节能变频流量地源热泵系统模糊控制自控系统设计

地源热泵系统的节能变流量模糊控制自控系统设计一、自控系统概述地源热泵中央空调是一种先进、高效、节能、环保的空调系统，是对可再生的地热能资源的一种运用。面对当前日益严重的环境问题和能源紧缺危机，合理高效的利用地热资源是解决环境和能源问题的有效途径。本设计方案根据地源热泵空调节能和负载平衡要求，将变流量模糊控制引入到地源热泵空调控制系统中，通过采用模糊控制算法以及变频技术，设计了一种基于模糊控制和PID自整定控制相结合的地源热泵空调变流量节能PLC自动控制系统。该系统结合了专家实践经验及控制规则，它通过数学模型，充分利用了PID控制器的稳态响应精度较高和模糊控制对时滞和参数不敏感的特性，更好的实现了地源热泵空调室内环路变负荷运行，最大程度上减小系统的运行能耗。通过在PLC上实现变流量的模糊复合控制，使系统不仅抗干扰能力强、可靠性高，同时方便扩展。整个运行优化的自动控制系统选用研华工控机、西门子可编程控制器和西门子系列变频器和进口西门子WinCC组态软件，采用分散控制、集中管理、综合监控的模式，分为现场控制和远程控制两个部分，现场控制系统集成于控制箱中，安装在控制现场，远程控制通过网络数据实现对地源热泵中央空调系统的远程优化控制。现场控制部分控制灵活，既可以实现自动闭环控制，也可以根据需要切换成手动操作模式,人为的根据外部条件和系统负荷实现手动操作。远程监控系统部分采用MODBUSRTU协议总线，实现了对监控点的实时监测，对地源热泵系统的工艺流程进行动态显示，用户可以实时了解地源热泵中央空调系统的运行状态，或远程进行相关的设置和操作，用户可根据需要自行进行相关设置，方便直接，扩展性能好。整个监控系统可以通过安装在地源热泵空调系统的各种传感器，检测各个监控点的测量参数，记录各个监控点的运行状态。并且将所有的需要实时监测的数据传回至计算机中，进行显示、运算、保存和进一步传输。相应的数据以及历史记录可以通过打印机进行离线或在线打印，同时监控点的数据可以形成图表，方便统计和查看。为了使系统能够安全可靠的运行，系统同时提供了现场自定义报警功能对于各点的监控数据值可以进行上下限的设定，当超过或低于设定值时，系统会自动报警。本系统的模糊控制和PID自整定控制相结合的复合模糊算法部分很好的实现了算法的设计功能。该复合模糊算法动态适应性好，其中PID控制器的参数通过S7-300系列控制器提供的PID参数自整定功能来确定，整个PLC控制系统和监控系统设计安全可靠，同时具有一定的可扩展性，方便集成应用。二、自控系统设计依据民用建筑电气设计规范(JGJT16-92)智能建筑设计标准(GB/T50314-2000)工业企业通信接地设计规范(GBJ79-85)建筑设计防火规范(GB50045-95)采暖通风与空气调节设计规范(GBJ19-87)智能建筑弱电工程设计施工图集(GJBT-471)自动化仪表工程施工及验收规范(GB50093-2002)电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范(GB50168-92)建筑电气安装工程质量验收标准(GB50303-2002)智能建筑施工验收规范(GB50-2003)等三、自控系统整体设计原则整个系统的设计遵循了以下主要原则:1节能原则。对于空调系统，应根据其负荷的变化情况，在满足系统负荷要求和保证系统稳定性的前提下，尽可能地减少系统的能耗并提高系统的控制特性。地源热泵空调本身就是利用地源作为系统的冷热源，具有高制热系数和运行效率，在控制系统的整体设计上更要突出其节能的特性。由于空调系统的设计最大负荷能力和实际运行过程中对系统负荷的需求上面存在着较大差异，因此在设计时可以充分挖掘此特性。本方案中地源热泵中央空调系统的自动控制以优化节能为目标进行控制。在系统处于最佳运行状态时，应当是系统负荷输出最稳定，系统最节能，并且安全可靠的运行的。2可靠性原则。地源热泵系统的持续运行时间长，控制系统工作的环境恶劣，这就要求监控系统设计时，必须要做到高可靠性。在硬件选型上，必须要采用高质量和抗干扰能力强的电子元器件和传感器，在工频泵切换时必须控制好时序，同时系统采用备泵的方式，以保证系统可靠的运行。3智能化原则。在对地源热泵的供回水温度、供回水流量等系统量的实时测量的基础上，进行系统负荷、供水流量的在线计算，根据系统的实时负荷自动完成跟踪控制。当发现监控点非正常工作时，能自动报警并记录数据。4模块化设计原则。考虑到系统方便集成的特点，在设计时，必须要充分考虑到系统的模块化设计。通过在控制系统中，设计用户自设定的报警口，以及在监控程序中可以自定义监控点等方法来达到这一目的。四、自控系统设计内容本方案主要从两个方面进行了优化节能自动控制，一方面是地源热泵中央空调冷、热源系统，另一方面是中央空调新风机组系统。