基于PLC的船舶空氣源熱泵供熱水控制系統研發

張 辰，俞萬能

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基于PLC的船舶空氣源熱泵供熱水控制系統研發

張 辰，俞萬能

（集美大學輪機工程學院與船機檢測與再制造福建省高校工程研究中心，福建廈門361021）

為了極大限度節省船舶熱水站能耗，研制出一套空氣源熱泵熱水控制系統及PLC與變頻器構成恒壓供熱水系統，并通過觸摸屏對系統進行參數設置和實時監控，可保證晝夜不間斷恒壓供水，提高了船舶熱水站的可靠性和經濟性。

熱泵 PLC 變頻器 觸摸屏

0 引言

我國是人均資源十分匱乏的國家，節能環保對我國的經濟發展至關重要，傳統船舶對資源的消耗量比較大，所以對船舶的節能研究十分必要。船舶航行過程中，機艙空氣中蘊含著大量的熱量，其主要來源于柴油機、輔助設備的散熱，但這部分能量利用的較少。隨著空氣源熱泵技術的發展及不斷成熟，利用熱泵技術來回收利用船舶機艙空氣的熱量，具有較為重要的現實意義[1]。

傳統的船舶供水主要采用壓力水柜方式供水。這種供水方式簡單實用,但體積重量大,供水壓力波動大，容易造成用水的2次污染[2]。而且壓力水柜一般使用水泵定速運行，不僅造成電能的浪費，而且由于泵長期高速運行，易使軸承損壞，影響泵的使用壽命。[3]有效的解決辦法就是使用變頻泵恒壓供水。為此，采用ABB可編程控制器、變頻器與MCGS觸摸屏，研制了變頻恒壓供熱水控制與監控系統。

1 系統結構及控制內容

系統配置安裝1個方型組合儲熱水箱，采用4臺空氣源循環加熱式低溫熱泵進行加熱，定溫控制。熱泵會對水箱溫度進行檢測，當溫度低于設定值時啟動加熱，PLC對熱泵狀態進行采集，保證在熱泵工作時循環水泵開啟。熱水系統結構原理圖如圖1所示。

系統需要滿足的控制功能為：

1）補水采用1只電磁閥定時定溫定量控制補水。每天定時1次性補滿水。在這個補水時間以外當熱水箱水位降低后熱水溫度大于T1才開始補水，當熱水箱熱水溫度降至T2時停止補水。任何時候設強制保底水位控制補水。即水箱水位低于低水位時開始補水，達到滿水位時停止補水。

2）供熱水采用變頻加壓泵加壓供水，并配置安裝一主一副兩臺熱水加壓泵，受水壓P上下限控制。主泵變頻工作，當用熱水量增加時，副泵工頻啟動，保證水壓均衡。

3）四臺熱泵并列加熱，采用兩臺循環泵循環加熱。當熱水箱內水溫度小于Ta時，熱泵開始工作。當熱水箱內水溫度升至Tb時，熱泵停止工作。

4）為了保護機艙低層用戶隨時有熱水供應，系統配置安裝回水系統。回水系統采用回水電磁閥定溫控制。當回水總管內水溫度T2小于40℃時，回水電磁閥打開開始回水，當回水總管內水溫度T2升至45℃時，回水電磁閥關閉停止回水。

2 控制系統整體設計

2.1 控制系統的硬件構成

控制系統采用ABB PM564 PLC及其模擬量擴展模塊AX561，變頻器則使用ABB ACS550-01系列，根據電機參數確定變頻器具體型號，變頻器最大輸出功率須大于或等于單個泵的功率。

控制系統的主電路圖、原理圖及PLC的I/O點配置如圖2、3所示。

2.2恒壓供水控制系統設計

供水管壓力傳感器通過將供水水壓轉換成4～20 mA電流信號，傳給PLC的模擬量輸入端，PLC再將電流信號經過A/D轉換為數字量。ABB AC500系列PLC指令系統中帶有PID控制模塊供用戶選擇，如圖4所示。將采集的壓力值作為PID模塊測量值（ACTUAL）的輸入，分別定義給定值、輸出上下限和比例、積分、微分系數，PID模塊的輸出值須用程序轉換為字類型數，再由PLC模擬量擴展模塊輸出電壓信號至變頻器，變頻器根據電壓信號大小調整輸出頻率，達到變頻調速的目的。變頻恒壓供水系統原理如圖5所示。為4 PID控制模塊。

