基于PLC的水源CO2熱泵控制系統設計

楊軍紅

基于PLC的水源CO2熱泵控制系統設計

楊軍紅

（昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650200）

水源CO2熱泵是一種高效、環保的制熱設備，在熱泵制熱過程中如何快速、高效、穩定的獲取高溫熱水是熱泵控制的關鍵，結合水源CO2熱泵的實際應用，闡述如何利用PLC、變頻器及觸摸屏來進行熱泵控制系統的設計。

熱泵；PLC；觸摸屏；變頻；PID控制

0 引言

水源CO2熱泵是一種以CO2作為冷媒的水源（工業廢水、地下水等）余熱回收設備，其與傳統的熱泵相比具有綠色環保、COP高、出水溫度高等特點。水源CO2熱泵是一種遵循逆卡諾原理能量轉換設備[1]，工作時消耗小部分電能，就能從工業廢水、地下水等水源中吸收大量余熱，然后通過壓縮機做功輸出高溫熱能，從而達到水源余熱回收利用的目的。

水源CO2熱泵主要由蒸發器、壓縮機、冷疑器、膨脹裝置四部分組成，熱泵制熱過程中通過讓CO2冷媒不斷完成蒸發（冷媒吸收熱量）→壓縮→冷疑（冷媒釋放熱量）→節流→再蒸發的熱力循環過程[2]，從而對工業廢水、地下水等水源中的熱量進行回收利用，熱泵原理如圖1所示。

圖1 水源CO2熱泵原理圖

1 控制系統方案

水源CO2熱泵運行的最終目的是通過壓縮機做功將工業廢水、地下水等熱源中的熱量轉移到生活用水中，如何快速、高效、穩定的獲取高溫熱水是熱泵控制的關鍵。在水源CO2熱泵的實際使用過程中，由于工業廢水、地下水等水源的溫度及冷水溫度相對穩定，若作為熱量來源的水源流量也相對穩定（水源泵定頻運行），則熱泵熱力循環轉移的熱量也是一定的，因此可通過對水源CO2熱泵的冷水泵進行變頻控制，利用變頻技術調節冷水泵水流量（冷水進水流量）來快速穩定、調節熱水出水溫度[3,4]。

冷水泵的變頻控制可以通過PLC加變頻器的方式來實現，熱泵熱水出水端安裝有溫度傳感器，PLC模擬量輸入端子可采集熱水出水端溫度傳感器信息（4～20mA模擬信號），然后由PLC根據實時采集的熱水出水溫度進行頻率調節，并通過變頻器改變冷水泵的運行頻率。

2 控制系統硬件

水源CO2熱泵控制系統硬件由PLC及相應I/O模塊、觸摸屏、變頻器組成。PLC選擇瑞士ABB公司AC500系列的PM554-TP-ETH及相應I/O擴展模塊（AX561、DO5611各一個），其可提供4個模擬量輸入端子、2個模擬量輸出端子、8個數字量輸入端子以及14個數字量輸出端子，變頻器選擇海利普的HLPNV0D7543B，觸摸屏選用威倫通MT6070IQ。觸摸屏與PLC之間通過RS485串口進行通訊，熱泵熱水出水端溫度傳感器、變頻器等通過I/O擴展模塊與PLC相連。

3 控制系統軟件

水源CO2熱泵控制系統軟件包括PLC軟件和觸摸屏軟件兩部分，PLC軟件主要是完成熱泵壓縮機、水源泵、冷水泵、膨脹裝置電磁閥等部件的啟/停、熱水出水溫度采集、冷水泵的頻率調節以及故障判斷；觸摸屏軟件則主要是完成熱泵啟停操作、參數設置、信息顯示及故障報警提示等功能。

3.1 PLC軟件設計

PLC軟件采用易看懂、易編程的梯形圖語言（LD）編寫，軟件采取模塊化設計，其由初始化及參數存取、I/O輸入處理、故障診斷、啟停控制、頻率調節、I/O輸出處理六個模塊組成，各模塊功能如下：