4.1地源热泵中央空调系统水系统变流量节能控制技术――模糊控制器的设计4.1.1变流量模糊控制技术在地源热泵系统中的应用由于实际运行的空调系统易受外界因素，如气候、人员数量和围护结构等影响，经常在变负荷情况下运行，如果空调系统不能依据外部负荷的变化而调整输出，就会造成大马拉小车，大流量小温差的运行情况，造成资源的浪费。针对地源热泵系统的特点，可以采取变流量节能控制来达到空调系统的自动优化控制。变流量系统的基本原理可用热力学第一定律表达如下:式中:Q一系统负荷；W一水流量；c一水比热容；△t一供回水温差热力学第一定律告诉我们，在地源热泵系统中可以根据实际负荷的大小调整供水流量或供回水温差。在供暖系统的热负载的设计时，常用面积热指标法：式中：----供暖设计热负荷（kW）,-----建筑特供暖面积热指标（）,----供暖建筑特的建筑面积（）。但是由于外界等因素的影响，在设计空调时往往按年最大负载时来设计，比如气候最冷时的最大负载，并且在设计上有一定的余额。当气候等外界因素变化时，工况的实际负载必然发生变化，此时空调系统的输出负载如果仍然按最大设计时输出，定会造成资源浪费。如果根据负载变化而手动来调节系统的运行，这样可以达到一定的节能目的，却不能很好的实现自动化控制，同时控制过程可能存在明显的滞后性或误判。因此可以利用现代化的控制技术，通过计算机自动监控空调系统的运行情况，从而实现系统运行的自动调节，这样就可以很好的解决空调系统的自动优化控制问题，实现既节能，同时又能满足用户的舒适要求。为使室内的供暖温度达到自动控制的目的，常用方法就是控制泵的热交换物质的流量，流量控制主要有以下两种方式:压差控制和温差控制。压差变流量控制是改变泵的流量，保持空调系统供水和回水管两侧压差的稳定，在目前工程设计中应用的较多。它从泵的运行特性出发，能充分发挥泵的效率，采用这种控制方式下的空调系统运行稳定。但由于没考虑系统的热力特性，从而不能保证室内温、湿度的要求，对系统负荷的变化不能如实反映，节能效果不明显。温差变流量控制是改变泵的流量，保持空调系统供水和回水温差稳定。从空调系统热力特性出发，能保证室内温度要求，能够反映系统负荷的变化，节能效果明显。只要设计合理，系统是可以稳定运行的。对于泵流量的控制同样存在两种主要的方法:变频流量控制和电动阀流量控制。通过运用变频技术，对泵的运行进行控制，从而达到对流量控制的目的，就是变频流量控制技术，在中央空调的控制系统里，变频流量控制技术是一项节能的控制技术。如果不改变泵的运行，而通过控制电动阀的开度来控制流量的方法就是电动阀流量控制技术。电动阀控制简单可行，比变频技术的投资成本低，易于对传统空调系统的改造，但它达不到理想的节能效果。鉴于地源热泵系统的特点以及节能效应，本系统设计采用温差变频流量控制。在系统设计时考虑到整个系统在变流量下运行时的水力平衡问题，在系统末端，使用了“动态电动调节阀”，它具有动态平衡功能。动态平衡功能是指根据末端设备负荷变化要求电动调节阀门至某一开度时，不论系统压力如何变化，阀门都能够动态地平衡系统的阻力，使其流量不受系统压力波动的影响而保持恒定。图4.1为动态电动调节阀流量一压差曲线。动态平衡电动调节阀同时具有电动调节功能，能根据目标区域温度控制信号的变化自动调节阀门的开度，从而改变水流量，最终使目标区域的实际温度与设定温度一致。4.1.2水泵变频节能原理为了对系统的供水流量进行调节，使用了变频器水流量调节技术。通过变频器来改变水泵的运行，从而达到改变流量的目的。水泵的转速为:式中：n--异步电动机的转速；s--电动机转差率；f--异步电动机的频率；p--电动机极对数。由上式可知，水泵的转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变水泵的转速。根据流体力学原理，在正常情况下，水泵的转速N与流量W、扬程H,轴功率P之间有下面的关系式:式中：--转速；--初转速；--流量；--初流量；--扬程；--初扬程；--轴功率；--初轴功率。在地源热泵空调系统设计中，由变频器来调节水泵的转速以满足系统负荷对供水要求，与单一调节阀门开度增加阻力法相比，节能效果非常明显。例如，当负荷小，供水流量只需要调节到原来的一半时，则把水泵电机的转速调节到原来的一半就可以实现，而此时所需要的轴功率仅为原来1/8。也就是说，当水泵电机的转速下降到50%时，理论功率下降约60%。实际运行时，可能达不能这个功率，但变频系统的节能特点是不可改变的。由于所消耗的电能为:电能＝功率*时间，可见通过改变电动机的转速，随着转速的下降，其电功率明显下降:节约电能效果十分明显。由以上分析可知，可以通过改变水泵的运行频率来达到控制水泵流量的目的。为了对负载进行自动控制，必须要实时的采集系统供回水管中的温度。当系统正常运行时，供水温度基本恒定，在冬季供热时，供水温度一般在45~50℃。在负荷一定的情况下，供回水温差趋于恒定，如供回水温度为50℃/45℃，供回水温差为5℃。当末端负载发生变化时，假定负载减小到原来的50%，此时，各动态平衡电动调节阀在各自的温度控制器的调节下，必然减小动态平衡电动调节阀的开度，以恒定室内的温度。