地源熱泵空調計算機控制系統研究

邱水

摘 要：計算機控制系統以其強大的邏輯運算、極高的可靠性、適應工業過程現場以及強大的聯網功能等特點使用越來越普遍。目前，計算機控制系統已廣泛的應用于各種生產工藝過程中，用于數據采集、狀態判別和輸出控制等。在計算機控制系統管理層里，通常用工控機擔負人機交流界面功能，用組態軟件來完成工業流程及控制參數的顯示，實現生產監控和管理等功能。基于此，本文針對地源熱泵空調計算機控制系統展開詳細的分析和研究。

關鍵詞：地源熱泵空調；計算機控制系統；計算機控制技術

前言：隨著生產技術的進步和科學技術的發展，在生產工藝中要求有更加復雜、更加完善的控制裝置，以此來達到更高的控制精度、更快的控制速度和實現更大的經濟效益。因此計算機控制，作為自動控制理論在工業控制過程中的應用不斷得到快速發展。在生產過程中，通常需要測量和控制的變量有溫度、壓力、流量、液位、重量、電量電流、電壓、功率和成分等，這些變量的測量和控制也隨著電子技術、計算機技術以及測量技術的不斷發展，其基本測量原理雖然變化不大，但是信號轉換、顯示和控制裝置的變化卻發展十分迅速。

1 計算機控制系統的組成

隨著生產不斷發展和技術水平的提高，控制技術采用一些自動裝置代替人工操作。被控制的對象如熱交換器等加上一些自動控制裝置計算機、測溫儀表及變送器、調節器、執行機構、調節機構等，就構成了一個計算機自動控制系統。計算機控制使得勞動強度大為降低，控制精度得到提高，控制質量得到可靠的保證[1]。在控制系統中引入計算機，可以充分利用計算機強大的算術運算、邏輯運算及記憶等功能，運用計算機指令系統，編出符合某種控制規律的程序。計算機通過執行這些程序，就能實現被控參數的控制。在計算機控制系統中，程序是無形的，這也就是我們通常說的軟件，而設備是有形的，通常我們稱作為硬件。在以往常規控制系統中，系統的控制規律由硬件決定，這樣的話，如果改變控制規律就必須變更硬件。而在計算機控制系統中系統的控制規律的改變僅僅只需要改變程序軟件就可以了，因此對于修改控制規律來說，計算機控制系統無疑是非常的方便的。

2 地源熱泵空調計算機控制系統設計原則

地源熱泵空調計算機控制系統實施成功與否，在很大程度上取決于計算機控制系統總體方案的構建。設計一套既能滿足生活需要成本又低的控制系統是最終的目的。根據地源熱泵空調的運行模式對整個空調系統進行計算機控制方案的設計，設計時主要從以下原則入手：

2.1 節能性原則

目前的地源熱泵空調系統的設計能力和實際運行過程中負荷的需求量之間還存在著較大的差異，也就是說，目前對地熱資源的利用還存在很大的浪費。

2.2 可靠性原則

由于地熱資源埋藏于地下的特殊性，地下換熱系統一旦建好就必須長期穩定得工作運行。所以這就要求在設計時保證設計的系統可靠性一定要高。

2.3 匹配性原則

系統的設計要使得與其它建立在負荷分配基礎上的壓縮機、加熱器等相互匹配。

2.4 智能化原則

在室內外環境溫、濕度的實時測量和地熱水溫度、熱泵機組進出口水溫度以及流量的實時測量的基礎上，進行各種負荷計算、燴值計算等，以此作為系統工況最佳分配的實時數據基礎，自動完成隨負荷變化而進行的邏輯判別和運行控制。

3 地源熱泵空調系統控制設計

3.1 系統功能分析

控制系統具有遠程控制和現場控制兩種控制功能。系統通過工業控制計算機和工調節器對地源熱泵空調系統中的送風機、回風機、深井水泵、循環泵和補水泵實現遠程控制。同時，系統也可以通過直接操作變頻控制柜，實現現場控制。控制系統可以工作在手動自動兩種工作模式下[2]。手動和自動模式下均可實現遠程現場控制和參數設定，在手動模式下，可以人為的根據氣候、負荷的變化設定送風機、回風機、深井泵、循環泵和補水泵等電機的轉速，此時相當于一種“開環控制”。

