（机械制造及其自动化专业论文）热泵机组控制系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 本文针对当前节能与可再生能源的应用，开发了面向水源热泵机组的控制 系统和计算机远程自动监测系统。 控制系统由输入输出系统、控制系统、数据采集监控管理系统三大部分组 成。输入输出系统由检测回路、各种接触器回路、电磁阀回路及显示报警回路 组成，负责检测和传送各种控制信号；控制系统由微型计算机和模拟量处理模 块组成，负责信号的处理和热泵的自动运行，调节用户供水温度；数据采集监 控管理系统由数据采集仪及p c 机组成，负责现场时实数据的采集、分析和存储， 可随时查看热泵系统的当前运行状态和历史运行记录等。 在热泵控制系统中，对能量调节系统的连续调节采用了单参量的p i d 方式， 并提出了生产过程趋近于“危险”区域多参量的选择性p i d 控制方式。对p 1 d 控 制方式提出了带死区的、积分分离的控制算法。 热泵控制系统的c p u 模块与人机界面t d 2 0 0 通讯采用先进的r s 一4 8 5 接口 标准、p p i 通讯协议进行通信：并且采用了整体式加积木式可编程序控制器p l c 作为主控制器，主要包括c p u 模块，传感器，模拟量输入输出模块，人机界面， 报警器等；采用丰富的硬件抗干扰技术，并结合软件抗干扰，使热泵机组的运 行更加准确、可靠。 在计算机自动监控系统中，采用h p 3 4 9 7 0 a 数据采集仪和p c 机组成计算机 监控系统，并运用以v i s u a lb a s i c6 0 作为工具开发的基于r s 一2 3 2 串行通讯协议 的水源热泵计算机自动监测软件，收集、分析与归档测量数据，为操作人员观 察与了解热泵机组的运行状态，保证系统安全、稳定地运行提供了便利条件。 实际的使用、运行结果表明，本控制系统和监测系统实现了预期的功能。 本项目对于热泵在我国的推广与应用具有一定的实用价值和意义。 关键词控制系统；远程监测：水源热泵；可再生能源 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a i m i n g a tt h e e n e r g ys a v i n g a n dt h e a p p l i c a t i o n o f e n e r g y r e c y c l i n g ，a i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ma n dac o m p u t e rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fw a t e rs o u r c e h e a tp u m p sw e r er e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d i nt h i sp a p e r t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so f i n p u t o u t p u ts y s t e m 、e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m 、 c o m p u t e rd a t ag a t h e r i n ga n dm a n a g i n gs y s t e m i os y s t e m ，i n c l u d i n gc h e c kc i r c u i t s ， c o n t a c t o rc i r c u i t se t c ，i sr e s p o n s i b l ef o rd e t e c t i n ga n dt r a n s f e r r i n gd i f f e r e n tc o n t r o l s i g n a l e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m i s r e s p o n s i b l e f o r s i g n a lp r o c e s s i n g ，a u t o m a t i c o p e r a t i o n ，a n dt h ea d j u s t i n go fw a t e rt e m p e r a t u r e s c o m p u t e rd a t ag a t h e r i n ga n d m a n a g i n gs y s t e mi sr e s p o n s i b l ef o rg a t h e r i n g 、a n a l y z i n ga n dr e c o r d i n gr e a l - t i m ed a t a ， a n d d i s p l a y i n gc u r r e n to rh i s t o r yw o r k i n g s t a t ef o ru s e r s t h i sh e a tp u m pc o n t r o ls y s t e mu s e sp i dc