同时，供水管处压力必然增大，系统节余的流量通过旁通阀回到回水管中，这样就造成了回水温度的升高，系统监控到回水温度升高时，基本可以判断空调末端负荷变小，通过一定的温度算法，将反馈控制信号送到变频器中，最终减小水泵的流量，从新达到供回水温度的平衡。由于空调系统是一个典型的大时滞，非线性系统，采用传统的PID闭环控制往往达不到很好的效果，因此本系统中主要采用模糊温度控制算法并复合PID自整定控制方法。4.1.3模糊控制器结构模糊控制器的系统结构如下图所示。模糊量U为输出，方式采用位置式输出，变频器的控制量为本次控制增量与上次控制量之和。即:基本的模糊控制是一种基于规则的控制技术，它采用通谷易懂的语言描述的控制规则，运用专家经验来实现对复杂物体进行控制，它不需要建立精确的数学模型，相对于常规则控制技术，其控制策略和方法更易于理解与接受。由于它使用语言变量来代替传统控制方法中的数学变量，使其易于形成专家控制系统。同时其鲁棒性强，对于纯时滞，非线性和时变系统以及模型不确定的系统，模糊控制的效果比传统的控制器要好，特别是对于高度不确定的控制系统，采用模糊控制技术可以很好的做到控制。4.1.4地源热泵模糊控制器的设计系统采用模糊温度控制算法。模糊控制以模糊语言变量、模糊集合论和模糊推理为基础，模拟人的近似推理和决策过程，实现对复杂系统的优化控制。本系统的具体的控制流程如图E是偏差，Ec为偏差变化率，模糊量△U为输出，采用位置式输出，变频器的控制量为本次控制增量与上次控制量之和，即:在地源热泵模糊控制系统中，供水温度基本恒定，将供回水温差的偏差量和偏差变化率作为模糊控制器的输入，使模糊控制器具有了非线性PD控制规律，有利于系统的稳定，同时可以减少超调量以及削弱振荡现象。采用模糊温度控制，可以很好的实现目标温差的自动闭环控制，在一定范围内能够抑制纯滞后系统的振荡现象。4.1.5模糊控制器在PLC上的实现在本系统中通过安装在供水管上的流量传感器，将流量和供回水温度变成4~20mA的标准信号送入到PLC控制器中，PLC控制器依据采集到的数据计算出当前负荷，然后再将当前计算负荷与负荷变化率进行模糊化查表，经反模糊化后得到系统的预测负荷，由预测负荷计算出最佳流量。将最佳流量送入到PID调节器中，PID调节器将当前采集到的流量与系统设定的系统流量值进行比较，计算得出控制量，再将控制量通过D/A送给变频器，由变频器控制电机的转速来调节系统供水流量，PID形成的闭环控制使系统供水流量恒定在设定值。当供水的流量超过一台水泵的供水量时，通过PLC控制增加一台工频水泵;反之当供水流量减小时，变频器的频率达到最小值，则减少一台工频水泵，始终保持一台变频泵进行流量调节PLC在整个系统中为核心控制模块，系统的软件流程图如下图所示。模糊控制算法程序是PLC控制程序中的一个子程序，其功能包括了：定时从温度变送器中读取温度值，计算出供回水温差，将设定的目标供回水温差与实际供回水温差相减，模糊化后得到作为模糊控制器输入的偏差值E，同时计算出偏差变化量Ec，依据偏差值E和偏差变化量Ec进行模糊化查表得到控制增量，将控制控制增一量与上个采样时刻的控制量相加便得到当前采样时刻的输出控制量U，将控制U经DA输出至变频器，进行闭环控制。具体流程图如下图所示:在PLC上供回水温度的读取和计算如图下所示：梯形图中，GetTemp子程序的实现如下:NetworklLDSM0.0MOVWLW0，LW12AENO-ILW2，LW12AENOITDLW12，AC0AENODTRAC0，AC0Network2LDSM0.0MOVW+32000，LW12AENO-ILW2，LW12AENOITDLW12，AC1AENODTRACI，AC1Network3LDSM0.0/RAC1，AC0AENOMOVRAC0，LD8*RLD4，LD84.2地源热泵中央空调系统空调机组自动控制空气处理机组是将房间的温度、湿度控制在一天的允许范围之内，而不是像新风机那样控制送风的参数。由于控制目标的改变，控制系统的组成环节发生了变化，采用的调节方法也有所不同。空气处理机组处理的空气除有新风外，还有室内的回风。在总风量中怎样处理新回风的关系，调节新回风量的比例，使之既能满足室内卫生条件的要求，同时又能节约运行能耗是空气处理机组的控制所而临的新问题。空气处理机组往往同时承担若干个房间的空气调节任务，而各房间的热湿特性、负荷大小，甚至要求的室内状态都不相同，空气处理机组应采取有效措施去适应这些不同的要求。新风机组仅存在室外空气参数变化对调节系统的干扰。而空调机组除了有室外空气参数变化的干扰外，还存在室内人员、设备散热、散湿量变化引起的干扰。调节系统必须同时考虑这两种干扰的影响，满足室内温湿度的要求，同时减少运行能耗。4.2.1空调机组运行参数与状态监控点/位及常用传感器室外/新风温度测量:取自安装在室外/新风口上的温度传感器，采用室外/风管空气温度传感器。