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(yùn)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(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),，它既不會污染地下水，又不會引起地面沉降,。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(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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)算,，CPU處理運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(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觸摸顯示屏來顯示CPU處理運(yùn)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(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(yùn)算,。
4 土壤源熱容量測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
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,。測量電阻通常可利用歐姆表或電橋的方法[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(yùn)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(yùn)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(yùn)行和使用,。
該設(shè)計(jì)利用PID控制算法,，實(shí)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(xiàng)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(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)測的特點(diǎn)。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(jì)算處理時，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(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),。
參考文獻(xiàn)
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