由于船員的熱水用量在不同時段需求變化很大，若使用一臺工頻泵供水可能出現在用水高峰時水壓不足的情況，故本系統采用主副兩泵進行恒壓供水，在用水量較低時，主泵變頻供水；當用水量增加，供水管壓力至主泵工頻供水仍不能達到設定水壓時，直接啟動副泵，兩泵同時進行供水；當用水量降低，供水管壓力至副泵切換條件時，副泵停止，主泵變頻供水。雙泵控制流程圖如圖6所示。

在ACS550-01參數設置中有PFC控制，這是一種風機-水泵控制模式，使一臺變頻器可自動切換控制多臺變頻泵的模式，PFC主要控制特點有[4]：

1）當需求量 (由給定信號決定)超過了1號電機的能力 (起動頻率)，PFC調節器自動起動輔泵。PFC調節器同時也降低1號泵的速度，這樣兩臺泵輸出的總量成為系統的總輸出。然后PFC調節器和前述一樣自動調整著1號泵運行速度(頻率)，使實際信號能跟隨給定信號。

2）當需求量減少，這樣1 號泵的速度降到了設定的下限以下（停止頻率），PFC調節器自動停止輔泵。PFC調節器同時增加1號泵的轉速，以彌補因輔泵停止后的輸出減少。

3）自動切換功能能夠使各臺泵均攤負載時間。自動切換功能能周期性地調整各臺電機調用的位置，例如調速電機成為最后被調用的輔助電機，而第一臺輔助電機成為調速電機。

采用PFC控制可有效避免變頻器在加減泵時頻繁啟停泵，并定時自動切換主泵與副泵，平均2臺泵的工作時間，防止頻繁使用某一臺泵影響其使用壽命。

3 系統監控界面

系統采用北京昆侖通態的TPC7062TX系列觸摸屏，其預裝了MCGS嵌入式組態軟件，具備強大的圖像顯示和數據處理功能。[5]觸摸屏通過背部的RS485串口與PLC進行數據交換，使觸摸屏可對PLC程序中參數設定，并對現場壓力、液位、溫度以及熱泵狀態等進行實時顯示，當水位或水溫過低時有警報提示，系統的監控界面如圖7所示。

4 結語

通過對船舶熱泵供熱水控制系統的設計，采用空氣源熱泵熱水，PLC與變頻器控制供水泵恒壓供水和觸摸屏對系統的實時監控。系統不僅操作簡單，維護容易，而且節省了大量電能，提高了船舶供熱水的可靠性。但是系統在啟動和停止工頻泵時會造成管壓波動，對于平穩投切水泵使管壓波動很小，在切換時機和減加泵后變頻泵升降速等方面還需要進一步研究。

[1] 吳曉陽.船舶機艙空氣源熱泵技術應用分析[J].機電設備，2014,3:21-23.

[2] 王行,龐之洋,李雁飛,陳金增.基于變頻器的艦用恒壓供水裝置控制系統設計[J].艦船科學技術, 2011,11:81-84.

[3] 陳立軍,田海軍. PLC控制恒壓變頻供水系統在熱網補水中的應用[J].計算機應用, 2002,(2):59-60.

[4] ABB公司. ASC550-01變頻器用戶手冊.

[5] 張軍賢,俞萬能. 基于PLC的樓宇熱水站控制與監控系統研發[J]. 自動化與儀器儀表,2015,2:150-152.

Research on Control System of Shipboard Air Source Heat Pump Water Heater Based on PLC

Zhang Chen，Yu Wanneng

(School of Marine Engineer, Jimei University &Fujian Engineering Research Center of Marine Engine Detecting and Remanufacturing, Xiamen 361021, Fujian, China)

To decrease the ship’s energy consumption of hot water station as greatly much as possible, the paper presents a set of air source heat pump hot water control system and PLC and inverter constant pressure heating water system. By means of the touch screen to set the system parameters and real-time monitoring, the system can ensure uninterrupted water supply, and improve the reliability and economy of the ship’s hot water station.

heat pump; PLC; frequency converter; touch screen

TP391

A

1003-4862（2016）03-0053-04

2014-11-09

交通部科技項目（2015329815160），福建省科技重點項目（2013H0034），福建省自然科學青年基金項目(2013J05081)，福建省科技創新平臺建設項目(2014H2001)

張辰（1990-），男，碩士生。研究方向：船舶自動控制與仿真研究。

俞萬能（1970-），男，博士，教授。研究方向：船舶電力推進、船舶新能源應用、船舶智能控制。