o n t r o la l g o r i t h mo f s i n g l ep a r a m e t e r t or e a l i z et h es e r i a la d j u s t m e n to f c a p a c i t y am u l t i v a r i a b l ep i dc o n t r o lm o d e i sa l s o p u t f o r w a r di nt h i sc o n t r o ls y s t e m t h ec p um o d u l ea n dt h eu s e r si n t e r f a c eo fh e a t p u m pc o n t r o ls y s t e m c o m m u n i c a t ei n f o r m a t i o ne a c ho t h e rt h r o u g ht h ea d v a n c e dr s 一4 8 5s t a n d a r da n dt h e p p ic o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ad i e b l o c kp l cm i c r o c o m p u t e rw o r k sa st h em a i n c o n t r o l l e r , i ti n c l u d e sc p um o d u l e ，s e n s o r s ，i om o d u l e ，i n t e r f a c ec i r c u i t ，a n da l a r m s t h eh a r d w a r ec i r c u i t sc o m b i n i n gw i t hs o m ei m p o r t a n ts o f t w a r ea r ea d o p t e dt os t a n d a g a i n s tt h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b i n g i tm a k e st h eh e a tp u m pw o r ks t a b l ya n d r e l i a b l y t h ec o m p u t e rr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m i sm a d e u p o fh p 3 4 9 7 0 ad a t a a c q u i s i t i o nm e t e ra n dac o m p u t e r b a s e do nt h er s - 2 3 2 s e r i e sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，i tc a ng a t h e r ，a n a l y z ea n dp i g e o n h o l et e s t i n gd a t aa n dm a k e u s e r sk n o wt h e w o r k i n g s i t u a t i o n s t h i se n s l i r e st h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f h e a t p u m p t h ea c t u a lu s ea n dt e s ti naw a t e rs o u r c eh e a tp u m ps h o w nt h a tt h ec o n t r o l s y s t e ma n dt h em o n i t o r i n gs y s t e mw o r kw e l la n de n t i r e l ym e e t t h er e q u i r e m e n t so f t h eh e a tp u m p t h e s ew i l lp r o v i d es o m ei m p o r t a n tv a l u e si nt h ea p p l i c a t i o no fh e a t p u m p i nc h i n a k e y w o r d ：c o n t r o ls y s t e m ，c o m p u t e rm o n i t o r i n g ，w a t e r - s o u r c eh e a tp u m p ，r e - c y c l i n g e n e r g y i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。b - 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在沦文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：望圭! 