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胡晓波（1977－）
男，陕西岐山人，讲师，硕士，主要从事自动控制教学及科研工作。

摘要：水源热泵作为一种用地下恒温水源代替冷却塔的高效节能空调，在实际应用中，还应充分考虑主机、冷冻水泵和冷却水泵等消耗能量最大的设备的节能问题。本文重点阐述了水源热泵系统中冷冻水和冷却水系统的变频节能原理、闭环节能控制方案和对控制系统的设计。实践证明，此控制系统实现了对水源热泵系统从电路到水路的最高效率控制。

关键词：水源热泵；节能；PLC；控制系统

Abstract: Water Source Heat Pump, which is an efficient energy-saving air-conditioning method, is used for an alternative of cooling tower. This alternative is achieved through the exploitation of heated underground water sources. In actual application, we should consider fully the energy-saving issues of big energy including refrigeration compressors、freezing water pumps and cooling water pumps. This article focuses on the frequency energy conservation principle of the freezing water and cooling water systems, the control programming of energy-saving closed-loop, and the design of control system in WSHP. The experiments proved that the control system achieves the most efficiency control from the circuits and water systems.

Key words: Water Source Heat Pump；Energy-saving；PLC；Control system

1 引言

    水源热泵作为一种用地下恒温水源代替冷却塔的高效节能空调，在实际应用中，为了进一步提高节能效果，还应尽可能减少主机、冷冻水泵和冷却水泵等主要耗能设备的用能。传统的空调水系统使用定流量的运行方式，水源热泵主机本身具有能量调节机构，根据负载变化输出的能量可以在额定值的25％-100％的范围内调整。但是，冷冻水泵和冷却水泵却不随着负载变化做出相应的调节，流量保持不变，导致水系统经常在大流量、小温差的工况下运行，电能浪费很大。采用定温差变流量的水系统控制，可以避免这种浪费。

    采用这种控制方式，可以把进回水的温差固定在一个较大的给定值上，在用户负荷较小时，通过减少流量来满足用户要求，这样水泵的能耗可以大大减少。随着冷机技术的进步，蒸发器的流量可以在额定流量的60%-100%范围内变化，这样就为采用交流变频调速器对水源热泵系统中的水泵进行变流量节能控制提供了技术保证。本文将利用PLC、触摸屏和变频器对水源热泵进行变频节能控制。

2 变频节能控制方案

    采用变频器配合可编程控制器组成控制单元,其中冷却水泵、冷冻水泵均采用温度自动闭环调节，即用温度传感器对冷却水、冷冻水的水温进行采样,并转换成电信号(一般为4-20 mA,0-10 V等)后送至PLC,通过PLC将该信号与设定值进行比较再作PID运算后，决定变频器输出频率,以达到改变冷冻水泵、冷却水泵转速,从而达到节能目的。

2.1 冷冻水系统

    系统采用定温差变流量的方式运行，在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻水泵变频器工作的最小工作频率作为水泵运行的下限频率并锁定；将电动机工频设定为上限频率，改变变频器频率就可以调节系统的流量。另一方面，在系统运行时，由于低温冷冻水温度取决于蒸发器的运行参数，一般冷冻水出水温度设定为8-10℃,因此，只需控制高温冷冻水(回水)的温度,即可控制温差。为了确保冷冻水的出水回水温差在设定的范围内，方案采用温度传感器在冷冻水入口测量水温T，并与PLC、变频器及水泵组成闭环控制系统，将冷冻水回水温度控制在△T（一般取5-7℃）。当负荷发生变化，回水温度跟着变化，控制系统跟着温差的变化调节水泵的转速从而调节系统冷冻水的流量，直到满足新的负荷对冷冻水流量和温差要求。

      

                                 图1   冷冻水系统闭环控制框图

    当水源热泵系统首次起动时，电机在工频下全速运行，冷冻水系统充分循环一段时间，然后再根据冷冻回水温度对频率进行无级调速。其目的是促进冷冻水的流动，保证换热效果。

2.2 冷却水系统

    水源热泵系统采用温度不变的地下恒温水源作为冷凝器的冷却水源，负荷变化，冷凝器散发的热量也会变化。取冷凝器两侧冷却水的温度作为控制参数,维持温差不变，采用温度传感器、PLC和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统,调节冷却水泵的转速，从而调节冷却水流量跟随热负载变化。系统在满足冷却需要的前提下,可以避免水泵全功率运行，达到节电的目的。

     
                           
