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1、智能加热控制系统基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计摘要环境问题和能源问题已成为制约国民经济发展的两大难题。近些年来，空气源热泵热水系统因其节能、环保等显著特点而越来越受到广大消费者的关注。PLC也因其可靠性高、控制功能强等优势逐渐在控制领域占据着举足轻重的地位。而一个热泵热水器如果没有好的控制系统，将会产生不必要的材料浪费和环境污染。所以本课题基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计，就是要结合二者的特点使热泵的优势和效能得到最大程度的体现，从而达到缓解环境和能源问题的目的。基于电机的功耗与其转速的立方成正比关系，所以本设计还用到了变频器，充分结合了系统的特点，同时也达到了节能的目的
2、。在控制领域，PID调节 目 录第一章 绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外的研究现状简述 51.3本课题的主要内容 9第二章 硬件设计102.1使用变频器的原因101014141416161718232323274.1设计内容总结274.2心得体会28293031第一章 绪论1.1 课题背景及意义随着经济的快速发展和人们生活的逐步提高，人们对生活品质的追求使得对生活热水的需求也越来越高。然而，全球工业化导致温室气体排放的增加、二氧化碳排放的增加、石油短缺、燃煤燃气污染严重、价格高昂。这些因素都使得环保的新能源及其应用产品成为必然的选择。一般来说，在人们日常生活中，生活热水的提供常常来
3、源于燃气热水器、电热水器或者太阳能热水器。近些年来，热泵型热水器因其节能、环保等显著特点而越来越受到欧美及我国消费者广泛的关注。在我国，随着人们生活水平的日益提高、国民经济的快速发展，建筑能耗越来越大，尤其是生活热水的能耗，在全社会倡导“节约能源”和政府主导的“节能减排”、“绿色发展”的环境中，有效减少生活用热水的能耗是今后一段时期应该得到重视的问题。在欧美发达国家，利用空气源热泵制取生活热水已经成为比较流行的方式。下面简单介绍一下，空气源热泵的工作原理和特点。（1）空气源热泵的工作原理与传统的三种热水器相比，利用空气热能的热泵热水器更节能、更环保。与日常生活中常用的双制空调的制热功能原理一样
4、，只不过加热对象是水与空气的区别。其工作原理为：热泵热水器内有和空调内的冷媒一样的载热工质，在低压液态下吸收环境空气的热能，在蒸发器内蒸发气化，通过压缩机的工作提高工质的温度，再通过冷凝器使工质冷凝为液态，同时释放其热量并传给水箱中的水，达到制取热水的目的【1】。就像水泵将水从低处泵到高处一样，热泵热水器利用电能将空气中的热能和输入的电能一并传给水箱中的冷水，加热水以供使用。一般来说，空气源热泵热水器由室外的热泵主机(与空调器室外机类似)和耐压的保温水箱以及热水末端(水龙头、花洒等)组成。而热泵主机又由压缩机、蒸发器、冷凝器和电子节流装置四个主要部分组成。整个循环中冷媒(或称热媒、制冷介质)在
5、高压冷凝与低压蒸发过程中实现热量的运输和传递。可以简单划分为以下四个部分：（2）空气源热泵的特点、随着我国经济发展和人民居住条件的改善、生活品质的提高，新建住宅几乎全部需要安装热水器，再加之一些存在安全隐患的燃气热水器需要替换，因此，空气源热泵热水器在我国具有广阔的发展前景【3】。然而，再好的热水器如果没有一套与之紧密结合的优良的控制系统，不仅它的优势很有可能不能全面的发挥出来，而且还可能造成不必要的能源消耗和危及到其他设备的安全运行。例如，对热水温度的设置。这个参数的设置在系统节能上有为重要。由热泵本身的制热原理就可以看出，水的温度越高，提升相同度数水温耗能越多。所以在满足用户需求的情况下，
6、水温不宜偏高。据理论计算和有关资料介绍，每降低1摄氏度的水温，可节省约2%-2.5%的电能。不仅如此，降低水温还可以减少系统的热量损失和减少水垢。因此本文就是根据空气源热泵的原理及特点，再结合PLC控制、PID调节以及变频原理，来设计一个全自动的空气源热泵热水系统的控制系统，从而达到更加有效及方便用户用水和节能环保的目的。PLC变频调速控制系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 国内
7、外的研究现状简述基于PLC的空气源热泵热水器的控制系统设计主要运用了PLC和变频技术。下面就这两个方面简单描述一下国内外的一些研究发展和现状。PLC的发展状态在可编程序控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛应用于工业的各个部门。继电器控制系统通常可看成是由输入电路、输出电路、控制电路和工业现场四部分组成。其中输入电路部分由按钮、行程开关、限位开关、传感器等构成，用以向系统送入控制信号。输出电路部分由接触器、电磁阀等执行元器件构成，用以控制各种被控对象（如电动机、电炉、阀门等）。控制电路部分是继电器控制系统的核心，它通过导线将各个分立的继电器、电子元器件连接起来，对工业现场实施控制。工业现场部分是