玺生 r 期：2 q q 3 生! q 旦31 旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借读；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：蔓圭! 塞竺导师签名：叠霪。差日期：。堡；。必签名：蔓圭! 塞竺导师签名：专避日期：剑 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 热泵控制系统发展概述 在电子数字计算机出现后不久，人们就将其应用在工业自动化领域。在工 业生产过程中，有各种各样反映生产过程状态的物理量，如：温度、压力、流 量等过程信息。近年来，随着这些过程信息的数字化技术发展，计算机的应用 领域扩展到了工业丁：程及生产制造领域，即计算机控制系统。在计算机应用于 工业自动化之前，人们采用测量和控制仪表来完成测量与控制功能。在此系统 中，各个仪表是独立的，互不关联的。而采用了计算机实现测量控制功能后， 就可以通过计算机将所有的信号和对象连接在一起，使用自动控制的方法来处 理，便于生产操作人员进行操作和控制。计算机控制系统的发展经历了三个阶 段：集中控制系统c c s ，分布控制系统d c s ，现场总线控制系统f c s 。随着热 泵技术的发展，热泵自动化控制系统也将逐渐从单机的现场直接数字控制，向 着多机群控的集散控制系统和现场总线控制系统的方向发展。 长期以来，热泵技术的发展比较缓慢，而且，只处于理论研究阶段，实际 应用的数目很少。只是近几年来，随着能源问题变得日益突出，促进了热泵技 术的发展，热泵实际应用的数量、规模增大；同时，对热泵自动化技术的要求 越来越高，例如：对大规模水源热泵系统的集中控制。热泵控制系统的发展是 随着热泵技术的发展与应用逐步由简单到复杂、由局部最优到整个系统优化控 制、节能运行的过程。例如：由台或几台热泵机组组成的水源热泵系统，规 模不大，利用热泵机组自带的控制系统可以满足监控要求。而对于规模较大， 热泵机组台数多，布置分散的大规模水源热泵系统，其控制要求有了不同的特 点。 集散型控制系统以微处理器为基础，继承了单元组合仪表及计算机系统的 优点，充分利用控制技术、计算机技术、通讯技术、图象显示技术的成果，集 中了连续控制、批量控制、顺序控制和数据采集等功能，实现了集中管理、分 散控制，即管理、操作、监视集中，而功能、设备、负荷和危险分散。现场总 北京业大学工学烦士学位论文 线控制系统是连接现场设备与控制室装置之间的全数字、串行、多向、多点的 网络通讯系统，它将计算机与数字技术进一步延伸到了现场，是集散型控制系 统向数字化发展的结果。随着自控技术和网络技术的不断发展，以系统优化为 目标的热泵系统的集中控制必将成为可能。 热泵自动化控制系统是根据系统对控制功能的要求以及负载特性，自动对 热泵的热工参数进行检测、显示；对热泵的制冷、制热工况进行自动控制，自 动记录和分析运行数据，自动诊断故障并采取相应的保护措施，以达到根据预 置工况水温的设定值和偏差进行增载或卸载，与蒸发器或冷凝器的负荷相匹配， 将供水温度控制在设定的范围之内。保证热泵运行的安全性和经济性的自动控 制系统是微型计算机软、硬件技术、自动控制技术、电子技术以及低温工程等 几项技术紧密结合的产物。热泵所提供的热量与所消耗的机械功之比一般可达 三倍以卜，是一个有效的节能产品。热泵控制系统具有提高系统运行的稳定性 和 作效率、操作方便、节约能源、保障操作人员及设备安全等特点，它为整 个系统的正常安全运行提供了有效的手段。 1 2 热泵控制系统国内外研究现状 世界各国的能源消耗中，以热能消耗量为最大。在一次能源变成热能再转 换成各种形式能量的过程中，约有5 8 5 的能量是以排气、蒸汽、热水( 低温) 等排热形式而损失的。而这些排热损失中，低于1 0 0 。( 2 的热能占很大比重。热泵 技术的开发为利用低温热能提供了有力的手段，而且满足了节约能源和保护生 态环境的要求。它是一种在外界能量的协助下，把热能从低温物体转换到高温 物体的设备。 热泵技术的发展经历了一个多世纪。1 8 2 4 年卡诺首先提出热力学循环理论 之后，1 8 5 2 年开尔文具体提出了热泵的设计思想，当时由于条件所限并没有立 即得以实现。到了2 0 世纪5 0 年代，科学技术进步很快，电能成本降低，而燃 料价格不断上涨。于是国外又积极开展热泵研究工作，并有了较大的进展。7 0 年代以来，欧洲各国和苏、日、美、澳等国对热泵研究工作十分重视，各国均 投入了大量的资金致力于更经济、输出温度更高、更为先进的新型热泵的开发。 第1 章绪论 在美国，热泵的年产量已超过了l o o 万台；瑞士被称为是传统的热泵国家：瑞 典、挪威、俄国等北欧国家对供暖的需求明显超过夏季对制冷的需求，从而在 热泵理论及技术上均有较高的水平：热泵用于区域供暖则以瑞典为最多，斯德 哥尔摩市区域供暖的容量约有5 0 由大型热泵提供。全世界已经安装运行的热泵 已超过5 5 0 0 万台。除住宅热泵外，世界上已有7 0 0 0 台工业热泵在使用，4 0 0 多套区域集中供热系统在供热。据统计，全世界的供热需求量中由热泵提供的 有2 。目前，热泵供热在国外已是成熟的技术，并得到了广泛的应用。无论是 基础研究、产品设计、智能控制、生产制造还是配套应用技术、辅助技术等均 达到了较高的水平，进入了产业化的阶段并己形成了相应的产业，既实现了经 济的发展又在环境保护方面得到了巨大的收益。 