室外/新风湿度测量:取自安装在室外新风口上的湿度传感器，采用室外/风管空气湿度传感器(在自控系统中，不是每个空调机组都安装新风温/湿度传感器，只需在典型温/湿度特性的少数新风入口或室外适当的检测点安装)。过滤网两侧差压监测:取自安装过滤网上的压差开关输出，采用压差开关监测过滤网两侧压差。送/回风温度检测:取自安装在空调区域或回风管上的温度传感器，采用风管温度传感器。送/回风湿度检测:取自安装在空调区域或回风管上的湿度传感器，采用风管温度传感器。空气质量检测:取自安装在空调区域或回风管上的空气质量传感器，常选用二氧化碳传感器。送风风速检测:浓自送风管上的风速传感器，采用风管式风速传感器。防冻开关状态监测:取自安装在送风管表冷器出风侧的防冻开关输出。送/回风机运行状态监测:送/回风机配电柜接触器辅助触点，也可通过监测点在风机前后的差压开关监测。送/回风风机故障监测:送/回风风机配电柜热继电器辅助触点。送/回风风机开关控制:从现场控制器数字输出口(DO)输出到送/回风风机配电箱接触器控制回路。新风口风门开度控制:从现场控制器控制器数字输出口(AO/DO)输出到新风口风门驱动器控制输入点。回风/排风风门开度控制:从现场控制器控制器数字输出口(AO/DO)输出到回风/排风风门驱动器控制输入点。冷/热水阀门开度调节:从现场控制器模拟输出口(AO)输出到冷热水二通调节阀阀门驱动器控制输入口。加湿阀门开度调节:从现场控制器模拟输出口(AO)输出到加湿二通调节阀阀「]驱动器控制输入口。4.2.2空调机组连锁控制空调机组启动顺序控制:新风风门、回风风门、排风风门开启一送风机启动一回风机启动一冷热水阀开启一加湿阀开启。空调机组停机顺序控制:关加湿阀一关冷热水阀一送风机停机一新回风门、回风风门、排风风门关闭。4.2.3空调机组运行与节能控制(1)空调机组的温度调节与节能策略空调系统的节能是以回风温度为被调参数，现场控制器计算口风温度传感器测量的回风温度与给定值比较所产生的偏差，按照预定的调节规律输出调节信号控制空调机组冷、热水阀的开度以控制冷/热水量，使空调区域的气温保持在设定值。一般夏天空调温度低于28℃，冬季则高于16℃。在过渡季节或特别的天气，室外温度在空调温度设定值允许的范围内时，空调机组可采用全新风工作方式。关闭回风阀，新风风门和排风风门开到最大，向空调区域提供大量新鲜空气，同时停止对空气温度的调节以节约能源。(2)空调机组回风湿度调节空调机组回风湿度调节与回风温度的调节过程基本相同，把回风湿度传感括测量的回风湿度送人控制器与给定值比较，产生偏差，现场控制器按照预定周节规律调节加湿电动阀开度，将空调房间的相对湿度控制在设定值。(3)新风风门、回风风门及排风风门调节根据新风的温湿度、回风的温湿度在现场控制器进行回风及新风焓值计算，按回双和新风的恰值比例以及空气质量检测值对新风量的需要量，控制新风门和回风门的开度比例，使系统在最佳的新风回风比状态下运行，以便达到节能的目的。(4)过滤器差压报警、机组防冻保护用压差开关监测过滤器两端差压，当差压超限时，压差开关报警，表明过滤网两侧压差过大，过滤网积灰积尘、堵塞严重，需要清理、清洗。采用防霜冻开关监测表冷器出风侧温度，当温度低于5℃时报警，表明室外温度过低，应关闭风门，同时关闭风机，不使换热器温度进一步降低。风门应有良好的气密性，同时要有良好的保温性阻止与室外冷空气的传热。但大多数风门本身的气密性和保温性并不好，难以起到保温隔热的作用。比较可靠的方法是机组停止工作后仍然把热水调节阀打开，使换热器内的水流缓慢循环、流动起来，若水泵己停机，则整个水系统还应开启一台小功率的水泵，保证水系统有一定的水流速度，而不至冻裂。(5)空气质量控制为保证空调区域的空气质量，应选用空气质量传感器，当房间中C02,CO浓度升高时，传感器输出信号到现场控制器，控制器输出控制信号，控制新风风门开度以增加新风量。(6)空调机组的定时运行与设备的远程控制控制系统能够依据预定的运行时间表，实现空调机组的按时启停:应有对设备进行远程开/关控制的功能，也就是在控制中心能实现对空调机组的现场设备的远程控制。4.3PID控制器设计和参数的设定在地源热泵的控制系统中，由于执行机构是循环泵及风门，其控制量为:设计时，其主要的参数为:、和分别为比例项、积分项和微分项。PID控制器参数的设定是控制器设计的关键之一。数字PID参数整定有理论计算和现场自整定等多种方法。理论计算法，需要知道控制对像的精确数学模型，在此基础之上才能通过计算得到各控制参数，而一般工业过程中，控制系统的模型往往很难得到。所以实际工程中，引入了参数自整定的算法，来进行现场参数的自动整定。本系统使用西门子PLC控制器中的PID控制模块，该模块具有自整的功能，在现场中在运行完自整定程序后，对控制推荐的参数再做适当调整，在系统运行中加以检验和修正，最后确定好PID控制器的参数。4.4地源热泵中央空调系统系统硬件设计4.4.1地源热泵中央空调运行优化控制系统硬件整体设计地源热泵优化节能控制系统结构图如上图所示。