                              图2   冷却水系统闭环控制框图

3 控制系统设计

3.1 水源热泵系统设备

    以某医院病房水源热泵系统为例，有两台螺杆压缩机，每台输入功率65kW，Y-△起动，每台压缩机带有3个能量调节电磁阀，使压缩机能分别工作在25%、50%、75%、100%能级。每台压缩机带有排气温度过高保护，内部温度过高保护，高、低压力保护，油压差保护，均为开关量。系统有冷冻水泵两台(1台备用)，功率均为11kW，冷却水泵两台(1台备用),功率均为15kW，每台泵各匹配一个变频器。系统设水流开关两个,一个用于冷冻水水流，一个用于冷却水水流，两个水流开关中任何一个在断时，压缩机不能起动。这些设备和保护元件都需要检测其运行状态和起、停控制，都是开关量。

3.2 控制系统硬件配置

    根据系统分析和控制要求,系统安全运行要求控制端计有:系统启动/停机按扭2个,压缩机排气温度保护2个,高、低压保护4个,内部温度过高保护2个,油压差保护2个,电机过流保护6个,水泵电机保护4个，水流继电器2个,出水温度过低保护1个,电源相序保护2个,共要求控制系统根据运行输入27个开关量以及4个模拟量信号，对这些信号进行处理后，给出的控制信号包括：驱动水泵变频器4个,驱动压缩机运行6个,驱动压缩机能量调节电磁阀6个，驱动水回路电磁阀2个,共计输出开关量18个。

    根据以上系统要求的输入/输出端数量和系统特性，选择日本欧姆龙(OMRON)公司生产的PLC系列产品组成控制系统，包括有CP1H-XA40DR-A型号的PLC 1台，NT5Z-ST121B-EC型号的触摸屏1台，3G3RV系列的变频器4台，CPM1A-TS102型号温度传感器单元1台组成。其中触摸屏和变频器通过RS-485串行通讯接口连接到PLC。温度传感器单元通过其所带的扩展I/O连接电缆和PLC相连，4路Pt100直接连接在温度传感器单元的接线端。

                                     图3   PLC控制系统组成图

3.3 控制系统软件设计

    方案的控制系统以回水温度为控制目标，通过控制压缩机的能级及水泵的流量，把回水温度控制在给定值上。基于PLC的水源热泵节能控制系统程序流程图如图4所示。

                                     图4   PLC程序流程

                                 图5   模拟量处理流程

    主程序主要功能为现场运行各泵的启停切换提供信号、以及处理模拟量和与触摸屏通信数据等。可以分为4个部分：系统初始化、模拟量处理程序、触摸屏通信程序和主控程序。当用户的负荷发生变化时，控制系统检测到冷冻水出水和回水的温差超过触屏设定值之后，程序自动跳入到中断处理程序。及时调整变频器输出频率，调整水泵的转速改变冷冻水流量，使冷负荷满足新的要求，中央空调的温度回到设定的范围内。程序的编制过程中要考虑水泵的运行状态及互锁关系，避免烧坏变频器。在设计中还要注意PLC和触摸屏通信能安全可靠，要设定好RS-485端口的属性值和波特率，确保程序的地址值和触屏按钮的地址一一对应，否则通过触屏按钮就不能控制系统的运行。

    触摸屏系统主要包括系统初始化设置、运行模式选择、PID参数设置、温度显示、故障报警及复位等界面组成，其结构如图6所示。

    从图6中可以看出一启动触摸屏，则进入触摸屏主界面，在主界面里可以通过运行模式的选择对水泵电机进行软启动，通过小键盘设置合适的PID参数优化控制，通过温度显示界面显示进出水口的温度变化，运行一旦发生故障，可以从报警复位界面显示故障位置。触摸屏系统在运行控制上不但可以进行组态，而且还能监控下位机的运行，实现一体化的现场管理。

          

                                 图6   触摸屏程序结构

4 结束语

    实践证明：由PLC、触摸屏和变频器组成的水源热泵节能控制系统，具有如下优点：

   （1）根据实际需要负荷的变化自动调节压缩机的能级和水泵的转速，实现了从电路到水路的最高效率控制。

   （2）采用变频控制，实现对电机的软启动和软停止，减少对电网和设备的电气及机械冲击，还可以减少设备的磨损及维护，延长主泵电机的使用寿命。

   （3）采用触摸屏监控，一方面可以很方便设置系统参数和调整工况，另一方面能实现对系统运行情况的实时监控。

    总之，基于PLC、触摸屏和变频器的闭环控制系统已在水源热泵等中央空调系统中得到广泛应用，运行状况良好，节能效果显著，受到了用户的好评，具有很好的应用前景。
　　
参考文献：

[1]  王蓉辉.中央空调变流量节能控制系统中智能控制的研究.长春:长春理工大学,2007.
[2]  钱丹浩,刘萍萍.PLC在中央空调变频节能系统中的应用.自动化博览,2006,8:42-44.
[3]  赵太新.变频调速在中央空调系统节能中的应用.节能技术,2008,1(1):60-63.
[4]  董生怀,赵文丽.可编程序控制器和可编程序终端在地温中央空调中的应用.周口师范学院学报,2006,3(2):61-63.