基于PLC的雙熱源小型家用供熱機組設計

山東科技大學機械電子工程學院 ■ 呂帥 楊前明 丁鴻昌

0 引言

多熱源供熱系統是太陽能集熱、空氣源熱泵熱水器及其他多種余熱綜合利用的依托平臺，其電氣控制系統的輕便化、智能化是該類系統的發展方向。針對商用與家用應運而生的太陽能與空氣源熱泵小型雙熱源熱水系統(The small dual heat water heater, DHHW)，配套設計一種操作便捷、實現能量調控的微型電氣智能控制器，則是其獲得廣泛應用的重要保證。雙熱源小型供熱系統是一種綜合利用太陽能、空氣源熱泵的小型供熱水系統，具有能源互補、節能與環保等優勢。本文針對太陽能空氣源熱泵熱水系統，提出雙熱源熱水器構成方案及運行策略，實現系統運行過程參數檢測、運行控制與能量調控[1-3]，提高系統的運行效率。

1 DHHW系統組成及運行原理

1.1 系統組成

圖1為雙熱源小型供熱監控系統組成結構示意圖。系統是由太陽能集熱子系統(solar collecting water subsystem, SCWS)、空氣源熱泵子系統(Air heat pump water subsystem, AHPWS)、自動上水、熱水供應與電氣控制系統等組成。SCWS主要由太陽能集熱器、循環水泵、閥組件等構成；AHPWS則主要由空氣源熱泵熱水機組、循環水泵、閥組件等構成；電氣控制系統主要由PLC控制核心、觸摸屏及系統檢測傳感器及電器執行元件組成，通過檢測熱水水箱溫度及集熱器出水口水溫、水箱水位，實現太陽能集熱系統、熱泵熱水系統及補水裝置的自動運行控制。

圖1 DHHW系統組成結構示意圖

1.2 運行原理

太陽能集熱系統與空氣源熱泵熱水系統為蓄熱水箱中的熱水加熱提供熱能，兩個熱源依據各自溫差設定運行原則、能量廉價原則，聯合提供系統熱負荷。換言之，在熱負荷總量一定的前提下，各子系統根據溫差設定循環，并優先采用太陽能系統供熱，不足的熱負荷由空氣源熱泵熱水器(或機組)提供，實現“能源廉價優先”原則[4-7]。

SCWS系統采用溫差供熱循環，當集熱器出水溫度T1高于蓄熱水箱溫度T2達到控制系統設定啟動溫差時，即 T1-T2≥ΔTp1，循環泵P1啟動；當兩者溫差值降低到系統設定停止溫差時，即T1-T2≤ΔTp2，循環泵P1停止，集熱循環停止。

在DHHW系統中，還有按照水溫設定自動補水、冬季防凍循環等功能。自動補水功能通過液位傳感器檢測水箱液位，從而控制補水閥的開關；通過定溫設定實現防凍循環。

2 DHHW系統硬件設計

2.1 硬件組成及原理

圖2為DHHW控制系統的硬件設計結構圖，硬件系統主要包括：可編程控制器PLC、AD模塊、PT模塊、觸摸屏、工業現場總線等環節。DHHW控制系統電氣執行元件主要有循環水泵、空氣源熱泵、補水電動閥、中間繼電器等。PLC選用DVP-14ss系列；AD模塊選用DVP04AD模擬信號輸入模塊，可接受4點模擬量信號的輸入；PT模塊選用DVP04PT溫度測量模塊，可接受4點鉑金屬溫度傳感器信號的輸入。

系統參數檢測元件主要有溫度與液位傳感器，本設計中，選用PT100作為溫度傳感器，對應的測量范圍是-20～100 ℃，電流限制在0.5～2 mA；選用投入式液位變送器檢測水箱水位，液位傳感器輸出標準信號為4～20 mA，采用DVP04AD模塊采集，轉換數字量信號為0～32000。

圖2 DHHW控制系統的硬件設計結構圖

2.2 通訊方式

DHHW控制系統采用Modbus通訊協議，此協議支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備。許多工業設備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協議作為它們之間的通訊標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的；描述了控制器請求訪問其他設備的過程、如何回應來自其他設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。

3 控制系統軟件設計

3.1 控制功能

DHHW監控系統軟件設計主要包括PLC軟件和組態軟件設計，主要實現系統運行工作狀態實時顯示，包括現場監測點的溫度、水箱液位參數顯示、執行元件運行工況等信息，并能現場進行調整。設有手動與自動運行方式選擇、報警和故障處理功能、提供加密措施避免非工作人員誤操作造成系統故障。系統執行元件有循環水泵、熱泵、補水閥等，系統運行溫度、液位信息通過溫度、液位傳感器采集到的信息傳送到PT、AD模塊，經過區域控制器的處理把數據傳輸給上一級PLC系統，再由PLC將數據分發給上位機的不同子監控系統，即完成測量值的采集、輸入、運算、顯示，達到循環水泵、補水閥、熱泵等基本單元的啟停控制，實現熱水機組上水、加熱、供水等功能的自動運行。

3.2 PLC控制程序

系統的控制流程見表1，其運行原則主要是太陽能集熱器循環采用溫差循環，空氣源熱泵采用定時定溫循環，管道循環采用定溫循環，(保證洗浴時一開噴頭閥門即有熱水，減少無效冷水的浪費)自動補水循環利用液位傳感器檢測水位，從而控制補水閥的開關，以保證水位穩定在有效區間內。

表1 PLC控制程序流程

3.3 組態軟件

組態軟件是一種數據采集與過程控制的專用軟件，主要完成系統的報警、故障診斷、數據分析、報表形成和打印、與管理層交換數據、提供多變的人機界面等功能。圖3所示為系統的主控界面，用于監視雙熱源小型熱水機組(DHHW)的運行參數及其修改與調整。除直觀顯示其系統運行狀況外，還可查閱系統實時液位、溫度、報警、參數設置等信息。

圖3 DHHW控制系統主控界面

系統采用兩級密碼設置：一級密碼設置為保護級，操作人員可使用軟件，但不可修改參數：二級密碼設置為管理級，操作人員可進行完全控制。I/O設置，組態軟件中的變量數據庫通過設備驅動從PLC映射的某一數據位，按照一定的掃描時間保持與PLC數據同步。

4 結語

本文針對小型家用(商用)雙熱源供熱機組的設計特點，給出了電氣控制系統的硬件與軟件設計方案：以可編程序控制器(PLC)為控制核心、觸摸屏為監控平臺；采用溫度與水位檢測傳感器對系統運行參數進行檢測；按照“能源廉價優先”原則,實現系統運行與能量調控；采用觸摸屏為監控平臺的系統運行可視化界面直觀、動態感強、操作便捷。實際運行測試結果表明，系統每年制熱量平均COP值(COP為制熱系數， 即制熱量與輸入功率的比值)達到4.2以上，最佳工況條件下可達5.0。DHHW系統由于采用雙熱源互補性供熱，不受天氣、環境的影響，系統運行供熱穩定性好，具有良好的應用前景。

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