基于PLC及HMI的地源热泵中央空调智能控制系统

许飞燕，许飞勇，卢月，张捷，李娟

（中国人民解放军第7451工厂，湖南郴州，423000）

0 引言

PLC和HMI广泛应用于工业、农业、冶金、石油、化工、电力、智能建筑和军事科工等诸多领域。本文介绍了西门子PLC和维纶通触摸屏在地源热泵中央空调系统中的应用，内容包括了中央空调机组组成，智能控制流程设计，PLC硬件及外围电路设计，I/O资源存储单元分配，PLC梯形图设计和HMI组态设计五个部分。

1 原理与设计

1.1 中央空调机组组成

中央空调机组主要包括690空调主机两台、120热回收主机两台、内循环泵四台、低位热水循环泵一台、4Kw潜水泵一台、15Kw冷却泵一台、7.5Kw冷却泵一台、备用11Kw冷却泵一台、备用5.5Kw冷却泵一台、电气控制柜一套及管路阀门一套。

1.2 智能控制流程设计

中央空调的运行分为夏季和冬季两个模式：夏季为制冷模式，分为高峰期（早上9：00-次日凌晨2：00）和低峰期（凌晨2：00-次日早上9：00），内循环泵用于抽地表水进行初级热交换，如高峰期冷水回水温度上升至16度时（低峰期回水温度上升至18度时），启动1#空调主机及冷却泵抽地下水进行热交换，如制冷效果还不够，回水温度上升至22度时，启动2#空调主机及冷却泵抽地下水进行热交换，回水温度下降至某温度时，依次关闭2#，1#空调主机；冬季为制热模式，也分为高峰期（早上9：00-次日凌晨2：00）和低峰期（凌晨2：00-次日早上9：00），内循环泵用于抽地表水进行初级热交换，如高峰期热水回水温度下降至30度时（低峰期回水温度下降至35度时），启动1#空调主机及冷却泵抽地下水进行热交换，如制热效果还不够，回水温度下降至35度时，启动2#空调主机及冷却泵抽地下水进行热交换，热水回水温度达到某温度时，依次关闭2#，1#空调主机。地面设有热回收机组，回收的热量用于给生活用水蓄水箱加热。

图1 夏季制冷及热回收系统流程图

图2 冬季制热及热回收系统流程图

图3 PLC硬件及核心电路（数字量）

1.3 PLC硬件及核心电路设计

PLC选用西门子S7-200 CPU 226 CN AC/DC/Relay中央处理模组一个，并扩展数字量模块EM223 32Inputs/32Relay Outputs一个和模拟量EM231 4 Analog Inputs两个。数字量输入用于检测现场各种状况，如水位压力反馈，电机起停和故障反馈，阀门开启反馈；数字量输出用于输出各种控制命令，电机启动和阀门开启命令；模拟量输入用于采集冷却水、冷冻水、热水回水温度和低位水箱温度。

图4 PLC硬件及核心电路（模拟量）

1.4 PLC内部资源分配

1.4.1 I/O资源存储单元分配

1.4.2 PLC内部位存储器M分配表

表2 智能控制系统内部位存储器M分配表（部分）

1.5 PLC梯形图设计

PLC主程序分为主程序，自动运行程序，夏季程序，冬季程序，自动停机保护程序，冬季热回收程序，夏季热回收程序，夏季热回收停机程序，冬季热回收停机程序，设置定时中断，夏季保护停机程序，冬季保护停机程序，上电复位程序，夏季循环控制程序，冬季循环控制程序，停机程序，水温检测程序等17个部分组成。

图5 自动运行程序（部分）

图6 冬季程序（部分）

1.6 HMI组态设计

HMI人机界面选用维纶通MT8071iE七寸触摸屏，按现场实物配置组态图案，美观大气，操作简单：（1）一键启停：系统的起动/停止操作只需按下起动/停止即可完成，操作简单明了。（2）确认保护：为防止误操作或无意触碰，系统设计了确认对话框进行安全保护。

2 性能效果

图7 触摸屏组态

本地源热泵中央空调机组运行后，运行稳定，相比传统纯电力、燃料中央空调一年可节约燃料费用12万余元，为适应现场工况要求，系统程序设计了很多功能：（1）系统自动保护功能：系统在起动运行时，如水压、水位变低系统将运行自动保护程序，在水压、水位恢复正常时又能自动正常工作。（2）智能替换：当1、2和3号内循环泵发生故障时，4号内循环泵能自动开始工作，并以故障泵的工作方式工作，当故障泵恢复正常时，4号内循环泵自动退出工作。（3）实时可调定时：对控制系统流程运行所有温度均可随时设定并保存；对690主机、120主机和3号内循环泵起动后延时时间可随时设定；以上所有设定输入确认后立即生效。

3 结论

节能环保新能源开发利用是未来社会发展的必然趋势，地源热泵中央空调比传统能源空调高效便捷易于开发利用且不会带来环境污染，在我国地表水资源丰富的地区均可引进利用。