基于ＰＬＣ的水源熱泵空調系統在大型商業建筑中的應用

[摘 要] 中央空調系統是現代大型商業建筑中不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。而當今社會環境污染與能源危機已成為全人類必須面對并要加以解決的重大課題，在這種背景下，以環保和節能為主要特征的綠色建筑及相應的空調系統應運而生，而基于PLC的水源熱泵技術正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型供暖空調技術。

[關鍵詞] 中央空調系統 商業建筑 PLC 水源熱泵技術

一、引言

水源熱泵系統（WLHPS：Water Loop source Heat Pump System）國外又習慣稱作閉式環路水源熱泵系統。水源熱泵空調系統只取水中的熱或冷而不消耗水，并且基本作到水體或地層蓄能的年平均能量平衡，不會造成任何污染。近幾年以來，我國采用水源熱泵空調系統的現代大型商業建筑也逐年增多。目前，在深圳，上海，北京以及一些中小城市均有工程實例，例如，北京天安大廈、上海錦江飯店、西安建國飯店、青島華僑飯店、深圳同貿大廈等均采用了閉式環路水源熱泵空調系統。特別是2008年奧運會將在北京舉行，為辦好本屆綠色奧運，水源熱泵式中央空調已成為2008年北京奧運會指定選用的空調型式。水源熱泵在我國的推廣應用前景極其廣闊。

二、系統硬件設計

本文結合一個正在運行的工程實例，對水源熱泵空調系統作進一步探討。該工程實例用GP和PLC技術對水源熱泵機組系統進行運行監控，包括井水泵、循環泵和壓縮機的啟停控制，壓縮機的加卸載控制以及各溫度的實時監控、顯示和各種故障情況的報警及連鎖保護控制等。實驗結果表明，PLC和GP技術可以保證水源熱泵空調機組正常可靠運行。本控制系統的核心部件采用德國SIEMENS公司S7-200系列可編程控制器，考慮到控制系統的規模，CPU選用6ES7-CPU214，帶有擴展模塊2塊EM235、1塊EM222和1塊EM223；本控制系統的實際物理點數為13點數字量輸入、22點數字量輸出、6點模擬量輸入。系統人機界面采用日本Digitail公司的GP37W2觸摸屏，用于監視系統運行狀況和設置工作參數，操作界面采用中文對話方式，易于操作。通過配置通訊適配器實現西門子MPI協議和RS232串行通信協議的轉換，實現觸摸屏和PLC之間的數據通信。溫度傳感器采用中美合資北京ACT公司生產的TD-6112-8000。系統構成如圖：

三、系統軟件設計

根據水源熱泵機組的控制要求設計PLC程序，包括機房系統有關設備制冷制熱兩種工況下、自動和手動兩種啟停控制方式下各需求檢測量(溫度、能量級、故障、運行狀態、輔助設備狀態等)的實時檢測、實時反饋處理與實時顯示等，故障及時檢測與報警處理以及各種保護的及時實現等。

以下主要介紹幾個關鍵技術的實現:

1.對溫度的控制設計

溫度處理的核心部件是模擬量模塊EM235。按照面向對象的思想，PLC控制程序主要通過在OB1(主程序)中多次調用子程序塊實現對每一溫度模擬量的處理，每一溫度模擬量都是通過采樣、量化將其轉化為數字量。為了降低采樣誤差，減少顯示值波動跳變以增加采樣值穩定性和提高控制程序可靠性，鑒于系統特性，程序設計每個模擬量平均采樣時間5秒，5秒內每秒對該模擬量采樣1次，取其5次的平均值作為該運行時刻的溫度值，存儲到模塊內部的V區，以供主程序調用。

2.對故障的檢測處理

程序設計了對故障的實時檢測，當管路系統出現共性非緊急故障(包括:壓機油位保護、壓機油壓差保護和壓機吸排氣壓力保護)時，機組投入快速卸載運行，每臺壓機先轉入25%能量運行60秒后停機;當機組系統出現緊急故障(包括:壓機電子保護、壓機過載保護、電源保護和水流量開關保護)時，故障壓機或系統立即停止運行。待故障消除后，可以重新自動投入運行。只要系統出現故障，程序將給出聲光報警，控制柜上的故障指示燈和故障電鈴顯示和報警。操作人員可在觸摸屏上查看故障原因，以便決定處理方法。

3.機組運行

按照結構化程序設計的思想，PLC控制程序主要通過多次使用編程工具中的比較指令和位邏輯指令等實現溫度二維模擬方式并參考結合時間參數共同控制實現加、卸載的調度。機組分自動和手動兩種工作方式。

自動制冷方式下：啟動循環泵啟動井水泵啟動壓機→壓機上載。

自動制熱方式下：啟動井水泵啟動循環泵啟動壓機→壓機上載。

當選擇手動方式時，井水泵、循環泵或壓機都會單機運行。手動方式下壓機的上卸載過程執行自動方式下的上卸載程序。

4.系統控制的優化

為了保證整體機組部件使用壽命平均，維護量基本相同，程序運用平均壓縮機運行時間的優化控制模式均衡兩臺壓機工作時間，即工作時間長者后啟動先停機，工作時間短者先啟動后停機；并且根據井水溫度和循環水溫度調節熱泵的運行工作狀態。

5.試運行

本程序編制了試運行時間控制這一特殊功能，在試運行期間，當機組的累計工作時間大于或等于調試人員預設定的機組限定時間后，機組將停止運行直到供應商根據試運行狀態等去取消試運行。本功能的應用不但可讓供應商可以準確掌握機組試運行期間內現場運行一手材料，還可以在一定程度上幫助供應商及時收回機組貨款。

6.壓縮機運行時間的累計

為了保持系統運行良好，必須定期對系統進行維護保養。本系統對壓機的運行時間進行累計，累計值能夠斷電保持，即關斷電源后累計值還存在。操作人員可以根據所顯示的運行時間來安排系統的維護工作，為設備的管理提供了方便。

7.密碼保護

為了保證系統操作的安全性，在人機界面中設置了用戶等級，通過用戶登錄輸入密碼確定操作權限。0級為操作工級，無須輸入密碼；1級供機組管理人員使用，可以進入設置溫度修正參數、加卸載間隔時間和加卸載溫差；2級供廠商的調試和廠家技術人員使用，可以設置試運行的啟用或關閉、修改機組運行時間。

四、結論

該控制系統通過PLC軟件解決了機組控制系統復雜，故障點多的難點，通過GP方便地實現了人機對話，做到了性能可靠，控制精確，人機對話友好，能夠滿足用戶的使用要求。基于PLC的水源熱泵空調系統既節能又環保，該技術在我國的推廣應用前景極其廣闊。

參考文獻:

[1]丁衛東 袁魯濱:水源熱泵技術在供熱空調工程中的應用.節能，2002(5）

[2]徐偉等譯:地源熱泵工程技術指南.北京:建筑工業出版社，2001

[3]李先瑞 郎四維:熱泵的現狀與展望.建筑熱能通風空調，1999(3）