基于PLC的双热源小型家用供热机组设计

山东科技大学机械电子工程学院 ■ 吕帅 杨前明 丁鸿昌

0 引言

多热源供热系统是太阳能集热、空气源热泵热水器及其他多种余热综合利用的依托平台，其电气控制系统的轻便化、智能化是该类系统的发展方向。针对商用与家用应运而生的太阳能与空气源热泵小型双热源热水系统(The small dual heat water heater, DHHW)，配套设计一种操作便捷、实现能量调控的微型电气智能控制器，则是其获得广泛应用的重要保证。双热源小型供热系统是一种综合利用太阳能、空气源热泵的小型供热水系统，具有能源互补、节能与环保等优势。本文针对太阳能空气源热泵热水系统，提出双热源热水器构成方案及运行策略，实现系统运行过程参数检测、运行控制与能量调控[1-3]，提高系统的运行效率。

1 DHHW系统组成及运行原理

1.1 系统组成

图1为双热源小型供热监控系统组成结构示意图。系统是由太阳能集热子系统(solar collecting water subsystem, SCWS)、空气源热泵子系统(Air heat pump water subsystem, AHPWS)、自动上水、热水供应与电气控制系统等组成。SCWS主要由太阳能集热器、循环水泵、阀组件等构成；AHPWS则主要由空气源热泵热水机组、循环水泵、阀组件等构成；电气控制系统主要由PLC控制核心、触摸屏及系统检测传感器及电器执行元件组成，通过检测热水水箱温度及集热器出水口水温、水箱水位，实现太阳能集热系统、热泵热水系统及补水装置的自动运行控制。

图1 DHHW系统组成结构示意图

1.2 运行原理

太阳能集热系统与空气源热泵热水系统为蓄热水箱中的热水加热提供热能，两个热源依据各自温差设定运行原则、能量廉价原则，联合提供系统热负荷。换言之，在热负荷总量一定的前提下，各子系统根据温差设定循环，并优先采用太阳能系统供热，不足的热负荷由空气源热泵热水器(或机组)提供，实现“能源廉价优先”原则[4-7]。

SCWS系统采用温差供热循环，当集热器出水温度T1高于蓄热水箱温度T2达到控制系统设定启动温差时，即 T1-T2≥ΔTp1，循环泵P1启动；当两者温差值降低到系统设定停止温差时，即T1-T2≤ΔTp2，循环泵P1停止，集热循环停止。

在DHHW系统中，还有按照水温设定自动补水、冬季防冻循环等功能。自动补水功能通过液位传感器检测水箱液位，从而控制补水阀的开关；通过定温设定实现防冻循环。

2 DHHW系统硬件设计

2.1 硬件组成及原理

图2为DHHW控制系统的硬件设计结构图，硬件系统主要包括：可编程控制器PLC、AD模块、PT模块、触摸屏、工业现场总线等环节。DHHW控制系统电气执行元件主要有循环水泵、空气源热泵、补水电动阀、中间继电器等。PLC选用DVP-14ss系列；AD模块选用DVP04AD模拟信号输入模块，可接受4点模拟量信号的输入；PT模块选用DVP04PT温度测量模块，可接受4点铂金属温度传感器信号的输入。

系统参数检测元件主要有温度与液位传感器，本设计中，选用PT100作为温度传感器，对应的测量范围是-20～100 ℃，电流限制在0.5～2 mA；选用投入式液位变送器检测水箱水位，液位传感器输出标准信号为4～20 mA，采用DVP04AD模块采集，转换数字量信号为0～32000。

图2 DHHW控制系统的硬件设计结构图

2.2 通讯方式

DHHW控制系统采用Modbus通讯协议，此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Modbus协议作为它们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的；描述了控制器请求访问其他设备的过程、如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

3 控制系统软件设计

3.1 控制功能

DHHW监控系统软件设计主要包括PLC软件和组态软件设计，主要实现系统运行工作状态实时显示，包括现场监测点的温度、水箱液位参数显示、执行元件运行工况等信息，并能现场进行调整。设有手动与自动运行方式选择、报警和故障处理功能、提供加密措施避免非工作人员误操作造成系统故障。系统执行元件有循环水泵、热泵、补水阀等，系统运行温度、液位信息通过温度、液位传感器采集到的信息传送到PT、AD模块，经过区域控制器的处理把数据传输给上一级PLC系统，再由PLC将数据分发给上位机的不同子监控系统，即完成测量值的采集、输入、运算、显示，达到循环水泵、补水阀、热泵等基本单元的启停控制，实现热水机组上水、加热、供水等功能的自动运行。

3.2 PLC控制程序

系统的控制流程见表1，其运行原则主要是太阳能集热器循环采用温差循环，空气源热泵采用定时定温循环，管道循环采用定温循环，(保证洗浴时一开喷头阀门即有热水，减少无效冷水的浪费)自动补水循环利用液位传感器检测水位，从而控制补水阀的开关，以保证水位稳定在有效区间内。

表1 PLC控制程序流程

3.3 组态软件

组态软件是一种数据采集与过程控制的专用软件，主要完成系统的报警、故障诊断、数据分析、报表形成和打印、与管理层交换数据、提供多变的人机界面等功能。图3所示为系统的主控界面，用于监视双热源小型热水机组(DHHW)的运行参数及其修改与调整。除直观显示其系统运行状况外，还可查阅系统实时液位、温度、报警、参数设置等信息。

图3 DHHW控制系统主控界面

系统采用两级密码设置：一级密码设置为保护级，操作人员可使用软件，但不可修改参数：二级密码设置为管理级，操作人员可进行完全控制。I/O设置，组态软件中的变量数据库通过设备驱动从PLC映射的某一数据位，按照一定的扫描时间保持与PLC数据同步。

4 结语

本文针对小型家用(商用)双热源供热机组的设计特点，给出了电气控制系统的硬件与软件设计方案：以可编程序控制器(PLC)为控制核心、触摸屏为监控平台；采用温度与水位检测传感器对系统运行参数进行检测；按照“能源廉价优先”原则,实现系统运行与能量调控；采用触摸屏为监控平台的系统运行可视化界面直观、动态感强、操作便捷。实际运行测试结果表明，系统每年制热量平均COP值(COP为制热系数， 即制热量与输入功率的比值)达到4.2以上，最佳工况条件下可达5.0。DHHW系统由于采用双热源互补性供热，不受天气、环境的影响，系统运行供热稳定性好，具有良好的应用前景。

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