系统下位机采用西门子S7-300系列PLC，实现对数据的采集，通过对负荷的分析和采集的供回水温度来完成模糊温度控制算法，实现负载平衡自动控制。S7-300系统包括了CPU6ES7315,AD模数采集模块S7-331和DA模拟量输出模块S7-332。AD模块完成对模拟信号如供回水温度、压力等的采集。DA模拟量输出量大小由模糊控制器的输出值确定，并用来控制变频器的输出频率，实现变流量调节。同时PLC控制器自动完成对系统工作泵的启停控制。上位机通过MODBUSTCP协议完成与下位机设备的通信，监控软件使用西门子公司出品的WINCC组态软件编制，监控程序完成对监控信息的显示，主要包括供回水温度，供回水流量以及泵的启停状态、机组运行状态等等。除显示相应的监控信息外，上位机程序还完成参数的在线设置以及历史数据的记录分析等，同时监控程序为MODBUSTCP的Client端，接收基于TCP/IP的远程数据访问。远程监控端可直接使用MODBUSTCP协议来访问数据，也可使用基于MODBUSTCP的OPC程序来完成对数据的访问，同时将数据提供给组态软件进行访问。地源热泵优化控制系统硬件结构图如上图所示。通过安装在供、回水管上的传感器，将流量和供回水温度、压力等信号变成4~20mA的标准信号送入到PLC控制器中，PLC控制器依据采集到的数据进行模糊化，将模糊化数据送入到模糊控制器中，模糊控制器将当前采集到的信号量与系统设定的目标量进行比较，并计算得出控制量，再将控制量反模糊化，并通过D/A送给变频器，由变频器控制电机的转速来调节系统供水流量，模糊控制器形成的闭环控制使系统供回水温差值恒在设定值。当供水的流量超过一台水泵的供水量时，通过PLC控制增加一台工频水泵;反之当供水流量减小时，变频器的频率达到最小值，则减少一台工频水泵，始终保持一台变频泵进行流量调节。图中，KMl~KM6为水泵起停，切换的交流接触器。PLC在整个系统中为核心控制模块。4.4.2地源热泵中央空调运行优化控制系统硬件设计4.4.2.1地源热泵机组本系统设计暂定为使用意大利的克莱门特(CLIMAVENETA)地源热泵机组。克莱门特地源热泵是以地能(地下水)为主要能源，辅以电能，通过机组将地下取之不竭但不易利用的低位能量开发利用，使其提升为可利用的高位能。由于克莱门特(CLIMAVENETA)地源热泵机组具有高智能化，其机组允许外部控制器通过Modbus协议对其进行访问和相应的控制，所以本系统可通过Modbus通讯协议采集其全智能电脑控制器的全部参数，将自动调温，调节流量，故障报警、记录及自动诊断功能，可进行联网监控，实现无人职守。同时，一用一备的CPU大大提高了控制的安全可靠性，减少备件投资。使用Modbus与机组进行通信时，机组必须安装串口接口卡，串口接口卡可直接挂载到总线上面，推荐的接线图如下图所示:4.4.2.2变频器、泵、阀变频器是整个变流量系统的关键设备之一。在系统中，使用西门子MicroMaster440矢量型标准变频器。MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo(内部功能互联)功能有无可比拟的灵活性。MicroMaster440矢量型标准变频器具有单相和三相两种供电方式选择，单相交流电压220V士10%，功率0.12kW~45kW;三相交流供电380V士10%，功率0.37kW~250kW;在矢量控制方式上，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制;高过载能力，内置制动单元;三组参数切换功能。由于需要功率较大，系统中选用三相交流的MicroMaster440矢量型标准变频器，而具体功率大小的选择依据不同的工程情况而定。MicroMaster440矢量型标准变频器在控制功能上，采用线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；标准参数结构，标准调试软件；数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；独立I/O端子板，」方便维护；采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；内置PID控制器，参数自整定;集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP/Device-Net通讯模块；具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程;可实现主/从控制及力矩控制方式;在电源消失或故障时具有“自动再起动”功能；灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；快速电流限制(FCL)，防止运行中不应有的跳闸；有直流制动和复合制动方式提高制动性能。