【正文】 ） 空氣源熱泵的工作原理 圖 1 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 與傳統(tǒng)的三種熱水器相比，利用空氣熱能的熱泵熱水器更節(jié)能、更環(huán)保。其工作 基于 PLC的空氣源熱泵熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 50 頁(yè) 原理為：熱泵熱水器內(nèi)有和空調(diào)內(nèi)的冷媒一樣的載熱工質(zhì)，在低壓液態(tài)下吸收環(huán)境空氣的熱能，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)氣化 ，通過(guò)壓縮機(jī)的工作提高工質(zhì)的溫度，再通過(guò)冷凝器使工質(zhì)冷凝為液態(tài)，同時(shí)釋放其熱量并傳給水箱中的水，達(dá)到制取熱水的目的 【 1】 。一般來(lái)說(shuō)，空氣源熱泵熱水器由室外的熱泵主機(jī) (與空調(diào)器室外機(jī)類似 )和耐壓的保溫水箱以及熱水末端 (水龍頭、花灑等 )組成。整個(gè)循環(huán)中冷媒 (或稱熱媒、制冷介質(zhì) )在高壓冷凝與低壓蒸發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱量的運(yùn)輸和傳遞。 ② . 蒸發(fā)吸熱后的制冷劑以氣態(tài)形式進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮后，變成高溫高壓的制冷劑（此時(shí)制冷劑中所蘊(yùn)藏的熱量分為兩部分：一部分是從空氣中吸收的熱量 Q1，一部分是輸入壓縮機(jī)中的電能在壓縮制冷劑時(shí)轉(zhuǎn)化成的熱量 Q2。 ④ . 放熱后的制冷劑以液態(tài)形式進(jìn)入膨脹機(jī)構(gòu)，節(jié)流降壓 ......如此不間斷進(jìn)行循環(huán) 【 2】 。 ② 、經(jīng)濟(jì)節(jié)省：從空氣中獲取大量的能源，能效比高達(dá) 300%～ 400%。 基于 PLC的空氣源熱泵熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 50 頁(yè) ③ 、適用范圍廣：不受氣候影響，在環(huán)境溫度為 10℃～ 43℃下均能正常工作，可廣泛應(yīng)用于家庭、賓館、酒店、學(xué)校、醫(yī)院、集體宿舍、住宅小區(qū)、桑拿等集中供熱。 ⑤ 、安全環(huán)保：結(jié)構(gòu)上水電完全分離，且無(wú)任何有 害有毒氣體排放或燃燒，不受臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的影響，絕對(duì)安全； ⑥ 、防凍功能：具有智能化霜功能，確保熱水器在低氣溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，它可根據(jù)室外環(huán)境溫度、蒸發(fā)器翅片溫度和機(jī)組運(yùn)行時(shí)間等多個(gè)參數(shù)綜合、智能判斷自動(dòng)進(jìn)入和退出化箱。 ⑧ 、使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低，設(shè)備性能 穩(wěn)定，使用壽命可達(dá) 15年以上。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民居住條件的改善、生活品質(zhì)的提高，新建住宅幾乎全部需要安裝熱水器，再加之一些存在安全隱患的燃?xì)鉄崴餍枰鎿Q，因此，空氣源熱泵熱水器在我國(guó) 具有 廣闊的發(fā)展前景 【 3】 。 例如，對(duì)熱水溫度的設(shè)置。由熱泵本身的制熱原理就可以 看出，水的溫度越高，提升相同度數(shù)水溫耗能越多。據(jù)理論計(jì)算和有關(guān)資料介紹，每降低 1攝氏度的水溫，可節(jié)省約 2%%的電能。 因此本文就是根據(jù)空氣源熱泵的原理及特點(diǎn)，再結(jié)合 PLC控制、 PID調(diào)節(jié)以及變頻原理，來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)全自動(dòng)的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，從而達(dá)到更加有效及方便用戶用水和節(jié)能環(huán)保的目的。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠 性，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。下面就這兩個(gè)方面簡(jiǎn)單描述一下國(guó)內(nèi)外的一些研究發(fā)展和現(xiàn)狀 。繼電器控制系統(tǒng)通?？煽闯墒怯奢斎腚娐?、輸出電路、控制電路和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)四部分組成。輸出電路部分由接觸器、電磁閥等執(zhí)行元器件構(gòu)成，用以控制各種被控對(duì)象（如電動(dòng)機(jī)、電爐、閥門等）。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部分是指上述的被控制對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程。隨著生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，繼電器控制系統(tǒng)愈來(lái)愈難以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要。這就迫使人們研制新型工業(yè)控制系統(tǒng)，以取代原來(lái)已占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng)。在這一時(shí)期，可編程序控制器雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但實(shí)際上它只能完成順序控制，僅有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、技術(shù)等功能，所以人們將可編程序控制器稱為PLC(Programmable Logic Controller),即可編程序邏輯控制器。因此，美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)（ NEMA）將它正式命名為 PC（ Programmable Controller）。 