基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计.docx

1、基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计智能加热控制系统基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计摘要环境问题和能源问题已成为制约国民经济发展的两大难题。近些年来，空气源热泵热水系统因其节能、环保等显著特点而越来越受到广大消费者的关注。PLC也因其可靠性高、控制功能强等优势逐渐在控制领域占据着举足轻重的地位。而一个热泵热水器如果没有好的控制系统，将会产生不必要的材料浪费和环境污染。所以本课题基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计，就是要结合二者的特点使热泵的优势和效能得到最大程度的体现，从而达到缓解环境和能源问题的目的。基于电机的功耗与其转速的立方成正比关系，所以本设计还用到了变频器，充

2、分结合了系统的特点，同时也达到了节能的目的。在控制领域，PID调节 目 录第一章 绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外的研究现状简述 51.3本课题的主要内容 9第二章 硬件设计102.1使用变频器的原因101014141416161718232323274.1设计内容总结274.2心得体会28293031第一章 绪论1.1 课题背景及意义随着经济的快速发展和人们生活的逐步提高，人们对生活品质的追求使得对生活热水的需求也越来越高。然而，全球工业化导致温室气体排放的增加、二氧化碳排放的增加、石油短缺、燃煤燃气污染严重、价格高昂。这些因素都使得环保的新能源及其应用产品成为必然的选择。一般来

3、说，在人们日常生活中，生活热水的提供常常来源于燃气热水器、电热水器或者太阳能热水器。近些年来，热泵型热水器因其节能、环保等显著特点而越来越受到欧美及我国消费者广泛的关注。在我国，随着人们生活水平的日益提高、国民经济的快速发展，建筑能耗越来越大，尤其是生活热水的能耗，在全社会倡导“节约能源”和政府主导的“节能减排”、“绿色发展”的环境中，有效减少生活用热水的能耗是今后一段时期应该得到重视的问题。在欧美发达国家，利用空气源热泵制取生活热水已经成为比较流行的方式。下面简单介绍一下，空气源热泵的工作原理和特点。（1）空气源热泵的工作原理与传统的三种热水器相比，利用空气热能的热泵热水器更节能、更环保。与

4、日常生活中常用的双制空调的制热功能原理一样，只不过加热对象是水与空气的区别。其工作原理为：热泵热水器内有和空调内的冷媒一样的载热工质，在低压液态下吸收环境空气的热能，在蒸发器内蒸发气化，通过压缩机的工作提高工质的温度，再通过冷凝器使工质冷凝为液态，同时释放其热量并传给水箱中的水，达到制取热水的目的【1】。就像水泵将水从低处泵到高处一样，热泵热水器利用电能将空气中的热能和输入的电能一并传给水箱中的冷水，加热水以供使用。一般来说，空气源热泵热水器由室外的热泵主机(与空调器室外机类似)和耐压的保温水箱以及热水末端(水龙头、花洒等)组成。而热泵主机又由压缩机、蒸发器、冷凝器和电子节流装置四个主要部分组

5、成。整个循环中冷媒(或称热媒、制冷介质)在高压冷凝与低压蒸发过程中实现热量的运输和传递。可以简单划分为以下四个部分：（2）空气源热泵的特点、随着我国经济发展和人民居住条件的改善、生活品质的提高，新建住宅几乎全部需要安装热水器，再加之一些存在安全隐患的燃气热水器需要替换，因此，空气源热泵热水器在我国具有广阔的发展前景【3】。然而，再好的热水器如果没有一套与之紧密结合的优良的控制系统，不仅它的优势很有可能不能全面的发挥出来，而且还可能造成不必要的能源消耗和危及到其他设备的安全运行。例如，对热水温度的设置。这个参数的设置在系统节能上有为重要。由热泵本身的制热原理就可以看出，水的温度越高，提升相同度数

6、水温耗能越多。所以在满足用户需求的情况下，水温不宜偏高。据理论计算和有关资料介绍，每降低1摄氏度的水温，可节省约2%-2.5%的电能。不仅如此，降低水温还可以减少系统的热量损失和减少水垢。因此本文就是根据空气源热泵的原理及特点，再结合PLC控制、PID调节以及变频原理，来设计一个全自动的空气源热泵热水系统的控制系统，从而达到更加有效及方便用户用水和节能环保的目的。PLC变频调速控制系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低

7、能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 国内外的研究现状简述基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计主要运用了PLC和变频技术。下面就这两个方面简单描述一下国内外的一些研究发展和现状。PLC的发展状态在可编程序控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛应用于工业的各个部门。继电器控制系统通常可看成是由输入电路、输出电路、控制电路和工业现场四部分组成。其中输入电路部分由按钮、行程开关、限位开关、传感器等构成，用以向系统送入控制信号。输出电路部分由接触器、电磁阀等执行元器件构成，用以控制各种被控对象（如电动机、电炉、阀门等）。控制电路部分是继电器控制系统的核心，它通过导线将各个分立的继电器、电子元器件连

