CN103324222A - 一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,包括上位机MCGS、下位机PLC、温度湿度测量模块、温度调节模块、湿度调节模块、被测空气源热泵机组、热泵电源管理模块,所述上位机MCGS与下位机PLC相连;所述温度湿度测量模块通过模拟量采集器与下位机PLC相连;所述温度调节模块与下位机PLC相连;所述湿度调节模块与下位机PLC相连;所述被测空气源热泵机组与热泵电源管理模块相连,所述热泵电源管理模块与上位机MCGS相连;所述被测空气源热泵机组与模拟量采集器之间设有进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器。本发明具有稳定可靠、易于使用、廉价的特点;加入了能耗效率测试系统,使系统更全面更完整,实用性更强。

Description

一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种温湿度控制及耗能效率测试系统及方法,具体的涉及一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统及方法。
背景技术
[0002] 空气源热泵具有高效节能的特点,其每小时的耗电量是同等容量燃气热水器的1/3,电加热器的1/4,它以其节能环保的优势占据了市场大量的份额。在空气源热泵出厂之前需要对其能耗和效率做一个详细的测试,测试合格的才可以出厂。而测试需要在一个严格的环境下,必须要求空气的温度和湿度达到一定的标准。空气的温度、湿度参数与人类的生产、生活有着密切的关系,同时也是工业车间生产中最为常见最基本的工艺参数,例如纺织、电子实验室、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度湿度的检测与控制。随着生活水平的不断提高,人们对生存环境的要求也越来越高,而空气环境的湿度直接影响人们的身体健康,所以对于空气湿度实现精准的采集与控制是非常重要的。随着科学技术的发展很多工业环境都对湿度有很高的要求,如热泵出厂之前必须在实验室中进行标准测试。传统的实验室温湿度控制系统很多步骤是通过手工调节的,数据的采集也很多是通过人工轮询手工抄录的方式。这种方式效率低下,不具有科学性,误差也比较大。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种稳定可靠、简单、廉价、易于使用的热泵实验室温湿度控制和能耗效率测试系统及方法。
[0004] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,包括上位机MCGS、下位机PLC、温度湿度测量模块、温度调节模块、湿度调节模块、被测空气源热泵机组、热泵电源管理模块,
[0005] 所述上位机MCGS与下位机PLC相连;
[0006] 所述温度湿度测量模块由温度传感器、温度变送器组成,所述温度传感器设有两个,分别为第一温度传感器、第二温度传感器,所述第一温度传感器测量干球的温度,第二温度传感器测量湿球的温度,所述第一温度传感器、第二温度传感器分别与两个温度变送器相连,所述两个温度变送器均通过模拟量采集器与下位机PLC相连;
[0007] 所述温度调节模块由水循环供热系统、电机、变频器组成,所述水循环供热系统通过电机与变频器相连,所述变频器与下位机PLC相连;
[0008] 所述湿度调节模块由加湿器、固态继电器组成,所述加湿器与固态继电器相连,所述固态继电器与下位机PLC相连;
[0009] 所述被测空气源热泵机组与热泵电源管理模块相连,所述热泵电源管理模块与上位机MCGS相连,所述热泵电源管理模块为被测空气源热泵机组供电,并测量被测空气源热泵机组工作时的电压、电流、频率及功率;
[0010] 所述被测空气源热泵机组与模拟量采集器之间设有进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器,所述进水温度测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时的进水温度传递给所述模拟量采集器,所述出水温度测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时的出水温度传递给所述模拟量采集器,所述水流量测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时水的流量传递给所述模拟量采集模块。
[0011] 本发明的有益效果是:本发明所述的一种热泵实验室的温湿度控制及耗能效率测试系统是一套完整的温湿度控制及耗能效率测试系统,具有稳定可靠、简单、易于使用、廉价的特点;同时,本热泵实验室的温湿度控制及耗能效率测试系统是专门针对空气源热泵的一套系统,与其他温湿度控制系统的区别就在于在系统中加入了耗能效率测试系统,使系统更全面更完整,实用性更强。
[0012] 在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
[0013] 进一步,所述下位机PLC采用的是S7-200PLC。
