基于PLC的小型地源熱泵控制系統設計與應用

黃越洋，毛慧德，石元博，解 瑩

（1.遼寧石油化工大學 信息科學與工程學院，遼寧 撫順113001；2.遼寧石油化工大學 計算機與通信工程學院，遼寧 撫順113001；3.遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部，遼寧 撫順113001）

基于PLC的小型地源熱泵控制系統設計與應用

黃越洋1，毛慧德1，石元博2，解 瑩3

（1.遼寧石油化工大學 信息科學與工程學院，遼寧 撫順113001；2.遼寧石油化工大學 計算機與通信工程學院，遼寧 撫順113001；3.遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部，遼寧 撫順113001）

針對能源緊缺與環境問題，提出以太陽能和地源熱泵聯合供熱制冷的方法。本文通過研究地源熱泵機組工作原理，地源熱泵各部分工作特點，提出地源熱泵供熱系統整體控制方案，同時加入交換機，利用TCP/IP協議進行遠程監控。通過對系統進行連續實地測試，可以得出地源熱泵控制系統和傳統的鍋爐、空調相比，具有污染小、能源轉化率高、性能更好的優點。

地源熱泵；PLC；組態軟件；聯合供暖制冷

隨著科技與經濟的發展，傳統的鍋爐供熱和空調制冷模式已經無法滿足當今社會的可持續發展要求。而地源熱泵技術的興起，彌補了傳統供熱制冷系統的缺陷，所以地源熱泵的研究意義重大[1-2]。

地源熱泵是利用淺層地能進行供熱制冷的新型能源利用技術。地源熱泵，冬季把地下土壤中儲存的熱量轉移到建筑物內，夏季再把地下儲存的冷量轉移到建筑物內，達到冬季供熱夏季制冷目的，在一年中就形成一個冷熱循環[3]。地源熱泵控制系統集自動切換、數據采集、超限保護、狀態監控、用戶自定義等功能于一體，達到遠程控制與改善運行效果的目的。地源熱泵以其出色的節能特性，被廣泛應用于于各行各業，主要包括商城、賓館、辦公大樓、學校等建筑，特別適用于小型別墅[4-8]。

地源熱泵技術需要一套完整的控制系統對其進行控制，以應對不同環境，來獲得最佳運行狀態。目前國內外對復合式地源熱泵系統運行控制策略已經取得了一定成就，文獻[11]從經濟角度研究了地源熱泵控制系統的可行性；文獻[12]采用單片機來控制地源熱泵控制系統，文獻[13]采用 PLC來控制地源熱泵控制系統。

文中在傳統地源熱泵基礎，提出以太陽能和地源熱泵聯合方式進行供熱制冷。同時為保證系統穩定運行，將采用專用PLC來控制地源熱泵控制系統。

1 地源熱泵系統設計

本設計來源為某高校教學實驗生態樓供暖制冷項目，供演示教學使用。建筑共4層，地上3層，地下1層。地源熱泵控制系統要求：樓內溫度按照季節與環境溫度變化，使樓內溫度適宜。系統分為兩部分：1）上位機遠程控制系統。2）下位機地源熱泵系統（部分）[14]。

系統結構如圖1所示，整個系統自上而下分為3個層次，上層為計算機人機交互界面（有組態王軟件搭建），在1樓主控制室中；中層為數據傳輸層，采用以太網通信方式線路連接，通信協議采用Modbus TCP/IP協議；下層為儀表、設備與控制器組成，控制器向設備發送指令或者接收設備發送上來的數據。采用數字量、模擬量直連控制器或者RS485異步串口通信的方式進行數據通信，其中RS485方式通信協議采用串行鏈路Modbus協議[15]。

圖1 系統結構圖

2 系統運行模式

2.1 地源熱泵系統工作原理

地源熱泵系統核心裝置為地源熱泵機組，機組內部蒸發器與冷凝器用來供熱制冷。利用壓縮機進行流體輸送，實現能量交換。原理如圖2所示。粗線代表熱量高的介質，細線代表熱量低的介質，虛線代表熱量變化的區域。

圖2 機組原理

2.2 地源熱泵系統工作模式

本系統為太陽能和地源熱泵聯合供熱制冷系統。系統工作模式分為冬季采暖、夏季空調和過渡季補熱，同時設計數據監測系統和超限保護系統保證系統平穩、安全運行[16]。

1）冬季采暖模式：太陽能集熱系統為地源熱泵系統輔助供熱。進入冬季采暖模式，對應閥門開啟，然后啟動地埋管循環泵與空調側循環泵，水流開關顯示正常后，啟動地源熱泵機組并啟動機組上的制熱模式，啟動太陽能采暖一次泵與太陽能采暖二次泵，太陽能為系統補熱。

2）夏季空調模式：分為4種子模式，分別用符號①②③④表示。子模式①②不開啟熱泵機組，空調系統循環水通過地埋管換冷板式換熱器與地埋管系統交換熱量，由此降低樓內溫度；子模式③④室內對空調要求較高時，熱泵機組開啟，為室內空調末端提供冷凍水。其中子模式②④井群1為室內制冷，井群2用作太陽能補熱，并啟動地埋管補熱循環泵。