我国热泵技术发展较为落后，2 0 世纪5 0 年代，我国对热泵的研究尚处于起 步阶段，发展缓慢。到了2 0 世纪8 0 年代初，随着经济发展和人民生活水平的 提高，为了节约能源和有效利用能源，国内部分研究机构掀起了对热泵研究的 热潮。但研究的种类有限，集中式水源热泵基本上属于空白，直到近年来， 些科研院所与企业开始进行了初步的尝试，对热泵控制系统的研究也有了一定 的进展，例如，纸机热泵供汽系统的计算机控制；大规模水源热泵系统的集中 控制等。尽管对热泵及其控制系统的研究已有了一些进展，但是，仍然存在着 许多急待解决的问题： 1 合理、完善控制技术的欠缺。各企业往往不是采用将小型家用空调器的 控制放大，就是将原冷水机组产品的控制系统镜像化，由控制冷映像到控制热， 由此带来了诸多的问题： 对于第一种思路，往往造成控制功能与保护功能的过度化，使得机组经 常自我保护，不能正常工作， 而第二种作法，则忽略t se 热的一些特殊性，使得控制不尽完善。 2 压缩机能量的自动控制。热泵的制热量和制冷量与用户热负载相匹配， 减少压缩机的启停次数，是最困难的问题之一，丞待解决。 3 缺乏热泵同类系统运行的详细数据。有些系统在设计之初没有考虑自动 检测记录的功能，运行中只能靠人工完成，劳动量大，不能坚持。因此，无法 提供完整的机组实际运行数据，对其性能分析缺乏理论依据。 1 3 热泵控制系统研究的内容 针对以e 分析的热泵控制系统的现状和提出的问题，本课题开发了热泵机 组控制系统，对热泵系统进行全自动控制，使其具有冬天供热、夏天制冷两种 功能。本节将概述其研究开发的重点和难点，后续几章将做详细介绍。 针对l 述所提出的合理、完善控制技术的问题，本热泵控制系统首先从控 制方案选择上入手，确定本热泵控制系统的模式、功能、参数等。即对被控对 象进行分析研究以确定要解决的问题及要求，明确所要求的输入、输出参量、 控制方式，然后对控制系统的软硬件功能进行分工。初步确定总体方案后，先 对硬件系统进行配置设计，包括机型选择、外部扩展器件的选配以及接口设备 等等，然后拟定软件总体设计方案，按问题的复杂程度进行功能划分。在此过 程中，根据实际情况不断调整总体方案直到设计方案合理可行，从而最终确定 计算机控制系统的构成。具体内容详见2 1 节、4 1 节和5 1 节。 针对压缩机能量控制问题，本热泵控制系统对供热和制冷工作方式采用了 种新的控制方案，即综合现场实时数据、运用现代控制理论、实现了自适应 控制。它以用户设定的“制热进温”或“制冷进温”为参考值，根据用户所需要的 供热量，自适应调整热泵的工作能力，使其供热量与用户热负载相匹配。这种 根据用户负载量的多少来调整制热量或制冷量值的方法既可以降低能耗，又可 以提高设备的运行效率，同时也满足了用户要求，在实践上是经济可行的，具 体内容详见2 t 3 3 节。 针对运行数据的问题，本课题开发设计了一套数据采集系统。此系统自动 检测记录机组运行数据，分析和监控机组的运行状态，并提供数据的存储功能， 用户可根据自己的实际需要，查找数据，对其运行的经济性、适应性以及系统 性能加以评估，使设备管理维持在一个较高水平，具体内容详见4 2 节。 1 4 本课题的研究意义 热泵控制系统是保证机组安全、可靠运行的关键，是降低能耗、提高热泵 4 第1 章绪论 工作效率的必然手段。 随着改革开放的不断深入，人们生活水平的不断提高，持续的高速经济增 长导致人们对舒适生活的追求，从而使热泵集中供热这项崭新的技术在中国具 有巨大的市场潜力，为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国政府正在规 划改变以煤为主的能源结构，以实现可持续发展战略。由于电力是热泵装置的 唯一动力，没有燃料分散燃烧所造成的大气污染，对降低温室效应起了积极作 用；又由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量7 0 来自 地下，消耗的电力非常少，因此，热泵这项节能技术应用于我国可以在一定程 度上缓解我国的能源压力。以清洁能源取代燃煤供暖符合北京市“2 4 8 ”工程能源 结构调整，发展清洁燃烧和建设绿色城市的发展规划和目标。它的实施将为北 京市的经济发展和城市建设，以及实现绿色奥运的承诺做出更大贡献。 热泵既然被人们利用于节能的用途，对于它的优化控制也就必不可少了。 本热泵控制系统所控制的对象就是：具有供热、制冷两种运行工况的水源热泵 系统。该控制系统不仅能对热泵实施准确可靠的控制，使其安全、平稳地运行； 并且对压缩机的能量调节采用了自适应控制方式，按照负载量提供热量，这样 不但满足了用户的需求，降低了能耗，同时显著提高了效率，真正发挥了热泵 的优势。 在本控制系统的开发过程中，不论从硬件技术还是软件技术上都以最先进 的科学技术为基础，选用性能优良、技术成熟、可靠性高、操作方便的产品部 件；应用与硬件相适应的开发语言和开发工具，并采用程序软件代替部分硬件 功能的设计思想，尽量用软件来实现系统的功能，这样有利于提高系统的扩展 性和控制功能，因此具有较强的实用性和推广性。 综上述可见，本课题对热泵控制系统的研究，对热泵技术的发展以及整个 系统刈。靠安全运行有着重要意义。它不仅仅是一项科研任务，而是把理论和实 践结合起来，开发出一个真正实用的新产品；它对解决能源危机，降低城市大 气污染，净化空气起着重要作用。 