[0014] 采用上述进一步方案的有益效果是:下位机采用S7-200PLC使控制稳定可靠,在温度和湿度的控制环节中加入了 PID算法使控制更为精确,PLC与上位机配合实现系统的自动化控制。
[0015] 进一步,所述第一温度传感器、第二温度传感器均为钼热电阻PT100。
[0016] 采用上述进一步方案的有益效果是:温度传感器用的是对温度敏感度较高的钼热电阻PT100,它的阻值跟温度的变化成正比,当PT100在O摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,当温度升高时它的阻值会随着温度上升而线性增长,当温度下降时它的阻值会随着温度下降而线性减少,能提高测量的精度。
[0017] 进一步,所述模拟量采集器为EM235模块。
[0018] 采用上述进一步方案的有益效果是:模拟量采集器为EM235模块,简化了本发明所述的一种热泵实验室温湿度控制及耗能效率测试系统的设计。
[0019] 进一步,所述温度变送器采用SBWZ温度变送器,所述SBWZ温度变送器的类型为4〜20mA电流型。
[0020] 采用上述进一步方案的有益效果是:选择4〜20mA电流型减少了回路中电阻的影响,抗干扰能力强,减少了采集过程中的的误差。
[0021] 进一步,所述第一温度传感器、第二温度传感器与两个温度变送器之间的接线采用三线制接法。
[0022] 采用上述进一步方案的有益效果是:PT100和变送器之间的接线是采用三线制,三线制接法能够减少导线电阻所引入的误差,从而提高测量精度。
[0023] 一种热泵实验室的温湿度控制和耗能测试方法,包括温湿度控制方法和耗能效率的测试方法。
[0024] 温湿度控制方法包括以下步骤,
[0025] 步骤一,所述第一温度传感器、第二温度传感器分别测出热泵实验室的干球温度和湿球温度;
[0026] 步骤二,所述两个温度变送器分别将所述第一温度传感器测量的干球的温度和第二温度传感器测量的湿球的温度信号转化为4〜20mA的标准电流信号,并将4〜20mA的标准电流信号传递给模拟量采集器;
[0027] 步骤三,所述模拟量采集器采集到两个温度变送器传递过来的4〜20mA的标准电流信号并将电流信号转化成数字信号,所述模拟量采集器将数字信号传送给下位机PLC ;
[0028] 步骤四,下位机PLC对数字信号进行相应的变化和处理,下位机PLC将变化和处理后的数字信息通过标准Modbus通信协议传给上位机MCGS ;
[0029] 步骤五,上位机MCGS通过第一温度传感器测出的干球温度和第二温度传感器测出的湿球温度计算出热泵实验室湿度,并显示测量的实验室温度值和湿度值;
[0030] 步骤六,下位机PLC将测量的湿度值作反馈值,根据上位机MCGS中预设的湿度值控制下位机PLC,下位机PLC控制湿度调节模块,达到湿度可调并达到恒定的目的;
[0031 ] 下位机PLC把干球温度值作为反馈值,根据上位机MCGS中预设的温度值控制下位机PLC,下位机PLC控制温度调节模块调节热泵实验室的温度;
[0032] 所述耗能效率测试方法为:
[0033] 首先,所述进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器分别测量被测空气源热泵机组工作时的进水温度、出水温度及水的流量,根据被测空气源热泵机组的进水温度、出水温度和水的流量计算出被测空气源热泵机组的产热功率;
[0034] 然后,所述电源管理模块为被测空气源热泵机组供电,并且测量被测空气源热泵机组工作时的电压、电流、频率及耗能功率;
[0035] 最后,根据被测空气源热泵机组的产热功率和耗能功率就可以计算出热泵的效率。
[0036] 在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
[0037] 进一步,所述实验室测量的湿度值作为下位机PLC中的PID算法的反馈值,根据上位机MCGS中预设的湿度值控制下位机PLC中的PID输出,PID输出一个占空比不断变化的PWM脉冲串,从而控制固态继电器控制加湿器,达到湿度可调并达到恒定的目的;
[0038] 所述热泵实验室测量的干球温度作为反馈值,根据上位机MCGS中预设的温度值控制下位机PLC中的PID输出,PID输出一个4〜20mA的模拟量,将此模拟量加到变频器的控制端口,变频器控制电机的转速,当温度过低时电机转速增加,水循环供热系统中的水流速度加快,室温增加,当温度过高时电机转速减小,水循环供热系统中水的流速减小,同时,被测空气源热泵机组工作时也大量吸收室内的热量使室温下降,从而实现温度的调节控制。
附图说明
[0039] 图1为本发明一种热泵实验室温湿度控制和耗能测试系统的结构框图。
具体实施方式
[0040] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
