PLC在热泵热水器中的应用
热泵热水器设备是一种高效节能的热水制取装置。PLC控制系统开发周期短，抗干扰性能强，可很方便的进行组态，以满足不同工程现场和用户的特殊要求。PLC控制系统在热泵热水器中的应用，有很广阔的市场前景。
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1 热泵热水器概述
1.1 性能特点
高效节能：制热能效比COP可达4.0；安全环保：以清洁再生原料（空气+电）为能源，无污染物排放，减少了温室效应和大气污染。
1.2 工作原理
运用逆卡诺循环原理，使工质产生相变：气态→液态→气态→液态，利用这一往复循环相变过程不断地从空气中吸收热量，再向水中释放热量，从而实现对水的加热。
1.3 主要组成部分
压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、风机。
1.4 现场工程安装所需主要装置
水箱、蓄热泵、供水泵、水位、水温、回水传感器、供水压力开关等。
2 PLC控制系统设计
2.1 整个控制系统的I/O配置情况
2.1.1 开关量输入（干触点）
压缩机过载保护开关；电除霜过载保护开关；风机过载保护开关；蓄热泵过载保护开关；回水泵过载保护开关；电辅热过载保护开关；压缩机高压保护开关；压缩机低压保护开关；压缩机排气保护开关；热泵水系统水流开关；电源相序保护开关；回水水系统压力开关；系统启停开。
2.1.2 开关量输出（继电器）
压缩机控制；电除霜控制；风机控制；蓄热泵控制；回水泵控制；电辅热控制；补水阀控制；报警输出控制；正常运行指示。
2.1.3 温度传感器输入（K型热电偶）
进水温度；出水温度；水箱温度；回水温度；冷排温度；环境温度。
2.1.4 水箱水位压力传感器
标准环境下，1米高的水所产生的压力约为0.1kgf/cm2，压力传感器将水高度产生的压力转换为电压信号1～5V，拟定量程0～5米。
2.2 控制系统的选型
根据以上I/O配置情况，选用西门子品牌S7-200CN系列模块：
2.2.1 主控制单元
CPU224XPCN，自带14路开关量输入，10路继电器输出，2路RS-485通讯端口，2路模拟量输入和1路模拟量输出。
2.2.2 温度传感器扩展单元
EM2318AI，8路K型热电偶输入。
3 控制功能设计
3.1 系统启停控制
系统启动按键闭合后启动运行，断开时停止运行。系统启停顺序：
（1）启动：启动蓄热泵→延时30S检测水流信号→启动风机→延时5S→启动压缩机。
（2）停止：停止压缩机→延时30S→停止风机→延时30S→停止水泵。
（3）水箱温度控制：
开机后，当水箱温度大于设定值（默认45℃），热泵将切换到待机状态；当水箱温度降低到下回差以下（43℃）时，重新启动制热。
3.2 系统水位控制
（1）非温控补水。设置2个水位点，高水位和低水位，水箱水位低于低水位补水阀打开，达到高水位补水阀关闭。
（2）温控补水。设置3个水位点，高水位、中水位和低水位，水箱水位低于中水位补水，补水过程中水箱温度低于设定值90%时关闭补水阀，达到设定值时重新打开补水阀。水箱在水位低于低水位时，将立即打开补水阀，达到中水位以上才判断水箱温度值。此功能可保证水箱温度较为恒定。
3.3 系统供水和回水
（1） 供水系统压力控制。压力开关可调上限和回差，上限设定为2.5kgf/cm2，回差设定为0.2kgf/cm2，供水水压力达到2.5kgf/cm2时，压力开关触点断开，压力回落到2.3kgf/cm2以下时触点复位，压力再达到2.5kgf/cm2时，触点再次断开。当PLC检测到压力开关断开时，通过程序停止供水泵，当检测到压力开关闭合时，启动供水泵。供水管路上必须安装逆止阀和稳压罐。
3.3.2 回水系统温度控制：
在供水过程中，当回水端温度低于38℃时，打开回水阀，此时供水端压力降低，供水泵随之启动，水箱的热水在供水管路循环，当回水端温度升至40℃时，关闭回水阀，停止回水。此功能可确保在用户端随时都有40℃左右的热水供给。
3.4系统保护控制
（1）压缩机保护停机控制。压缩机运行过程中当水流、高压、低压、排气温度开关任一断开后，压缩机停止运行。
（2）过载保护停机控制。压缩机、风机、蓄热泵、供水泵、电除霜、电辅热等器件，在运行过程中，若过载保护开关跳断，该器件停止运行。
（3）电源相序保护控制。当电源逆相、缺相、过欠压时，电源相序保护器的NC触点将断开，PLC检测到后立即停止三相电机负载的输出，保护设备的安全。
（4）温度传感器故障。检测温度超限时进行报警提示。
3.5 防冻保护功能
（1）一次水路防冻。系统在关机或待机状态下，当进水/出水温度低于4℃，启动蓄热泵进行防冻；当进水/出水温度达到10℃，停止蓄热泵，退出防冻。
（2）二次水路防冻。当回水温度低于4℃，开启回水电磁阀，启动供水泵进行防冻；当回水温度达到10℃，关闭回水电磁阀，停止供水泵，退出防冻。
3.6 系统的自动除霜控制
系统制热运行中，PLC实时检测环境和冷排温度值，当满足除霜条件时，暂时退出制热状态，除霜电加热启动进行除霜。当达到退出除霜条件或除霜时间超限时，自动退出除霜。除霜模式有很多种，这里不做赘述。
4 模块化控制和网络远程控制
4.1 模块化集中控制
PLC的CPU单元有2个通讯串口，支持PPI协议和Modbus-RTU协议，PPI协议可实现1主机控制几台从机的模块化功能，水温、水位、补水、回水、防冻等功能都由主机统一指挥，可减少从机的电气冗余设计和布线现场。
4.2 网络远程控制
Modbus-RTU协议可以使用上位机组态软件，将现场PLC所有数据和状态汇总到上位机，通过操作页面的网络发布，即可实现互联网远程监控功能，方便实时跟踪现场设备的运行状态和必要的数据历史记录。
作者单位
北京同方洁净技术有限公司 北京市 100000
