基于海水源的热本空调.docx
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基于海水源的热本空调
摘要
海水源热泵空调控制系统主要通过PLC来实现控制,PLC采集空调系统水源侧的温度、压力、流量传感器所测模拟数据,通过PLC内置模拟输入单元和外接A/D转换模块转换成其支持的数字信号,然后由其内置模拟输出单元把控制信号传送给变频器,进而来控制水泵抽水。
本系统采用PLC控制简单明了,当负荷达到一定值时,仅热泵1不足以满足整个系统的需要,负荷过重则要打开热泵2,来协助热泵1工作,以免减少热泵1的使用寿命。
采用PLC控制可实现系统的迅速检测和切换。
它利用海水资源,借助热泵原理,完成制冷(制热),整个系统由PLC控制,运行稳定可靠,方便技术人员维护和现场检测。
它无须任何人工资源,彻底取代了锅炉或市政管网等系统的供暖方式和中央空调系统,它不向外界排放任何废气、废水、废渣,使人们远离粉尘、废气和霉菌,是一种理想的“绿色技术”。
关键词:
PLC,热泵,海水,制冷,供暖
ABSTRACT
Sea-water-sourceheatpumpair-conditioningcontrolsystemtoachievemainlythroughPLCcontrol,PLCcollectingtemperature,pressure,flowsimulationofthemeasuredsensordata,throughitsbuilt-inanaloginputmodulesandanexternalA/Dconversionmoduleconvertsthedigitalsignalofitssupport,andthenitsbuilt-inanalogoutputmodulestocontrolsignalstransmittedtotheconverter,therebytocontrolthepumppumping.
ThePLCcontrolsystemissimple,whentheloadreachesacertainvalue,theonlyheatpump1isnotsufficienttosatisfytheneedsoftheentiresystem,overloadingthepump2willbeopentoassisttheworkofaheatpump,heatpump1soasnottoreducethelife.TheuseofPLCcontrolsystemcanrealizetherapiddetectionandswitching.
Itusesseawater,usingheatpumpprinciple,thecompletionofcooling(heating),theentiresystembythePLCcontrol,stableandreliableoperation,convenientmaintenanceandtechnicalpersonnelatthescenedetection.Itdoesnothaveanyartificialresources,completelyreplacedtheboilerormunicipalpipenetwork,suchastheheatingsystemandcentralair-conditioningsystemtotheoutsideworlditdoesnotemitanyexhaustgas,wastewater,wasteresidue,sothatpeoplestayawayfromdust,smokeandmold,isatheideal"greentechnology."
KEYWORDS:
PLC,theheatpump,seawater,productheating,productcooling
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录III
第一章绪论1
1.1海水源热泵空调控制系统的概念和功能1
1.2海水源热泵空调控制系统的特点2
1.2.1属绿色可再生能源利用技术2
1.2.2高效节能2
1.2.3环境效益显著2
1.2.4一机多用,应用范围广,运行简单可靠,自动化程度高2
1.3海水源热泵空调国内外研究和应用现状3
第二章海水源热泵空调控制系统硬件设计4
2.1海水源热泵空调控制系统结构图4
2.2海水源热泵空调控制系统的组成5
2.2.1分集水器5
2.2.2热泵5
2.2.3PLC选型7
2.2.4变频器选型及连线9
2.2.5A/D模块及其功能11
2.2.6温度变送器、流量计和压力传感器16
2.2.7触摸屏19
2.2.8电动阀20
第三章海水源热泵空调控制系统软件设计21
3.1PLC控制程序设计21
3.2PID算法程序设计23
第四章海水源热泵控制系统分析24
4.1海水源热泵技术分析24
4.2海水源热泵受限制情况分析24
4.2.1海水源的利用范围限制24
4.2.2投资的经济性24
4.2.3整体系统的设计25
4.3海水源热泵实例分析25
4.3.1项目投资情况25
4.3.2项目设备运行费用情况概算26
4.3.3该项目的经济效益和环境效益26
第五章结论28
致谢29
参考文献30
附录31
附录1硬件原理图31
第一章绪论
本章主要描述海水源热泵空调控制系统的原理、特点及其在国内外研究发展的现状。
