（控制理论与控制工程专业论文）高效能地源热泵空调控制系统的研制.pdf

c 1 a s s i f i e d1 1 1 d e x ：到隍卫 u d c ： i | j l f | | | ij j i i | j i f f i j 舢 y 18 0 3 0 6 4 d i s s e 似i o nf o rm em a s t e rd e 伊e ei 1 1e n g i l l e e 血g t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mo ng r o u n d s o u r c eh e a tp u m p c a n d i d a t e ：w a n gs h u a d s u p e r v i s o r ： p r o fz h a n gt i 砌( a i a c a d e m i cd e g r e ea p p u e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e 新n g s p e c i a l 够： 盅墨2 巧a n d n 仰1 d a t eo fo r a le x a m i 】匝a t i o n ： j u n e2 01o u n i v e r s 埘：q i n g d a ot e c l 1 0 l o g i c a lu 1 1 i v e r s 毋 高效能地 _ii 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 第一章绪论1 1 1 本课题的研究意义1 1 2 地源热泵技术的介绍1 1 3 我国地源热泵技术研究及应用现状1 1 4 本课题的研究内容和核心工作2 第二章地源热泵空调控制系统研究4 2 1 控制系统的总体研究4 2 2 人体舒适度因子的研究5 2 3 现场总线的介绍7 2 4 本章小结9 第三章控制系统的设计方案。1 0 3 1 工程概述。1 0 3 2 控制系统的结构设计1 1 3 4 控制系统的功能设计1 2 3 4 1 主系统功能设计1 2 3 4 2 子系统功能设计1 3 3 5 本章小结1 5 第四章控制系统的原理设计及制作1 6 4 1 电气设备的选型1 6 4 1 1 检测装置选型1 6 4 1 2 电动执行器选型1 6 4 1 3 控制器选型17 4 1 4 触摸屏的选型1 7 4 1 5 变频器的选型1 7 4 2 系统电气原理设计1 8 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 2 1 总体设计1 8 4 2 2 主系统结构设计1 8 4 2 3 子系统结构设计2 0 4 3 现场总线的功能实现2 1 4 3 1 子系统p l c 与热泵机组的通讯实现2 1 4 3 2 主系统p l c 与子系统p l c 的通讯实现2 3 4 3 3 主系统p l c 与变频器的通讯实现2 5 4 4 触摸屏功能实现2 7 4 4 1 主系统触摸屏的设计2 8 4 4 2 子系统触摸屏的设计2 9 4 5 系统的安装与调试3 1 4 5 1 实验室调试阶段3 1 4 5 2 现场安装调试阶段。3 1 4 6 本章小结3 2 结论3 3 参考文献3 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作3 7 致j 射3 8 附录3 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 针对目前全球环境污染和能源危机的现状，确定以地源热泵空调控制系统为 研究对象，研制了一种高效节能的地源热泵空调系统。 本文通过对人体舒适度的研究，为空调系统的合理运行设计了一种新型控制 指标人体舒适度因子，该指标综合了温度、湿度等多个参数对人体舒适度影响， 控制系统根据该指标自动设置空调系统在不同季节、气候条件下的运行参数，使 热泵机组按照高效、节能的方式运行。 控制系统以可编程逻辑控制器和现场总线为控制核心，可实时检测地下水源 的情况，自动实现地下水的科学提取，既满足系统用能需要，又节约能源。同时 系统根据各个水源区的负荷变化，改变管路调节阀的开度，对水源进行合理分配， 达到负荷均衡。 控制系统的结构设计为主系统子系统控制现场的三层模式，每层结构之间 通过现场总线实现信息数据的共享与传输。 在多层结构的控制系统中，主系统可以监视并控制子系统的运行，同层控制 系统之间可以互相查看控制状态和数据信息，控制现场把检测数据以及各个热泵 机组的运行状态传给上层控制系统，各层控制系统均配有显示触摸屏，为操作人 员提供便利的操作环境。 本系统自安装调试以来，一直保持高效、稳定的运行，尤其在节能方面的效 果显著。 