地源热泵中央空调自动控制系统设计

(太原理工大学信息工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

能源问题已成为近年来的热点问题并且成为人类面临的巨大挑战之一，如何高效安全并且环保地使用能源已成为人们积极探索的课题。较之于传统的中央空调，地源热泵中央空调在节能方面有明显的优势。如通常情况下，使用地源热泵中央空调消耗1 kW的电能，用户能获得4～5 kW的能量，因此最近几年其在我国得到了广泛的应用[1]。系统通过改变供回水的温度差值来实现基于外界环境温度补偿的变温差控制，以便更好地节约能源[2]。本控制系统采用三菱FX系列PLC专用的N∶N网络总线实现各个分系统之间的通信，并通过以太网实现机房集控中心与园区总集控中心之间的连通，实现整个园区的集中管控。

1 系统组成及控制要求

地源热泵中央空调控制系统由能量采集、能量提升和能量释放3部分组成[3]。

能量采集部分采集大地土壤所蕴藏的丰富的能量，它主要由地源侧水循环系统组成。地源侧循环水系统用于加速空调系统与地下水系统之间的能量交换。

能量提升部分将采集的能量经过提升交换传递到空调空间，它包括热泵机组系统、一次侧水循环系统、换热器机组、冷却塔机组。热泵机组系统用于使能量从地源侧转移到空调一次侧。一次侧水循环系统用于促进热泵机组的循环水系统换热。换热器机组和冷却塔机组分别在在冬季和夏季使用，当二次侧温度达不到使用要求时，对二次侧的水进行加热或者降温。

能量释放部分是地源热泵中央空调系统在建筑物内的空气调节部分，它包括二次侧水循环系统及空调末端的风机盘管。本系统主要为热交换站部分，所以对空调末端不做分析。二次侧水循环控制系统即用户侧水循环系统，包括夏季的冷冻水和冬季的采暖循环水。自动定压补水装置作为一个独立部分，用于在一次侧与地源侧管内缺水时对其进行补水操作。

通过以上分析，将整个系统分为5个子系统；换热器、冷却塔和自动定压补水装置合为1个子系统，实现集散控制[4]。

2 控制系统方案设计

2.1 控制总方案设计

在地源热泵中央空调控制系统中，一次侧采用温差变流量控制，将温度传感器测得的温差传递给PLC，由PLC发送指令给软启动器来控制一次侧水泵的运行数量[5-6]。同时，系统通过供回水温差来改变一次侧、地源侧及热泵机组的运行数量。

二次侧采用恒压差控制。即利用变频器、差压变送器组成的闭环负反馈控制系统，通过差压变送器对供回水管路上的压力差值进行探测，然后将此差值传递给PLC中的PID进行计算。PID将此压差值转换成数字量信号并传递给变频器，以此来改变二次侧水泵运行的频率及数量。通常情况下，当供水或回水流量达不到设定要求时，使用旁通管来调节水量，使得二次侧供回水达到流量平衡。系统通过现场总线网络进行联机控制，并能在每台控制柜的触摸屏上进行显示，同时进行本地控制。

2.2 一次侧变温差设计

在一次侧水循环系统中，水泵容量通常是根据最大设计热负荷进行设计的，运行过程中并没有考虑四季变化和天气变化等带来的环境温度的改变，因此有许多不必要的能源消耗。为了使节能效果更加明显，本系统设计了根据外界温度变化而改变温差的控制方式，即基于外界环境温度补偿的变温差控制。

以空调采暖供回水温度为例。传统的温控阀控制供回水温度采用恒温差控制，即无论环境温度如何变化，始终使供水温度为55 ℃，回水温度为45 ℃，温差Δt=55-45=10 K。而本系统采用基于环境温度补偿的变温差控制,也就是说根据室外环境温度的变化，自动调整出水温度。当外界环境温度高时，采用大温差控制，即减小供热量；当外界环境温度低时，采用小温差控制，即增大供热量。这样的控制方式克服了室外环境温度变化造成的室内温度波动，进而达到节省能源、使环境温度更加舒适的目的。例如，当环境温度为-20 ℃时，规定出水温度为55 ℃，随着环境温度的增加，出水温度也跟着线性增加；当环境温度为5 ℃时，规定出水温度为45 ℃。在这样的控制要求作用下，Δt=(55+45)/2-45=5 K。此外，若需要更高要求的舒适性控制，出水温度可以根据用户需求自行设定，不需要严格按照线性方式变化。

2.3 系统硬件设计

由于一次侧水循环系统采用变温差变流量控制,水泵全部是工频运行，因此需要使用软启动器进行启动，软启动器选用西门子3RW40型。二次侧采用恒压差控制，需要使用变频器进行调速。由于ABB标准传动产品易于选择、安装、调试和使用，而且提供许多内置特性，因此选用ABB公司的ACS510-01型水泵专用变频器。另外，根据现场控制要求即各个系统的控制点数配置，选用三菱第三代微型可编程控制器，选用FX3U继电器输出型PLC作为主控制器。温度检测部分使用FX3U- 4AD-PT，它是4通道PT型热电阻温度输入模块。其他模拟量采集均使用FX2N- 4AD 4通道模拟量输入模块[7]。

