摘  要： 地下熱容量測試系統(tǒng)是一種較典型的集成化自動(dòng)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(huì)污染地下水，又不會(huì)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(shí)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(dòng)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(tái)水泵電機(jī)、一個(gè)溫度傳感器和若干輔助器件組成。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)開關(guān)，控制整個(gè)電路的運(yùn)行；同時(shí)還設(shè)置一個(gè)急停開關(guān)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)將電路斷開，保證安全；并且配有一個(gè)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(gè)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(shí)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?？衫脷W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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)再次從水井出來的水的溫度變?yōu)門1=Ti，若此時(shí)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(gè)固定值，即加熱水箱功率維持在一個(gè)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(gè)溫差值，經(jīng)過一段時(shí)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(shí)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(huì)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(shí)間常數(shù)Td增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)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(shí)可能上升緩慢[6]。
    同時(shí)PID控制算法還具有報(bào)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(bào)警或進(jìn)行某些特殊計(jì)算處理時(shí)，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(shí)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)
[1] 張宏林.PLC應(yīng)用開發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[2] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.
[3] 張毅.自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社（第二版），2001.
[4] 齊占慶.電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[5] 西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).S7-200 CN可編程序控制器手冊[M].2005.
[6] MULLA C A. Control of a four-level elevator system using a programmable logic controller[C]. International Journal of Electrical Engineering Education，2003.