关键词：地源热泵；人体舒适度：可编程逻辑控制器；现场总线 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i na 1 1 u s i o nt 0t h e9 1 0 b a l 研s e si ne n e r g ys o u r c e s 柚d v i r o 珊呛n t ，i ti s s i 弘i 丘c 锄tt 0m 出ean e wt ) ，p eo f c o n t r 0 1s y s t e mo fh v a c ( h e a t i n gv 醯t i l 弛g a i r c o n d i t i o i l i n g ) ，w 1 1 i c hi se 伍c i e n t ，锄c r g ys a v 证g 姐d r e l i a b l e i n 也i sp a p e rw ed i s c i l s s e dp e o p l ec 0 m f o n1 e v e l 趾dd e s i 踟e dan e wk i n do f c o n 乜0 1a l g o r i n l mb a s e do np e o p l ec o m f o r t hd i f 断e n ts e a s o n s ，1 1 n d e r 也ed i 伍醯e m w e 砒也es y s t e mc o u l ds c tt l l ep r o c e s sp 础l i n e t e r so f l eh e a tp u m pa i rc o n d i t i o n a u t o m a t i c a l l y ，i no r d e rt om a l ( et h es y s t e mn m i 1 1ar e a s o n a b l ew a y 1 1 1 es y s t 锄i sc o m p o s c db yp l ca n df i e l db u s f i r s t l y ，t h es y s t e md e t e c t sm e t e m p 蹦灿鹏o f1 1 n d 昭o l l n ds o u r c ew 绷锄dn l e nr e a s o n a b l ew a t e ri sp i c k e du p s e c 0 n d l y ，也es y s t e n lc ：h a i l g e sm e0 p e l l i n go ft 1 1 ec o n 仃0 1v a l v c sb a s e d0 nt l l e1 0 a do f d i f l e r e n ta r e a s t h es y s t e mi sd e s i 萨e di n 恤e el a y e r ss t n l c t l l r e s ，i i l c l u d i l l gt 1 1 eb a s i cs y s t e m ， s l l b s y s t e m 锄d6 e l ds y s t e m ，w h i c ha r ec o m l e c t c db yf i e l db l l s h 衄sm u l t i l a y e rc 0 砷r o ls y s t e m ，也eu p p e rl a y e rs y s t 锄c 趾r e a da n yd a t e 锄d s t a t eo fs u bl a y a 1 1 da l s o 、而t em ec 0 n 仃0 1o r d e rf o rt 1 1 eg u bl a y 既t h ep l ci n 也e s 锄el a y c a nr e a dt h ed a t e 褫ds t a t eo fe a c ho t h 既ht 1 1 eb o t t o mo f t l l es y s t 锄t 1 1 e p r o c e s sp a r a m 曲e r so f 也eh e a tp u m pa i rc o n d i t i o na r e 咖s m i t t e dt ot 1 1 ep l ：，觚d a l s o 也ed ：i n l a t ed a t e e v e d ，p l ci sa p p o i n t c dw i t l lt o u c hn o o r ，w h i c hi se a l s yf o r p e o p l et 0c o n 仃o lm es y s t e m n o w ，m es y s t e mm sw e l l ，锄di ti se 佑c i e l l t 觚de i l 哪ys a v i l l g k e yw o r dg s h p ( g r o u n ds o u r c eh e a tp 啪p ) h 啪锄c o m f o r t ；p l c ；f i e l d b u s i v 油、天然气) 的燃烧产生了大量的废气，对环境造成巨大的破坏。 我国历来是能源消耗大国，其中，建筑能耗( 包括采暖、空调、热水供应、 炊事、家用电器等方面的能耗) 接近能源总消耗的3 0 ，而采暖和空调能耗又占 建筑总能耗的三分之二，是建筑能耗的主要部分也1 。