20世紀(jì) 80年代后，隨著大規(guī)模 和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，以 16位和 32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化可編程序控制器的得到了驚人的發(fā)展，使之在概念、設(shè)計(jì)、性能價(jià)格比等方面有了重大的突破。為使這一新型工業(yè)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)?；瑖?guó)際電工委員會(huì)（ IEC）制定了 PLC的標(biāo)準(zhǔn)，并給出了它的定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其 內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、技術(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作命令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 PLC近年來(lái)的發(fā)展方向 （ 1） 小型化 近年來(lái)，小型 PLC的應(yīng)用十分普遍，超小型 PLC的需求日益增多。例如，日本歐姆龍公司的 CPMIA系列 PLC既可單機(jī)運(yùn)行，也可聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)發(fā)展的控制 ，CPMIA系列 PLC的最小配置是 6個(gè)數(shù)字量輸入和 4個(gè)數(shù)字量輸出，還可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展模塊，最多可達(dá) 100輸入和輸出。 （ 2） 網(wǎng)絡(luò)化 多層次分布式控制系統(tǒng)與集中型相比，具有更高的安全性和可靠性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組態(tài)更為靈活方便，地域分布更廣，是當(dāng)前控制系統(tǒng)發(fā)展的主流。這種網(wǎng)絡(luò)一般是多級(jí)的， 基于 PLC的空氣源熱泵熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 50 頁(yè) 網(wǎng)路的最底層是現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行級(jí)，中間是協(xié)調(diào)級(jí)，最上層是組織管理級(jí)。最高一級(jí)一般由高性能的計(jì)算機(jī)組成。隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，這種多級(jí)分布式 PLC控制系統(tǒng)除了控制功能外，還可實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化、生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)調(diào)度、產(chǎn)品計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)管理等功能，成為一種測(cè)、控、管一體化的多功能綜合系統(tǒng) 【 5】 。隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，今后將更加注重 PLC與其他智能控制系統(tǒng)的結(jié)合。例如歐姆龍 CQMIH等系列 PLC，其軟件編程、監(jiān)控都可在 Windows操作平臺(tái)上操作和運(yùn)行。PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、集散控制系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等還將進(jìn)一步滲透與結(jié)合，這必將進(jìn)一步拓寬 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 【 6】 。例如，各個(gè)公司的 PLC都有通信聯(lián)網(wǎng)的能力，但各個(gè)公司的 PLC之間無(wú)法通信聯(lián)網(wǎng)，因此制定 PLC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。 1964年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制 P刪技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中的是德國(guó)人。此方法以三相波形的整體生成效果為基礎(chǔ)，以逼近 電機(jī)氣息的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成兩相調(diào)制波形，使變壓變頻 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)成為變頻調(diào)速技術(shù)的核心。 1980年，德國(guó)人在應(yīng)用微處理器的矢量控制研究中取得了進(jìn)展，促進(jìn)了矢量控制的實(shí)用化。自 1992年開始，德國(guó)西門子公司相繼開發(fā)了 6SE70系列通用變頻器，通過(guò) FC、 VC、 SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制等；至 1994年該系列通用變頻器的容量就擴(kuò)展到 315kw以上。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。 1995年， ABB公司首先推出的直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，目前已成為其各系列通用變頻器的核心技術(shù)。變頻器的發(fā)展水平是由電力電子技術(shù)、電機(jī)控制方式以及自動(dòng)化控制水平三個(gè)方面決定的。在我國(guó)， 60％的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗掉的，因此，如何利用電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國(guó)家和業(yè)界人士的重視。