基于PLC及HMI的地源熱泵中央空調智能控制系統

許飛燕，許飛勇，盧月，張捷，李娟

（中國人民解放軍第7451工廠，湖南郴州，423000）

0 引言

PLC和HMI廣泛應用于工業、農業、冶金、石油、化工、電力、智能建筑和軍事科工等諸多領域。本文介紹了西門子PLC和維綸通觸摸屏在地源熱泵中央空調系統中的應用，內容包括了中央空調機組組成，智能控制流程設計，PLC硬件及外圍電路設計，I/O資源存儲單元分配，PLC梯形圖設計和HMI組態設計五個部分。

1 原理與設計

1.1 中央空調機組組成

中央空調機組主要包括690空調主機兩臺、120熱回收主機兩臺、內循環泵四臺、低位熱水循環泵一臺、4Kw潛水泵一臺、15Kw冷卻泵一臺、7.5Kw冷卻泵一臺、備用11Kw冷卻泵一臺、備用5.5Kw冷卻泵一臺、電氣控制柜一套及管路閥門一套。

1.2 智能控制流程設計

中央空調的運行分為夏季和冬季兩個模式：夏季為制冷模式，分為高峰期（早上9：00-次日凌晨2：00）和低峰期（凌晨2：00-次日早上9：00），內循環泵用于抽地表水進行初級熱交換，如高峰期冷水回水溫度上升至16度時（低峰期回水溫度上升至18度時），啟動1#空調主機及冷卻泵抽地下水進行熱交換，如制冷效果還不夠，回水溫度上升至22度時，啟動2#空調主機及冷卻泵抽地下水進行熱交換，回水溫度下降至某溫度時，依次關閉2#，1#空調主機；冬季為制熱模式，也分為高峰期（早上9：00-次日凌晨2：00）和低峰期（凌晨2：00-次日早上9：00），內循環泵用于抽地表水進行初級熱交換，如高峰期熱水回水溫度下降至30度時（低峰期回水溫度下降至35度時），啟動1#空調主機及冷卻泵抽地下水進行熱交換，如制熱效果還不夠，回水溫度下降至35度時，啟動2#空調主機及冷卻泵抽地下水進行熱交換，熱水回水溫度達到某溫度時，依次關閉2#，1#空調主機。地面設有熱回收機組，回收的熱量用于給生活用水蓄水箱加熱。

圖1 夏季制冷及熱回收系統流程圖

圖2 冬季制熱及熱回收系統流程圖

圖3 PLC硬件及核心電路（數字量）

1.3 PLC硬件及核心電路設計

PLC選用西門子S7-200 CPU 226 CN AC/DC/Relay中央處理模組一個，并擴展數字量模塊EM223 32Inputs/32Relay Outputs一個和模擬量EM231 4 Analog Inputs兩個。數字量輸入用于檢測現場各種狀況，如水位壓力反饋，電機起停和故障反饋，閥門開啟反饋；數字量輸出用于輸出各種控制命令，電機啟動和閥門開啟命令；模擬量輸入用于采集冷卻水、冷凍水、熱水回水溫度和低位水箱溫度。

圖4 PLC硬件及核心電路（模擬量）

1.4 PLC內部資源分配

1.4.1 I/O資源存儲單元分配

1.4.2 PLC內部位存儲器M分配表

表2 智能控制系統內部位存儲器M分配表（部分）

1.5 PLC梯形圖設計

PLC主程序分為主程序，自動運行程序，夏季程序，冬季程序，自動停機保護程序，冬季熱回收程序，夏季熱回收程序，夏季熱回收停機程序，冬季熱回收停機程序，設置定時中斷，夏季保護停機程序，冬季保護停機程序，上電復位程序，夏季循環控制程序，冬季循環控制程序，停機程序，水溫檢測程序等17個部分組成。

圖5 自動運行程序（部分）

圖6 冬季程序（部分）

1.6 HMI組態設計

HMI人機界面選用維綸通MT8071iE七寸觸摸屏，按現場實物配置組態圖案，美觀大氣，操作簡單：（1）一鍵啟停：系統的起動/停止操作只需按下起動/停止即可完成，操作簡單明了。（2）確認保護：為防止誤操作或無意觸碰，系統設計了確認對話框進行安全保護。

2 性能效果

圖7 觸摸屏組態

本地源熱泵中央空調機組運行后，運行穩定，相比傳統純電力、燃料中央空調一年可節約燃料費用12萬余元，為適應現場工況要求，系統程序設計了很多功能：（1）系統自動保護功能：系統在起動運行時，如水壓、水位變低系統將運行自動保護程序，在水壓、水位恢復正常時又能自動正常工作。（2）智能替換：當1、2和3號內循環泵發生故障時，4號內循環泵能自動開始工作，并以故障泵的工作方式工作，當故障泵恢復正常時，4號內循環泵自動退出工作。（3）實時可調定時：對控制系統流程運行所有溫度均可隨時設定并保存；對690主機、120主機和3號內循環泵起動后延時時間可隨時設定；以上所有設定輸入確認后立即生效。

3 結論

節能環保新能源開發利用是未來社會發展的必然趨勢，地源熱泵中央空調比傳統能源空調高效便捷易于開發利用且不會帶來環境污染，在我國地表水資源豐富的地區均可引進利用。