基于PLC的热泵式温控箱控制系统设计

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基于PLC的热泵式温控箱控制系统设计

胡立华1吴金华2张宁1陈仕国1陈学永1

(1•福建农林大学机电工程学院，福建福州350002;2•福建农林大学金山学院，福建福州350002)

摘要:根据热泵式温控箱的组成形式及工作方式设计了温控箱的控制系统。系统以台达PLC作为主控制器，分别 对温度采集器、电磁阀、水泵、热泵等进行控制，能够准确的读取各温控箱的温度,对各温控箱进行温度控制;系统配备友 好的人机界面,实现人机互通。控制系统使整个温控箱系统按照人为设定有序的运行，且运行可靠、操作方便，为热泵式 温控箱进一步研究提供基础。

关键词:PLC;温控箱;热泵;控制系统

中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号= 1672-4801(2017)05-019-04

D01：10.19508/j.cnki.l672-4801.2017.05.006

温控箱作为温度可控的箱体,在进行不同温 度微生物、细菌、植物或动物等的培养实验中被广 泛运用[1'传统温控箱是在箱体内安装加热器, 通过控制加热器的发热量控制温控箱温度实 验时常把温度作为变量，设定不同的温度进行实 验对照，因此需要多个不同温度的温控箱[5'每 个温控箱都有一个加热系统,耗电大，成本高。

热泵是利用电能或机械能作为动力,通过热 力循环，把热能由低温位物体转移到高温位物体 的能量利用装置171。它的原理与制冷机相同，正常 工况下，致热系数>2，能效等级高，是太阳能光热 深度利用的新一代设备[8]〇

本文设计的热泵式温控箱是以热泵为能量 源，以水为热传递介质，以PLC为控制器，一套系 统拥有多个温控箱，通过控制进入各个温控箱中 水的流量从而控制温控箱的温度。本文着重阐述 该温控箱系统控制系统的设计。

箱连接，冷水回路连接方式相同。具体连接方式 如图1所示[9]。控制系统通过控制热泵、水泵、电 磁阀的动作使整个系统有序运行。整个系统中温 控箱的数量是可变的，可根据具体的需求进行配 置，通过温控箱所需的总能量配置相应的热泵系 统即可，所设计的控制系统也能够方便的进行扩 展。图1所示是一套拥有5台温控箱的系统，本文 将以此为例进行控制系统设计。

1热泵式温控箱系统组成和工作方式

热泵式温控箱系统主要由控制系统、温控箱 及热泵系统3个部分组成。一套系统包含多个温 控箱、1个制热热泵和1个制冷热泵、2个保温水 箱、2个水泵及若干个电磁阀。温控箱用盘管加 热，每个温控箱包含两条盘管，分别用于热水和冷 水，各温控箱之间的水路并联，电磁阀连接在温控 箱盘管进水口处。两个热栗分别与两个水箱连 接，两个水泵分别连接在热水和冷水供水口的主 干管路上，热水回路供水口和回水口与热保温水

1.热水保温箱;2.冷水保温箱;3.制热热泵;4.制冷热泵;5.管道;

6.挡板;7.阀门;8.水泵;9.电磁阅;10.盘管;11.温控箱

图1热菜式^1®系统结构示意图

工作方式:各个温控箱采用集中供水,独立控 制的方式运行。例如各个温控箱加热用的热水都 是由热水保温水箱提供。热水通过主回路上的水 泵给温控箱打水，各温控箱进口处的电磁阀决定 热水是否进入该温控箱，一旦热水进入该温控箱 热水盘管，即对温控箱进行加热。冷水的制冷过

作者简介:胡立华(1989-),男，助理实验师，硕士，研究方向:机电装备设计方法与实现技术。

通讯作者:陈学永(1970-)，男，教授，博士，硕士生导师，研究方向:机电一体化技术。

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程也相同，水流回路方向如图1中的箭头所示。 两个水泵分别用于热水系统和冷水系统供水，当 任意温控箱加热或制冷时相应水泵开启。制热热 泵给热水保温水箱加热，制冷热泵给冷水保温水 箱制冷，热泵的启停根据水箱设定温度的上下限 确定。两个热泵并排相反方向放置，用于提高热 泵效率，在热泵一侧制冷热泵排热气，制热热泵吸 热气，提高制热效率,挡板的作用就是有利于气体 吸收;另一侧刚好相反。系统具体的控制逻辑在 控制系统软件设计中阐述。