第2 章热泵控制系统总体设计 2 1 热泵控制系统的基本结构和工作原理 2 1 1 热泵控制系统的基本结构 热泵控制系统的基本结构可分为三个部分：现场检测输入输出系统；控制 系统；数据采集监控管理系统。 热泵控制系统的整体结构图如图2 - 1 所示。 图2 1热泵控制系统的整体结构 第一部分是由输入、输出设备组成的系统。输入部分由工况识别电路及检 测回路组成；工况识别电路用于传输“手动一自动”控制及各种工况命令等信息， 而检测回路主要由传感器组成，用于检测系统的各种参数，如温度、压力信号， 并将其转换为电信号，以模拟量信号或开关量信号的方式传送至控制系统。 输出部分包括以下三个回路： ( 1 ) 接触器回路：控制系统通过对接触器线圈及触点闭合的控制从而实现 对压缩机、冷凝器、蒸发器功能的控制。 ( 2 ) 电磁阀回路：采用控制器直接驱动能量控制电磁阀等小负荷，从而使 电路简单、可靠。 ( 3 ) 显示、报警及工况指示回路：该回路用于对系统的各个工况做出指示， 并在系统故障( 如压缩机工作异常，系统高、低压超限等) 时，丐霸再弓酉匠季 并采取相应的保护措旌。 第二部分为控制系统。控制器读入来自输入端口的开关量信号和模拟量信 号，并对其进行必要转换和处理后，按照给定程序对电磁阀、压力保护开关、 继电器等各种外围设备进行控制，实现特定的功能。 第三部分为数据采集监控管理系统。该系统由数据采集，开关单元和p c 机 组成，采集、监督、分析现场实时数据，并将其存储在p c 机数据文件内，可实 现运行数据实时监测和永久保存。 2 1 2 热泵控制系统的工作原理 热泵是把处于低温位的热能输送至高温位的机械，按热力学第二定律的概 念，热量是不会自动从低温区向高温区传递的。因此，热泵要完成自己的工作 就必须加入一部分有用能量，即电能或机械能，以实现这种热量的传递，在热 量传递过程中以水为热源进行制冷或制热循环的热泵称为水源热泵。水源热泵 用一个循环水环路作为加热或降温的媒介。制冷时，循环水进入蒸发器，利用 制冷剂蒸发吸热使之降温，降温后的循环水送给用户、吸收空调空间中的热量 以实现空调降温的目的。外界水源则进入冷凝器将相关的热量带走。当水源温 度t i 减小时，由于水源热泵中的冷凝温度t c 减小，而使制冷系数提高，制冷量 也相应增加。制热时，循环水进入冷凝器，利用制冷剂冷凝放热使之升温，升 温后的循环水送给用户、向空调空问中放出热量以实现供暖的目的。外界水源 则进入蒸发器作为低温热源、提供低品位热量。当水源温度t 1 增加时，水源热 泵中的蒸发温度t e 增加，而使制热系数提高，制热量q c 也相应增大。控制系统 的作用就是保持环路中的循环水温及流量在一定范围以内，满足用户所需要的 制热量或制冷量的要求。循环水温、流量的高低反应了热泵系统所能提供的热 量，系统回水温度的高低反应了用户所消耗或吸收的热量。在系统达到平衡稳 定时，热泵当前提供的热量正好等于用户所需的热量，可以保证用户的供热或 制冷质量；当用户消耗的热量发生变化时，热泵提供的热量应根据用户热负荷 的变化而做相应的调整，即通过卸载机制，控制压缩机的排气量，以达到调节 第2 幸热泉控制系统总体设计 循环水温，改变热泵供热量或制冷量的目的。 为了实现上述控制要求，热泵控制系统的工作原理如图2 2 所示。 传感器检测采集随时间连续变化的模拟信号，如：供水温度，温感器温度 等工况参数，通过电量转换和变送后，转换成直流电压信号，再经信号处理部 件( 采样器保持器、放大器、多路转换开关等) 和模数转换器，将模拟电信号 转换成离散的数字信号，经输输出接口送入微型计算机，微型计算机按照一 定的控制逻辑，对被测量值进行一系列的运算和处理，从而获得压缩机卸载、 温感器和接触器通断以及其它执行机构的控制量，控制量或经数模转换器转换 成模拟量，或直接输出数字量、丌关量，驱动执行机构动作，控制被控对象。 图2 - 2 热泵控制系统的工作原理 9 2 2 热泵控制系统的功能 一 热泵控制系统是出微型计算机、软件及其外围部件组成的系统，主要实现 热泵系统的全自动、安全、可靠、经济和稳定地运行。热泵控制系统应能实现 以卜- 主要功能： 可实现制热或制冷两种工况的转换。 通过感应蒸发器和冷凝器出1 3 水温( 即用户热负荷的增减) ，采用卸载控 制法，自动调节压缩机能量，并经常与热负载保持平衡，减少压缩机的启 停次数。 提供压缩机启动方式，过载保护和再起动循环保护控制。 为使压缩机吸、排气压力在一个安全范围内，对热泵系统的温度和压力进 行控制，首先对压缩机实现高、低压保护。当冷凝器高压制冷剂压力高于 2 3 m p a 时，切断电源，使压缩机停止运行；又压力高于2 4 m p a 时，安全 阀启跳，排出高压气体。当蒸发器制冷剂出口压力( 即压缩机吸气压力) 低于0 2 5 m p a 时，压缩机停止运行，当压力上升达到0 5 m p a 时，压缩机 自动启动，投入运行。 以液晶显示屏显示作为人机接口，观察方便、操作简单，结合键盘的操作 可显示实时实钟，运行时间，系统参数设定、工作方式、当前运行状态， 故障原因等等。 可随时进行手动、自动无扰动控制切换。自动模式可根据设定的水源进温 和能级调节参数自动调节运行状态。手动模式可方便热泵系统的调试和维 护，并对紧急问题进行人工处理。 具有故障自诊断报警能力例如：排气压力或温度超过设定值，或硬件出 现故障时，能发出声光报警，并能根据实际情况做出相应的保护措施，同 时在显示屏上显示故障原因，便于操作人员检查，迅速排除故障。 