因此，利用地源热泵技术， 开发一套高效、节能的空调控制系统，对降低国家的建筑能耗和环境的保护都具 有重要意义，是一项值得研究的课题。 1 2 地源热泵技术的介绍 地源作为一种非常规能源，指的是以地表土壤、地下水或河流、湖泊等等为 载体，收集太阳能、地热能并储存起来的能源口引。本文中提到的地源指的是地 下水蕴含的能源，地下水的温度常年相对稳定，在冬季比环境空气温度高，在夏 季比环境空气温度低。因此，利用地源热泵技术的空调控制系统，在冬季，把地 下水源中的热量“取 出来，供给室内采暖；在夏季，把室内热量取出来，释放 到地下，降低室内温度侣3 。地源热泵空调系统可比传统空调系统运行效率高4 0 ， 节能3 0 以上。同时，地源热泵空调系统产生的污染物，与空气源热泵空调系统 减少4 0 以上，与电供暖相比，相当于减少7 0 。制冷剂的使用量比常规空调装 置减少2 5 伸3 。因此，基于地源热泵技术研制一套高效，节能的空调控制系统， 具有重要的现实意义。 1 3 我国地源热泵技术研究及应用现状 早在2 0 世纪8 0 年代初，天津大学和天津商学院就已经开展了地源热泵领域 的研究，也有少数单位先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但 青岛理工大学工学硕士学位论文 是，由于我国能源价格的特殊性，以及其它一些因素的影响，地源热泵的应用推 广非常缓慢 1 。 2 0 世纪9 0 年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的 节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身 于此项研究怕1 。 1 9 9 5 年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了中华人民共和国国家 科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领 域合作协议书，两国政府将地源热泵空调技术纳入了两国能源效率和可再生能 源的合作项目，这一举措极大地促进了该技术在我国的推广和应用旧3 。 1 9 9 8 年是我国在地源热泵研究领域的一个里程碑，国内多所大学建立了地 源热泵的实验台。其中，重庆大学建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器 在内的实验装置；青岛理工大学建设了聚乙烯垂直地源热泵装置；湖南大学建设了 水平埋管地源热泵实验装置，我国在地源热泵领域的技术日趋成熟，并逐步进入 应用层面n 引。 1 4 本课题的研究内容和核心工作 本课题针对某医院地源热泵空调系统的应用要求，研制一套高效节能的空调 控制系统。 本课题的主要工作有： 1 研究地源热泵空调系统工作原理及其电气特性。 2 通过对人体舒适度指标的分析，提出了人体舒适度因子作为一种新型控 制指标以指导空调系统的节能运行。 3 完成控制系统的电气原理设计。 4 完成控制系统的硬件结构设计。 5 完成控制系统的制作。 6 完成现场的安装调试运行及数据的采集、分析。 其中核心工作 1 通过对人体舒适度的研究，设计了人体舒适度因子用来指导空调系统运 行，尽可能的提高空调系统的运行效率和空调系统的控制效果。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 建立主从式结构的控制系统，主系统全面控制各个地下水源区的资源， 根据系统当前的运行情况，合理取能，科学分配，既要满足系统的用能 要求，又提高了地源的利用效率；子系统控制各个区域的热泵机组和控 制阀，实现系统的功能。 3 主从控制系统之间，子系统与热泵机组之间分别通过现场总线实现互 联。数据信息、控制指令及时、有效的传输，建立稳定、可靠并具有一 定规模的空调控制系统。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章地源热泵空调控制系统研究 2 1 控制系统的总体研究 地源热泵空调系统利用地下水冬暖夏凉的特性，通过地下深埋管抽取地下 水，经过封闭管路的水循环过程，提供给水风热泵机组冷量( 热量) ，热泵机组 根据水源的温度，结合当前的环境，对室内进行温度控制。 控制系统作为地源热泵空调系统的控制核心，主要完成以下三项功能： 1 根据主管路内的水流压力，调节变频器的频率，使管路内的水量始终满 足热泵机组的需要。 2 根据室内环境的数据，合理控制热泵机组运行参数，满足室内人员的需 要：同时，系统根据热泵机组的工作状态，调整供水管路上调节阀开度， 减少能源的浪费。 3 系统根据各个水源区的地下水温度的不同，优先选取温度最适合的水源， 以提高地源的利用效率。比如，在夏季，空调需要进行制冷工作，则系统 根据各个水源区检测的水温，尽量选取温度最低的水源区进行取水，其他 温度较高的地下水源作为辅助取水区，尽量达到负荷的均衡。 