8、指上述的被控制对象或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着重要作用。随着生产规模的逐步扩大，市场竞争日趋激烈，继电器控制系统愈来愈难以适应工业生产的需要。继电器控制电路通常是针对某一固定动作顺序或生产工艺而设计的，它只能进行逻辑、定时、计数等一些简单的控制，一旦动作数序或生产工艺发生变坏，就必须进行重新设计，重新布线、装配和调试。这就迫使人们研制新型工业控制系统，以取代原来已占统治地位的继电器控制系统。基于上述状况，美国通用汽车公司（GM）于1986年提出了研制新型工业控制器的设想，第二年，美国数字设备公司（DEC）就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然
9、采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、技术等功能，所以人们将可编程序控制器称为PLC(Programmable Logic Controller),即可编程序逻辑控制器。20世纪70年代末至80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，并增加了许多特殊功能，如浮点运算、函数运算、查表等，使可编程序控制器不仅可进行逻辑控制，而且还可对模拟量进行控制。因此，美国电气制造协会（NEMA）将它正式命名为PC（Programmable Controller）。由于个人计算机的简称也是PC(Personal Computer),为避免混淆，人们习惯
10、上仍将可编程序控制器称为PLC。20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程序控制器的得到了惊人的发展，使之在概念、设计、性能价格比等方面有了重大的突破。可编程序控制器具有了高速计数、中断技术、PID（比例、积分、微分）控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围不断扩大。为使这一新型工业控制系统的生产和发展规模化，国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，并给出了它的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序
11、控制、定时、技术和算数运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计【4】。PLC近年来的发展方向（1）小型化近年来，小型PLC的应用十分普遍，超小型PLC的需求日益增多。据统计，美国机床行业应用超小型PLC几乎占1/4，因此国外许多PLC厂家正在积极研制开放各种超小型PLC。例如，日本欧姆龙公司的CPMIA系列PLC既可单机运行，也可联网实现发展的控制，CPMIA系列PLC的最小配置是6个数字量输入和4个数字量输出，还可根据实际情况扩展模块，最多可达100输入和输出。此
12、外，它还具有模拟设定、高速计数等功能，是一种性能价格比较好的超小型PLC。（2）网络化多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性，系统设计、组态更为灵活方便，地域分布更广，是当前控制系统发展的主流。为实现工厂生产自动化，世界上各PLC生产厂家不断研制开发功能更强的PLC网络系统。这种网络一般是多级的，网路的最底层是现场执行级，中间是协调级，最上层是组织管理级。现场执行级可由多个PLC或者远程I/O工作站组成，中间一级由PLC或计算机构成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们间采用工业以太网和MAP网、工业现场总线，构成多级分布式PLC。随着自动控制系统技术的发展，这种多级分布
13、式PLC控制系统除了控制功能外，还可实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统【5】。（3）兼容性目前，PLC与计算机已成功的结合并广泛应用，称为控制系统中的一个重要的组成部分和环节。随着集成电路和计算机技术的进一步发展，今后将更加注重PLC与其他智能控制系统的结合。许多PLC开发商已经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC的兼容，而且还注意到PLC与计算机的兼容，使之可充分利用计算机现有的软件资源。例如欧姆龙CQMIH等系列PLC，其软件编程、监控都可在Windows操作平台上操作和运行。今后PLC将采用速度更快、功能更强的CP
14、U，容量更大的存储器，并将更充分利用计算机资源。PLC与工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机系统等还将进一步渗透与结合，这必将进一步拓宽PLC的应用领域【6】。（4）标准化长期一来，PLC走的是专门化发展道路，使其在获得成功的同时也带来诸多的不便。例如，各个公司的PLC都有通信联网的能力，但各个公司的PLC之间无法通信联网，因此制定PLC的国际标准势在必行。从1978年起，国际电动委员会在其下设TC65的SC65B中专设WGT工作组，制定PLC的国际标准，到目前为止已公布和制定的标准有如下5个：1131-1: General Information（一般信息）1131-2: Equipment Characteristics And Test Requirement（设备特性与测试要求）1131-3: Programming Language（编程语言）1131-4: User Guidelines（用户向导）