具有监测控制功能。对热泵系统运行过程中的压力、温度、流量等参数进 行巡回检查，以便操作人员及时了解系统的运行状态。 第2 章热泵控制系统总体设计 2 3 热泵控制系统的控制方案分析 2 3 1 微型计算机的选择方案分析 计算机是控制系统的核心部分，它将检测元件输入的信号进行采集、加工、 处理之后，输出控制作用给执行机构，对生产过程实行控制、监督、管理。由 于计算机控制的对象有多种多样，对系统的性能指标的要求也各不相同，要实 现实际系统的控制功能，应尽可能选用先进的、成熟的、功能强大并且与所设 计系统相适应的计算机。 首先，计算机控制系统需要实时性。对定时事件，应按一定采样周期进行 数据采集、运算、传送和处理等：对随机事件，如事故、报警，需要实时操作 系统，过程中断系统，以便优先处理紧急事件。其次，计算机控制系统要保证 高可靠性，具有各种抗干扰能力，并具有自检、监督、报警、事故处理等功能， 以便适应各种恶劣的运行环境。再其次，计算机控制系统应易于维护，通用性、 扩展性强。同时，作为一个控制系统，友好的人机界面是必不可少的，便于操 作人员与控制系统之间对话，使控制更加容易。 计算机控制系统初步方案选择有两种：或采用单片机控制系统，或采用可 编程序控制器p l c 控制系统。 单片机又称作单片微控制器，它是将c p u 、r a m 、r o m 、定时器计数器、 多功能( 并行、串行、a j ，d 、p w m ) i o 口等集成于一块大规模集成电路芯片上。 具有体积小、功能强、价格低廉、易掌握、使用灵活等多种优点。目前已有8 位、1 6 位、3 2 位单片机，另外，一些具有特殊功能的单片机，如网络通信单片 机、信号处理单片机也已相继问世。目前我国采用单片机主流机型是：美国i n t e l 公司推出的m c s 5 1 系列的8 位单片机及m c s 9 6 系列的准1 6 位单片机，在各 种工业控制、家电应用、智能控制等方面都有广泛的应用。 但是，单片机的应用范围受到一定的限制，不适于在一些环境较恶劣的工 业场合应用，其抗干扰能力相对较差，线路比较复杂，维护困难，难于扩展， 因此，使单片机的可靠性受到很大影响。 可编程序控制器p l c ( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) 是以微处理器为基础，综 合了计算机技术与自动化技术而丌发的新一代工业控制器。它以其卓越的性能， 对于恶劣i ：业环境的良好适应性，易于掌握的形象化编程语言，如：梯形图、 语句表等，方便的编程工具可用个人计算机采用通用软件进行编程，也可 用专用编程器进行编程，现在已迅速地应用于工业控制的各个领域，并成为一 种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。从单机自动化到 工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络、无不有其涉足之地。 可编程序控制器作为工业自动化技术的支柱之1 ，在工业自动控制领域占有十 分重要的地位。 在工业控制系统中，p l c 执行顺序控制，定时、计数、逻辑判断、算术运 算等功能，解决工业控制系统中大量开关量的控制问题，取代体积大、耗能多、 故障率高的继电器控制系统，消除由于硬接线所造成的故障，提高了控制系统 的可靠性。可编程序控制器p l c 既可作逻辑控制，也可作数据处理和模拟量控 制，还可与多台p l c 或上位计算机组成网络控制系统，实现大型复杂的过程控 制。由于p l c 能够建立柔性自动控制系统，适应范围非常广泛。 p l c 的最显著特点是高可靠性，它以微处理器为核心，在硬件上采用隔离、 滤波、屏蔽、接地等抗干扰技术；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断 技术，使p l c 的平均无故障时间达到3 0 万小时以上，使用寿命长。其次，它 采用密封结构，对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确的考虑，因此，适用于 恶劣的工业环境，不需要专门的空调和恒温；而且能处理现场的强电信号，如 交流2 2 0 v ，直流2 4 v ，具有较强的带负载能力，可直接驱动执行元件，体积小、 功能强、速度快、结构紧凑、扩展灵活、方便，与被控制对象的硬件连接方式 简单，接线少，便于维护。 由于熟泵系统的工况和输入输出信号较多，控制要求比较复杂，需要较多 的各种类型的继电器，控制多个开关量；因此，对系统的可靠性和抗干扰能力 有很高的要求。为了使控制系统能达到既简单、安全、可靠，又能方便灵活地 进行各种控制，通过以上单片机与可编程序控制器p l c 性能特点的比较，选择 p l c 作为整个热泵系统的控制核心更能实现热泵系统对控制方面的要求。 通过对多种型号、规格的可编程序控制器i o 点数，存贮容量，扫描速度， 第2 苹热条控制系统总体设计 指令数，编程语言以及扩展模块的数量功能等分析比较，选用s i m a t i cs 7 2 0 0 系列可编程序控制器作为热泵控制系统的控制器。