下图为地源热泵空调控制系统的运行图： 图2 1 地源热泵空调控制系统运行图 根据本控制系统的总体功能，系统的前期研究工作主要有： 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一，控制算法的改进。对人体舒适度指标进行分析，提出了人体舒适度因 子作为室内气候控制的调节信号，用来指导热泵机组的运行，提高了系统对室内 温度控制的效果。 第二，现场总线的选用。根据本系统的控制功能和规模，整个系统需要依靠 现场总线进行信息和数据的互联，比较和分析当前主流的各类现场总线特点，为 本系统的通讯设计做好准备工作。 2 2 人体舒适度因子的研究 随着人们生活水平的提高，人类对室内环境的要求也越来越高，以往仅以室 内温度作为衡量室内舒适程度的标准已经逐渐不再适用，室内湿度，通风状况等 等也成为评价室内环境的必要因素n 。传统的空调系统只是根据室内温度的数据 进行调节，没有综合考虑室内其他气候因素的影响，在一定程度上造成了能源的 浪费。因此，有必要根据室内多种气候参数提出新型控制指标，用来指导空调高 效节能的运行n 羽。 丹麦的范格尔( p o f a i l g e r ) 教授根据人体热舒适方程提出来人体舒适度的 几项主要影响因素n 引： p = m ( 1 一，7 ) 一3 0 5 4 ( 5 7 6 5 一o 0 0 7 日一0 0 0 1 只) 一0 4 2 ( 日一5 8 1 5 ) 一o 0 1 7 3 m ( 5 8 7 一只) _ o 0 0 1 4 m ( 3 4 一正) 一3 9 1 0 - 8 厶 ( f c f + 2 7 3 ) 4 一( 一+ 2 7 3 ) 4 卜厶枣红( 乞一乞) 式中：p 一热舒适函数 m 一人体新陈代谢率，形朋2 形一人体所作的机械功，形m 2 日一人体净得热，形，z 2 只一人体周围空气的水蒸气分压力， 乙一人体周围空气温度， 乞一衣服外表面温度， 一房间的平均辐射温度， 青岛理工大学工学硕士学位论文 吃一对流换热系数，形m 2 k j c 一穿衣面积系数 只= o 0 1 妒乞6 。= o o l 9 e x p 2 3 2 9 9 0 2 3 8 9 0 9 3 9 ( f 。+ 2 3 0 3 9 8 ) pp 1 庐一饱和水蒸气压力， 铲3 5 卜o 0 2 7 虬陆当警裂暑淼掣牡5 8 1 5 ) ，i1 o o + 1 2 9 0 ，c ，当，c ，o 0 7 8 时； 川 【1 0 5 + o 6 4 5 ，c ，当，c ， o 0 7 8 时； ，f2 3 8 ( fc 一f 。) 0 。”，当2 3 8oc ，一f 。) 0 2 5 1 2 1 仃； “。i1 2 1 仃，当2 3 8o d f 。) 乱2 5 1 2 1 正； 尸= 厂( 矽，圪，厶，) 即人体在居室内的舒适程度与室内温度、相对湿度、风速、平均辐射温度及 人体参数相关，进而提出来了人体舒适度模型，这是迄今为止，衡量人体热舒适 感的最全面的评价指标n 们n 副。 但是，人体舒适度指标涉及参数较多，而且关系复杂，当前对于该模型的使 用大多建立在模糊控制和神经网络的预测上n 们n 7 1 8 1 ，较少在实际控制过程中得 以实现。 因此，笔者结合以往对室内气候控制的经验，对次要因素进行合理忽略，得 到了适合本系统的人体舒适度的控制模型，该模型仅以室内温度和室内湿度为检 测参数，并结合当前温度下的饱和水蒸气分压力，经过运算导出人体舒适度因子 p ，其关系如下： p = ( 丁。，妒，p 。) 其中乃为室内温度、矽为相对湿度，见为对应温度下的饱和水蒸气分压力， 不同温度下的饱和水蒸气分压力表参见文章附录表1 。 系统根据检测的室内温度及湿度数值，结合当前温度下的饱和水蒸气分压 力，确定出每个房间的p 值，根据不同的p 值，设置每个房间内热泵机组的运 6 下面以夏季为例，给出不同的室内温度及相对湿度下的p 值简略表， 温度相对湿度 1 0 3 0 l5 0 7 0 9 0 2 0 6 04 64 34 55 9 2 2 6 l4 94 04 76 0 2 4 7 05 64 l5 87 3 2 6 8 26 24 56 58 4 2 8 8 96 76 06 89 0 表2 1 不同温度及相对湿度下的部分p 值表 控制系统根据不同温度及相对湿度下全部p 值表，根据绘制出人体舒适度因 子曲线图，p 值越高，表明当前的室内环境的舒适程度越差，热泵的运行功率也 越高，由此指导热泵机组的温度设定等等。 2 3 现场总线的介绍 依据本系统的规模和控制系统的性能要求，现场总线是实现本系统各项功能 的必要组成部分。 现场总线”钉啪2 1 1 是一种连接智能现场设备和自动化控制系统的全数字、双 向通信系统。该系统主要解决的是工业现场的信息传递问题，包括智能化仪器仪 表、p l c 以及执行器等现场级设备之间的数字通信，还有现场控制设备与管理级 控制设备之间的信息传输。 工业控制中常用的现场总线有c o n 仃0 1 1 盯1 i i l k 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 等。 