摘 要： 地下熱容量測試系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動控制系統(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，對出水口和回水口的溫度進(jìn)行采集、傳輸、運算，并且將其通過觸摸顯示屏顯示出來，進(jìn)而利用這些數(shù)據(jù)對土壤源熱容量進(jìn)行分析，為合理地設(shè)計地源熱泵空調(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
地源熱泵是一項高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會污染地下水，又不會引起地面沉降。設(shè)計應(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，地下熱容量測試系統(tǒng)的研制也同時被提出，使用熱容量測試系統(tǒng)對地下的熱容量進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，為合理設(shè)計地源熱泵空調(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)，土壤源熱容量測控系統(tǒng)的研究就變得尤為重要。
1 土壤源熱容量測控系統(tǒng)的原理
土壤源熱容量測控系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用恒溫或者恒功率的方法，對出水口和回水口的溫度進(jìn)行采集、傳輸、運算，并且將其通過觸摸顯示屏（威綸MT6070）顯示出來，進(jìn)而對顯示出來的數(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。通過對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)能夠正常安全的運行。
2 土壤源熱容量測控系統(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）、一臺水泵電機(jī)、一個溫度傳感器和若干輔助器件組成。系統(tǒng)設(shè)置一個開關(guān)，控制整個電路的運行；同時還設(shè)置一個急停開關(guān)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時將電路斷開，保證安全；并且配有一個電源指示燈。該系統(tǒng)采用熱電阻測溫，采集出水口溫度（T1），回水口溫度（T2），水箱溫度（T3），并且通過模擬量輸入模塊（EM231）轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流送入CPU處理運算，CPU處理運算后的數(shù)據(jù)通過模擬量輸入/輸出模塊（EM235）送至觸摸顯示屏顯示出來（控制加熱絲加熱）[1]，繼而對顯示出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)的CPU輸出輸入線路圖1所示。
土壤源熱容量測控系統(tǒng)的AD觸摸顯示圖如圖2所示。CPU處理運算后的數(shù)據(jù)通過模擬量輸入/輸出模塊（EM235）送至觸摸顯示屏顯示出來。
圖3中，三個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)過采集、變送，再送入CPU中進(jìn)行運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來想要分析的數(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觸摸顯示屏來顯示CPU處理運算過的數(shù)據(jù)MT6070，觸摸顯示屏上有與PLC相對應(yīng)的接口，直接使用即可。MT6070威綸顯示屏和系統(tǒng)時間是通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的，可以使用232或者485實現(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。采用熱電阻測溫，然后將信號送到變送器，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)行處理運算。
4 土壤源熱容量測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計
該系統(tǒng)采用熱電阻測溫，熱電阻把溫度轉(zhuǎn)換成電阻值，這樣就可以通過測量電阻來測量溫度。測量電阻通?？衫脷W姆表或電橋的方法[3]。
恒溫檢測：CPU通過模擬量輸出擴(kuò)展模塊將水箱的的溫度設(shè)定在一個定值，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是個變量。最后將三處采集的溫度變送后送到CPU處理運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來，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，再通過水箱出水口（水井回水口）回到水井的溫度T2=50℃，此時再次從水井出來的水的溫度變?yōu)門1=Ti，若此時的Ti和之前的T1相差不大，則說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：CPU通過模擬量輸出擴(kuò)展模塊將水箱的的溫度設(shè)定在一個固定值，即加熱水箱功率維持在一個固定值（如2 000 W），通過出水口和回水口的溫差來判定土壤源熱容量的大小。CPU控制水箱恒功率加熱，通過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處理運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來，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℃，通過水箱恒功率加熱出來的水T2和T1有一個溫差值，經(jīng)過一段時間后，查看T1、T2的溫差變化情況。若幾次的溫差較大，說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)的運行和使用。
該設(shè)計利用PID控制算法，實現(xiàn)對地下水設(shè)定負(fù)載的溫度控制，如圖6所示。
比例項Kc（SPn-PVn）：能及時地產(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控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失。微分項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)測的特點。微分時間常數(shù)Td增大時，超調(diào)量減少，動態(tài)性能得到改善，如Td過大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時可能上升緩慢[6]。
同時PID控制算法還具有報警等特殊操作，S7-200的PID指令既簡單，又功能強(qiáng)大。如果其他的過程需要對回路變量進(jìn)行報警或進(jìn)行某些特殊計算處理時，可以用CPU支持的其他基本指令編程實現(xiàn)。
在設(shè)計應(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，地下熱容量測試系統(tǒng)的研制也同時提出，使用熱容量測試系統(tǒng)對地下的熱容量進(jìn)行準(zhǔn)確地測試后，為合理設(shè)計地源熱泵空調(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)。
參考文獻(xiàn)
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