（1）初始化及參數存取：參數初始化及掉電保持區數據讀取與保存；

（2）I/O輸入處理：將溫度傳感器輸入4～20mA模擬量信號轉換成相應的溫度數據；

（3）故障診斷：故障判斷及定位；

（4）啟停控制：啟停判斷、頻率調節模塊的調用以及壓縮機、水源泵、冷水泵、電磁閥的啟/停；

（5）頻率調節：通過積分分離PID控制調節冷水泵運行頻率；

（6）I/O輸出處理：將冷水泵運行頻率轉換成4～20mA模擬量信號進行輸出。

PLC軟件流程如圖2所示。

圖2 PLC軟件流程圖

PLC軟件燒寫在PLC的程序內存中，PLC上電時，軟件以自上而下的方式掃描運行，在水源CO2熱泵無故障報警時，通過觸摸屏操作啟動熱泵，啟停控制軟件模塊運行并實時檢測熱水出水溫度，當檢測到的溫度與設定溫度的差值超過閥值時開始調用頻率調節模塊，然后通過積分分離PID控制調節變頻器輸出頻率降低或提高冷水泵水流量來控制熱水出水溫度。

在PID控制系統中，積分控制的引入主要是為了消除穩態誤差，提高控制精度，但在調節過程的開始、結束及大幅度調節時可能會引起系統的超調或振蕩，從而使得穩定時間變長，對于用戶來說快速穩定熱水出水溫度是需要的，因此積分分離PID控制算法將更加適合用于冷水泵的頻率調節。積分分離PID控制的基本原理是當被控制量與設定值偏差較大時取消積分作用，避免因積分作用導致控制系統穩定性降低、超調量增大；當控制量接近設定值時再引入積分作用，消除穩態誤差，提高控制精度[5-8]。

采用積分分離PID控制的頻率調節模塊程序流程如圖3所示。

圖3 頻率調節模塊流程圖

3.2 觸摸屏軟件設計

水源CO2熱泵變頻控制系統采用威倫通MT6100觸摸屏作為人機操作界面，通過人機操作界面可以完成熱泵的啟停操作、參數設置、運行信息顯示以及報警提示等功能，并實現人機操作界面與PLC內部的數據交換，監控熱泵機組的運行，實現一體化管理。觸摸屏軟件主要由主界面、參數設置、故障報警及復位三個界面組成，其結構如圖4所示。

圖4 觸摸屏軟件結構

觸摸屏上電啟動時軟件自動進入主界面，在主界面可以顯示熱水出水溫度、水源進水溫度、冷水泵頻率、熱泵各組部件運行狀態等信息，并可以對熱水出水溫度進行設置；參數設置界面可以設置PID控制參數、熱泵運行參數等；故障報警及復位界面則可以查看熱泵運行過程中的故障報警信息，解除相應的故障報警。

4 結束語

在水源CO2熱泵實際使用過程中表明，以可編程控制器PLC作為控制核心結合變頻器與觸摸屏組成的控制系統能夠有效的保證水源CO2熱泵可靠運行并快速調節、穩定熱泵熱水出水溫度。

[1] 馬一太,王派,張啟超,等.CO2熱泵熱水機發展現狀[J].制冷與空調,2018,18(10):67-71.

[2] 孫建.利用生活廢水余熱的CO2熱泵系統[J].制冷與空調,2015,15(9):39-43.

[3] 宗嘉財.基于S7-200 SMART的地源熱泵控制系統設計[J].自動化應用,2018,(1):27-28.

[4] 王天舒.一種超低溫熱泵熱水機動態流量控制法[J].研究與探索,2018,(2):226-227.

[5] 吳廷強,閻昌國,羅德蓮.基于積分分離模糊PID的溫度控制系統設計[J].西南大學學報,2017,39(5):185-188.

[6] 任俊杰,李永霞,李媛,等.基于PLC的閉環控制系統PID控制器的實現[J].制造業自動化,2009,31(4):20-23.

[7] 曹振華.地源熱泵空調系統的控制仿真研究[J].制冷與空調,2017,31(3):313-316.

[8] 姜海濤.基于軟PLC的PID控制系統的設計與實現[D].北京:中國科學院研究生院,2012.

Design of Water Source CO2Heat Pump Control System Based on PlC

Yang Junhong

( Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming, 650200 )

Water source CO2heat pump is a kind of high efficient and environmental protection heating equipment, how to obtain high temperature hot water quickly, efficiently and stably is the key of the heat pump control in the heat pump heating process. This paper will combine with practical application, describes how to use PLC, frequency converter and touch screen to design the control system of water source CO2heat pump.

heat pump; PLC; touch screen; frequency conversion; PID control

1671-6612（2020）06-716-03

TU83

A

楊軍紅（1984-），男，工學碩士，工程師，E-mail：a303537285@163.com

2020-03-09