c o n 仃0 l l 昏l i l l l ( 现场总线为令牌型通讯方式，最大传输距离可达1 0 0 0 m ，需 要在控制器上安装c o n 乜d l l 昏1 i n k 单元模块。c o n 仃o l l 昏l i i l l 【的数据链路功能可 以满足公共数据在网络p c 和计算机之间共享，而无需p c 的c p u 单元或个人计 算机内的通讯程序妲朝；信息服务可以满足在特定节点之间传送数据，完成读写 状态信息，改变操作方式，或执行其他任务等等。信息服务主要通过用户程序中 执行通讯指令来实现的幢们瞪酊。 m o d b u s 现场总线m 1 是主从式通信方式，最多支持2 5 4 台从站，传输方式 可i u u 或a s c 码，但在同一个m o d b u s 网络中必须采用相同的传输方式。3 青岛理工大学工学硕士学位论文 幢引m o d b u s 协议规定了信息域格式和内容的公告格式，包括站点，字节长度， 功能码，操作地址，校验值等啪3 。 下表是m o d b u s 协议支持的功能码： 表2 2m o d b u s r 1 1 j 协议功能码 功能码 名称作用 取得一组逻辑线圈的当前状态 0 1读取线圈状态 ( o n o f f ) 取得一组开关输入的当前状态 0 2读取输入状态 ( o n o f f ) 在一个或多个保持寄存器中取得当前 0 3读取保持寄存器 的二进制值 在一个或多个输入寄存器中取得当前 0 4读取输入寄存器 的二进制值 0 5 强置单线圈强置一个逻辑线圈的通断状态 0 6预置单寄存器把具体二进值装入一个保持寄存器 取得8 个内部线圈的通断状态，这8 0 7读取异常状态 个线圈的地址由控制器决定 把诊断校验报文送从机，以对通信处 0 8回送诊断校验 理进行评鉴 使主机模拟编程器作用，修改p c 从 0 9编程( 只用于4 8 4 ) 机逻辑 可使主机与一台正在执行长程序任务 从机通信，探询该从机是否己完成其 1 0探询( 只用于4 8 4 ) 操作任务，仅在含有功能码9 的报文 发送后，本功能码才发送 可使主机发出单询问，并随即判定操 1 1读取事件计数作是否成功，尤其是该命令或其他应 答产生通信错误时 可是主机检索每台从机的m o d b u s 1 2读取通信事件记录事务处理通信事件记录。如果某项事 务处理完成，记录会给出有关错误 可使主机模拟编程器功能修改p c 从 1 3编程( 1 8 4 3 8 4 4 8 45 8 4 ) 机逻辑 可使主机与正在执行任务的从机通 1 4 探询( 1 8 4 3 8 44 8 45 8 4 )信，定期探询该从机是否已完成其程 序操作，仅在含有功能1 3 的报文发送 后，本功能码才得发送 1 5 强置多线圈 强置一串连续逻辑线圈的通断 把具体的二进制值装入一串连续的保 1 6预置多寄存器 持寄存器 可使主机判断编址从机的类型及该从 1 7报告从机标识 机运行指示灯的状态 可使主机模拟编程功能，修改p c 状 1 8( 8 8 4 和m i c r o8 4 ) 态逻辑 发生非可修改错误后，是从机复位于 1 9重置通信链路 已知状态，可重置顺序字节 2 0 读取通用参数( 5 8 4 l )显示扩展存储器文件中的数据信息 2 1 写入通用参数( 5 8 4 l )写入或修改通用参数扩展存储文件 2 2 6 4 保留作扩展功能备用 6 5 7 2保留以备用户功能所用 留作用户功能的扩展编码 7 3 1 1 9 非法功能 1 2 0 1 2 7 保留留作内部作用 1 2 8 2 5 5 保留 用于异常应答 2 4 本章小结 本章节首先简单介绍了地源热泵空调系统的运行过程，指出了控制系统在空 调系统运行中起到的作用。通过对人体舒适度的分析，引入人体舒适度因子用来 指导热泵运行，提高了系统的温度控制效果，而且该因子仅与室内温度，室内湿 度，以及该温度下的饱和水蒸气压力有关，检测方便，便于控制系统的程序实现。 最后，分析了各类现场总线的特点，并结合本系统的控制需要，做好现场总线设 计的准备工作。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 1 工程概述 第三章控制系统的设计方案 根据以上几章的理论分析和推导，下面为某医院医技楼设计一个利用地源热 泵机组的空调控制系统，该系统的控制以p l c 和现场总线为核心，从四个不同 的区域抽取地下水，为水风热泵机组提供能量，对医院综合楼各个房间进行温 度调节。 该医技楼共有7 层组成，包括楼上6 层，楼下1 层，温度控制面积达到2 万平方米。各楼层布局及温度控制要求如下： 楼下的负一层为储藏室，共计9 个房间，该区域的人员流动小，对温度控制 的要求较低，需要的热泵机组为9 台，热泵机组的制冷量为2 3 5 k w ，制热量为 2 6 0 k w 。 第一层为接待大厅及常见病门诊科室，包括接待大厅在内，共有不同面积的 房间2 1 个，大厅内需要热泵机组4 台，2 0 个常见病门诊科室各需要热泵机组1 台，本楼层所需热泵机组共计2 4 台，制冷量为3 3 5 k w ，制热量为3 5 0 l 洲。 