摘 要： 地下熱容量測(cè)試系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動(dòng)控制系統(tǒng)，以可編程邏輯控制器（西門子S7-200）為控制系統(tǒng)核心,，采用恒溫或者恒功率的方法,，對(duì)出水口和回水口的溫度進(jìn)行采集、傳輸,、運(yùn)算，并且將其通過(guò)觸摸顯示屏顯示出來(lái),，進(jìn)而利用這些數(shù)據(jù)對(duì)土壤源熱容量進(jìn)行分析，為合理地設(shè)計(jì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 可編程邏輯控制器,；土壤源熱容量,；觸摸顯示屏
地源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能型,、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù),，它既不會(huì)污染地下水,，又不會(huì)引起地面沉降,。設(shè)計(jì)應(yīng)用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初期,，需要準(zhǔn)確地掌握地下熱容量的情況,。因此，地下熱容量測(cè)試系統(tǒng)的研制也同時(shí)被提出,，使用熱容量測(cè)試系統(tǒng)對(duì)地下的熱容量進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試,，為合理設(shè)計(jì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。所以為了更好地利用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為人們的生活提供服務(wù),，土壤源熱容量測(cè)控系統(tǒng)的研究就變得尤為重要,。
1 土壤源熱容量測(cè)控系統(tǒng)的原理
土壤源熱容量測(cè)控系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動(dòng)控制系統(tǒng),，該控制系統(tǒng)采用恒溫或者恒功率的方法,，對(duì)出水口和回水口的溫度進(jìn)行采集,、傳輸、運(yùn)算,，并且將其通過(guò)觸摸顯示屏（威綸MT6070）顯示出來(lái),，進(jìn)而對(duì)顯示出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤源熱容量分析,，從而得知該地區(qū)的土壤源熱容量是否優(yōu)異，是否可以安裝地源熱泵空調(diào),，為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供重要依據(jù),。
設(shè)置出水口溫度為T1，回水口的溫度為T2,，水箱的溫度為T3,。通過(guò)對(duì)出水口或者出水口和回水口溫差比較，得出土壤源熱容量的大小,，使系統(tǒng)能夠正常安全的運(yùn)行,。
2 土壤源熱容量測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成
該系統(tǒng)由S7-200PLC,、威綸MT6070觸摸顯示屏,、固態(tài)繼電器（SSR-1,、SSR-2）,、一臺(tái)水泵電機(jī)、一個(gè)溫度傳感器和若干輔助器件組成。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān),，控制整個(gè)電路的運(yùn)行；同時(shí)還設(shè)置一個(gè)急停開(kāi)關(guān),，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)將電路斷開(kāi),，保證安全；并且配有一個(gè)電源指示燈,。該系統(tǒng)采用熱電阻測(cè)溫，采集出水口溫度（T1）,，回水口溫度（T2）,，水箱溫度（T3），并且通過(guò)模擬量輸入模塊（EM231）轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流送入CPU處理運(yùn)算,，CPU處理運(yùn)算后的數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量輸入/輸出模塊（EM235）送至觸摸顯示屏顯示出來(lái)（控制加熱絲加熱）[1],，繼而對(duì)顯示出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,。該系統(tǒng)的CPU輸出輸入線路圖1所示,。
土壤源熱容量測(cè)控系統(tǒng)的AD觸摸顯示圖如圖2所示。CPU處理運(yùn)算后的數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量輸入/輸出模塊（EM235）送至觸摸顯示屏顯示出來(lái),。
圖3中,，三個(gè)溫度變送器將出水口溫度T1、回水口溫度T2,、水箱溫度T3經(jīng)過(guò)采集,、變送，再送入CPU中進(jìn)行運(yùn)算,，再通過(guò)觸摸顯示屏顯示出來(lái)想要分析的數(shù)據(jù),，從而分析土壤源熱容量是否符合要求。
結(jié)合該系統(tǒng)的要求,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CPU226作為核心控制,，EM231、EM235作為模擬量輸入輸出通道,，可由CPU模塊的傳感器電源DC24V/400 mA供電,，也可由用戶提供外部電源[2]。該系統(tǒng)中采用威綸MT6070觸摸顯示屏來(lái)顯示CPU處理運(yùn)算過(guò)的數(shù)據(jù)MT6070,，觸摸顯示屏上有與PLC相對(duì)應(yīng)的接口,，直接使用即可。MT6070威綸顯示屏和系統(tǒng)時(shí)間是通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的,，可以使用232或者485實(shí)現(xiàn)該功能,，PLC上有串口，可以直接連接使用[3-4],。