2控制系统

控制系统能够按照所希望的方式保持或改变 系统中可变的量，使被控制对象处于某种需要的 状态。热栗式温控箱的主要被控制对象为温控箱 及保温水箱，可控变量为电磁阀、水泵及热栗。通 过控制系统能够设置各个温控箱的温度，控制电 磁阀动作使各个温控箱处于设定温度，同时能够 显示温控箱实时温度，保存温控箱的温度记录，对 系统设备异常、数据异常进行报警。因此控制系 统主要包含以下几个部分功能：1温度读取;2温 度控制;3参数设置与显示;4执行元件操作;5数 据保存;6出错报警等。

2.1控制系统硬件设计

硬件是控制系统的支承部件，是整个控制系 统的基础，该系统硬件主要包含:PLC、人机界面、 温度采集器、传感器、执行元件等。控制系统框图 如图2所示。

图2控制系统框图

控制器是整个硬件系统的核心，采用PLC作 为控制器具有功能多、适应性强、操作简便、可靠 性高、抗干扰能力强等优点。本文采用台达PLC， 根据热泵式温控箱系统确定输人纖r出口点数。 输人:4个互感器，用于热泵和水泵工作状态的检 查，合计4个输入点;输出：10个电磁阀、2个热泵、 2个水泵，合计14个输出点。选择型号为 DVP32ES00R2的PLC,这是一款经济型PLC，拥有

16个输人点和16个输出点，输出点形式为继电 器，一般功能通讯口为RS-485接口，能够使用 Modbus通讯协议，满足使用要求。PLC与各个设 备通过RS485总线连接，能够实现数据较远的传 送。同时RS485总线最多能够连接256个设备[1°]， 当温控箱需要采集其它参数(例如湿度、气体含 量、光照强度等)时，只需购买相应的通讯方式为 RS-485/Modbus的设备，就能够直接接入系统实 现融合，方便控制系统扩展。

人机界面是用于人与机器信息交互的界面。 主要完成以下几个方面的内容:按键控制,参数输 入，数据、图表、出错报警显示，数据保存等功能。 系统选用型号为DOP-B07S415的人机界面，该款 人机界面与PLC同属一个品牌，兼容性高,连接方 便。支持SDHC卡，能够有效的进行内存扩容，保 存更多的数据，解决人机界面本身存储空间小的 问题。该型号人机界面符合使用要求。

温度采集器采用大连哲勤科技有限公司生产 的16通道PtlOO热电阻温度采集模块，型号 FLEX4025。该采集器最多能够连接16个温度传 感器，一个采集器即能满足整个系统的温度采集 需求。通信口为RS485接口，Modbus通讯协议， 通过RS485总线与PLC连接，实现通讯，进行温度 数据传输。

传感器主要包括温度传感器及电流互感器。 执行元件包括继电器、指示灯等。

2.2控制系统软件设计

控制系统软件是运用合理的控制逻辑，使整 个温控箱系统按照设定方式执行，同时让热栗的

效率尽可能的大。热泵控制逻辑:系统中包含制 热热泵和制冷热栗，设定热水保温水箱温度为 71热，温度变化区间为A “;系统启动，制热热栗开 启，当热水水箱水温到达。时，制热热泵关闭，当

水温降到7V A。时制热热泵开启，如此循环工 作。同理设定制冷热泵水温为7V,温度变化区间 为A 7^;当冷水水箱水温到达7V时，制冷热栗关 闭，当水温升高到7V+ A 7V时制冷热泵开启，如 此循环工作。两个热泵一起工作时，制热热荥吸 收制冷热泵排出的暖气，制冷热泵吸收制热热泵 排出的冷气，提高效率。因此当两个热泵其中一 个满足开启条件时，另外一个热栗同时开启，当满 足各自关闭条件时关闭热泵。此方式作为热泵工