除此之外在保护功能上，其过载能力为200%，额定负载电流持续时间3秒和150%额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护，短路保护；闭锁电机保护，防止失速保护；采用PIN编号实现参数连锁。除变频器外，工程中运用的水泵和电动阀门根据工程的实际情况选择不同流量和大小的设备。其中，电动调节阀作为一种执行器件，接受来自控制器的控制信号，实现阀门的开关或转换成相应的阀门开度，从而达到对流量、液位等的控制目的。电动阀的输入信号有连续的电流或电压信号，或断续的开关信号和脉冲信号。连续的输入信号又分为DC0~l0V和DC4~20mA两种。电动阀在系统中直接安装在管道上与被液体接触，执行对液体流量的控制。下图为地源热泵空调系统主回路，在此回路中，采用通用的二用一备结构，各水泵都设计有热继电器保护。4.4.2.3温度变送器温度变送器就是将温度传感器输出信号，转换成标准的电压或电流信号的电子器件。在微机测控系统中，铂电阻器作为温度传感器得到广泛应用，铂电阻器具有稳定性好、测量温度范围宽、抗振抗冲击性好等特点，在0~850℃范围内，其电阻值随温度变化的关系为，式中是t℃时的直流电阻值;是0℃时的电阻值。本系统使用热电阻一体化的温度变送器，一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的结合运用，通过一定的方式把所要测量的温度信号转换为标准4~20mA电流信号。具体过程即:温度变化――热电阻阻值变化――温度变送器进行计算――输出4~20mA信号。本系统使用的温度变送器如下图所示。此温度变送器为24V供电、二线制的一体化变送器。产品采用集成电路，将热电阻或热电偶的信号放大，并转换成4~20mA或0~l0mA的输出电流，或0~5V的输出电压。其中铠装变送器可以直接测量气体或液体的温度特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来的影响。其特点如下:供电电源:12～30VDC输出信号:4～20mA(0～5V，1～5V可选)静态精度:士1%FS;士0.5%FS;长期稳定性:士0.15%FS电路温度范围:-40～85电路温度漂移:0.75%FS/50℃测量介质:与不锈钢兼容的气体和液体温度极限:120%量程范围介质:空气、油、水·采用全金属密封结构，灌充高温导热硅脂，抗振动，抗干扰。PLC与温度变送器的具体接线图如下图所示。4.4.2.4控制器PLCPLC在整个系统中为核心控制模块，系统包括CPU6ES7315,AD模数采集模块S7-331和DA模拟量输出模块S7-332。本系统中，地源热泵空调系统具体的控制回路如下图所示。PLC通过输入，可以选择供热或制冷，手动运行或自动运行，设备的启停以及各个泵的手动控制启停等。通过PLC的输出端有各状况的指示灯提示，使系统的控制一目了然。4.4.2.5MODBUSRTU总线MODBUS是一种工业控制器中使用的网络协议。运用MODBUS协议可以使电子控制器相互之间、控制器经由网关和其它设备之间进行通信。不同设备厂商通过该标准可将控制设备连成工业控制网络，进行在线集中监控。此协议定义了一个通用的消息结构，使得MODBUS的消息可以在不同网络上进行传输和通信。MODBUS总线协议采用询问/应答的模式，在总路线上只允许一个主站，并且每个站点都有一个设备地址，用来识别不同的设备。标准的MODBUS口是使用与RS-232C兼容串行接口，在工业控制网络上通常使用RS-485总线接口。MODBUS协议有两种传输模式，分别为ASCII和RTU使用ASCII模式通信时，在消息中的每个8位字节都作为两个ASCII字符发送。其主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。使用RTU模式通信时，在消息中的每个8位字节包含两个4位的十六进制字符。其主要优点是:在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。MODBUSRTU帧的结构为:地址码：消息帧的第一字节是地址码，范围：0-255。这个字节表明此地址的从站设备将接收由主机发送来的信息。每个从站都有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从站才能响应。当从站应答信息时，对应的地址码则是此消息来源的标记。功能码:主站发送的功能码告诉从站执行的具体任务。下表列出的西门子S7-300系列控制器MODBUSRTU功能码都有具体的含义及操作。数据区：数据区包含需要从站执行的具体任务或由从站采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等。例如，功能码告诉从站读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。对于不同的从站，地址和数据信息都不相同。