3）過渡季補熱模式：春秋季過渡季節，啟動太陽能采暖一次循環泵和地埋管補熱循環泵，太陽能集熱器采集熱量通過環路循環到地下。

4）數據監測系統包括

①單項電表電力信息采集系統：采集系統電壓、電流、功率和電量信息。

②出口溫度采集系統：對管路、板式換熱器等管路出口進行溫度監測。

③供水流量采集系統：對供水流量、瞬時流速、累加總量等信息進行監測。

5）超限保護系統包括：

①閥門反饋監測系統：通過監測閥門自身反饋信號來監視閥門開啟關閉結果，若出現故障，對其編號進行報警從而快速修理。

②循環泵監視系統：對水泵進行遠程控制與遠程接收反饋信號，判斷循環泵是否運行正常。

③水箱自動補水系統：監測水箱水位，控制安裝在自來水管上的電磁閥，達到自動補水功能。

④水流開關監測系統：使用水流開關對循環泵出口的水流狀態進行檢測，顯示循環水泵是否正常工作或者管路是否通暢。

⑤溫度上下限保護系統：監測所在位置溫度，系統可設置溫度上下限，溫度高于設定上限或者低于設定下限時，啟動系統保護，先停止機組運行，3分鐘后停止循環水泵。

⑥集（分）水器差壓保護系統：監測地埋管側和空調側供回水的壓力，系統設置差壓上下限。當系統差壓超過上限時，打開分集水器聯通的電動閥平衡系統壓力。當空調側壓力低于壓力下限時，啟動補水水泵為空調側系統補水。

3 地源熱泵控制系統的實現

3.1 位機遠程集成中控系統的實現

本系統采用組態王軟件搭建人機交互界面（HMI）。上位機中設有管理員組與觀察組。其中只有管理員組有權限修改系統控制參數。上位機界面中設計有主控界面、閥門總覽、水泵調頻、溫度監測與差壓保護系統界面、水流流量監測、電力信息監測、管理員配置界面。

主控界面主要顯示每組閥門動作狀態、工作模式選擇、地源熱泵機組溫度信息和水泵控制狀態信息。在主控界面中點擊按鈕，對對應閥門狀態和水泵工作頻率進行調節。如圖3所示，圖中左側區域為工作模式選擇區域，中間區域為系統信息顯示區域，右側區域為閥門總覽區域。

圖3 主控界面

溫度與差壓界面主要顯示各組換熱器進出口溫度、管理員配置好的系統控制參數、分集水器兩端壓力以及調壓閥的狀態。溫度與差壓界面如圖4所示，左側區域為換熱器溫度信息顯示區域，中間區域為管理員控制參數設置；右側區域為分集水器信息顯示。

圖4 溫度與差壓界面

3.2 運行結果及分析

下面以冬季采暖模式為例（其中制熱上限43℃，下限40℃），地源熱泵機組共2臺，空調側循環泵共3臺為2用1備，地埋管循環泵共3臺，為2用1備，電動蝶閥共38個[17]。

下圖5為冬季采暖供熱模式的流程圖。進入冬季采暖模式，閥門1、3、4，7打開，閥門2、5、6關閉。閥門正常開啟3分鐘后開始啟動循環水泵，若閥門啟動故障，則停止水泵的啟動，系統對故障閥門編號進行報警。閥門信息反饋正確后，啟動地埋管循環泵，水泵反饋信號正常1分鐘后啟動下一項，否則停止啟動下一項。正常啟動地埋管循環泵后，啟動空調側循環泵，若出現故障處理同地埋管循環泵。當所有工作的地埋管循環泵與空調側循環泵正常運行3分鐘后，對應的水流開關顯示水流正常后，啟動地源熱泵機組并啟動機組上的制熱模式，如果機組水流未正常循環，則停止啟動下一項，并顯示故障水流開關編號。故障解除后，重新啟動地源熱泵機組。地源熱泵機組正常運行10分鐘后，啟動太陽能采暖一次泵，正常運行后啟動太陽能采暖二次泵，太陽能為系統補熱。

圖5 冬季采暖供熱模式流程圖

下面對冬季模式下熱泵溫度變化進行測試，時間選取20分鐘，溫度變化如表1所示。

表1 溫度變化

4 結 論

隨著世界能源短缺和環境污染日益嚴重，地源熱泵控制系統必然將取代統鍋爐供熱與空調制冷模式[9]。使用地源熱泵控制系統的供暖制冷方式可以有效地控制環境污染和實現能源可持續發展。本文中對系統各部分進行了分析，并設計了相應控制方案，最終實現了地源熱泵系統的自動運行與遠程控制的目的，在以后的工作中會繼續努力加強對此技術的研究。

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The design and application of small ground-source heat pump control system based on PLC

HUANG Yue-yang1，MAO Hui-de1，SHI Yuan-bo2，XIE Ying3
（1.The School of Information and Control Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；2.The School of Computer and Communication Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；3.The College of Chemistry Chemical Engineering and Environmental Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China）

Aiming at the shortage of energy and environmental problems，the method of using solar energy and ground source heat pump for heating and cooling is put forward.In this paper，the ground source heat pump working principle is studies.Then，according to the working characteristic of the ground source heat pump，put forward overall control scheme of a ground source heat pump heating system.At the same time，we add switches and use TCP/IP protocol to remote monitoring.Through continuous field testing of the system，it can be concluded that the ground source heat pump control system has the advantages of less pollution，high energy conversion rate and better performance than the traditional boiler and air conditioning.

ground-source heat pump；PLC；kingview；joint heating and cooling

TN913

A

1674－6236（2017）10-0074-04

2016-06-27稿件編號：201606206

遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2014150）；遼寧省博士啟動基金項目（201501104）

黃越洋（1981—），女，遼寧昌圖人，博士研究生，講師。研究方向：工業過程先進控制，無線傳感器網絡定位。