一种基于PLC的热泵控制系统的控制方法与流程

本发明涉及工业用热泵控制技术领域，具体涉及一种基于PLC的热泵控制系统的控制方法。

背景技术：

热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。热泵技术起源于瑞士，20世纪90年代初传入我国，其应用已从最初的民用空调领域转向工业领域，如废水废热回收、室内和车间空气降温、工业高温用水等。

热泵作为电厂循环冷却水余热回收利用系统的主要设备，现有热泵控制均采用PLC对生产过程进行控制与监视，因PLC工业技术与设备特点，工作人员很难对控制程序进行修改优化，并且无法根据电厂实际运行状况进行安全优化运行。因此，现有的热泵控制系统存在有以下缺陷：其一，处理问题不及时；其二，系统不够优化；其三，监控分析单一，误差较大；其四，酸碱度标准不够；其五，还不够节能。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供了一种稳定可靠、智能化、集中化、超节能的基于PLC的热泵控制系统的控制方法，不仅能够实现工业用热泵的功能要求，而且使系统具有构成简便、控制先进、系统稳定、高效节能、预测报警的特点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于PLC的热泵控制系统的控制方法，所述控制系统包括PLC控制模块、上位机、热泵控制装置、模拟量检测模块和人机交互设备；

所述上位机与PLC控制模块相连；

所述热泵控制装置包括：热泵机组、水池和辅助加热器，所述辅助加热器位于水池中；

所述模拟量检测模块包括：模拟量采集器、温度传感器、温度变送器、液位传感器、液位变送器、酸碱度传感器和酸碱浓度计，所述温度传感器与温度变送器相连，所述温度变送器通过模拟量采集器与PLC控制模块相连；所述液位传感器与液位变送器相连，所述液位变送器通过模拟量采集器与PLC控制模块相连；所述酸碱度传感器位于水池热水入口处，所述酸碱度传感器与酸碱浓度计相连，所述酸碱浓度计通过串口与PLC控制模块相连；

所述人机交互设备包括：远程控制器、触摸屏和电表；

包括以下步骤：

步骤一：预设命令：所述PLC控制模块控制人机交互设备，并根据上位机中预设值，在远程控制器和触摸屏上显示有标准的用于表示用水量与热泵控制装置工作时间长度关系变化的用户记忆曲线和用于计算热泵控制装置工作时间长度的Access数据运算；

当用户记忆曲线显示在非用水段时，Access数据运算运算出热泵控制装置具体的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块发出信号同时控制热泵机组和辅助加热器暂停工作；

当用户记忆曲线显示在用水段时， Access数据运算运算出热泵控制装置具体的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块发出信号只控制热泵机组正常工作；

当用户记忆曲线显示在用水高峰段时，Access数据运算运算出热泵控制装置具体的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块发出双重控制信号，优先启动热泵机组正常工作，后启动辅助加热器作为辅助；

步骤二：酸碱度监测：所述的酸碱度传感器和酸碱浓度计全程实时监测水池内的酸碱度，以显示热泵控制装置的pH值，并与触摸屏上预设的所需pH设定值作比较，过高过低都要报警；当PLC控制模块判断酸碱度小于最小设定值或者大于最大设定值时，PLC控制模块发出信号控制热泵机组停止工作，同时发出报警信号，并在人机交互设备中的触摸屏上显示报警信息；当PLC控制模块判断酸碱度在最小设定值和最大设定值之间时，PLC控制模块发出信号控制热泵机组重新开始工作；

步骤三：温度采集：温度传感器测出水池中的温度，温度变送器将温度传感器测量的温度信号转化为模拟电信号，并将该模拟电信号传递给模拟量采集器；所述模拟量采集器采集到温度变送器传递过来的标准电信号并将其转化为数字信号Ⅰ，模拟量采集器将数字信号Ⅰ传送给PLC控制模块；