1.1海水源热泵空调控制系统的概念和功能
海水源热泵空调控制系统的概念是利用海水的温度呈现冬暖夏凉的特点,抽取海水到分水器,然后再由分水器分配到不同的热泵中,由热泵实现冷热交换,达到制冷制热的目的,再由集水器把循环后的水收集排到大海中。
本系统主要通过PLC来实现控制,PLC采集温度、压力、流量传感器所测模拟数据,通过其内置模拟输入单元和外接A/D转换模块转换成其支持的数字信号,然后由其内置模拟输出单元把控制信号传送给变频器,进而来控制水泵抽水。
其功能是以海水作为提取和储存能量的基本“源体”,它借助热泵原理,消耗少量电能,在冬季把存于海水中的低品位能量“取”出来,给建筑物供热;夏季则把建筑物内的能量“取”出来释放到海水中,以达到降低室内温度的目的。
图1.1海水源热泵空调系统原理图
1.2海水源热泵空调控制系统的特点
1.2.1绿色可再生能源利用技术
海水源热泵空调是利用海洋所储藏的太阳能资源作为冷热源的供暖空调系统。
海洋不仅是一个巨大的太阳能集热器,而且是一个巨大的动态能量平衡系统;海水自然地保持能量接收和发散的相对均衡,这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能成为可能。
因此,海水源热泵空调技术是一种利用清洁的可再生能源的技术。
1.2.2高效节能
海水源热泵空调可利用的水体温度冬季为5~22度,夏季为15~35度,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,再加上水的热容量大,热泵机组效率高。
据美国环保总署EPA估计,设计安装良好的海水源热泵,平均来说可以节约用户30~40%的供热制冷空调的运行费用。
1.2.3环境效益显著
海水源热泵空调技术均需要使用少量的电能,而电能本身为一种清洁能源,其电能消耗,与空气源热泵相比,相当于减少30%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上。
且热泵机组的制冷剂可以采用R22以及R134A、R407C和R410A等替代工质,因而其运行没有任何污染,可以建筑在居民区内,没有燃煤,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。
1.2.4一机多用,应用范围广,运行简单可靠,自动化程度高
海水源热泵空调技术既可供暖、空调,还可提供生活热水,一机多用,一套系统可以满足原来的锅炉和空调的两套装置或系统的功能,可同时供热和供冷。
该系统形式简单,部件少,运行可靠,自动化控制,维护费用低,而且可以广泛应用于各类建筑中,如宾馆、商场、大型场馆、办公楼、学校、别墅等。
海水源热泵由于其冷热源形式的特殊性,使得其应用也受到一定的制约。
对于海水源热泵来说,受到海水使用条件(如海水的取用、输配、回排及海水的温度、水量、清洁度等)的限制。
因此,在不同地区不同需求的条件下,海水源热泵的投资经济性会有所不同。
对沿海一线及周围有一定空地(如草坪、停车场等)的建筑或小区,尤其适合使用海水源热泵。
1.3海水源热泵空调国内外研究和应用现状
国外有很多应用海水做热泵冷热源的实例。
如20世纪70年代初建成的悉尼歌剧院,日本20世纪90年代初建成的大阪南港宇宙广场区域供热供冷工程,利用海水为23300kW的热泵提供冷热源。
北欧诸国在利用海水热源方面具有丰富的实践经验,其中瑞典就是一个典型应用海水源热泵集中供冷/暖的国家。
瑞典首都斯德哥尔摩建设了总能力为180MW的世界上最大的海水热泵站,用于区域供热,占城市中心网输送总量的60%。
热泵站由6台供热能力为30MW/台热泵机组组成,1984-1986年调试完成,投入运行。
我国第一个海水源热泵项目于2004年在青岛发电厂建成使用。
该厂总面积达1871平方米的职工食堂,成为我国第一个供热不需要煤炭、油料,只使用海水提供采暖的建筑。
此外,大连市星海假日酒店海水源热泵中央空调工程也已正式启动,此次海水源热泵中央空调将为4万平方米的建筑提供制冷和采暖,这在国内尚属首例。
按照国家《建筑节能实施方案》要求,“十一五”期间,示范城市的水源热泵供热、制冷面积要达到500万平方米以上。
示范内容包括水源热泵供热、供冷和相关的技术研发集成及产业化。
对示范城市的示范项目,国家将提供专项资金,用于补贴70%的增量成本。
目前,大连市正积极推进小平岛新区、星海湾商务区、软件产业带等区域实施海水热泵技术的前期工作。
以水源热泵技术供热(制冷)主要是利用大型热泵对事先抽取的海水进行处理,将其中的热量提取出来,用于供热和制冷,并将能量通过城市原有的供热(制冷)系统输送到户,这就完成了原先需要用煤作为燃料才能完成的供热过程。
冬天,大型热泵可以被用来进行区域内的集中供热;夏天,大型热泵依靠类似的原理又可完成以海水为能源的制冷供冷过程。
水源热泵由电力驱动,由于其发热效率为电力消耗的4倍,加上它同时可以制冷,能源转换效率会进一步提高。
第二章海水源热泵空调控制系统硬件设计
本章主要介绍海水源热泵空调控制系统的硬件选型、引脚功能、控制过程以及各设备之间的连接方式。
设备选择是整个系统建立控制的首要环节,同时还要重视设备之间的连接以及信号的传送。
2.1海水源热泵空调控制系统结构图
图2.1系统控制结构图
如图2.1所示为海水源热泵空调控制系统是通过PLC来实现控制的,PLC采集温度、压力、流量传感器所测模拟数据,通过其内置模拟输入单元和外接A/D转换模块转换成其支持的数字信号,然后由其内置模拟输出单元把控制信号传送给变频器,进而来控制水泵抽水。