在自動模式下，只需要根據室內溫度和室外溫度的變化設定地源熱泵的回水溫度和房間的相對溫度、相對濕度等參數，系統就能夠根據外在氣候條件的實際變化自動的調節各個電機的轉速進行控制，滿足用戶實際需求。這樣就減少了人工干預，提高了自動化水平。控制系統可以通過安裝在地源熱泵空調系統現場的各類傳感器，檢測地下水出水溫度、回水溫度、室外溫度、室外相對濕度、室內溫度、室內相對濕度、地熱水出水流量、地熱水回水壓力、用戶用水流量、補水流量等參數，并將這些測量數據通過變送器傳送給計算機進行數據處理分析。并且所有參數均可在計算機顯示器上顯示，或由打印機直接打印出來。

為了保證系統的安全運行，控制系統設計為可以通過對溫度、壓力等信號進行報警設定，當地源熱泵空調系統在運行過程中超過了上、下限設定值時，系統就會自動提示報警信息。對一些必要的參數，控制系統還設置了報警聯動功能，即超限時地源熱泵空調系統會自動停止運行。整套控制系統為方便統計分析，設計為計算機可以產生相應的各種參數報表，隨時提供查詢和打印參數變化實時趨勢圖和歷史趨勢圖、報警記錄和數據記錄報表等。

3.2 系統控制結構

設置動力控制中心控制冷卻、冷凍水泵變臺數、變頻運行，并具有與空調主機聯鎖自動控制功能。中央控制臺有自動、手動兩種控制方式可供選擇，控制系統具有運行工況指示、故障自檢聲光報警、故障急停等功能。地源熱泵空調系統，主要通過提取地表淺層土壤熱源進行熱交換為用戶供暖和制冷同時提供生活用熱水。系統控制分為地下換熱控制系統、循環泵控制系統、補水泵控制系統以及室內末端控制系統。整個控制系統采用集中控制設計，分為三層。系統首先根據實際需要負荷量控制臺機組的啟停以實現負荷的粗調，然后根據熱泵進出口溫差控制深井泵的變頻運行以實現負荷的精調。對于地熱水來說，由于出口溫度常年保持不變，基本維持恒定，所以在控制設計中首先根據實際需要負荷量控制臺機組的啟停以實現負荷的粗調，然后根據地熱水回水溫度為控制參數控制地熱水的進出口溫差。用溫度傳感器、變頻器、調節器組成閉環控制系統，按照溫差指標進行自動控制，用多少給多少真正實現節能[3]。

熱水循環泵系統同樣由循環水泵泵電動機組成，兩臺循環泵采用一臺定速轉動一臺變速轉動的形式，系統采用一臺變頻器拖動。為了滿足用戶的需要必須實現兩臺水泵電機轉速連續可調，使得水泵電機轉速根據實際熱負載的大小而設定，這樣既能保證用戶的需求又能節約能源。變頻器和工控計算機作為系統控制的核心部件，以末端最不利環路壓差為反饋信號，時刻跟蹤著該信號與設定值一般取的偏差變化情況，經過變頻器內置的調節器運算，利用工控計算機實現水泵變頻與工頻的切換，自動控制水泵投入臺數和電機的轉諫，實現閉環控制，自動調整恒壓差變量供水。

4 結語

隨著計算機技術的快速發展，計算機廣泛應用于社會各個領域。由于計算機具有強大得邏輯運算功能，因此在工業上將計算機與傳感技術共同運用于自動控制中，構成了計算機自動控制系統。計算機利用傳感裝置將被控對象中的物理參量轉換為電量，再將這些代表實際物理參量的電量送入輸入裝置中轉換為計算機可以識別的數字量，并且再計算機的現實裝置中以數字、圖形或曲線的方式顯示出來。本章主要介紹了計算機控制系統的硬件構成以及原理，并通過分析了地源熱泵空調系統的控制原理，提出了對地源熱泵空調系統中的水泵和風機實行計算機監控的控制方案。

參考文獻

[1]張群力，王晉.地源和地下水源熱泵的研發現狀及應用過程中的問題分析.流體機械，2016，（06）1-3.

[2]顏愛斌.地源熱泵應用的技術分析與思考.天津城市建設學院學報，2015，（10）10-13.

[3]王金峰.能源結構的調整與優化必須以煤炭為基礎.中國經濟導報，2014，（21）1-3.