步骤四：温度比较：将PLC控制模块接收到的数字信号Ⅰ，与热泵控制装置所需的水温设定值进行比较；

步骤五：执行命令： a、当PLC控制模块判断温度小于最小温度设定值时，PLC控制模块发出控制信号控制热泵机组按照用户记忆曲线在每个对应的时段生成热水：

当到达非用水段时，PLC控制模块发出控制信号同时控制热泵机组和辅助加热器暂停；当到达用水段时，PLC控制模块发出控制信号只控制热泵机组运行；当到达用水高峰段时，PLC控制模块发出控制信号优先启动热泵机组，后启动辅助加热器作为辅助热源运行；

b、当PLC控制模块判断温度在最小和最大设定值之间时，PLC控制模块按照用户记忆曲线，维持正常发热状态；

c、当PLC控制模块判断温度大于最大温度设定值时，PLC控制模块发出控制信号，控制热泵机组和水池中的辅助加热器停止工作；

d、当PLC控制模块判断热泵机组和辅助加热器发生故障时，PLC控制模块发出故障信号，通过人机交互设备中的触摸屏显示报警信息和维护提醒；同时PLC控制模块发出控制信号自动切换至辅助热源辅助加热器（303）工作；

步骤六：液位采集：液位采集与温度采集是同时进行的，所述液位传感器测出水池中的液位变化，液位变送器将液位传感器测量的液位信号转化为模拟电信号，并将该模拟电信号传递给模拟量采集器；所述模拟量采集器采集到液位变送器传递过来的标准电信号并将其转化为数字信号Ⅱ，模拟量采集器将数字信号Ⅱ传送给PLC控制模块进行PID滤波运算；

步骤七：液位比较：液位比较与温度比较是同时进行的，将PLC控制模块接收到的数字信号Ⅱ，与水池中辅助加热器的液位覆盖设定值进行比较；

步骤八：执行命令：a、当PLC控制模块判断水池中的液位小于辅助加热器的最小覆盖设定值时，PLC控制模块发出控制信号控制辅助加热器暂停，此时水池自动启动自身补水装置，同时PLC控制模块控制酸碱度传感器进行监测热泵控制装置的pH值是否重新达到要求；

b、当PLC控制模块判断水池中的液位大于辅助加热器的最小覆盖设定值时，PLC控制模块按照用户记忆曲线，发出控制信号控制辅助加热器的正常工作；

c、当Access数据运算运算出热泵控制装置在用水高峰段的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块发送双重控制信号，优先启动热泵机组工作，后启动辅助加热器作为辅助，以满足短时间内快速加热大量热水；当检测到生成的热水温度达到最大温度设定值时，PLC控制模块发送双重控制信号，先暂停辅助加热器，后暂停热泵机组的工作；

步骤九：信号处理：PLC控制模块对上述步骤中所得到的数字信号分别进行相应的变化和处理，PLC控制模块将变化和处理后的数字信息通过标准以太网传给上位机；

步骤十：信息反馈：上位机通过串口通讯计算出测量值，并通过人机交互设备显示各个测量数据，同时通过串口通讯将测量数据及时反馈给PLC控制模块，PLC控制模块将测量数据与预设值作比较；根据上位机中的预设值和标准的用户记忆曲线及Access数据运算，PLC控制模块发出信号进行控制和调节该控制系统的各个模块。

优选的，所述的用户记忆曲线和Access数据运算保存在上位机的预设值内，通过上位机传递给PLC控制模块。

优选的，所述步骤三中的温度设定值为50-90℃。

优选的，所述PLC控制模块采用的是西门子CPU ST-20。

优选的，所述触摸屏采用的是威纶通CMT系列触摸屏。

优选的，所述模拟量采集器为EM AI04模块。

优选的，所述热泵控制装置还包括管路过滤器和气体过滤器。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明一种基于PLC的热泵控制系统的控制方法，简单高效、稳定可靠，更便于智能化、集中化的控制；区别于其他，本发明的热泵控制装置实现的温度较为精准，具体恒定到±0.5℃；最重要的是更加节能，自动控制升级，实用性更强，应用前景广泛。

