PLC在水源热泵空调系统中的应用.doc

辽宁石油化工大学继续教育学院论文PLC在水源热泵空调系统中的应用摘 要常紧张的阶段，如何节约能源能为了一项新的课题。而水源热泵空调技术正是这种情况下的产物。热泵采用电能驱动，从低温热源中吸取热量，并将其传输给高温热源以供使用，传输到高温随着现代工业的迅猛发展，自动化机械有了越来越广泛的应用，同时世界的能源也进入了非热源中的热量不仅大于所消耗的能量，而且大于从低温热源中吸收的能量，从而达到节能的目的。论文研究了水源热泵空调系统的PLC控制。文章首先对水源热泵技术进行了概述，介绍了水源热泵技术的发展现状及前景。然后根据水源热泵中央空调系统的特点，分析和研究船舶热泵系统的工作原理，并构建了水源热泵控制系统结构的组成和控制方案。文中对输入、输出信号进行归纳，并据此设计出PLC电气控制原理图，并合理选用PLC。接着编写了语句表与梯形图。通过PLC来控制热泵系统，不仅可以通过编程实现复杂的逻辑控制，而且可以很大程度上简化硬件接线，提高控制系统的可靠性，便于实现智能控制。并且结合变频器节能省电，符合国家提倡的节能减排，建设节能型社会的需求。关键词：水源热泵；空调；PLC控制AbstractWith the rapid development of modern industry and automated machinery has been more widely used, the worlds energy into the very tight stage, how to save energy to a new subject. Water source heat pump technology is in this case the product. Water-heat pump absorbs heat from cryogenic heat source, and sends it to high-temperature source by using electric energy. The quantity of heat sent to high-temperature heat source is not only larger than the consumed heat, but also larger than that absorbed from cryogenic heat source, thus reaching the aim of saving energy.The article first described the water source heat pump technology, to understand the status and prospects of development of water source heat pump. Then according to the characteristics of the water source heat pump central air conditioning system, analysis and research ship heat pump system works, and build water source heat pump control system, the composition and control programs. Article to the design of input and output signals, and accordingly design the PLC electrical control schematics. And accordingly the design selection of the PLC, and then write the statement table with ladder.Finally, through the PLC to control the heat pump system can be programmed not only to implement complex logic control, and can greatly simplify the hardware wiring and enhance the reliability of the control system is easy to realize the intelligent control. And the combination of the inverter, energy saving, with the state to promote energy conservation, construction, energy-saving needs of the community.Keywords：water heat pump；air-conditioning；PLC control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究船舶空调的背景11.2 国内外研究情况11.3 课题的研究意义21.4 课题研究的内容31.5 小结3第2章 热泵技术的简述52.1 热泵系统的工作原理52.1.1 热泵的定义52.1.2 热泵系统的工作原理52.1.3 热泵节能原理72.2 热泵系统的分类82.2.1 空气源热泵系统82.2.2 土壤源热泵系统92.2.3 水源热泵系统92.3 对水源热泵的介绍102.4 