摘  要： 地下熱容量測試系統是一種較典型的集成化自動控制系統，以可編程邏輯控制器（西門子S7-200）為控制系統核心，采用恒溫或者恒功率的方法，對出水口和回水口的溫度進行采集、傳輸、運算，并且將其通過觸摸顯示屏顯示出來，進而利用這些數據對土壤源熱容量進行分析，為合理地設計地源熱泵空調系統提供了重要依據。
關鍵詞： 可編程邏輯控制器；土壤源熱容量；觸摸顯示屏

    地源熱泵是一項高效節能型、環保型并能實現可持續發展的新技術，它既不會污染地下水，又不會引起地面沉降。設計應用地源熱泵空調系統的初期，需要準確地掌握地下熱容量的情況。因此，地下熱容量測試系統的研制也同時被提出，使用熱容量測試系統對地下的熱容量進行準確的測試，為合理設計地源熱泵空調系統提供了重要依據。所以為了更好地利用地源熱泵空調系統為人們的生活提供服務，土壤源熱容量測控系統的研究就變得尤為重要。
1 土壤源熱容量測控系統的原理
    土壤源熱容量測控系統是一種較典型的集成化自動控制系統，該控制系統采用恒溫或者恒功率的方法，對出水口和回水口的溫度進行采集、傳輸、運算，并且將其通過觸摸顯示屏（威綸MT6070）顯示出來，進而對顯示出來的數據進行土壤源熱容量分析，從而得知該地區的土壤源熱容量是否優異，是否可以安裝地源熱泵空調，為地源熱泵空調系統的安全運行提供重要依據。
    設置出水口溫度為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，使系統能夠正常安全的運行。
2 土壤源熱容量測控系統的構成
    該系統由S7-200PLC、威綸MT6070觸摸顯示屏、固態繼電器（SSR-1、SSR-2）、一臺水泵電機、一個溫度傳感器和若干輔助器件組成。系統設置一個開關，控制整個電路的運行；同時還設置一個急停開關，在系統出現故障時及時將電路斷開，保證安全；并且配有一個電源指示燈。該系統采用熱電阻測溫，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）轉換成4~20 mA的電流送入CPU處理運算，CPU處理運算后的數據通過模擬量輸入/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據進行分析。該系統的CPU輸出輸入線路圖1所示。
土壤源熱容量測控系統的AD觸摸顯示圖如圖2所示。CPU處理運算后的數據通過模擬量輸入/輸出模塊（EM235）送至觸摸顯示屏顯示出來。

    圖3中，三個溫度變送器將出水口溫度T1、回水口溫度T2、水箱溫度T3經過采集、變送，再送入CPU中進行運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來想要分析的數據，從而分析土壤源熱容量是否符合要求。
    結合該系統的要求，系統設計采用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]。該系統中采用威綸MT6070觸摸顯示屏來顯示CPU處理運算過的數據MT6070，觸摸顯示屏上有與PLC相對應的接口，直接使用即可。MT6070威綸顯示屏和系統時間是通過串口通信實現數據轉換的，可以使用232或者485實現該功能，PLC上有串口，可以直接連接使用[3-4]。
    該系統I/O分配表如表1所示。

    該系統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進行處理運算。
4 土壤源熱容量測控系統的軟件設計
    該系統采用熱電阻測溫，熱電阻把溫度轉換成電阻值，這樣就可以通過測量電阻來測量溫度。測量電阻通常可利用歐姆表或電橋的方法[3]。
    恒溫檢測：CPU通過模擬量輸出擴展模塊將水箱的的溫度設定在一個定值，即讓加熱水箱出水口溫度（即水井的回水口溫度）維持在一個固定值（如30℃），觀察水井的出水口溫度數值的變化情況。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是個變量。最后將三處采集的溫度變送后送到CPU處理運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來，進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℃，此時再次從水井出來的水的溫度變為T1=Ti，若此時的Ti和之前的T1相差不大，則說明土壤源熱容量大且比較優異，較為適合地源熱泵空調的安裝。
恒功率檢測：CPU通過模擬量輸出擴展模塊將水箱的的溫度設定在一個固定值，即加熱水箱功率維持在一個固定值（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處理運算，再通過觸摸顯示屏顯示出來，進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有一個溫差值，經過一段時間后，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系統的運行和使用。
    該設計利用PID控制算法，實現對地下水設定負載的溫度控制，如圖6所示。

    比例項Kc（SPn-PVn）：能及時地產生與偏差（SPn-PVn）成正比的調節作用，比例系數Kc越大，則比例調節作用越強，系統的穩態精度越高，但Kc過大將導致系統的輸出量振蕩加劇，穩定性降低。積分項Kc（Ts/Ti）（SPn-PVn）+Mx：與偏差有關，只要偏差不為0，PID控制的輸出就會因積分作用而不斷變化，直到偏差消失。微分項Kc（Td/Ts）（PVn-1-PVn）：根據誤差變化的速度（即誤差的微分）進行調節，具有超前和預測的特點。微分時間常數Td增大時，超調量減少，動態性能得到改善，如Td過大，系統輸出量在接近穩態時可能上升緩慢[6]。
    同時PID控制算法還具有報警等特殊操作，S7-200的PID指令既簡單，又功能強大。如果其他的過程需要對回路變量進行報警或進行某些特殊計算處理時，可以用CPU支持的其他基本指令編程實現。
    在設計應用地源熱泵空調系統的初期，需要準確地掌握地下熱容量的情況。因此，地下熱容量測試系統的研制也同時提出，使用熱容量測試系統對地下的熱容量進行準確地測試后，為合理設計地源熱泵空調系統提供了重要依據，進而可更好地利用地源熱泵空調系統為人們的生活提供服務。
參考文獻
[1] 張宏林.PLC應用開發技術與工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[2] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2005.
[3] 張毅.自動檢測技術及儀表控制系統[M].北京：化學工業出版社（第二版），2001.
[4] 齊占慶.電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.
[5] 西門子（中國）有限公司自動化與驅動集團.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.