PLC通过RS232与触摸屏进行通信,方便技术人员调试和设备维护。
整个系统的控制过程在PLC的参与下有条不紊的进行,无需人工操作,所以整个控制系统处在一个安全、环保、方便的环境下。
2.2海水源热泵空调控制系统的组成
2.2.1分集水器
图2.2分集水器结构图
分集水器是用于连接各路加热管供回水的配水和汇水装置。
分集水器是地暖系统的一个装置,具有地面辐射供暖系统而言十分重要。
分集水器的结构:
一般分集水器主要由分水器、集水器和固定支架三部分组成。
分水器的作用是将热源热水分别导入每一路的地面辐射供暖所铺设的管内,实现分室供暖和调节温度的目的。
集水器是将分开散热后的每一路内的低温水汇集到一起,并固定到墙体或地面的作用。
分水器和集水器都是由主管、分路调解阀和接头、排气阀、泄水阀、主管终端堵头几个部件组成。
所用材料常见有:
铜、铜镀镍、不锈钢、聚丙烯(PP-R)、合金铝(防腐处理)。
支架由墙板、面板式和挂架式,常见材料为钢,表面需防腐处理,一般为喷塑或镀锌。
2.2.2热泵
20世纪70年代以来,热泵工业进入了黄金时期,世界各国对热泵的研究工作都十分重视,诸如国际能源机构和欧洲共同体,都制定了大型热泵发展计划,热泵新技术层出不穷,热泵的用途也在不断的开拓,广泛应用于空调和工业领域,在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。
相对世界热泵的发展,中国热泵的研究工作起步约晚20-30年左右。
新中国成立后,随着工业建设新高潮的到来,热泵技术才开始引入中国。
进入21世纪后,由于中国沿海地区的快速城市化、人均GDP的增长、2008年北京奥运会和2010年上海世界博览会等因素拉动了中国空调市场的发展,促进了热泵在中国的应用越来越广泛,热泵的发展十分迅速,热泵技术的研究不断创新。
从2001年热泵起步开始,经过5年的培育,中国热泵行业开始从导入期转入成长期。
热泵行业快速发展,一方面得益于能源紧张使得热泵节能优势越来越明显,另一方面与多方力量的加入推动行业技术创新有很大关系。
热泵的工作原理:
作为自然界的现象,正如水由高处流向低处那样,热量也总是从高温区流向低温区。
但人们可以创造机器,如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样,采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。
所以热泵实质上是一种热量提升装置,热泵的作用是从周围环境中吸取热量,并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体),其工作原理与制冷机相同,都是按照逆卡诺循环工作的,所不同的只是工作温度范围不一样。
热泵在工作时,它本身消耗一部分能量,把环境介质中贮存的能量加以挖掘,通过传热工质循环系统提高温度进行利用,而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的小部分,因此,采用热泵技术可以节约大量高品位能源。
在运行中,蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质,工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升,高温蒸汽通过冷凝器冷凝成液体时,释放出的热量传递给了储水箱中的水。
冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器,然后再被蒸发,如此循环往复。
热泵的性能一般用成绩系数(COP)来评价。
成绩系数的定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。
通常热泵的成绩系数为3-4左右,也就是说,热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。
现在欧美日都在竞相开发新型的热泵。
据报导新型的热泵的成绩系数可6到8。
如果这一数值能够得到普及的话,这意味着能源将得到更有效的利用。
热泵的普及率也将得到惊人的提高。
目前热泵的最高出力温度为110度左右。
超过这个温度将有可能出现使媒体分解的危险。
2.2.3PLC选型
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路,也是一种和硬件结合很紧密的语言,在半导体方面有很重要的应用,可以说有半导体的地方就有PLC
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
PLC的特点:
可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
体积小,重量轻,能耗低
以超小型PLC为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅仅数瓦。
由于体积小,很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
CP1H是OMROM最新的超高速的一体化紧凑型PLC。
它整合了CPM2A和CJ1系列PLC的优点。