水源热泵空调系统组成112.5 水源热泵空调系统的优缺点112.6 水源热泵空调系统的背景意义122.7 水源热泵空调系统的发展前景122.8 小结13第3章 PLC可编程控制器的概述143.1 PLC可编程控制器概述143.2 PLC的分类及结构143.3 PLC的基本组成及各部分的作用143.3.1 中央处理单元（CPU）153.3.2 存储器153.3.3 I/0单元163.3.4 电源部分163.3.5 扩展接口173.3.6 通信接口173.3.7 编程器173.4 PLC的优点173.4.1 可靠性173.4.2 易操作性183.5 PLC的应用领域193.5.1 开关量逻辑控制193.5.2 工业过程控制193.5.3 运动控制193.5.4 数据处理193.5.5 通信及联网20第4章 PLC控制船舶水源热泵空调系统设计214.1 系统总原理框图设计214.2 电气控制部分的设计214.3 PLC控制部分设计224.3.1 PLC控制部分原理图234.3.2 PLC选型及I/O功能表244.3.3 PLC控制系统工作流程图264.3.4 PLC控制系统梯形图274.3.5 PLC控制系统语句表284.4 小结30第5章 结论31参考文献32致 谢33I辽宁石油化工大学继续教育学院论文第1章 绪论1.1 研究船舶空调的背景船舶空调的制冷和制热以及船员用生活用水的能耗将占船舶运行总能耗的较大比例，它是以消耗燃油为代价的，而生产燃油时要产生由于燃烧将产生二氧化硫、二氧化碳等大量污染物，形成温室效应气体。为了保护人类赖以生存的环境需要我们大力开发可再生能源和降低能源消耗。现代工业的迅猛发展，世界的能源也进入了非常紧张的阶段，在世界传统能源即将枯竭的今天，新能源的开发和应用将显得越来越重要，更具有长远的社会效益。船舶空调系统采用水源热泵这一新技术，由于受到造船成本会稍有提高等因素的制约，因此在船舶行业没有得到有效的应用，但从长远的角度来说，其经济效益和环境效益是非常可观的。根据国外的经验，由于水源热泵运行费用低，增加的初投资可在3-5年内收回，水源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。海洋中蕴藏着源自于太阳无穷无尽的热能。船舶航行于海洋及江河之中，由于船舶的底舱与河水或海水紧密接触，可以方便地进行热交换。我们借助于水源热泵系统，只消耗少量的电能，就可以向指定空间输入或输出多出许多倍的热能，且具有非常高的热效能，因此水源热泵及其PLC控制将做为本课题研究的重点。1.2 国内外研究情况目前,在国内外的船舶上大多采用的是空气源热泵或自然循环式空调系统。空气源热泵空调系统的低温热源为室外空气，其缺点是室外空气温度随气候的变化而变化，而且温度越低所提供的热量越小，当空气温度低于-5时，热泵的效率会大大降低。自然循环式空调系统的基本原理是利用船体的双层底空间与船底的冷海水制作空调所需的冷气，利用柴油机排气中的余热经交换器加热空气。它只在通风机工作时消耗电能，因此能够节约能源。但这种空调系统在非常炎热或者非常寒冷的季节不能满足实际需要，并且各个舱室在进行统一空气循环时可能形成空气污染，造成工作条件的恶化。基于PLC控制的船舶水源热泵空调系统在船舶上的应用，目前在国内外均处于起步阶段,还没有形成船舶方面的行业规范，也没有结合船舶整个建造过程进行有机的设计和整合。船舶空调制冷和制热的能耗占船舶运行总能耗的比例较大，以消耗燃油为代价。在能源日趋紧张的今天，开发利用船舶航行水体中的绿色能源，降低船舶燃油消耗及废气排放量，具有显著的经济效益和长远的社会效益。1.3 课题的研究意义现代工业的迅猛发展，世界的能源也进入了非常紧张的阶段，全世界的科学工作者为探寻新的能源及其转化和应用的脚步也越来越快。实际上诸如太阳能、地热能、水能、风能等的这些所谓新能源己经存在于地球上亿万年了，真正得以广泛研究和重视还是近一个世纪的事情。新能源的开发由于技术、成本及认识等方面的因素，在我国的发展脚步还不算很快，还不能完全缓解目前能源紧张的局面。在世界传统能源即将枯竭的今天，新能源的开发和应用显得越来越重要，具有长远的社会效益。在采用以普通热泵空调为主体的船舶中，用于制冷和制热的能耗将占船舶运行总能耗的较大比例，它主要消耗着船舶上的大量电能。船舶上电能的获取是以消耗燃油为代价的，而燃油的获取又要消耗大量的煤炭等燃料。燃油和煤炭等的燃烧产生的大量污染物，包括大量二氧化硫等有害气体以及二氧化碳等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。因此为了保护人类赖以生存的环境需要我们大力开发可再生能源和降低能源消耗。海洋中蕴藏着无穷无尽的热能，我们可以借助于一个系统，只消耗少量的电能对这个能源加以利用，从而可以达到节约大量的石油、煤炭等传统能源的目标。我们已经广泛使用的热泵系统就能担此重任。热泵分为空气源热泵和地源热泵，地源热泵可分为土壤源热泵和水源热泵，而水源热泵还可分为地下水源热泵、地表水源热泵。目前适合于船舶应用的只有空气源热泵和水源热泵。大多数船舶使用的空气源热泵具有系统简单，初投资较低的优点，但是它具有体型较大、占地面积大，噪声较高，需要定期除霜、消耗大量的电量，受室外环境制约、在夏季高温和冬季寒冷季节热泵的效率大大降低等缺点。水源热泵与空气源热泵相比，有如下优点：（1）是清洁的可再生能源技术，环境效益显著。水源热泵是利用地下或地表水作为冷热源进行能量交换，当供热时省去了燃煤、然油等的燃烧过程，避免了环境污染，当供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。