基于PLC的船舶空气源热泵供热水控制系统研发

张 辰，俞万能



基于PLC的船舶空气源热泵供热水控制系统研发

张 辰，俞万能

（集美大学轮机工程学院与船机检测与再制造福建省高校工程研究中心，福建厦门361021）

为了极大限度节省船舶热水站能耗，研制出一套空气源热泵热水控制系统及PLC与变频器构成恒压供热水系统，并通过触摸屏对系统进行参数设置和实时监控，可保证昼夜不间断恒压供水，提高了船舶热水站的可靠性和经济性。

热泵 PLC 变频器 触摸屏

0 引言

我国是人均资源十分匮乏的国家，节能环保对我国的经济发展至关重要，传统船舶对资源的消耗量比较大，所以对船舶的节能研究十分必要。船舶航行过程中，机舱空气中蕴含着大量的热量，其主要来源于柴油机、辅助设备的散热，但这部分能量利用的较少。随着空气源热泵技术的发展及不断成熟，利用热泵技术来回收利用船舶机舱空气的热量，具有较为重要的现实意义[1]。

传统的船舶供水主要采用压力水柜方式供水。这种供水方式简单实用,但体积重量大,供水压力波动大，容易造成用水的2次污染[2]。而且压力水柜一般使用水泵定速运行，不仅造成电能的浪费，而且由于泵长期高速运行，易使轴承损坏，影响泵的使用寿命。[3]有效的解决办法就是使用变频泵恒压供水。为此，采用ABB可编程控制器、变频器与MCGS触摸屏，研制了变频恒压供热水控制与监控系统。

1 系统结构及控制内容

系统配置安装1个方型组合储热水箱，采用4台空气源循环加热式低温热泵进行加热，定温控制。热泵会对水箱温度进行检测，当温度低于设定值时启动加热，PLC对热泵状态进行采集，保证在热泵工作时循环水泵开启。热水系统结构原理图如图1所示。

系统需要满足的控制功能为：

1）补水采用1只电磁阀定时定温定量控制补水。每天定时1次性补满水。在这个补水时间以外当热水箱水位降低后热水温度大于T1才开始补水，当热水箱热水温度降至T2时停止补水。任何时候设强制保底水位控制补水。即水箱水位低于低水位时开始补水，达到满水位时停止补水。

2）供热水采用变频加压泵加压供水，并配置安装一主一副两台热水加压泵，受水压P上下限控制。主泵变频工作，当用热水量增加时，副泵工频启动，保证水压均衡。

3）四台热泵并列加热，采用两台循环泵循环加热。当热水箱内水温度小于Ta时，热泵开始工作。当热水箱内水温度升至Tb时，热泵停止工作。

4）为了保护机舱低层用户随时有热水供应，系统配置安装回水系统。回水系统采用回水电磁阀定温控制。当回水总管内水温度T2小于40℃时，回水电磁阀打开开始回水，当回水总管内水温度T2升至45℃时，回水电磁阀关闭停止回水。

2 控制系统整体设计

2.1 控制系统的硬件构成

控制系统采用ABB PM564 PLC及其模拟量扩展模块AX561，变频器则使用ABB ACS550-01系列，根据电机参数确定变频器具体型号，变频器最大输出功率须大于或等于单个泵的功率。

控制系统的主电路图、原理图及PLC的I/O点配置如图2、3所示。

2.2恒压供水控制系统设计

供水管压力传感器通过将供水水压转换成4～20 mA电流信号，传给PLC的模拟量输入端，PLC再将电流信号经过A/D转换为数字量。ABB AC500系列PLC指令系统中带有PID控制模块供用户选择，如图4所示。将采集的压力值作为PID模块测量值（ACTUAL）的输入，分别定义给定值、输出上下限和比例、积分、微分系数，PID模块的输出值须用程序转换为字类型数，再由PLC模拟量扩展模块输出电压信号至变频器，变频器根据电压信号大小调整输出频率，达到变频调速的目的。变频恒压供水系统原理如图5所示。为4 PID控制模块。

由于船员的热水用量在不同时段需求变化很大，若使用一台工频泵供水可能出现在用水高峰时水压不足的情况，故本系统采用主副两泵进行恒压供水，在用水量较低时，主泵变频供水；当用水量增加，供水管压力至主泵工频供水仍不能达到设定水压时，直接启动副泵，两泵同时进行供水；当用水量降低，供水管压力至副泵切换条件时，副泵停止，主泵变频供水。双泵控制流程图如图6所示。

在ACS550-01参数设置中有PFC控制，这是一种风机-水泵控制模式，使一台变频器可自动切换控制多台变频泵的模式，PFC主要控制特点有[4]：

1）当需求量 (由给定信号决定)超过了1号电机的能力 (起动频率)，PFC调节器自动起动辅泵。PFC调节器同时也降低1号泵的速度，这样两台泵输出的总量成为系统的总输出。然后PFC调节器和前述一样自动调整着1号泵运行速度(频率)，使实际信号能跟随给定信号。

2）当需求量减少，这样1 号泵的速度降到了设定的下限以下（停止频率），PFC调节器自动停止辅泵。PFC调节器同时增加1号泵的转速，以弥补因辅泵停止后的输出减少。

3）自动切换功能能够使各台泵均摊负载时间。自动切换功能能周期性地调整各台电机调用的位置，例如调速电机成为最后被调用的辅助电机，而第一台辅助电机成为调速电机。

采用PFC控制可有效避免变频器在加减泵时频繁启停泵，并定时自动切换主泵与副泵，平均2台泵的工作时间，防止频繁使用某一台泵影响其使用寿命。

3 系统监控界面

系统采用北京昆仑通态的TPC7062TX系列触摸屏，其预装了MCGS嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能。[5]触摸屏通过背部的RS485串口与PLC进行数据交换，使触摸屏可对PLC程序中参数设定，并对现场压力、液位、温度以及热泵状态等进行实时显示，当水位或水温过低时有警报提示，系统的监控界面如图7所示。

4 结语

通过对船舶热泵供热水控制系统的设计，采用空气源热泵热水，PLC与变频器控制供水泵恒压供水和触摸屏对系统的实时监控。系统不仅操作简单，维护容易，而且节省了大量电能，提高了船舶供热水的可靠性。但是系统在启动和停止工频泵时会造成管压波动，对于平稳投切水泵使管压波动很小，在切换时机和减加泵后变频泵升降速等方面还需要进一步研究。

[1] 吴晓阳.船舶机舱空气源热泵技术应用分析[J].机电设备，2014,3:21-23.

[2] 王行,庞之洋,李雁飞,陈金增.基于变频器的舰用恒压供水装置控制系统设计[J].舰船科学技术, 2011,11:81-84.

[3] 陈立军,田海军. PLC控制恒压变频供水系统在热网补水中的应用[J].计算机应用, 2002,(2):59-60.

[4] ABB公司. ASC550-01变频器用户手册.

[5] 张军贤,俞万能. 基于PLC的楼宇热水站控制与监控系统研发[J]. 自动化与仪器仪表,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

交通部科技项目（2015329815160），福建省科技重点项目（2013H0034），福建省自然科学青年基金项目(2013J05081)，福建省科技创新平台建设项目(2014H2001)

张辰（1990-），男，硕士生。研究方向：船舶自动控制与仿真研究。

俞万能（1970-），男，博士，教授。研究方向：船舶电力推进、船舶新能源应用、船舶智能控制。