當(dāng)時(shí)，在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國(guó)第一個(gè)電氣傳動(dòng)成套公司，即現(xiàn)在的天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所的前身。隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)采取要么直接從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設(shè)備，要么內(nèi)外結(jié)合，即在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國(guó)進(jìn)口或合資企業(yè)的先進(jìn)變頻調(diào)速設(shè)備，然后自己開發(fā)應(yīng)用軟件的辦法，很好地為國(guó)內(nèi)重大工程項(xiàng)目提供了電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的解決辦法，適應(yīng)了社會(huì)的需要。國(guó)內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下： 1)變頻器的整體技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)雖有很多單位投入了一 定的人力、物力研究變頻技術(shù)并開發(fā)新產(chǎn)品，但由于分散，所以并沒(méi)有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。 本課題的主要內(nèi)容 本文主要通過(guò)對(duì)目前各熱水系統(tǒng)的分析，并根據(jù)用戶對(duì)系統(tǒng)的要求，確定以可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和 PLC作為主要控制設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)該空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。分析變頻器的節(jié)能原理，結(jié)合熱泵的特性和用戶對(duì)系統(tǒng)的要求， 運(yùn)用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在方便用戶用水的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能的目的。介紹了 PLC的特性和編程語(yǔ)言，對(duì)實(shí)現(xiàn)供水控制的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)也做了詳細(xì)的分析。 由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載， 軸功率與 轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為 20％～ 50％，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在 “ 大馬拉小車 ” 的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。 采用變頻器驅(qū)動(dòng)具有很高的節(jié)能空間。 變頻器的節(jié)能原理 實(shí)際情況 :工廠用水是由一臺(tái)水泵將外源水抽至工廠儲(chǔ)水池，再由另外一臺(tái)水泵根據(jù)工廠實(shí)際用水量的大小來(lái)將水供給工廠使用。這樣做不僅增大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且有大量的電能浪費(fèi)在水泵閥門阻力的損失上。 變頻調(diào)速節(jié)能裝置的節(jié)能原理 基于 PLC的空氣源熱泵熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 50 頁(yè) 變頻節(jié)能 由流體力學(xué)可知， P（功率） =Q（流量） ╳ H（壓力），流量 Q 與轉(zhuǎn)速 N 的一次方成正比，壓力 H與轉(zhuǎn)速 N的平方成正比，功率 P與轉(zhuǎn)速 N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速 N 可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率 P成立方關(guān)系下降。 水泵變頻器控制節(jié)能原理 (A) 水泵特性分析 根據(jù)離心泵特性曲線的有關(guān)公式： P=K1QH （ 21） （ 21） 式中說(shuō)明在相同的軸功率下，若通過(guò)出口閥門調(diào)節(jié)泵機(jī)流量，將引起泵機(jī)揚(yáng)程的相應(yīng)改變，流量越小，揚(yáng)程變得越大，但實(shí)際抽水時(shí)，由于揚(yáng)程是基本不變的，由此就產(chǎn)生了更多的富余揚(yáng)程。 P/Q=K5n2 （ 25） （ 25）式說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)，排放每 m3 水能耗（即功耗）與轉(zhuǎn)速立方成正比，這說(shuō)明在達(dá)到實(shí)際供水流量前提下，轉(zhuǎn)速越小，功耗越小。 例如：一臺(tái)水泵電機(jī)功率為 55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 4/5 時(shí)，其耗電量為，省電 ％，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 1/2時(shí)，其耗電量為 ，省電 ％。 由于電機(jī)的 S和 P為常數(shù)，所以（ 26）式可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率有固定的正比例關(guān)系。這就是變頻器控制水泵的節(jié)能 原理 【 9】 。 軟啟動(dòng)節(jié)能 由于電機(jī)為直接啟動(dòng)或 Y/D啟動(dòng)，啟 動(dòng)電流等于（４ 7）倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。而且在用水量不大的情況下，可以降低泵機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣不僅避免了水泵長(zhǎng)期工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，造成的電機(jī)過(guò)早的老化，而且變頻