8、接起来，对工业现场实施控制。工业现场部分是指上述的被控制对象或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着重要作用。随着生产规模的逐步扩大，市场竞争日趋激烈，继电器控制系统愈来愈难以适应工业生产的需要。继电器控制电路通常是针对某一固定动作顺序或生产工艺而设计的，它只能进行逻辑、定时、计数等一些简单的控制，一旦动作数序或生产工艺发生变坏，就必须进行重新设计，重新布线、装配和调试。这就迫使人们研制新型工业控制系统，以取代原来已占统治地位的继电器控制系统。基于上述状况，美国通用汽车公司（GM）于1986年提出了研制新型工业控制器的设想，第二年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了世界上第一台可编

9、程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、技术等功能，所以人们将可编程序控制器称为PLC(Programmable Logic Controller),即可编程序逻辑控制器。20世纪70年代末至80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，并增加了许多特殊功能，如浮点运算、函数运算、查表等，使可编程序控制器不仅可进行逻辑控制，而且还可对模拟量进行控制。因此，美国电气制造协会（NEMA）将它正式命名为PC（Programmable Controller）。由于个人计算机的简称也是PC(Personal

10、 Computer),为避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器称为PLC。20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器的得到了惊人的发展，使之在概念、设计、性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有了高速计数、中断技术、PID（比例、积分、微分）控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围不断扩大。为使这一新型工业控制系统的生产和发展规模化，国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，并给出了它的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的

11、存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算数运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计【4】。PLC近年来的发展方向（1）小型化近年来，小型PLC的应用十分普遍，超小型PLC的需求日益增多。据统计，美国机床行业应用超小型PLC几乎占1/4，因此国外许多PLC厂家正在积极研制开放各种超小型PLC。例如，日本欧姆龙公司的CPMIA系列PLC既可单机运行，也可联网实现发展的控制，CPMIA系列PLC的最小配置是6个数字量输入和4个数字量输出，还可根据实际

12、情况扩展模块，最多可达100输入和输出。此外，它还具有模拟设定、高速计数等功能，是一种性能价格比较好的超小型PLC。（2）网络化多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性，系统设计、组态更为灵活方便，地域分布更广，是当前控制系统发展的主流。为实现工厂生产自动化，世界上各PLC生产厂家不断研制开发功能更强的PLC网络系统。这种网络一般是多级的，网路的最底层是现场执行级，中间是协调级，最上层是组织管理级。现场执行级可由多个PLC或者远程I/O工作站组成，中间一级由PLC或计算机构成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们间采用工业以太网和MAP网、工业现场总线，构成多级分布式PLC

13、。随着自动控制系统技术的发展，这种多级分布式PLC控制系统除了控制功能外，还可实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统【5】。（3）兼容性目前，PLC与计算机已成功的结合并广泛应用，称为控制系统中的一个重要的组成部分和环节。随着集成电路和计算机技术的进一步发展，今后将更加注重PLC与其他智能控制系统的结合。许多PLC开发商已经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC的兼容，而且还注意到PLC与计算机的兼容，使之可充分利用计算机现有的软件资源。例如欧姆龙CQMIH等系列PLC，其软件编程、监控都可在Windows操作平台上操作和运行

14、。今后PLC将采用速度更快、功能更强的CPU，容量更大的存储器，并将更充分利用计算机资源。PLC与工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机系统等还将进一步渗透与结合，这必将进一步拓宽PLC的应用领域【6】。（4）标准化长期一来，PLC走的是专门化发展道路，使其在获得成功的同时也带来诸多的不便。例如，各个公司的PLC都有通信联网的能力，但各个公司的PLC之间无法通信联网，因此制定PLC的国际标准势在必行。从1978年起，国际电动委员会在其下设TC65的SC65B中专设WGT工作组，制定PLC的国际标准，到目前为止已公布和制定的标准有如下5个：1131-1: General Informatio

15、n（一般信息）1131-2: Equipment Characteristics And Test Requirement（设备特性与测试要求）1131-3: Programming Language（编程语言）1131-4: User Guidelines（用户向导）1131-5: MMS Companion Standard（制造信息规范伴随标准）国内外变频调速技术的发展与现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制P删技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹

16、控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)成为变频调速技术的核心。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等

17、方面的理论成果。自1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能。最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，ABB公司首

18、先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展迅速；控制理论和微电子技术的支持。变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。在我国，60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术进行电机运行

19、方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国电气传动产业始于1954年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，

