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(mén)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T(mén)1,,回水口的溫度為T(mén)2,,水箱的溫度為T(mén)3。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(mén)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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