太阳能空气源热泵热水机组控制系统设计.doc

太阳能空气源热泵热水机组控制系统设计安徽农业科学,JournalofAnhuiagri.Sci.2012,40(1):608609责任编辑夏静责任校对卢瑶太阳能空气源热泵热水机组控制系统设计丁鸿昌,蔡显志,杨前明,李凯,李亭(1.山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266510;2.江苏元升太阳能集团,江苏南通226500)摘要分析了一种新型的太阳能空气源热泵热水机组的工作原理,根据热水机组的开关信号和模拟信号参数,以PLC控制器为核心设计了该机组的控制系统.实践验证结果表明,该系统稳定可靠,实现了热水机纽的全自动运行.关键词太阳能:空气源热泵;控制系统;PLC中图分类号TS914.3+文献标识码A文章编号05176611(2012)O10060802TheControlSystemDesignofSolarEnergyandAirSourceHeatPumpH0t-waterHeaterDINGHong-changetal(SchoolofMechanicalandElectronicEngineer,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266510)AbstractTheworkingprincipleofanewkindofsolarenergyandairsourceheatpumphotwaterheaterwasanalyzed.Accordingtotheswitchingsignalandanalogsignalparameters,thecontrolsystembasedonPLCcontrollerwasdesigned.Thepracticeshowedthatthecontrolsystemwasstableandreliable.whichrealizedtheautomaticoperationofthehotwaterheater.KeywordsSolarenergy;Airsourceheatpump;Controlsystem;PLC太阳能热水机组具有环保,节能,经济,投放比高等优点,再加上良好的政策环境,行业本身的特性,技术的日趋成熟,太阳能产业的发展形势大好.但太阳能应用技术也存在弱点,如太阳能能量密度低,加热时间长,每天的太阳辐射量不确定等.因此,用太阳能供热水有可靠性较差,每天产热水量不确定等缺点.空气源热泵热水机组是比较理想的太阳潜能(空气能)的利用方式之一.机组根据逆卡诺循环原理,以少量电能为驱动力,以制冷剂为载体,源源不断地吸收空气中难以利用的低品位热能,并将其转化为可用的高品位热能,再将高品位热能释放到水中制取生活热水,以满足生活热水的需求.太阳能空气源热泵热水机组是太阳能和空气能综合利用的一种新型装置,正常工作情况下,热水的获取通过太阳辐射热量,而当太阳辐射热量不能满足负荷的时候,则启动空气源热泵来补充解决.使太阳能空气源热水机组达到充分利用太阳能和空气源热泵,确保热水供给的可靠性,不仅与系统本身的特性相关,还与控制系统的设计密切相关.该文以一台太阳能空气源热泵热水机组为研究对象,在分析其工作原理的基础上设计了一套控制系统,以期通过该控制系统实现热水机组全自动运行,从而实现全天侯热水自动供给.1太阳能空气源热泵热水机组的工作原理太阳能空气源热泵热水机组的工作原理如图1所示,集热器吸收太阳能加热集热器中的水,通过循环泵将保温水箱和集热水箱中的低温水输入集热器,水被加热后再回到保温水箱和集热水箱.集热器与集热水箱之间以及集热水箱与保温水箱之间的水循环通过温差控制.即当集热器和集热水箱之间的水温差大于设定值时,启动循环泵P.;当集热器作者简介丁鸿昌(1978一),男,山东胶南人,讲师,研究方向:太阳能热泵水控制设计.收稿日期2011-09-26和集热水箱之间的水温差小于设定值时,循环泵P停止.集热水箱和保温水箱之间水温差大于设定值时,启动循环泵P,集热水箱和保温水箱的水温差小于设定值时,循环泵P停止.