错误校验码：主站或从站可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时信息在传输过程中由于外部噪声或其它原因会发生变化，通过错误校验码可以保证主站或从站对出错的信息不起作用，增加了系统的安全和效率。错误校验采用CRC-16校验方法。4.4.2.6上位机为了实现计算机对整个系统的在线监控，采用MODBUS总线来实现上位机和下位机的通信。PLC作为从站，通过RS485通信接口与总线相连，使用PLC软件包中的MODBUS模块来完成对流量、温度等监控数据的收发、上位机采用工控机来实现监控，采用WINCC编制的MODBUS主站程序来查询和接收下位机的数据，并在计算机上进行实时显示。DelphiWINCC程序窗口使用MODBUSRTU传输协议，通过控件实现串口数据的收发，帧定时和冠时的判断。和Timer控制来实现Timer定时器完成对地源热泵监控。系统上位机系统的硬件和软件的需求配置如下:系统软件:Windows2000WindowsXp数据库管理系统:Access硬件要求:PentiumIII800以上，258MRAM,14GHD具体要求如下:机箱应采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力;机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽;机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力;要求具有连续长时间工作能力;有RS232和以太网通信接口。要满足以上要求，通常选用工业领域用的工控机。工控机即工业控制计算机，英文简称IPC，全称IndustrialPersonalComputer工控机是专门为工业现场而设计的计算机。工控机由计算机基本系统和过程I/O系统组成，计算机基本系统由系统总线、主机模板、存储器板、人机接口板与显示器、磁盘机、打印机等通用外围设备组成。本系统设计中，选用研华的工控机:研华IPC-610H(3.OGHz/1GB/6007LU)。主要配置如下:CPU:Intel奔腾43.OGB，内存:DDR1GB，硬盘:80G，串口光驱:CD光驱52X，风扇:CruxP4AM7，网卡:D-linkDFE-530TX+网卡，机箱:4U,鼠标：研华光电鼠标，键盘:研华键盘。研华IPC-610H型工控机主要特点:(1)4U高支持14槽背板;(2)配置300WATXPFCPS/2电源;(3)前端可安装3个半高磁盘驱动器，一个3.5"FDD和一个3.5”磁盘驱动器;(4)前置USB/PS2接口;(5)前置系统状态监测模块;(6)能抗冲击，振荡，并且能在高温下稳定工作;(7)支持ATX母板和400WPFC电源。4.5地源热泵中央空调系统软件设计地源热泵监控系统的总目标是:利用计算机在线监控的优点，配置一定的硬件，开发一个具有开放体系结构的、易扩充的、易维护的、具有良好人机交互界面的地源热泵在线监控系统，实现对地源热泵系统室内换热环路中的热交换物质自动控制，达到稳定室内温度和节约系统能耗的自的。根据对现有中央空调控制系统的研究结果和客户的要求，分析现有情况及问题，初步确定整个系统的流程图。4.5.1中央空调系统软件拓朴图4.5.2PLC端控制程序设计PLC端作为下位机的核心控制器，主要完成的工作包括:(1)现场数据的采集。现场数据主要包括:供回水温度，供回水压力和供水流量等。现场要采集的模拟量通过相应的变送器，将标准信号经PLC的DA模块输入到系统中以进行相应的存储，运算和传输;(2)输入输出功能。PLC接收用户从输入端口的直接数字量输入，包括:开启或关闭变流量控制系统，系统供热或制冷的换，自动变流量控制的启停，变频器的通闭等。在输出功能上，PLC完成相应的状态显示，通过指示灯进行指示，主要包括:变流量控制系统的工作状态，供暖、，制冷的工作状态，各工作泵的状态，各报警指示灯的状态;(3)模糊控制算法。模糊控制过程是在PLC上进行实现的，具体的模糊算法是在计算机上通过离线设计完成的，并生成相应的模糊控制表，最后将模糊控制表下传保存到PLC中。PLC控制器通过对供回水信息的采集和运算，查表来完成对系统的控制;(4)通信功能的实现。PLC除了进行现场控制外，还要完成与上位机的通信，将实时采集到的数据及时的传输至计算机中，以便实现在线集中监控。系统开机后，PLC系统首先进行相应的内部初始化工作，主要包括:各应用变量的初始化，关闭自动负载运行功能，关闭所有循环泵，停止变频器的输出，并将系统设置为供热模式。完成初始化后，程序进入等待启动状态，在此过程中，可以通过控制柜上的相应按钮完成启动后的运行模式的选择:手动或自动运行，同时也可以完成供热和制冷模式的选择。选择不同的模式，系统输出相应的控制信号来完成各个阀门的切换。在设置好运行模式后，就可以按下启动运行按钮，、系统进入正式的运行状态。