1、用户记忆曲线：是用于表示所需热水量与热泵控制装置工作时段的关系曲线图，很直观清楚的反映出来所需热水量和热泵工作时段之间的规律变化并作为参照；其保存在上位机的预设值内，并显示在人机交互设备上作为PLC控制模块的调节参照标准，不同用水段分别先后启动不同的热源系统，非用水段时就暂停，这样更智能高效、减少能耗，更清楚直观地进行实时监控和数据分析，使得整体精确高效、优化系统，更加节能。

2、Access数据运算：利用Access数据库的算法精确高效地计算出各个用水段对应的各个时间长度，进而通过上位机反馈给PLC模块，PLC模块更简单有效的进行控制和调节各个模块；而且用户记忆曲线和Access数据运算的相互结合，可以简单直观的在触摸屏和远程控制器如电脑或手机上查看到，更便于实时监控和数据分析。这样使得整体配合高效，智能化，控制集中化，就现有技术中的热泵来讲，本发明更有效的实现系统稳定、智能控制、节能的效果。

3、辅助加热器：在热泵控制装置中进行了优化，水池中加设了一个独立的辅助加热器，在用水高峰段时，单独的热泵机组不能快速满足用热水需求，这时需要辅助热源，PLC控制模块先发出信号优先启动热泵机组，然后启动辅助加热器配合工作，来实现短时间内快速生成大量热水；并且当温度达到工艺温度时，PLC先暂停辅助热源辅助加热器，后逐个暂停热泵机组的工作，过程精细，效果更优，实用性更强，降低成本，为企业带来较大效益。

4、全程酸碱度的实时监测：pH值的控制对于工业高温用水来讲很重要。酸碱度传感器全程实时检测水池内的酸碱度，以显示热泵控制装置的pH值，并与触摸屏上预设的所需pH设定值作比较，过高过低都要报警；这样更高标准的满足了工业高温用水的要求，使得整个控制系统更为精确。

5、模拟量采集器：简化了本发明一种基于PLC的热泵控制系统的设计，配合了温度传感器、温度变送器和液位传感器、液位变送器使用，模拟采集器将采集到的模拟电信号先转化成数字信号，再传送给下位机PLC作后续的相应变化和处理，抗干扰能力强，减少了采集过程和传输过程中的误差，优化了系统的信号传输和真实性，提高精度。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图中标记：1-PLC控制模块，2-上位机，3-热泵控制装置，301-热泵机组，302-水池，303-辅助加热器，4-模拟量检测模块，401-模拟量采集器，402-温度传感器，403-温度变送器，404-液位传感器，405-液位变送器，406-酸碱度传感器，407-酸碱浓度计，5-人机交互设备，501-远程控制器，502-触摸屏，503-电表。

具体实施方式

结合附图1给出具体实施方式，对本发明所采用的技术方案作进一步详细说明。所举实施例为最佳实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于PLC的热泵控制系统的控制方法，所述控制系统包括PLC控制模块1、上位机 2、热泵控制装置3、模拟量检测模块4和人机交互设备5；

所述上位机 2与PLC控制模块1相连；

所述热泵控制装置3包括：热泵机组301、水池302和辅助加热器303，所述辅助加热器303位于水池302中；

所述模拟量检测模块4包括：模拟量采集器401、温度传感器402、温度变送器403、液位传感器404、液位变送器405、酸碱度传感器406和酸碱浓度计407，所述温度传感器与温度变送器相连，所述温度变送器通过模拟量采集器与PLC控制模块相连；所述液位传感器与液位变送器相连，所述液位变送器通过模拟量采集器与PLC控制模块相连；所述酸碱度传感器406位于水池302热水入口处，所述酸碱度传感器与酸碱浓度计相连，所述酸碱浓度计通过串口与PLC控制模块相连；

所述人机交互设备5包括：远程控制器501、触摸屏502和电表503；

包括以下步骤：

步骤一：预设命令：所述PLC控制模块1控制人机交互设备5，并根据上位机 2中预设值，在远程控制器501和触摸屏502上显示有标准的用于表示用水量与热泵控制装置工作时间长度关系变化的用户记忆曲线和用于计算热泵控制装置工作时间长度的Access数据运算；