控制系统自动控制水泵启停循环,累积加热,使水箱中的水达到使用的温度;当全天太阳能加热达不到水箱设定温度时,控制系统启动空气源热泵和循环泵P进行辅助加热,使水箱内的水温达到使用要求.此外,根据水箱内的水位高度和外部的环境温度,系统还具有自动补水及防冻循环等功能.图1太阳能空气源热泵热水机组的工作原理2控制系统的设计2.1控制系统的硬件设计太阳能空气源热泵热水机组的控制系统以台达PLC为核心,主要实现温度,流量,水位,功率参数等信息的实时检测,并根据检测的数据进行运算,处理后,实现自动补水,集热器与集热水箱及保温水箱之间的温差自动循环,防冻循环等功能控制.控制系统的开关量信号主要包括:系统启停开关,电磁阀,循环水泵,热泵,状态指示等;根据开关量信号可以选择PLC的型号为DVP16ES00R2.该PLC具有的数字量通道为40卷1期丁鸿昌等太阳能空气源热泵热水机组控制系统设计8人/8出,输出为继电器模式,满足系统要求.控制系统需要采集的模拟信号主要包括:温度T,T5,水位高度h,h流量信号q.,功率信号P.一P等.其中温度的则由Ptl00检测,选择DVP04PT模块采集;水位高度信号通过浮球式液位传感器检测,流量信号通过涡轮流量变送器检测,功率信号通过功率变送器检测,输出信号都为420mA,选择DVP04AD模块采集.PLC控制系统的硬件结构如图2示.图2PLC控制系统设计2.2控制系统的软件设计PLC控制系统的软件主要完成监控数据采集与处理,数据上传及输出控制等工作,由于PLC的工作方式为循环扫描方式,对输入输出会出现延迟响应,所以用户程序的语句安排对响应时间有较大影响.PLC的程序主要分为主程序和子程序2个部分,主程序完成系统的初始化和信号采集与检测以及各模块子程序的调用;而子程序包括:自动补水子程序,温差循环子程序,防冻循环,辅助加热子程序等,控制系统的主流程设计图见图3.(上接第607页)图3控制系统主流程设计3结论太阳能空气源热泵热水机组是一种新型节能产品,他以太阳能和环境空气作为热源,可以取之不尽,用之不竭,是一种可替代锅炉的供暖设备和热水装置.试验分析了太阳能空气源热泵热水机组的工作原理,应用PLC设计了该台热水机组的控制系统.经验证该系统实现了信号的自动采集与处理,补水及温差的自动循环,实现了热水机组的全自动运行,且系统运行稳定可靠,对其他控制系统的设计也具有一定的参考价值.参考文献1王晓梅,吕东岚.诸城太阳能热水工程控制系统的设计J.山西能源与节能,2006(4):1718.2林小茁,倪龙,江辉民,等.公共建筑用空气源热泵热水机组初探J.建筑科学,2009,25(2):5559.3吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用M.北京:机械工业出版社,2009.表1部分PLC指令4结论该系统采用PLC控制变频器实现电机调速,工作可靠,抗干扰能力强,具有很好的控制效果.采用变频器对电机实行软起动,减少了设备损耗,延长了电机设备的使用寿命,并且变频器的加速和减速可以根据系统的要求自动调节.该系统控制精度较高,采用程序控制报警系统,可实时监控系统的工作能否顺利进行,可以按照相关的国家标准完成排种器性能的试验检测.参考文献1ZHAOLY,JIANXD.StudyonoptoelectronicsensorforperformancedetectionofaseedmeterJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgricul?turalMachinery,2005,36:4143,49.2蔡晓华,吴泽全,程誊机器视觉排种试验台的研制J.农机化研究,2005(4):131133.3石宏,李成华,王君玲.排种器性能自动检测装置的研究J.沈阳农业大学,2003(2):124127.4王玉J顶,郭俊旺,赵晓霞,等.基于机器视觉的条播排种器性能检测及分析J.农业机械,2005(11):5o一54.5王东兴,侯明,胡平平.变频调速系统离散化迭代学习控制法J.电工技术,2005,20(5):7579.6杨欣,刘俊峰,钱东平,等.SD一175型排种器试验台PLC控制系统设计J.中国农机化,2005(2):485O.