（2）高效节能。水源热泵机组可利用冬季水体温度（1222）大于环境空气温度，夏季水体温度（1835）低于环境空气温度的自然特性，可大大提高热泵机组的能效比。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户3040%的供热制冷空调的运行费用。设计良好的水源热泵机组，与空气源热泵相比，相当于减少30%以上的电力消耗，与电供暖相比，相当于减少70%以上的电力消耗。（3）一机多用。利用一套热泵机组即可供冷，又可供热，还可提供生活热水。对空调系统来说，一台热泵提供两种热源，可节省一次性投资，其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工期短，更改安装也容易。（4）自动化程度高。水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统;部件较少，自动控制程度高。（5）没有任何污染水源热泵技术采用的制冷剂，用R134A、R407和R410A等工质替代传统的R12和R22工质，避免了制冷工质对地球环境的影响。（6）采用了智能PLC控制装置：大屏幕液晶显示，遥控开关，根据用户需求自由设定采暖、空调温度，各居室可单独控温。（7）运行稳定、可靠，维护方便。水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，水体温度较为恒定，使得热泵机组运行更加稳定可靠，保证了系统的经济高效，不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。由于系统简单，机组部件较少，运行稳定，相对来说维护费用较低，使用寿命可长过20年以上。船舶航行于海洋及江河之中，由于船舶的底舱与河水或海水紧密接触，可以方便地进行热交换，且具有更高的热效能，因此水源热泵及其控制做为本课题研究的重点。1.4 课题研究的内容本课题主要介绍和研究热泵系统工作原理，热泵节能原理，PLC控制船舶水源热泵空调系统设计，船舶热泵系统设计。1.5 小结为保护人类赖以生存的环境，我们在大力开发可再生能源的同时，能源消耗。水源热泵系统是一个典型的节能系统，近一个世纪中，也是近几十年才得到人们的重视。具有相当高的能效，更要注重降低在热泵发明的空气源热泵技术应用到船舶上，目前己经是成熟多年的技术，而将水源热泵技术应用到船舶上，目前还正是起步阶段。第2章 热泵技术的简述随着十九世纪初工业革命的发展，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。英国物理学家J.P.Joue提出了“通过改变可压缩流体的的压力就能使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教授发表论文，提出了热量倍增器的概念，首次描述了热泵的设想。2.1 热泵系统的工作原理2.1.1 热泵的定义热泵就是可以把热量由低温热源输送到高温热源的机械设备。比如在冬季，室外的空气、地面水、地下水等等就是低温热源，而室内空气就是高温热源，热泵式空调就是可以把室外环境的热量输送到室内环境里；而在夏季，则反之，室内为低温热源，室外为高温热源，热泵式空调就是可以把室内环境的热量输送到室外环境。2.1.2 热泵系统的工作原理一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)压缩冷凝(放出热量) 节流再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到谁中。压缩式热泵系统一般由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器，如图2-1所示。气工作过程为：低温低压的液态制冷剂在蒸发器里从低温热源吸收热量并产生气化（蒸发）压缩机抽取蒸发器里气化后的制冷剂气体并压缩的到冷凝器内，此时制冷剂气体变成高温高压气体（压缩）该高温高压气体在冷凝器内被高温热源冷却凝结成液体并释放热量，变成高温高压液体制冷剂（冷凝）再经节流阀截流成低温抵押液态制冷剂（节流）；如此就完成一个工作循环3。夏天某一空间需要制冷时，让制冷剂在放置在该空间的蒸发器里蒸发，带走空间里低热量，以实现降温；冬天某一空间需要制热时，让制冷剂在放置在改空间的冷凝器里冷凝，将热量释放的该空间里，以实现升温。为了放置蒸发器所在的吸热空间和冷凝器所在的放热空间出现“热短路”，在实际应用中需要将蒸发器和冷凝器用隔热材料分隔在两个不同的空间里；并且蒸发器所在的空间用于制冷，冷凝器所在的空间用与制热。在仅需要制冷或制热的单一功能时，可根据我们的要求对两个空间中的一个进行热隔离与密封。图2-1 压缩式制冷过程图2-2 热泵系统工作过程对于我们生活的固定空间（室内），在不同的季节里，有时需要制冷，而有时需要制热，因此需要在热泵系统中增设一个控制工质流向的换向阀，使得在控制换向阀时能完成室内的制冷和制热功能，这样的系统我们称之为空调系统，如图2-2所示。2.1.3 热泵节能原理热泵是把热量由低温热源输送到高温热源的机械设备。其工作原理是基于逆卡诺循环，采用电能驱动，从低温热源中吸取热量，并将其传输给高温热源以供使用，传输到高温热源中的热量不仅大于所消耗的能量，而且大于从低温热源中吸收的能量。图2-3 水源热泵能量流图图2-3所示的能量流程图体现了机组输入电能W、低位热能Q1和利用能Q2之间的关系：根据热力学第一定律，有在冬季时，Q2=Q1+W,性能系数COP3；在夏季时，Q2=Q1-W,能效比EER4.