内置功能,如数字I/O、高速计数、脉冲输出、模拟输入和输出提供了极大的灵活性。
集成的通信网关功能使CP1H成为第一个符合欧姆龙SmartPlatform概念的紧凑型PLC。
只需要通过一个连接,使用CX-One软件包,所有通过以太网、DeviceNet、MechatrolinkII或者串行通信连接到CP1H的设备都能够被配置、编程和监视。
编程电缆只需要标准的USB线缆,使用快捷,方便。
本设计采用欧姆龙PLC的CP1H-XA40DT-D,它的主要特性是:
DC电源,DC输入24点,晶体管漏型输出16点,高速计数器输入4轴100kHz(単相)/50kHz(相位差)。
内置模拟电压/电流输入:
4点,模拟电压/电流输出:
2点。
内置USB端口,方便与计算机联接。
图2.3CP1H端子台
CP1H-XA40DT-D通过其内置模拟输入单元来接收温度、压力、流量传感器送来的4-20mA的电流信号,通过模拟输出单元来实现对变频器的控制。
2.2.4变频器选型及连线
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
近年来,随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展,生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低,变频调速越来越被工业上所采用。
如何选择性能好的变频其应用到工业控制中,是我们专业技术人员共同追求的目标。
变频器的工作原理:
我们知道,交流电动机的同步转速表达式为:
n=60f(1-s)/p
(1),式中n——异步电动机的转速;
f——异步电动机的频率;
s——电动机转差率;
p——电动机极对数。
由式
(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
SYSDRIVE3G3MZ系列是一种搭载矢量控制的高性能变频器。
由于搭载了电机的自动调整功能,因此能比V/f控制更简单地运用矢量控制实现强大的控制。
并且标准搭载RS485,另外,通过增加选件可以对应各种网络(开发中),还能提供与PLC连接的系统构筑所需要的更进一步的控制。
变频器单体中的单相200VAC型和3相400VAC型内置了对应CE规格的噪音滤波器,现有机型搭载可拆卸操作器,PID控制、节能控制等丰富功能。
图2.4变频器引脚图
两个变频器的S4端分别接在PLC的0.00和0.01引脚上,以完成复位控制;S1端接在0.02和0.03引脚上,控制正转;变频器的A2端接PLC的内置模拟输出Iout1和Iout2,AC端分别接对应的COM1和COM2。
2.2.5A/D模块及其功能
A/D模块CPM1A-AD041是模拟量输入单元,CPM1A-AD041以及CPM1A-DA041(模拟量输出单元)。
CPM1A-AD041包含4路模拟量输入,在CPM2AH全部接模拟量输入单元的情况下,系统最多可提供12路模拟量输入。
项目
CPM1A-AD041
输入点数
4点(分配4个通道)
输入信号范围
-10~10V0~5V
0~10V0~20mA
1~5V4~20mA
分辨率
1/6000(满量程)
A/D转换数据
16位二进制(4-位十六进制)
-10-10V(满量程):
F448-0BB8Hex
其他输入范围(满量程):
0000-1770Hex
输入阻抗
电压输入:
1MΩmin
电流输入:
250Ω
最大输入信号范围
电压输入:
±15V
电流输入:
±30mA
精度
电压输入
电流输入
25℃
±0.3%满量程
±0.4%满量程
0to55℃
±0.6%满量程
±0.8%满量程
平均值功能
支持
断线检测功能
支持
隔离方式
输入端子与内部电路采用光耦隔离,输入端子之间无隔离。
转换时间
2ms/点
功率
3.0W
重量
200gmax
尺寸
86(W)×50(H)×90(D)mm
表2.1CPM1A-AD041参数表
CPM1A-AD041模拟量输入单元将输入的模拟量转换为数字量,本设计采用输入信号为4~20mA的电流信号,其数字量的输出范围如下图所示:
4~20mA的电流输入对应于十六进制数0000~1770(0000~6000)。
完整的数据输出范围是FED4~189C(-300~6300)。
输入电流在3.2到4mA之间时使用补码来表示转换数据。
如果输入的电流小于3.2mA时,断线检测功能将被激活并且转换的数据为8000
图2.5数字量输出范围
平均值功能:
当在输入范围内设定了平均值功能时此功能开启。
平均值功能取最近的八个输入数据的平均值作为转换数据。
使用此功能可以消除短时间内输入波动的影响。
断线检测功能:
当输入范围被设定在1~5V并且输入电压跌落到0.8V以下(或输入范围设定在4~20mA并且电流跌落到3.2mA以下)时,断线检测功能被开启。
当断线检测功能被激活后,转换的数据将被设定为8000。
在数据转换过程中断线检测功能是可以清除的。
如果模拟量输入重新回到转换范围内,断线检测功能将自动清除。
图2.6CPU和模拟量输入单元的连接
I/O分配:
模拟输入单元的通道分配与其他的扩展单元或扩展I/O单元是一样的。
通道的分配是从分配给CPU单元或前一个扩展单元或扩展I/O单元的最后一个通道开始的。
当“m”为分配给CPU单元或前一个扩展单元或扩展I/O单元的最后一
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