当用户记忆曲线显示在非用水段时，Access数据运算运算出热泵控制装置3具体的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块1发出信号同时控制热泵机组301和辅助加热器303暂停工作；

当用户记忆曲线显示在用水段时， Access数据运算运算出热泵控制装置3具体的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块1发出信号只控制热泵机组301正常工作；

当用户记忆曲线显示在用水高峰段时，Access数据运算运算出热泵控制装置3具体的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块1发出双重控制信号，优先启动热泵机组301正常工作，后启动辅助加热器303作为辅助；

步骤二：酸碱度监测：所述的酸碱度传感器406和酸碱浓度计407全程实时监测水池内的酸碱度，以显示热泵控制装置的pH值，并与触摸屏上预设的所需pH设定值作比较，过高过低都要报警；当PLC控制模块判断酸碱度小于最小设定值或者大于最大设定值时，PLC控制模块发出信号控制热泵机组停止工作，同时发出报警信号，并在人机交互设备5中的触摸屏502上显示报警信息；当PLC控制模块判断酸碱度在最小设定值和最大设定值之间时，PLC控制模块发出信号控制热泵机组重新开始工作；

本方案中，全程的酸碱度实时监测：pH值的控制对于工业高温用水来讲很重要酸碱度传感器全程实时检测水池内水的酸碱度，以显示热泵控制装置的pH值，并与触摸屏上预设的所需pH设定值作比较，过高过低都要报警；这样更高标准的满足了工业高温用水的要求，使得整个控制系统更为精确。

步骤三：温度采集：温度传感器402测出水池302中的温度，温度变送器403将温度传感器测量的温度信号转化为模拟电信号，并将该模拟电信号传递给模拟量采集器401；所述模拟量采集器401采集到温度变送器403传递过来的标准电信号并将其转化为数字信号Ⅰ，模拟量采集器401将数字信号Ⅰ传送给PLC控制模块1；

步骤四：温度比较：将PLC控制模块1接收到的数字信号Ⅰ，与热泵控制装置3所需的水温设定值进行比较；

步骤五：执行命令： a、当PLC控制模块判断温度小于最小温度设定值时，PLC控制模块发出控制信号控制热泵机组301按照用户记忆曲线在每个对应的时段生成热水：

当到达非用水段时，PLC控制模块发出控制信号同时控制热泵机组和辅助加热器暂停；当到达用水段时，PLC控制模块发出控制信号只控制热泵机组运行，区别于其他，本发明的热泵控制装置实现的温度较为精准，具体恒定到±0.5℃；最重要的是更加节能，自动控制升级，实用性更强，应用前景广泛；当到达用水高峰段时，PLC控制模块发出控制信号优先启动热泵机组，后启动辅助加热器作为辅助热源运行；

b、当PLC控制模块判断温度在最小和最大设定值之间时，PLC控制模块1按照用户记忆曲线，维持正常发热状态；

c、当PLC控制模块判断温度大于最大温度设定值时，PLC控制模块发出控制信号，控制热泵机组301和水池302中的辅助加热器303停止工作；

d、当PLC控制模块判断热泵机组301和辅助加热器303发生故障时，PLC控制模块发出故障信号，通过人机交互设备5中的触摸屏502显示报警信息和维护提醒；同时PLC控制模块发出控制信号自动切换至辅助热源辅助加热器（303）工作；

步骤六：液位采集：液位采集与温度采集是同时进行的，所述液位传感器404测出水池302中的液位变化，液位变送器405将液位传感器测量的液位信号转化为模拟电信号，并将该模拟电信号传递给模拟量采集器401；所述模拟量采集器401采集到液位变送器405传递过来的标准电信号并将其转化为数字信号Ⅱ，模拟量采集器401将数字信号Ⅱ传送给PLC控制模块1进行PID滤波运算；