2.4 系统网络设计

2.4.1 系统网络构建

根据地源热泵中央空调系统的组成及现场控制要求，将整个系统分为5个子系统。控制系统网络结构图如图1所示。

图1 控制系统网络结构图

由于5个子系统都属于小规模控制系统且在同一控制室内，所以对系统通信距离无特别要求。考虑到控制系统的经济性，选择N∶N网络作为本系统的控制总线。N∶N网络是在最多8台FX PLC之间通过RS- 485通信连接，并通过共享软件实现小规模系统的数据链接以及机械之间的信息交换[8]。由于本系统有5个分控制系统，即5个控制站点，当使用N∶N网络进行组网时，其中一个站点不仅要实现子系统的控制，还要充当系统主站的角色，因此，鉴于地源侧水循环控制系统控制方案简单、程序较少，选择地源侧水循环控制系统作为系统主站，其他4个站作为系统从站。5台PLC通过安装在基本单元上的扩展板FX3U- 485-BD连接成N∶N网络。该扩展板的最大通信距离为50 m，完全满足系统要求。

2.4.2 通信程序设计

N∶N网络采用广播方式进行通信。网络中每一站点都有一个链接存储区，这个指定的存储区由特殊辅助继电器和数据寄存器组成。各 PLC站点向自己站点的链接存储区发布数据，每个站点都可以看到该数据。即各站点的数据可供通过 PLC 链接起来的所有PLC 共享，且所有站点的数据都能同时完成更新。其他站点可以在共享的数据链接存储区按需提取数据。通过在程序中设置网络通信参数，即可实现数据通信。

网络从站设置程序不需要像主站一样设置多个参数，而只需设定从站站地址即可通信。

2.5 人机交互系统设计

人机界面产品是为了解决PLC的人机交互问题而产生的。在自动化系统之间，PLC与HMI站之间均可以交换数据。在此系统中，为了实现工作人员对各个子站的监控及操作，给每个子站配备了一个触摸屏。触摸屏选用台达DOP-B系列，触摸屏与PLC之间直接通过标准串行通信口RS- 422进行通信[9]。

2.6 上位机监控系统设计

在地源热泵中央空调系统中，上位机监控软件使用亚控科技生产的组态王，它以标准的工业计算机软硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统[10]。在此系统中，利用组态王可以实现对画面、数据和动画3方面的监控，如系统状态图、报警输出、趋势曲线、报表输出等。

上位机通过与主站进行通信，可以监控系统中的任何一个站，既可以对其工作状况进行监视，又可以对被控设备进行控制。

另外，为了能够全面地、实时地监控地源热泵空调系统和其他监控对象(包括整个园区的门禁系统、停车场的安全监控、园区消防监控等)，同时尽可能地减少劳动力的投入、节约成本，系统采用FX3U-ENET-L以太网通信模块和交换机实现上位机和PLC主站之间的通信。系统利用以太网将地源热泵中央空调控制系统的监控与园区其他监控对象相结合，实现在监控终端对整个园区概况的宏观调控，便于及早发现问题。

3 结束语

通过对地源热泵中央空调恒温差控制系统的改造，可以使能源的利用率得到显著提高。在现代工程中，PLC、计算机和现场总线的结合是自动控制系统的发展趋势。它们的结合使得控制系统的实时性和集中控制能力得以提高，便于工作人员随时随地进行控制操作，有利于及早发现控制过程中可能出现的问题，同时可以减少管理成本，使经济效益最大化。

[1] 张鑫.地源热泵系统在输气站场内的应用及节能分析[J].油气储运,2012,31(9):703-706.

[2] 刘伟.浅谈地源热泵的应用[J].山西建筑,2011,37(11):116-117.

[3] 徐伟.国际国内地源热泵技术发展趋势——摘选《中国地源热泵发展研究报告》[J].供热制冷,2011(3):62-64.

[4] 张玉生,时爱菊,王宇鹏.浅析地源热泵空调系统的节能控制技术[J].中国科技信息,2008(22):148-149.

[5] 周莉.地源热泵空调控制系统研究[J].科技传播,2011(9):23.

[6] 郭予军.温差闭环自动控制技术在中央空调系统节能改造中的应用[J].武汉交通职业学院学报,2007,9(3):85-86.

[7] 龚中华.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[8] 黄秋姬.三菱FX2N系列PLC的N∶N网络通信教学探讨-3台FX2N系列PLC通信[J].科技信息,2011(11):286-315.

[9] 章建军.台达DOP触摸屏在电力系统的应用[J].可编程控制器与工厂自动化,2008(2):68-70.

[10]李红萍.工控组态技术及应用——组态王[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.