s 7 2 0 0 系列可编程序控制器 p l c 是西门子公司为了满足自动控制领域不断增长的需要推出的新一代产品， 它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、强大的指令系统以及丰富的 c p u 类型和电压等级，使其在解决工业自动化问题时，具有很强的适应性和可 选择性，使用范围可覆盖从简单控制到更复杂的自动化控制，具有极高的性能 价格比。 事实证明了，热泵系统采用可编程序控制器p l c 控制，可使控制系统的硬 件电路得到充分简化，可靠性提高，运行速度快，抗干扰能力强，使用维护方 便，满足了热泵系统对控制功能的要求。 2 3 2 压缩机循环启动工作方式控制 热泵系统的电路分为主电路和控制电路两部分，如图2 - 3 、2 - 4 所示a l ll 2l 3 n 图2 - 3 热泵系统电气控制原理图 图2 - 4p l c 外部接线图 主电路通过的电流较大，主要由电源开关q f l 、交流接触器k m l 、k m 2 、 k m 3 ，热继电器k h l ，压缩机电机m 组成，其作用是共同控制压缩机电机的开、 停以及启动方式。其余部分则组成控制电路，控制电路通过的电流较小，主要 1 4 第2 苹热泵控制系统总体设计 由按钮、接触器、继电器线圈及辅助触点等组成。 q f l 是三相自动空气开关也称为断路器，是一种既有开关作用又能自动保 护的电器，常作为电源的引入开关使用。由于它装有热脱扣和电磁脱扣器，因 此可作为电机的过载和短路保护。交流接触器根据控制负载的工作任务选用 a c 3 类别的接触器，它主要是由电磁铁带动动触点与静触点闭合或分离，以达 到接通和切断电路的目的，适用于频繁启动及控制三相交流电动机，以便实现 远距离操作控制。交流接触器电磁铁的线圈，接在控制电路中，当线圈通电后， 产生电磁吸力，使衔铁吸合，动触点与静触点闭合，接通电机回路。当线圈断 电后，电磁力消失，在复位弹簧作用下，使衔铁释放，动触点与静触点分离， 切断电机回路。交流接触器触点系统包括主触点和辅助触点，主触点用来接通 和断开电机的主电路，辅助触点在控制电路中起联动作用，实现各种控制要求。 热继电器是一种能随过载程度而改变动作时间的电器，它的作用是为了充 分发挥电动机的过载能力，保证电机的正常启动与运转。当主电路电流过大或 压缩机因某种原因长时间过载而导致电机绕组温升超过了容许值时，热继电器 能自动切断电路，防止电机被过大电流烧坏，而当温度降低后，热继电器触点 接通，可使压缩机重新启动。 压缩机电机的启动方式一般有两种：一种是全压直接启动方式：另一种是 降压启动方式。采用第一种方式启动时，启动电流比额定电流大5 7 倍，这将 会引起电网电压的显著降低，对压缩机产生较大的冲击作用，因此只适宜功率 小于5 k w 的三相感应电动机。本热泵系统所用的压缩机电机的额定功率为 3 0 k w ，显然不适宜采用直接启动方式，只能采用第二种降压启动方式，即星一 三角启动。 启动原理如f ： 电源开关q f l 闭合后，2 2 0 v 交流电源首先接通了压缩机的油加热器e e l ， 对压缩机润滑油自动加温( 需1 2 小时) ，使冷冻机油和制冷剂互相游离，便于 电机顺利启动。电机启动时，系统进入启动状态，p l c 控制器根据标志位状态 发出控制命令，使主接触器触点k m l 、k m 2 闭合，k m l 、k m 2 线圈同时带电， 输出位中间继电器线圈k a l 、k a 2 通电后，k a l 、k a 2 触点闭合，电机定手磊 组接成星形，加在电动机每相绕组上的电压为额定值的l 3 ，从而减小了启动 电流对电网的影响，电动机降压起动。当定时器延时时间到，电机转速接近额 定转速，主接触器触点k m 2 断开，k m 3 闭合，输出中间继电器触点k a 2 断开， k a 3 闭合，定子绕组换接成三角形，电动机投入正常运转。由于采用了星三 角启动方式，星形连接时的启动线电流只是原来三角形接法直接启动时的 l 厅，启动电流约为电动机额定电流的2 倍左右，启动电流特性好，结构简单， 价格低。 2 3 - 3 热泵机组制热，制冷温度控制 本热泵系统是冬、夏两用的，夏天可以制冷，冬天又可以制热。用户只需 要根据使用工况，在数据预制模式中，对工况参数进行修改便可实现用户的需 求。本控制系统具有自动识别工况设置，自动检测和处理各种故障的功能，为 系统安全可靠地运行提供了保障。 热泵系统在制热、制冷温度控制中，采用的是卸载能量调节法，即调节压 缩机的制热量或制冷量，并经常与热负载保持平衡，减少压缩机的启停次数， 同时在控制方式上，采用自适应控制方法。本热泵控制系统采用的能量调节法 优于原制冷装置的能量调节法。 一般制冷装置采用的能量调节有：分级调节法和延时调节法。分级调节需 要采用多台压缩机，每台压缩机装一个温度继电器或压力继电器整定各自不同 的给定值控制各台压缩机的启停，这种方法控制幅差小，级数与压缩机数量一 一对应，控制精度低。延时调节法则是采用一个继电器控制被调对象，当被控 参数达到上限或下限值时，发出增载或卸载信号，但需经一定时间延时，方能 对压缩机进行控制。这两种能量调节法均不能满足热泵系统的温度控制要求， 为此，对能量控制法进行了改进。热泵机组只采用一台压缩机，给定温度设定 值和控制幅差，利用软件的功能将实际测量的温度值与设定值进行比较，自适 应地调节增载或卸载控制率，控制率可以分为1 0 0 、7 5 、5 0 、3 3 、0 等 几个档次，这样既可以减少压缩机的启停次数，提高系统对控制信号的响应速 一 第2 章热泵控制系统总体设计 度，同时也达到了连续能量调节的效果。 