步骤七：液位比较：液位比较与温度比较是同时进行的，将PLC控制模块1接收到的数字信号Ⅱ，与水池302中辅助加热器303的液位覆盖设定值进行比较；

步骤八：执行命令：a、当PLC控制模块判断水池302中的液位小于辅助加热器303的最小覆盖设定值时，PLC控制模块发出控制信号控制辅助加热器303暂停，此时水池302自动启动自身补水装置，同时PLC控制模块控制酸碱度传感器406进行监测热泵控制装置的pH值是否重新达到要求；

b、当PLC控制模块判断水池302中的液位大于辅助加热器303的最小覆盖设定值时，PLC控制模块1按照用户记忆曲线，发出控制信号控制辅助加热器303的正常工作；

c、当Access数据运算运算出热泵控制装置3在用水高峰段的工作时间长度，在该工作时间长度内，PLC控制模块1发送双重控制信号，优先启动热泵机组301工作，后启动辅助加热器303作为辅助，以满足短时间内快速加热大量热水；当检测到生成的热水温度达到最大温度设定值时，PLC控制模块1发送双重控制信号，先暂停辅助加热器，后暂停热泵机组的工作；

步骤九：信号处理：PLC控制模块1对上述步骤中所得到的数字信号分别进行相应的变化和处理，PLC控制模块将变化和处理后的数字信息通过标准以太网通信协议传给上位机 2；

步骤十：信息反馈：上位机 2通过串口通讯计算出测量值，并通过人机交互设备5显示各个测量数据，同时通过串口通讯将测量数据及时反馈给PLC控制模块1，PLC控制模块1将测量数据与预设值作比较；根据上位机 2中的预设值和标准的用户记忆曲线及Access数据运算，PLC控制模块1发出信号进行控制和调节该控制系统的各个模块。

进一步的，作为优选方案，所述的用户记忆曲线和Access数据运算保存在上位机的预设值内，通过上位机传递给PLC控制模块1。用户记忆曲线是用于表示所需热水量与热泵控制装置3工作时段的关系曲线图，很直观清楚的反映出来规律变化并作为参照；而Access数据运算利用数据库算法精确高效地计算出各个用水段对应的各个时间长度，进而通过上位机反馈给PLC模块，PLC模块更简单有效的进行控制和调节各个模块；而且用户记忆曲线和Access数据运算可以简单直观的在触摸屏和远程控制器如电脑或手机上查看到，更便于实时监控和数据分析。这样使得整体配合高效，智能化，控制集中化，就现有技术中的热泵来讲，本发明更有效的实现节能的效果。

进一步的，作为优选方案，所述步骤三中的温度设定值为80℃，保存在上位机内，较符合工业高温用水标准的温度要求。

进一步的，作为优选方案，所述步骤二中的pH设定值都保存在上位机内，具体值根据本领域的技术人员的实际情况需要而定，酸碱度传感器始终全程实时监控水池内的所需水的酸碱度并反馈给PLC控制模块，这样较符合工业高温用水标准的要求，更为精准，控制更加自动化。

进一步的，作为优选方案，所述PLC控制模块1采用的是西门子CPU ST-20，使得控制稳定可靠，算法更为精确灵敏，PLC与上位机配合实现系统的自动化控制。

进一步的，作为优选方案，所述触摸屏502采用的是威纶通CMT系列触摸屏，通过威纶通触摸屏监控界面实时监视热泵控制装置的设备状态，显示告警及维修提示信号，记录热泵机组301和辅助加热器303的设备运行和报警状态。

进一步的，作为优选方案，所述模拟量采集器401为EM AI04模块，简化了本发明所述的一种基于PLC的热泵控制系统的设计，抗干扰能力强，减少了采集过程中的误差，优化了系统的信号传输和真实性，提高精度。

进一步的，作为优选方案，所述热泵控制装置3还包括管路过滤器和气体过滤器，在热泵控制装置工作过程中，起到净化过滤的作用，提高热能效率，延长使用寿命，节能环保。

以上所举实施例为本发明的最佳实施例，只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。