在运行过程中，PLC系统会根据不同的模式进行不同的响应，如果手动运行，则从用户输入信息中启动和关闭相应的泵及其它对应功能。当运行在自动模式下，系统会自动进入到闭环控制模块运行。在闭环控制过程中，如果流量超出了一台泵的供水量时，加开一台泵。当负载减小流量过大时，相应的可停开一台工频泵。在加泵和停泵的过程中，要防止平凡的启停泵，在此使用了适当的延时和一定的控制阀值，当回水温度超出或低于这个阀值一定时间后，再进行启停泵的操作，并且在动作后的一定时间内不再进行加减泵的操作。系统停止时，按顺序关闭所有工作泵和阀，停止变频器的输出。同时系统开始处理新风机组系统的相关参数实时进行监测和分析。其检测功能有:监视风机电机的运行/停止状态;监测风机出口空气温度，湿度;监测初效和中效过滤器两侧压差，以了解过滤器是否需要更换;监视新风阀打开/关闭状态，一次回风和二次回风的风阀的开度;其控制功能有:控制风机启动/俘止;风机停止时，所有的阀门全部关闭。温度控制:根据被控制区域的温度传感器信号与控制要求的设定值进行比较，调节冷/热水盘管上的调节阀的开度。夏季，由于本系统采用的是表冷除湿的方式，因此在新风与一次回风混合以后，经过表冷器的降温除湿，此时的空气温度比较低，本系统设计的二次回风能有效地采用二次回风将空气温度适当的提高，而不需要借助外来的能源，为系统节省能耗。冬季，二次回风的作用不是很大，在室内负荷不是很大的情况「，尽量采用二次回风，因为二次回风比较接近室内温度。湿度控制:根据被控区域的湿度传感器信号与控制要求的设定值进行比较。夏季，调节冷水阀的开度进行表冷除湿，将空气温度降到露点温度，然后通过_二次回风和热水盘管将温度提高到设定温度。冬季，控制电加湿器来提高空气的湿度到设定值。压差控制:为了保证室内的压力要求，在高效过滤器的出口设置压差传感器，根据压差传感器的信号调节空调器的电机的频率，保证室内的正压要求。4.5.3计算机端监控系统组态软件设计通过上面两个图，可见在软件系统的功能实现上，可以分为以下几个部分:(1)系统工程图显示:在启动软件后，首先显示整个工程图，工程可使用通用图或定制载入。(2)监控信息显示:将现场控制器收集来的系统运行信息在界面上实时显示。这些信息主要包括:供、回水温度;供、回水压力;供、回水流量;热泵工作情况;电加热器状态;空调运行状态:制冷或供暖;压缩机运行状态;电动阀运行情况;空调末端状态:室内温度、湿度和室外温度、湿度。(3)系统参数设置:完成和系统运行相关参数的设置，并存储起来。主要包括:用户设定回水温度;泵运行设置:自动或手动(由用户设置启停或手动变频);控制器相关参数设置:控制器完成闭环控制所需的基本参数;电加热器设置:是否启动电加热器，自动或手动;空调运行模式:制冷或供暖;保护温度(极限温度)。(4)数据分析:把计算机存储的数据进行分析，或显示实时曲线。主要的数据分析包括:能耗曲线，可以反映系统的整体能耗情况;主机效率曲线，反映主机热泵的工作效率;电耗累计值，显示运行的总电耗量;系统操作记录，记录了系统历史操作详细情况;系统故障记录，记录了系统历史故障事件。(5)系统管理:这一功能主要是完成系统操作人员权限的管理，。包括:用户管理，可以添加或删除用户;用户验证，设置用户登入信息。(6)系统故障报警:为了确保系统的运行可靠，设计了系统故障自动报警功能，对系统的报警情况进行监测。主要以下功能和设置:告警类别，根据不同的情况设计不同的报警信息;日志保存时间，设置日志的详细保存日期。(7)帮助说明:整个系统的详细使用说明。五、系统功能实现5.1本系统实现具体监测内容：·实时监测、显示每台地源热泵机组冷冻水出口、入口温度；·实时监测、显示每台地源热泵机组冷冻水出口、入口压力；·实时监测、显示分集水器压力（即供回水总管压力）；·实时监测、显示分集水器温度（即供回水总管温度）；·实时监测、显示分水器各分支路的电动调节阀开启度；·实时监测、显示分水器各分支路的流量；·实时监测、显示集水器各分支路的压力、温度；·实时监测、显示末端负荷侧冷却水供、回水管总管温度、压力；·实时监测、显示软化水箱液位状态·实时监测、显示补水泵运行状态，故障状态；·实时监测、显示冷冻水泵手/自动状态；·实时监测、显示冷冻水蝶阀开关状态、故障状态；·实时监测、显示冷却水泵手/自动状态；·实时监测、显示冷却水蝶阀开关状态、故障状态；·实时监测、显示冷水机组手自动状态；·冷冻供水温度；·冷冻回水温度；·蒸发压力；·冷凝压力；·油压差；·冷却水入口温度；·冷却水出口温度；·马达电流百分比；·A相电流；·B相电流；·C相电流；·A相电压；·B相电压；·C相电压；·蒸发饱和温度；·冷凝饱和温度；·排气温度；·油槽温度；·冷媒液位；·机组运行小时；·机组启动次数；·油槽压力；·油泵压力；·马达接触器状态；·冷冻水电磁阀开关；·冷剂泵运行状态；·面板控制开关状态；·冷冻水流开关状态；·系统故障报警代码；·操作代码；·系统安全错误代码；·循环系统故障代码；·导流叶片位置；·高速止推轴承间隙；·冷水机