該系統(tǒng)I/O分配表如表1所示,。
該系統(tǒng)采用四線制的一體化變送器,。采用熱電阻測(cè)溫，然后將信號(hào)送到變送器,，并轉(zhuǎn)換成4~20 mA的輸出電流,，或0～5 V的輸出電壓，繼而送入CPU進(jìn)行處理運(yùn)算,。
4 土壤源熱容量測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)采用熱電阻測(cè)溫,，熱電阻把溫度轉(zhuǎn)換成電阻值，這樣就可以通過(guò)測(cè)量電阻來(lái)測(cè)量溫度,。測(cè)量電阻通?？衫脷W姆表或電橋的方法[3]。
恒溫檢測(cè)：CPU通過(guò)模擬量輸出擴(kuò)展模塊將水箱的的溫度設(shè)定在一個(gè)定值,，即讓加熱水箱出水口溫度（即水井的回水口溫度）維持在一個(gè)固定值（如30℃）,，觀察水井的出水口溫度數(shù)值的變化情況。恒溫檢測(cè)方式如圖4所示,，水箱溫度T3=T2（水井回水口溫度）,，水井出水口溫度T1=Ti是個(gè)變量。最后將三處采集的溫度變送后送到CPU處理運(yùn)算,，再通過(guò)觸摸顯示屏顯示出來(lái),，進(jìn)而分析土壤源熱容量。
如CPU控制水箱恒定加熱溫度維持在50℃,，首次水井出水口溫度是T1=20℃進(jìn)入水箱恒溫加熱,，再通過(guò)水箱出水口（水井回水口）回到水井的溫度T2=50℃，此時(shí)再次從水井出來(lái)的水的溫度變?yōu)門1=Ti,，若此時(shí)的Ti和之前的T1相差不大,，則說(shuō)明土壤源熱容量大且比較優(yōu)異，較為適合地源熱泵空調(diào)的安裝,。
恒功率檢測(cè)：CPU通過(guò)模擬量輸出擴(kuò)展模塊將水箱的的溫度設(shè)定在一個(gè)固定值,，即加熱水箱功率維持在一個(gè)固定值（如2 000 W），通過(guò)出水口和回水口的溫差來(lái)判定土壤源熱容量的大小,。CPU控制水箱恒功率加熱,，通過(guò)出水回水口的溫差比較分析土壤源熱容量的大小，最后將三處采集的溫度變送后送到CPU處理運(yùn)算,，再通過(guò)觸摸顯示屏顯示出來(lái),，進(jìn)而分析土壤源熱容量。如圖5所示,。
如CPU控制水箱恒定加熱功率維持在2 000 W,，水井出水首次溫度T1=20℃，通過(guò)水箱恒功率加熱出來(lái)的水T2和T1有一個(gè)溫差值,，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,，查看T1,、T2的溫差變化情況。若幾次的溫差較大,，說(shuō)明該地土壤源熱容量較大,，比較適合地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行和使用。
該設(shè)計(jì)利用PID控制算法,，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水設(shè)定負(fù)載的溫度控制,，如圖6所示。
比例項(xiàng)Kc（SPn-PVn）：能及時(shí)地產(chǎn)生與偏差（SPn-PVn）成正比的調(diào)節(jié)作用,，比例系數(shù)Kc越大,，則比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高,，但Kc過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇,，穩(wěn)定性降低,。積分項(xiàng)Kc（Ts/Ti）（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關(guān),，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化,，直到偏差消失,。微分項(xiàng)Kc（Td/Ts）（PVn-1-PVn）：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn),。微分時(shí)間常數(shù)Td增大時(shí),，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到改善,，如Td過(guò)大,，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)可能上升緩慢[6]。
同時(shí)PID控制算法還具有報(bào)警等特殊操作,，S7-200的PID指令既簡(jiǎn)單,，又功能強(qiáng)大。如果其他的過(guò)程需要對(duì)回路變量進(jìn)行報(bào)警或進(jìn)行某些特殊計(jì)算處理時(shí),，可以用CPU支持的其他基本指令編程實(shí)現(xiàn),。
在設(shè)計(jì)應(yīng)用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初期，需要準(zhǔn)確地掌握地下熱容量的情況,。因此,，地下熱容量測(cè)試系統(tǒng)的研制也同時(shí)提出，使用熱容量測(cè)試系統(tǒng)對(duì)地下的熱容量進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)試后,，為合理設(shè)計(jì)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供了重要依據(jù),，進(jìn)而可更好地利用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為人們的生活提供服務(wù)。
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