20、虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状况表现如下：1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。3)相关配套产业及行业落后。4)产品可靠性及工艺水平低。1.3 本课题的主要内容本文主要通过对目前各热水系统的分析，并根据用户对系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计该空气源热泵热水系统的控

21、制系统。具体而言论文主要包括以下内容：1）硬件部分。分析变频器的节能原理，结合热泵的特性和用户对系统的要求，运用变频器来调节电机的转速，在方便用户用水的同时也达到了节能的目的。2）软件部分。介绍了PLC的特性和编程语言，对实现供水控制的各个模块的设计也做了详细的分析。第二章 硬件设计2.1 使用变频器的原因（2-5）式说明单位时间内，排放每m3 水能耗（即功耗）与转速立方成正比，这说明在达到实际供水流量前提下，转速越小，功耗越小。由电机特性分析可知，均匀改变电机供电频率F，就可以平滑地改变电动机的转速，从而改变泵机的转速；结合泵机特性分析，降低电动机转速，电动机输入功率也随之减少，泵机轴功率就

22、相应。这就是变频器控制水泵的节能原理【9】。另外，水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，水泵采用变频器调速以后，可以根据工艺的需要，实现泵机的软启和软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在用水量不大的情况下，可以降低泵机的转速，这样不仅避免了水泵长期工作在满负荷状态，造成的电机过早的老化，而且变频器的软启动大大减小泵机启动时对机械的冲击，也具有节能的作用，其节电率一般在15%-40%左右【10】。图3.1 初始化流程图图3.2加热流程图图3.3 PID调节流程图第四章 总结4.1 设计内容总结1)思路的设定设计思路是设计的灵魂，一个好的设

23、计必定有一个清晰而精简的思路。在我接触这个课题的初期，曾以为这个课题的思路整理非常的简单。不就是看水箱里的水位和水温两个参数嘛，没达到预定的水位和水温就继续抽水和加热，达到了就停。虽然大的方向没有错，但是要保证这个大的方向能顺利进行，需要注意的细节是很多的。从上面给出的三个程序流程图就可以看得出来。比如初始化模块中设定完成正常加热标志为1就非有不可。因为这是判断后面是否需要启动加热的先决条件。2）软件的调试由于本课题只完成PLC下位机的部分，所以无法进行联机运行，只能做简单的脱机仿真来检验程序。PLC的仿真跟其它的编程软件一样，如果程序有错误，软件会有相应的提醒，这样就可以根据提示以及自己的思

24、路来对程序进行修改。在本次设计，脱机仿真时没有出现问题，但一接入现场就会发现，理论值跟实际值之间存在的差距，这就要求重新对程序进行优化，特别是各参数的设定。像该设计中，有很多处的延迟时间，就是在现场确认后调整的。3）硬件设计这次的毕业设计，让我更加清楚的认识到了，全面了解硬件部分各元器件特性和相互之间的联系与影响是相当重要的。比如本次设计中变频器的使用，只有充分了解了它的原理和工作特性等，才能很好对它加以利用。其次是各元器件的连线与布局，这一部分在第二章的2.5节的连线中有详细介绍。这里不再重复。4.2 心得体会大学四年里，我们电子专业完成了不少的课程设计，但我感觉真正让我们认清自己的设计水平

25、以及理解和运用所学专业知识能力的只有这一次的毕业设计。首先，课程设计的时间很短只有两周，但毕业设计历时两个多月。时间上就决定了所做工作量的差距。课程设计涉及的范围较小，而且每天都会有老师指导，基本能保证一个星期就能拿出设计方案来，老师给的指导资料也会很多，所以正真属于自己认真努力钻研出来的东西很少。但毕业设计不同，它的涉及面要比课程设计广泛得多，钻研的深度也不一样。一般指导老师每天在云塘校区都有课，当面指导的机会较少，可能这也是做毕业设计的目的之一吧，就是要让我们自己好好去搜集和整理资料多多去思考。这样一来，从我们确定自己的设计思路到设计过程和调试就需要花费大量的时间。从我自身的情况来看，光是

26、去搜集资料就花费了我三个多礼拜的时间。而且到后面发现，所找的资料还不全面。这一点让我深刻认识到，很多时候只有当你真正去做了这件事情，你才会对它有一个比较全面的了解。光是从别人的文章和理论中去学习是远远不够的。其次，这一次的毕业设计让我对自己的学习能力又有了新的认识。这一次我的课题相较之前做的一些专业课题来说，跨度有一点大。需要学习新的理论知识，新的软件，新的编程语言等。我很感谢毕业设计给了我这样的机会，它让我学到了很多新的知识，虽然还不够深刻，但已经激发了我的兴趣。我相信以后我会更加懂得去珍惜每一次的学习机会。参考文献1 周峰，马国远.空气源热泵热水器的现状及展望J.节能，2006，（07）：

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