第二层和三层为医院的各类检查化验科室，有大量的精密仪器，对温度要求 较高，且长期保持恒定，二层和三层安装热泵机组的数目分别为2 8 台和3 2 台， 制冷量为2 8 5 k w ，制热量3 0 0 k w 。 第四层和第五层为医院病房区，房间布局相同，要求每一个房间的温度都可 以自主调节和设定，每个房间安装1 台热泵机组，每层需要的热泵机组为4 8 台， 共计9 6 台，制冷量为2 9 0 i w ，制热量为3 2 0 k w ，。 第六层主要包含3 个面积不等的会议室，需要五台热泵机组控制其温度，其 中，主会议室需要热泵机组3 台，另外两个分会议室各需要配备热泵机组一台， 制冷量为2 4 5 l w ，制热量为2 7 0 k w 。 依据用户要求，控制系统对空调系统的控制要求有： 1 高度自主化。本系统的空调面积为2 万平米，共分为1 5 0 多个独立的房间， 每个房间面积不同，对温度的要求也不尽相同，因此，每个房间设有独立的 控制面板，在自动模式下，用户可以根据本房间的要求，独立设定房间温度， 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 不受其他房间的影响。 2 管理统一化。控制系统自上而下由一套主系统和七套子系统组成，建立了主 从式控制结构。根据楼层的布局，每个子系统控制该楼层的热泵机组和子管 路调节阀，主系统可以控制各子系统的运行状况，形成统一管理的模式。当 某一子系统开启手动模式，则本层所有控制执行器只能在本层子系统的手动 操作下工作，其他子系统可以查看其工作状态，但是无权控制。一旦主系统 开启手动模式，所有子系统都必须在主系统的手动控制下运行。 3 资源合理优化。由于地下水源各个区域水量不同，水的温度也不同，为了实 现资源的优化利用，本系统专门设有水源调配功能，系统从四处不同的地下 水源区取水，在各个水源区出水管路都设有温度检测装置，系统根据各个水 源区的出水温度，判断该区域的负荷量，调节该水源区管路的调节阀开度， 使得能源达到合理配置。 3 2 控制系统的结构设计 根据本系统的控制要求，系统的结构设计为主系统子系统控制现场的三层 模式，通过现场总线实现各层信息和数据的互联互通，完成系统的各项功能。下 面分别对各个部分的控制结构进行具体设计。 主系统：由一台主p l c 及相应触摸屏组成。主要完成的功能有：监控各子 系统运行状态和模式。包括各楼层供回水温度，各楼层热泵机组的运行状态、 功耗、进水温度、出风温度、风机转速、室内设定参数、防冻状态等等。实时收 集并处理室内温度、室内湿度等数据，经过程序运算，得出人体舒适度因子，对 子系统p l c 发出各种控制命令，全面管理各个子系统的运行状况。同时，实时 检测主管路供回水压力，控制变频器频率参数，根据各水源区温度，调节水源 调配阀的开度状态，完成能源的合理提取和分配等。 子系统：每层楼设置1 套子系统，由子p l c 及其触摸屏组成。子系统实时 获取本层子管路的供回水温度和压力数据，分析本层负荷程度，调节本层子管 路的调节阀开度，满足本层热泵机组的用能需要。根据主系统提供的人体舒适度 因子p 值，设置本层各台热泵运行参数、状态，并把各类参数实时上传给主系统。 子系统之间的运行参数及数据的共享等等。 青岛理工大学工学硕士学位论文 控制现场：由温度、压力传感器，控制阀和热泵机组组成。各类传感器将检 测的数据上传给p l c ，控制阀接收各项控制命令，实现各项控制功能。热泵机组 是本系统主要的控制对象，通常地源热泵空调系统选取大功率热泵机组，集中对 地源进行能量提取，然后经过各子管路为每个用户供能，这种方式虽然结构简单， 便于管理，但是能量在远距离传输过程中造成了大量损耗，因此，本系统采取了 分布式结构，每一个房间至少设有1 台热泵机组，根据每台热泵机组的需要提供 合理的能量，水风热泵机组提取能量后直接用于室内温度控制，大大减少了能 源在传输过程中的浪费，同时，系统可以实时监视和控制每台热泵机组的运行状 态，提高了系统的自动化水平。 系统结构简图如下： l 撑 子 系 统 匕燮慷 匝亘d 萎 m o d b u s 图3 1 控制系统结构设计示意图 3 4 控制系统的功能设计 本系统的功能设计分为主系统功能设计和子系统功能设计两部分。 3 4 1 主系统功能设计 热泵机 组7 n 主系统控制功能包括：控制变频器提取合适的地下水源冷量( 热量) ，根据 各取水区负荷大小合理分配能源，通过现场总线对各个子系统的进行管理。 l地下水源冷量( 热量) 的提取：传统的p l c 对变频器的控制是直接从 p l c 的硬接点输出信号，控制变频器的运行及停止，输出模拟信号对变频器的转 速进行调节。在这种方式中，p l c 与变频器仅仅通过外部接线完成连接，内部 1 2 黑一。 茎删 青岛理工大学工学硕士学位论文 数据不进行传递，同时，由于指令信号在长距离传输中的衰减和受外界的干扰， 大大降低了整个系统稳定性和可靠性，另外大量的数模转换模块增加系统成本口1 3 伯引。