根据热力学第二定律，机组输入的电能W起到补偿作用，使得制冷剂能够不断的从低温环境吸热（Q1），并向高温环境放热（Q2），周而复始的进行循环。热泵的性能系数（COP）是名义制热量与运行功率之比；热泵的能效比(EER)是名义制冷量与运行功率之比。压缩机的能耗是一个重要的经济技术指标，一般用性能系数(COP)或能效比（EER）来衡量系统的能量效率。性能系数的定义式为： (2-1)能效比的定义式为： (2-2)式中：W-机组输入电能；Q1-低位热能；Q2-利用能。显然，热泵COP(EER)永远大于1。因此，热泵是一种高效节能的装置，也是制冷空调领域内实施节能的重要途径，对于节约常规能源、缓解大气污染和温室效应起到积极的作用。经调查，我国海域在不同季节的表层海水温度情况如下所述。渤海辽东湾冬季-1左右，渤海南部为0oC左右，渤海中央水温为2左右。夏季渤海辽东湾、渤海湾及莱州湾都成为高温区，水温达2628，而渤海中央水温为2426oC。低温中心在辽东半岛西南及渤海海峡北部，中心值低于24。黄海冬季北岸表层水温-12，东岸26，西岸35，中央为512。黄海夏季表层水温升至2628，但在成山角和朝鲜半岛西南部附近，各自出现一个低温区，中心温度低于24。东海冬季表层水温浙、闽沿岸仅614。夏季东海表层水温均在2729。台湾以东海域终年受黑湖控制，四季高温冬季表层水温2425oC，夏季为2829。南海北部浅水区和北部湾冬季水温较低，一般在1622，到南海中部表层水温达2526。南海夏季表层水温均达2829oC，但因西南季风的作用，导致越南中部、南部以及中国海南岛东岸等出现深层冷水永升现象，造成夏季的低温区，温度分别为25和23。由此可以看出：冬季时，海水温度大大高于空气温度，船舶需要供热时，比从空气中更容易获得低位热能；夏季时，海水的温度远远低于空气温度，船舶需要供冷时，必从空气中更容易获得低位冷能。从而可以大大提高系统的能效，节约了能源。2.2 热泵系统的分类热泵分为空气源热泵(Air Source Heat Pump ,ASHP)和地源热泵（Ground-Source Heat Pump,ASHP）。地源热泵可分为土壤源热泵和水源热泵，而水源热泵还可分为地下水源热泵（Groung-Water Heat Pump,GWHP）、地表水源热泵（Surface Water Heat Pump,GWHP）。由于船舶航行于海洋及江河之中，因此水源热泵是本课题研究重点。2.2.1 空气源热泵系统以空气为冷热源，理论上可以不受资源限制，在任何地区运用。大部分的冷暖空调用的就是空气源热泵，在船舶的应用也较为普遍。它供热是通过直接产生热风或产生45热水后再产生热风实现的。空气源热泵取热最方便，是节能、环保、安全的理想方式，在我国长江流域的夏热冬冷地区正得到大力的推广应用。但在黄河流域的寒冷地区、冬季由于室外温度低于-5oC时，出水温度降低，设备出力降低，如果不增加辅助热源，空气源热泵空调系统就难以产生足够的可用于采暖的热风。目前许多船舶空调也多采用空气源热泵系统，其性能系数COP值多在23.8之间，其缺点是在冬季气温低制热时和夏季气温高制冷时其性能系数较低，大约为23左右，其经济性不佳。2.2.2 土壤源热泵系统以土壤为冷热源，通过中间介质(通常为水或者是加入防冻剂的水)作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。该方法由于地层下面的温度较为稳定，可做为良好的冷热源，但取热需要在地下几十到几百米深的地方埋管，一次性施工成本较高，但制冷制热效果良好，其性能系数在4.24.4。由于船舶航行于江河和海洋中，土壤源热泵系统显然不能应用于船舶空调上。2.2.3 水源热泵系统水源热泵可分为地下水源热泵系统和地表水源热泵系统。地下水地源热泵以地下水源作为热泵空调的冷(热)源系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，水源直接送至热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。此方案适应于地下水源充足，地质条件为砂砾层或裂隙构造可达到良好的回灌效果。地下水源热泵的能效比一般在4.65.6之间。显然这种系统也不适合于航行中的船舶。地表水源热泵系统以直接抽取或者间接换热的方式，利用地表水（江水、河水、湖水及海水、工业废水等）做为热泵空调的冷（热）源系统。即在冬季，把水体和地层中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。地表水源热泵系统的能效比在3.45.0之间，即消耗1kw的能量，用户可以得到3.45.0kw以上的热量或冷量。由于大型船舶的底舱浸于江河或海水之中，用其底舱的管线做为热交换器，即可实现预定目标。本课题是以海水源热泵系统在船舶上的应用为重点目标展开研究的。2.3 对水源热泵的介绍当今社会环境污染和能源危机严重地威胁着人类地生存与发展，如何理解这一问题已成为全人类的头等课题。在这种背景下，以环保和节能为特征的绿色建筑和与之相应地空调系统应运而生。而热泵系统正是满足这些要求的中央空调系统之一。水源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）和人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水）的即可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的制冷，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。