第5期胡立华等:基于PLC的热泵式温控箱控制系统设计

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作的优先方式。温控箱控制逻辑:5个温控箱独立 控制，每个温控箱的控制逻辑相同，温度箱的设定 温度r设，温控箱外界的温度7^。当r设>7^时，开 热水回路电磁阀，当

时

，开冷水回路电磁

阀。同时根据温度传递的滞后性及温控箱内的实 时温度7^，提前开启和关闭电磁阀，防止温度窜 动，使温度始终在设定温度的一定偏差范围内 波动。除了上述两个部分之外，程序还包含温度 数据的采集、热泵及水泵状态监测、数据处理、采集器热泵出错报警处理及手自动控制等程序设 计。程序流程如图3所示。

图3控制流程图

程序以温度采集为例，通过设定采集器通信 格式，利用Modrd指令读取采集器中4个通道的温 度。具体程序如图4所示。采集的温度数据分别 放置在D100 ~ D103,根据实际传感器的布置位置 用于人机界面显示及其它运算处理。

人机界面的使用提高人机交流的便利性及系 统的灵活性。根据系统设计功能要求，主要分为3 类控制界面:显示界面、操作界面及报警界面。通 过控制界面可以直接读取温度信息、进行手自动 切换、手动控制各个元器件、各项参数设定、数据 保存、系统出错报警等。具体界面例如显示界面, 如图5所示。整个界面的设计是将PLC中对应的 各个采集用的温度寄存器与显示界面实时温度单 元相连接;PLC设定温度的寄存器与显示界面设 定温度单元相连接;PLC的继电器、热栗输出口 Y 与显示界面对应指示灯相连接;显示界面的温控 箱历史曲线通过定时读取PLC对应的采集用的温

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度寄存器。人机界面友好，可视性强:通过界面可 以直观的看出各个温控箱及水箱的实时温度，同 时可根据需要设定它们的运行温度;根据各个温 控箱设定温度、环境温度及电磁阀的运行状态判 断温控箱是否运行正常;通过温控箱历史曲线了 解温控箱温度变化情况及温控箱运行状态。

3结束语

本设计控制系统采用PLC作为控制器，利用

合理的控制逻辑使整个热泵式温控箱系统运行稳 定可靠;人机界面设计友好，操作方便，合理的参 数设定及数据保存，大大提高了温控箱的应用范 围;控制系统使整个热泵式温控箱操作方便、运行 可靠、高效节能。同时PLC程序和界面都是开源 的，设备之间采用ModBuS/RS485通讯，方便系统 进行修改和扩展，为热泵式温控箱进一步开发提 供基础。

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机电技术2017年10月

3仿真模拟及分析

在Simulink环境中建立如图5和图6所7TC的

仿真系统。调用PID Timer功能使其对应每一个 数学模型自动生成最优的PID值，运行后在scope 环境下生成如图7所示的结果。

曲线I基于电学知识角度建模，曲线n基于 热量传递角度建模，对比两条曲线可以看出，曲线 II的阶跃响应超调量远小于曲线I ,静态误差小, 响应速度快。总体而言热量传递角度建模要相比

J

Step

图7利用PID控制后的阶跃响应图

电学知识角度建模更能够进一步反映喷头温度的 真实变化。

p

PID(s)

1444s+1Transfer Fen

ZA/

Transport

Delay

|^|Scope

PID Controller

4结束语

本文通过热量传递知识和电学知识分别建立

图5J

Step

热量传递建模pro控制阶跃响应图WPID(s)

PID Controller

18.6

43.4S+1

喷头温度数学模型，利用实验室桌面级3D打印机

I~~|

Scope

ZX\\/

Transport

Delay

记录所需的实验数据，基于MATLAB确立具体参 数，通过在Simulink环境中模拟仿真比较，发现热 量传递建模的阶跃响应超调量小、静态误差小、响 应速度快，从而提高了喷头温度的控制精度。

Transfer Fen

图6电学知识建模PID控制阶跃响应图

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(上接第21页）

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