地源熱泵空調(diào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究

邱水

摘 要：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以其強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算、極高的可靠性、適應(yīng)工業(yè)過程現(xiàn)場以及強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能等特點(diǎn)使用越來越普遍。目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于各種生產(chǎn)工藝過程中，用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別和輸出控制等。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)管理層里，通常用工控機(jī)擔(dān)負(fù)人機(jī)交流界面功能，用組態(tài)軟件來完成工業(yè)流程及控制參數(shù)的顯示，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控和管理等功能。基于此，本文針對(duì)地源熱泵空調(diào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)展開詳細(xì)的分析和研究。

關(guān)鍵詞：地源熱泵空調(diào)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

前言：隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在生產(chǎn)工藝中要求有更加復(fù)雜、更加完善的控制裝置，以此來達(dá)到更高的控制精度、更快的控制速度和實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。因此計(jì)算機(jī)控制，作為自動(dòng)控制理論在工業(yè)控制過程中的應(yīng)用不斷得到快速發(fā)展。在生產(chǎn)過程中，通常需要測量和控制的變量有溫度、壓力、流量、液位、重量、電量電流、電壓、功率和成分等，這些變量的測量和控制也隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及測量技術(shù)的不斷發(fā)展，其基本測量原理雖然變化不大，但是信號(hào)轉(zhuǎn)換、顯示和控制裝置的變化卻發(fā)展十分迅速。

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

隨著生產(chǎn)不斷發(fā)展和技術(shù)水平的提高，控制技術(shù)采用一些自動(dòng)裝置代替人工操作。被控制的對(duì)象如熱交換器等加上一些自動(dòng)控制裝置計(jì)算機(jī)、測溫儀表及變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，就構(gòu)成了一個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制使得勞動(dòng)強(qiáng)度大為降低，控制精度得到提高，控制質(zhì)量得到可靠的保證[1]。在控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)，可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及記憶等功能，運(yùn)用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，編出符合某種控制規(guī)律的程序。計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行這些程序，就能實(shí)現(xiàn)被控參數(shù)的控制。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，程序是無形的，這也就是我們通常說的軟件，而設(shè)備是有形的，通常我們稱作為硬件。在以往常規(guī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律由硬件決定，這樣的話，如果改變控制規(guī)律就必須變更硬件。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中系統(tǒng)的控制規(guī)律的改變僅僅只需要改變程序軟件就可以了，因此對(duì)于修改控制規(guī)律來說，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)無疑是非常的方便的。

2 地源熱泵空調(diào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

地源熱泵空調(diào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施成功與否，在很大程度上取決于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總體方案的構(gòu)建。設(shè)計(jì)一套既能滿足生活需要成本又低的控制系統(tǒng)是最終的目的。根據(jù)地源熱泵空調(diào)的運(yùn)行模式對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制方案的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)主要從以下原則入手：

2.1 節(jié)能性原則

目前的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)荷的需求量之間還存在著較大的差異，也就是說，目前對(duì)地?zé)豳Y源的利用還存在很大的浪費(fèi)。

2.2 可靠性原則

由于地?zé)豳Y源埋藏于地下的特殊性，地下?lián)Q熱系統(tǒng)一旦建好就必須長期穩(wěn)定得工作運(yùn)行。所以這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)保證設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性一定要高。

2.3 匹配性原則

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要使得與其它建立在負(fù)荷分配基礎(chǔ)上的壓縮機(jī)、加熱器等相互匹配。

2.4 智能化原則

在室內(nèi)外環(huán)境溫、濕度的實(shí)時(shí)測量和地?zé)崴疁囟取岜脵C(jī)組進(jìn)出口水溫度以及流量的實(shí)時(shí)測量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各種負(fù)荷計(jì)算、燴值計(jì)算等，以此作為系統(tǒng)工況最佳分配的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，自動(dòng)完成隨負(fù)荷變化而進(jìn)行的邏輯判別和運(yùn)行控制。

3 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能分析

控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場控制兩種控制功能。系統(tǒng)通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和工調(diào)節(jié)器對(duì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)、深井水泵、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，系統(tǒng)也可以通過直接操作變頻控制柜，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制。控制系統(tǒng)可以工作在手動(dòng)自動(dòng)兩種工作模式下[2]。手動(dòng)和自動(dòng)模式下均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場控制和參數(shù)設(shè)定，在手動(dòng)模式下，可以人為的根據(jù)氣候、負(fù)荷的變化設(shè)定送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)、深井泵、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵等電機(jī)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)相當(dāng)于一種“開環(huán)控制”。