因此，在本系统中，p l c 对变频器的控制方式是通过现场总线实现的，选取 自带r s 4 8 5 接口的欧姆龙变频器，不但能完成传统应用的所有功能，还能进行 内部的数据通讯，可方便地从变频器中获取所驱动的电动机各种电参数如运行频 率、电流、电压以及各种状态等b 3 引。 2 水源调配过程：主系统通过抽取四个不同地区的地下水作为冷源( 热源) 调节温度。各水源区的热容量不同，水温也不尽相同，因此，为了更合理的利用 各水源区的能量，各个地下水源之间有管路互相连接，而主p l c 根据检测的每 个地下水源区的出水温度，判断各个区域的负荷大小，通过改变电动调节阀的开 度，改变对不同的水源区取水量的多少，以满足整个系统的用能需要，均衡负荷。 下图为水源调配过程示意图： 图3 2 水源调配过程简图 3 对子系统的管理：手动模式下，主系统p l c 可以直接设置任意一层子系 统的参数，修改每台热泵机组的设定温度，便于处理某些特殊情况下的工作状态。 自动模式下，主系统p l c 通过现场总线读取子系统上传的室内温度、湿度参数， 经过人体舒适度因子的计算，输出控制指令，控制设置热泵机组的运行参数。 3 4 2 子系统功能设计 子系统的主要功能是根据主系统提供的人体舒适度因子p 值，设置本层各台 热泵运行参数、状态；根据当前本楼层的负荷程度控制供回水调节阀开度，以 满足本层的各个房间内热泵机组的需要。把本层的各类检测参数和热泵机组的运 青岛理工大学工学硕士学位论文 行参数上传给主系统，包括本层水源侧管路供回水温差和压力差，各个房间开 启的热泵机组台数，设定温度等等。 根据每层子系统控制的热泵机组数目和系统的控制要求，各子系统与热泵机 组之间需要通过m o d b u s 现场总线进行通讯， 下图为子系统控制过程图 图3 3 子p l c 控制过程图 根据上述系统的结构和功能，本系统所需的各种控制机构有：p l c ，触摸屏， 变频器，热泵机组，控制阀等等，系统整体硬件设计详图如下： 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 5 本章小结 图3 - 4 系统硬件设计详图 本章首先介绍了该医院医技楼的规模，提出了本系统的控制要求，根据该要 求，在现场总线的作用下建立三层数据和信息互联的主从式控制网络结构，然后 分别从结构和功能两个方面对整个控制系统的设计进行了描述，最后，完成了系 统硬件设计详细图。 本系统的设计特点主要体现在以下几个方面：基于人体舒适度因子指导热泵 机组运行，更加节能和高效；通过对各个水源区的温度检测，对资源进行合理的 优化分配；热泵机组的分布式设计，迸一步减少了能源的流失；最后，基于现场 总线技术，建立起节能，稳定，可靠的地源热泵空调控制系统。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第四章控制系统的原理设计及制作 控制系统的实现主要分为三部分：电气设备选型及原理图设计，p l c 控制功 能的实现和人机操作触摸屏的功能实现。 4 1 电气设备的选型 4 1 1 检测装置选型 根据本系统的控制设计要求，本系统需要检测的数据有温度和压力两类。 温度检测：地下水源四区的供水温度，4 路，由主系统采集；子系统子管路 供回水温度，位于每套子系统的供回水管路上，1 4 路，由子系统采集，综上所 述，温度采集共计1 8 路。 压力检测：主管路供回水压力差，2 路，由主系统采集；子系统子管路供 回水管路压力差，1 4 路；由子系统采集，综上所述，压力采集共计1 6 路。 另外，各个房间内的室内温度、湿度参数可以从每个房间内的热泵机组协议 中读取。 表4 1 传感器规格及明细 ：传感器类型： 测量范围测量精度数目 温度传感器fo 1 0 0 0 5 1 8 ，压力传感器。 o 0 3 m p 0 0 1 m p1 6 4 1 2 电动执行器选型 本系统的管路中需要的控制阀有两种，开关型和调节型。开关型控制阀用来 控制管路的通断，调节型控制阀可以通过改变开度来改变管路中水流量的大小。 本系统选择b e l i m o 公司生产的s r u 一2 4 s r 调节阀，s r v u 。2 3 0 开关阀，其 中s r u 2 4 s r 型调节阀由直流交流2 4 v 供电，接受的信号为直流电压 2 ，1 0 ， 该调节阀的旋转角度为9 0 。，控制时间为9 0 秒，满足本系统的运行要求，并设 有位置反馈信号节点，可以随时确定调节阀的开度；s r v u 2 3 0 型开关阀性能可 靠，满足系统要求，每个开关阀和调节阀以成对的形式安装在系统的各级管路上。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 其中主管路的控制阀以及水源区四处的控制阀由主系统直接控制，每层子管路内 的控制阀，由各级子系统单独控制。 4 1 3 控制器选型 根据项目的整体要求，系统选用欧姆龙公司生产的c p l h x a 4 0 d r a 型和 c j l h 型两种p l c 分别用作子系统和主系统的控制核心m 1 。 