率調(diào)節(jié)、I/O輸出處理六個(gè)模塊組成，各模塊功能如下：

（1）初始化及參數(shù)存取：參數(shù)初始化及掉電保持區(qū)數(shù)據(jù)讀取與保存；

（2）I/O輸入處理：將溫度傳感器輸入4～20mA模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)；

（3）故障診斷：故障判斷及定位；

（4）啟?？刂疲?jiǎn)⑼Ｅ袛唷㈩l率調(diào)節(jié)模塊的調(diào)用以及壓縮機(jī)、水源泵、冷水泵、電磁閥的啟/停；

（5）頻率調(diào)節(jié)：通過積分分離PID控制調(diào)節(jié)冷水泵運(yùn)行頻率；

（6）I/O輸出處理：將冷水泵運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)換成4～20mA模擬量信號(hào)進(jìn)行輸出。

PLC軟件流程如圖2所示。

圖2 PLC軟件流程圖

PLC軟件燒寫在PLC的程序內(nèi)存中，PLC上電時(shí)，軟件以自上而下的方式掃描運(yùn)行，在水源CO2熱泵無故障報(bào)警時(shí)，通過觸摸屏操作啟動(dòng)熱泵，啟停控制軟件模塊運(yùn)行并實(shí)時(shí)檢測(cè)熱水出水溫度，當(dāng)檢測(cè)到的溫度與設(shè)定溫度的差值超過閥值時(shí)開始調(diào)用頻率調(diào)節(jié)模塊，然后通過積分分離PID控制調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率降低或提高冷水泵水流量來控制熱水出水溫度。

在PID控制系統(tǒng)中，積分控制的引入主要是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但在調(diào)節(jié)過程的開始、結(jié)束及大幅度調(diào)節(jié)時(shí)可能會(huì)引起系統(tǒng)的超調(diào)或振蕩，從而使得穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)于用戶來說快速穩(wěn)定熱水出水溫度是需要的，因此積分分離PID控制算法將更加適合用于冷水泵的頻率調(diào)節(jié)。積分分離PID控制的基本原理是當(dāng)被控制量與設(shè)定值偏差較大時(shí)取消積分作用，避免因積分作用導(dǎo)致控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、超調(diào)量增大；當(dāng)控制量接近設(shè)定值時(shí)再引入積分作用，消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度[5-8]。

采用積分分離PID控制的頻率調(diào)節(jié)模塊程序流程如圖3所示。

圖3 頻率調(diào)節(jié)模塊流程圖

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

水源CO2熱泵變頻控制系統(tǒng)采用威倫通MT6100觸摸屏作為人機(jī)操作界面，通過人機(jī)操作界面可以完成熱泵的啟停操作、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行信息顯示以及報(bào)警提示等功能，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作界面與PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控?zé)岜脵C(jī)組的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)一體化管理。觸摸屏軟件主要由主界面、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警及復(fù)位三個(gè)界面組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 觸摸屏軟件結(jié)構(gòu)

觸摸屏上電啟動(dòng)時(shí)軟件自動(dòng)進(jìn)入主界面，在主界面可以顯示熱水出水溫度、水源進(jìn)水溫度、冷水泵頻率、熱泵各組部件運(yùn)行狀態(tài)等信息，并可以對(duì)熱水出水溫度進(jìn)行設(shè)置；參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置PID控制參數(shù)、熱泵運(yùn)行參數(shù)等；故障報(bào)警及復(fù)位界面則可以查看熱泵運(yùn)行過程中的故障報(bào)警信息，解除相應(yīng)的故障報(bào)警。

4 結(jié)束語

在水源CO2熱泵實(shí)際使用過程中表明，以可編程控制器PLC作為控制核心結(jié)合變頻器與觸摸屏組成的控制系統(tǒng)能夠有效的保證水源CO2熱泵可靠運(yùn)行并快速調(diào)節(jié)、穩(wěn)定熱泵熱水出水溫度。

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Design of Water Source CO2Heat Pump Control System Based on PlC

Yang Junhong

( Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming, 650200 )

Water source CO2heat pump is a kind of high efficient and environmental protection heating equipment, how to obtain high temperature hot water quickly, efficiently and stably is the key of the heat pump control in the heat pump heating process. This paper will combine with practical application, describes how to use PLC, frequency converter and touch screen to design the control system of water source CO2heat pump.

heat pump; PLC; touch screen; frequency conversion; PID control

1671-6612（2020）06-716-03

TU83

A

楊軍紅（1984-），男，工學(xué)碩士，工程師，E-mail：a303537285@163.com

2020-03-09