在自動(dòng)模式下，只需要根據(jù)室內(nèi)溫度和室外溫度的變化設(shè)定地源熱泵的回水溫度和房間的相對(duì)溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)，系統(tǒng)就能夠根據(jù)外在氣候條件的實(shí)際變化自動(dòng)的調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，滿足用戶實(shí)際需求。這樣就減少了人工干預(yù)，提高了自動(dòng)化水平。控制系統(tǒng)可以通過安裝在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)場的各類傳感器，檢測地下水出水溫度、回水溫度、室外溫度、室外相對(duì)濕度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)相對(duì)濕度、地?zé)崴鏊髁俊⒌責(zé)崴厮畨毫Α⒂脩粲盟髁俊⒀a(bǔ)水流量等參數(shù)，并將這些測量數(shù)據(jù)通過變送器傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。并且所有參數(shù)均可在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示，或由打印機(jī)直接打印出來。

為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可以通過對(duì)溫度、壓力等信號(hào)進(jìn)行報(bào)警設(shè)定，當(dāng)?shù)卦礋岜每照{(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中超過了上、下限設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)提示報(bào)警信息。對(duì)一些必要的參數(shù)，控制系統(tǒng)還設(shè)置了報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能，即超限時(shí)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。整套控制系統(tǒng)為方便統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)可以產(chǎn)生相應(yīng)的各種參數(shù)報(bào)表，隨時(shí)提供查詢和打印參數(shù)變化實(shí)時(shí)趨勢圖和歷史趨勢圖、報(bào)警記錄和數(shù)據(jù)記錄報(bào)表等。

3.2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

設(shè)置動(dòng)力控制中心控制冷卻、冷凍水泵變臺(tái)數(shù)、變頻運(yùn)行，并具有與空調(diào)主機(jī)聯(lián)鎖自動(dòng)控制功能。中央控制臺(tái)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式可供選擇，控制系統(tǒng)具有運(yùn)行工況指示、故障自檢聲光報(bào)警、故障急停等功能。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，主要通過提取地表淺層土壤熱源進(jìn)行熱交換為用戶供暖和制冷同時(shí)提供生活用熱水。系統(tǒng)控制分為地下?lián)Q熱控制系統(tǒng)、循環(huán)泵控制系統(tǒng)、補(bǔ)水泵控制系統(tǒng)以及室內(nèi)末端控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)采用集中控制設(shè)計(jì)，分為三層。系統(tǒng)首先根據(jù)實(shí)際需要負(fù)荷量控制臺(tái)機(jī)組的啟停以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的粗調(diào)，然后根據(jù)熱泵進(jìn)出口溫差控制深井泵的變頻運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的精調(diào)。對(duì)于地?zé)崴畞碚f，由于出口溫度常年保持不變，基本維持恒定，所以在控制設(shè)計(jì)中首先根據(jù)實(shí)際需要負(fù)荷量控制臺(tái)機(jī)組的啟停以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的粗調(diào)，然后根據(jù)地?zé)崴厮疁囟葹榭刂茀?shù)控制地?zé)崴倪M(jìn)出口溫差。用溫度傳感器、變頻器、調(diào)節(jié)器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，按照溫差指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)控制，用多少給多少真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能[3]。

熱水循環(huán)泵系統(tǒng)同樣由循環(huán)水泵泵電動(dòng)機(jī)組成，兩臺(tái)循環(huán)泵采用一臺(tái)定速轉(zhuǎn)動(dòng)一臺(tái)變速轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)。為了滿足用戶的需要必須實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，使得水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)際熱負(fù)載的大小而設(shè)定，這樣既能保證用戶的需求又能節(jié)約能源。變頻器和工控計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心部件，以末端最不利環(huán)路壓差為反饋信號(hào)，時(shí)刻跟蹤著該信號(hào)與設(shè)定值一般取的偏差變化情況，經(jīng)過變頻器內(nèi)置的調(diào)節(jié)器運(yùn)算，利用工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)水泵變頻與工頻的切換，自動(dòng)控制水泵投入臺(tái)數(shù)和電機(jī)的轉(zhuǎn)諫，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)整恒壓差變量供水。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。由于計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大得邏輯運(yùn)算功能，因此在工業(yè)上將計(jì)算機(jī)與傳感技術(shù)共同運(yùn)用于自動(dòng)控制中，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)利用傳感裝置將被控對(duì)象中的物理參量轉(zhuǎn)換為電量，再將這些代表實(shí)際物理參量的電量送入輸入裝置中轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字量，并且再計(jì)算機(jī)的現(xiàn)實(shí)裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來。本章主要介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及原理，并通過分析了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的控制原理，提出了對(duì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的水泵和風(fēng)機(jī)實(shí)行計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制方案。

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