由于地下的情况千变万化，极其复杂，它是世界上最大的不均质体，因此，地下换热装置能够因地制宜、长期稳定的从地下获取热泵所需的能量，同时水源热泵具有节能、经济、运行可靠等特点又尽可能的不影响环境，是安装水源、地源热泵系统的技术关键。水源热泵系统60年代开始在美国提出之后，经过30年的不断改进和发展，技术日趋成熟，其产品以逐渐商品化，迄今已经在北美建筑中应用40多年。进入70年代后，这项技术在日本的推广应用很快。东芝、三菱电机、PMAC公司均有水源热泵产品出售，东京、名古屋、横滨等城市在70年代初就有很多采用闭式环路水源热泵空调系统的工程实例。自80年代以来，我国采用水源热泵空调系统的建筑也逐年增多。目前，在深圳、上海、北京以及一些中小城市均有工程实例，例如，北京天安大厦、上海锦江第四号楼、西安建国饭店、青岛华侨饭店、深圳同贸大厦、惠州大酒店、泉州大酒店等均采用了闭式环路水源热泵空调系统。但大多数水源热泵系统以地下水作为冷热源，据报道，目前我国青岛建起了以海水为冷热源的水源热泵空调系统，湖南湘潭市政府新大楼里的水源热泵中央空调利用市中心区人工湖地表湖水为冷热源的水源热泵系统。水源热泵因具有“绿色、环保、节能”的优势，在我国的推广应用前景十分广阔。2.4 水源热泵空调系统组成水源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统，水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机组主要有两种形式：水-水式或水-空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。2.5 水源热泵空调系统的优缺点水源热泵空调系统主要具有以下技术优势：（1）水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接地接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵一种利用清洁的可再生能源的技术。 （2）水源热泵机组可利用的水体温度冬季为1222，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为1835，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署（EPA）估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户3040的供热制冷空调的运行费用。 （3）水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动。是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。 （4）水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和CO2温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30以上，与电供暖相比，相当于减少70以上。 当然，象任何事物一样，水源热泵也不是十全十美的，其应用也会受到制约。（1）受可利用的水源条件限制。水源热泵理论上可以利用一切的水资源，其实在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。目前的水源热泵利用方式中，闭式系统一般成本较高。而开式系统，能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。对开式系统，水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。 （2）受水层的地理结构的限制。对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑到使用地的地质的结构，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件，保证用后尾水的回灌可以实现。 （3）受投资经济性的限制。由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响，水源的基本条件的不同；一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。虽然总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低。但与传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同。2.6 水源热泵空调系统的背景意义如果系统采用传统的燃煤、燃气锅炉供热，则设备的效率低下、耗能较高；造成的后果是：运行费用较高，对环境的污染严重。而水源热泵技术通过回收低品位热能，在降低对环境污染的同时，还大大减少了运行费用，同时根据国家相关政策，如果实施了该项技术，还可申请较为可观的政策性补贴。根据水源条件和供热方式可知，若能采用水源热泵这种可再生能源系统，将会从根本上改变传统的供热方式，节约大量的常规能源，减排大量的CO2和其他有害物质，为建设环境友好型、资源节约型社会探索出新的出路。本项目的实施，将会对今后水源热泵应用起到示范、促进和推动作用，特别是对周边地区应用可再生能源提供有益借鉴。