2 3 3 1 制热工况温度控制 热泵制热是利用制冷剂蒸发吸收外界低温水源中的低品位热量，而在冷凝 器中放热给循环水以供给用户。其工作原理如图2 5 所示。 供水温度 一回水温度 基d 安全阀 一一 p 2 图2 - 5 热泵系统的工作原理 热泵工作时，来自蒸发器的制冷剂蒸汽为压缩机所吸入，蒸汽经压缩提高 压力与温度后排入冷凝器，在冷凝器中蒸汽向冷却介质即循环水释放热量并降 低温度而成为液体。循环水吸热后温度升高成为热水，通过管路系统向用户供 热采暖，冷却后流回水箱，然后再进入冷凝器吸热、升温，如此循环往复工作。 用户热负荷的调节主要是通过检测用户供水温度，根据采样值，改变压缩 机的制热量来实现的。将传感器一电阻温度检测器p t l 0 0 安装在冷凝器冷却水 的出 _ 处，通过接线端子连接到模拟量扩展模块e m 2 3 5 的相应输入口上。扩展 模块读入输入信号，经过滤波放大，a d 转换后，通过扩展端口将信号传送给 c p u 模块，c p u 对输入的实时数据进行必要的转换和处理后，输出控制信号， 通过控制中间继电器k a 4 、k a 5 、k a 6 触点的通断：如图2 - 3 所示，对压缩机 的制热量进行调节，以改变供水温度的高低，向用户提供所需要的热负荷，其 控制过程如下： 压缩机启动延时3 0 秒后，c p u 开始对控制变量进行采样、计算和线性化处 理，并将其值存入变量存储器中，同时也开始进行能量调节。制热工况时，供 水温度设定值t = 4 5 。士1 ，为保持在该温度值范围内运行，并能保持冷凝温度 与采暖房间温度的平衡，就要求压缩机的制热量应经常与热负荷保持平衡。若 在冷凝器中热交换后流出的供水温度值t 1 t ，则说明用户需要的热负 荷量在减少，需要减少压缩机的制热量，降低供水温度，如果在此情况下仍保 持压缩机的制热量不变，则冷凝器的出水温度会越来越高，压力增大，达到一 定程度时，将使热泵系统受到损坏，因此，就要保持压缩机的制热量经常与用 户的热负荷保持平衡。能否自动实现该过程呢? 本热泵控制系统设计了一个压 缩机排气量控制的自适应方法，它是以用户设定的冷凝器出水温度为参考值， 根据用户的热负荷变化，自适应调整压缩机的制热量。 首先，热泵系统启动进入正常运行阶段后，计算机每隔一定时间检查一次 冷凝器出水温度。若系统增载后已进入满负荷运行时，当检测到进水温度高于 设定值t 时，即t 1 t ，表示热泵供热量大于用户热负荷，计算机便控制中间继 电器k a 6 ( 如图2 3 所示) 常开触点闭合，使电磁阀e v 4 带电，电磁阀滑块开 度减少，只能通过回汽制冷剂的7 5 ，即执行第一一段卸载，压缩机的吸、排气 量减少，其制热量降低，用户供水温度降低。由于水温变化是一个缓慢的过程， 要经过一定时间水温才能稳定，因此计算机不但要隔一定时间查看一次冷凝器 循环水出水温度，而且在第一次卸载后开始计时，经过时间判定值t 后，比较 用户供水温度是否已经下降达到了判定值t ，若采样温度值t 仍高于判定值t ， 计算机发出控制信号，控制中间继电器k a 5 常开触点闭合，使电磁阀e v 3 带 电，滑块开度减少，只能通过回汽制冷剂的5 0 ，即执行第二段卸载，以此类 推，第三段卸载为3 3 。反之，若经过时间判定值t 后，采样温度t 1 低于判定 值t ，则计算机控制电磁阀加载，使压缩机的制热量能够跟踪用户供水温度的 变化，即跟踪用户热负荷的变化。计算机查看用户供水温度的时间间隔设置为 第2 章热泉控制系统总体设计 1 0 秒，经过多次实验证明，此检查周期不会造成系统的振荡，并且能很快响应 用户回水温度的变化，保障热泵系统安全，稳定地运行。同时在能量控制中采 用的自适应控制方法是种科学合理的控制方式，可根据负载的多少提供热量， 既保证了供热质量，减少了能耗，又保证了热泵系统安全运行。 2 3 3 2 制冷工况温度控制 热泵制冷与制热的原理是相同的，所不同的是热泵制冷时，利用制冷剂蒸 发使循环水降温，由循环水将空调空间中的热量取出；在冷凝器中放热给外界 水源。其工作过程如下： 热泵 作时，制冷剂在冷凝器中释放热量降低温度而成为液体，冷凝后的 高压液体经节流阀降低压力和温度，然后进入蒸发器，在蒸发器中液体吸取循 环水中的热量又变成蒸汽，循环水放热后温度降低成为冷冻水通过管道系统流 入空调空问进行热交换，冷冻水吸热温度上开，空调空间放热降低温度，从而 达到制冷的目的。 用户热负荷的调节主要是通过检测用户供水温度，适时改变压缩机的制冷 量来实现的。将传感器电阻温度检测器p t l 0 0 安装在蒸发器循环水的出口 处，通过接线端子连接到模拟量扩展模块e m 2 3 5 的相应输入口上，其控制过程 如下： 热泵系统进入正常运行后，若系统工作在满负荷状态时，其制冷量达到最 大值，蒸发器出i a 水温的设定值为t ，为保持在该温度值范围内运行，并使制 冷装置能保持蒸发温度与空调空间温度的平衡，就要求压缩机的制冷量应经常 与热负荷保持平衡。 循环水在蒸发器中与制冷剂进行热交换后通过管路系统输出给用户，其供 水温度t ，若小于设定值t ，则说明用户的热负荷减少，制冷量超过用户的需求， 因此，必须对制冷量作相应的调整，否则，蒸发器出口水温会越来越低，易将 管路系统冻裂或堵塞，系统无法正常运行，为此，与制热工况一样，采用热量 控制方法，自适应调