子系统p l c 的p l c c p l h x a 4 0 d r a 型，其主要技术参数为：2 4 1 6 ，i o ； 内置模拟输入4 路，模拟输出2 路，可选电压或者电流；可挂接的通讯功能模块 有r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 ；2 位7 段l e d 显示器；继电器型输出。 主系统p l c 采用c j l 型。c j l 型为模块型p l c ，根据本课题的要求，主系 统p l c 由以下几部分组成：c j l m c p u ；c j l w 书d 型电源；c j l w - i o 模块，1 6 1 6 ： c o n 仃0 1 l e r1 i i l l 【通讯模块c l k 2 1 ，r s 4 8 5 一块，8 路模拟输入模块a d 0 8 1 一块，4 路模拟输出模块d a 0 4 1 一块，该模块接受标准的 1 ，5 v 】或者 4 ，2 0 m a 信号，分辨 率为8 0 0 0 ，可以设定为4 0 0 0 ，满足本系统的控制精度需要。 4 1 4 触摸屏的选型 根据不同的应用场合的需要，本系统选用m t 8 0 0 0 系列1 0 寸的触摸屏一块， 用于连接主系统p l c 。m t 5 0 0 系列5 寸触摸屏七块，用于每一层子系统。该系 列的触摸屏为6 5 5 3 6 色、t f tl c d ；并且有三个通讯口，便于和p l c 等控制器 的通讯，最大传输速率4 8 0 b p s ，满足本系统的设计需要b 饥。 4 1 5 变频器的选型 本系统的变频器是对水泵的作用属于典型的流体类负载。流体类负载通过变 频器调速来调节流量，可以大幅度节约电能，本系统选用的是o m r o n 公司的 开环矢量控制型变频器3 g 3 r v m l ，其额定功率为3 2 k w ，满足系统要求，而且 便于和欧姆龙p l c 进行通讯。 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 2 系统电气原理设计 基于第三章所述的系统设计方案以及本章前文所作的设备选型，下面对系统 进行电气原理设计 4 2 1 总体设计 系统的整体结构设计包括三层，主从p l c 的连接，子p l c 与热泵机组的连 接以及主p l c 与变频器的连接。系统整体结构设计图如下： 4 2 2 主系统结构设计 图4 1 系统整体结构设计图 主系统主要有c j l 型p l c ，模拟量输入模块以及通讯模块c u ( 组成。其中， 1 6 路i o 模块用于接收来自现场的信号，并输出水源4 区的管路调节阀的控制信 号。模拟输入模块需要接收的检测值有：水源侧四个区域的出水温度以及主管路 供回水压力。c u ( 模块用来完成c o n 臼0 1 1 昏l i n l ( 通讯功能。 主系统电气原理设计图如下 图4 - 2 主系统结构设计图 主p l c 需要配接a d 模块a d 0 8 l ，该模块为8 路模拟输入模块，接收的模拟 量分别是地下水四个区域的出水温度以及主管路供回水压力，设计图如下： 4 2 3 子系统结构设计 图4 3 主系统模拟输入设计图 根据子系统的p l c 型号及功能，子系统的结构设计分为：设计部分和 a d 模块部分。 i o 设计图如下： 图“子系统i ，o 设计图 2 4 路输入：系统启动与急停，手自动切换，管路状态。 1 6 路输出：输出各自子管路上开关阀的控制信号。 模拟量输入输出模块设计图如下： 青岛理工大学工学硕士学位论文 图4 5 子系统加设计图 4 路模拟输入：2 路为本层子系统管路供回水温度检测，2 路为本层子系统 管路供回水压力检测。 1 路模拟输出：控制本层子系统内管路的调节阀的开度，使得子管路内水流 量满足本层热泵机组的需要。 4 3 现场总线的功能实现 根据上文的设计方案，本系统需要依靠现场总线实现的过程有：子系统p l c 通过m o d b u s 对本层每台热泵机组的控制，主系统p l c 通过c o n 乜0 1 1 e rl i n k 对 每个子系统的管理，主系统p l c 通过m o d b u s 对变频器的控制。 4 3 1 子系统p l c 与热泵机组的通讯实现 根据水风热泵机组的通讯协议的内容旧3 ，摘取部分协议作为子系统与热泵 机组通讯的基本内容： 青岛理工大学工学硕士学位论文 表4 - 2 水风热泵机组通讯协议 内容读写操作数据类型地址l 描述 机组启停- 读写线圈式 1 0 0 0 1l = 运行，o = 停止 当前运行模式读 线圈式1 0 0 0 31 = 制热，o = 制冷 故障提示读写 线圈式 1 0 0 0 7 1 = 故障，o = 正常 室内温度7 读输入寄存器 3 0 0 0 l 一4 0 ，8 0 室内湿度 读输入寄存器 3 0 0 0 2 0 ，1 0 0 进水温度 读输入寄存器 3 0 0 0 3 一4 0 ，8 0 出风温度l 读输入寄存器 3 0 0 0 4 一1 5 ，3 0 运行模式设定，读写保持寄存器 4 0 0 0 10 x f 0 0 x o f 、0 x f 0 制热温度设定：读写保持寄存器 4 0 0 0 2 4 5 ， 3