2.7 水源热泵空调系统的发展前景专家认为，和煤、石油、天然气、电力等能源相比，水作为能源具有可再生性，而且人工水源和自然水源可被利用，因此水源热泵空调系统有望实现可持续发展。近几年来，水源热泵得以发展，其主要推动力是它能够以“量大面广”的低位热能，如井水、地下水、江河湖水、电厂冷却循环水、矿井水及城市生活污水等为能源，从可持续发展的角度看，利用可再生能源、提高能源利用效率是贯彻落实科学发展观、走可持续发展道路的重要途径。其中城市生活污水是“水源热泵技术”的又一把开门的钥匙。2.8 小结热泵技术是基于逆卡诺循环原理，在压缩机工作循环中，只要存在着制冷剂蒸发就会从介质中吸热，将低位热能得以利用。水源热泵做为热泵中的一个分支，目前已经得到了前所未有的发展，具有可再生能源利用、高效、环保的特点。第3章 PLC可编程控制器的概述3.1 PLC可编程控制器概述PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。作为通用工业控制计算机，30年来，PLC从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的PLC正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。PLC是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术，半导体存储技术和自动控制技术的新型工业控制器。PLC与传统的继电器控制比较，具有通用性好、功能强、可靠性高、定时准确、定时范围宽、扩展灵活、维修方便等许多优点。3.2 PLC的分类及结构从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。3.3 PLC的基本组成及各部分的作用PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的1/0扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，1/0单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能1/0单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m.无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。3.3.1 中央处理单元（CPU）CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；（2）诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；（3）用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；（4）PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；（5）用户程序的执行结果送至输出端。现代PLC使用的CPU主要有以下几种：（1）通用微处理器，如8080, 8088, Z80A, 8085等。通用微处理器的价格便宜，通用性强，还可以借用微机成熟的实时操作系统、丰富的软硬件资源。（2）单片机，如8051等。单片机由于集成度高、体积小、价格低和可扩充性好，很适合在小型PLC上使用，也广泛地用于PLC的智能UO模块。（3）位片式微处理器，如AMD2900系列等。位片式微处理器是独立于微型机的另一分支。它主要追求运算速度快，它以4位为一片。用几个位片级联，可以组成任意字长的微处理器。改变微程序存储器的内容，可以改变计算机的指令系统。位片式结构可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个可以并行处理的部分，几个微处理器同时进行处理。这种高运算速度与可以适应用户需要的指令系统相结合，很适合于以顺序扫描方式工作的PLC使用。3.3.2 存储器根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种：（1）系统程序存储器：和各种计算机一样，PLC也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了PLC的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统程序是不能由用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器ROM或EPROM。（2）用户程序存储器:用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中。由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为可随时读写的RAM。由于RAM掉电会丢失数据，因此使用RAM作用户程序存储器的PLC，都有后备电池（铿电池）保护RAM，以免电源掉电时，丢失用户程序。当用户程序调试修改完毕，不希望被随意改动时，可将用户程序写入EPROM.目前较先进的PLC（如欧姆龙公司的CPMIA型PLC）采用快闪存储器作用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会丢失，不需用后备电池保护。（3）工作数据存储器:工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储区，开辟有元件映象寄存器和数据表。元件映象寄存器用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。它还用来存放A/0转换得到的数字和数学运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时用后备电池维持其当前值，在停电时可保持数据的存储器区域称为数据保持区。3.3.3 I/0单元I/0单元也称为I/0模块。PLC通过I/0单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。3.3.4 电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V，+12V，+24V的直流电源，使PLC能正常工作。电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部；对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。3.3.5 扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。3.3.6 通信接口为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。3.3.7 编程器编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRL图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在很多PLC已不再提供编程器，而是提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。3.4 PLC的优点3.4.1 可靠性对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。（1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。 （3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。（6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。3.4.2 易操作性PLC的易操作性表现在下列几个方面：（1）操作方便。PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。 （2）编程方便。PLC有多种程序设计语言可供使图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。 （3）维修方便。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。3、灵活性：PLC的灵活性表现在以下几个方面：（1）编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语一言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。 （2）扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展用。（3）操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。3.5 PLC的应用领域PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：3.5.1 开关量逻辑控制取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于控制单台设备，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。3.5.2 工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3.5.3 运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。3.5.4 数据处理PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。3.5.5 通信及联网PLC通信包括PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。但是，可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。该课题的PLC设计包括：系统总原理框图设计、电气控制部分的设计、PLC控制部分设计等方面。第4章 PLC控制船舶水源热泵空调系统设计4.1 系统总原理框图设计船舶水源热泵空调系统图如图4-1所示。图中的电磁阀用于进行不同工况要求时的自动切换。船舶底舱敷设管路来完成对海水低温热源的热交换。根据船舶控制要求计算出全船的冷热负荷、管线的总体布局设计、热泵机组的选择。图4-1 水源热泵空调系统图4.2 电气控制部分的设计根据船舶空调系统基本工作要求，设计出电气控制部分原理图如图4-2所示。图4-2 电气控制部分原理图Ml为压缩机电动机，担任整个热泵系统的制冷和制热任务，1#泵电动机担任舱底换热器与热泵换热器