[0041] 如图1所示,一种热泵实验室的温湿度控制和耗能测试系统,包括上位机MCGS、下位机PLC、温度湿度测量模块、温度调节模块、湿度调节模块、被测空气源热泵机组、热泵电源管理模块。所述上位机MCGS与下位机PLC相连;所述上位机MCGS是基于MCGS的监控软件平台,MCGS即Monitor and Control Generated System—监视与控制通用系统,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件统统,主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制;所述温度湿度测量模块由温度传感器、温度变送器组成,所述温度传感器设有两个,所述温度传感器采用钼热电阻PT100,分别为第一温度传感器、第二温度传感器,所述第一温度传感器测量干球的温度,第二温度传感器测量湿球的温度,所述第一温度传感器、第二温度传感器分别与两个温度变送器相连,所述两个温度变送器均通过模拟量采集器与下位机PLC相连,所述模拟量采集器采用的是EM2345模块;所述温度调节模块由水循环供热系统、电机、变频器组成,所述水循环供热系统通过电机与变频器相连,所述变频器与下位机PLC相连;所述湿度调节模块由加湿器、固态继电器组成,所述加湿器与固态继电器相连,所述固态继电器与下位机PLC相连;所述被测空气源热泵机组与热泵电源管理模块相连,所述热泵电源管理模块与上位机MCGS相连,所述热泵管理模块为被测空气源热泵机组供电,并测量被测空气源热泵机组工作时的电压、电流、频率、及功率;所述下位机PLC和模拟量采集器的供电有电源模块提供;所述被测空气源热泵机组与模拟量采集器之间设有进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器,所述进水温度测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时的进水温度传递给所述模拟量采集器,所述出水温度测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时的出水温度传递给所述模拟量采集器,所述水流量测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时水的流速传递给所述模拟量采集模块。
[0042] 本发明一种热泵实验室的温湿度控制及耗能效率测试系统的温湿度控制及耗能效率测试方法过程如下:
[0043] 1、温湿度控制的方法过程:
[0044] 在本发明所述的系统中,所述第一温度传感器测量干球的温度,第二温度传感器测量湿球的温度,所述干球为第一温度传感器裸露在空气中直接和空气接触,所述湿球是用纱布将第二温度传感器包裹,并将纱布放入蒸馏水中,所述湿球上的纱布在一定的时间要进行更换,湿球必须置于一个通风的环境中,风速必须要达到2.5m/s,只有在纱布的质量、水质、风速等都达到一定的条件时才能达到想要的精度。
[0045] 实验室温度的测量是通过所述第一温度传感器测量干球的温度实现的;实验室湿度的测量是通过测量干湿球温度的方法得到的,所述第一温度传感器测量干球温度即实验室温度,第二温度传感器测量湿球温度,再根据干湿球温度及湿度对照表通过Matlab曲线拟合得到湿度的计算公式。
[0046] 湿度与干球温度、湿球温度的关系为:湿度=(-1) * ((al*干球温度*干球温度*干球温度*干球温度)+ (a2*湿球温度*湿球温度*湿球温度*湿球温度)+ (a3*干球温度*干球温度*干球温度*湿球温度)+ (a4*干球温度*干球温度*湿球温度*湿球温度)+ (a5*干球温度*湿球温度*湿球温度*湿球温度)+ (a6*干球温度*干球温度*干球温度)+ (a7*湿球温度*湿球温度*湿球温度)+ (a8*干球温度*干球温度*湿球温度)+ (a9*干球温度*湿球温度*湿球温度)+ (alO*干球温度*干球温度)+ (al I*湿球温度*湿球温度)+ (al2*干球温度*湿球温度)+al3*干球温度+a14*湿球温度+a15),其中,
[0047] al=-0.000058555021637
[0048] a2=0.00011571159006
[0049] a3=-0.000135408110067
[0050] a4=0.000492507566771
[0051] a5=-0.000404764919962[0052] a6=0.015332424000326
[0053] a7=-0.000081958429721
[0054] a8=-0.020534220853708
[0055] a9=0.004276979433673
[0056] al0=-0.768060529274096
[0057] all=-0.207537207328461
[0058] al2=l.01344036145292
[0059] al3=16.19945677145896
[0060] al4=-16.791343527335783
[0061] al5=-96.73802222737889
[0062] 所述第一温度传感器测量的干球的温度和第二温度传感器测量的湿球的温度分别经过两个温度变送器将温度信号转化为4〜20mA的标准电流信号,模拟量采集器采集到温度变送器传递过来的4〜20mA的标准电流信号并将4〜20mA的标准电流信号转化成数字信号,模拟量采集器将数字信号传送给下位机PLC,下位机PLC对数字信号进行相应的变化和处理,然后下位机将变化和处理后的数字信息通过标准的Modbus通信协议传给上位机MCGS,上位机MCGS计算出湿度的值并显示测量的实验室温度值和湿度值。
[0063] 上位机MCGS中预设有温度值和湿度值。实验室测量的湿度值作为PID指令中的反馈值,然后再根据上位机MCGS中预设的湿度值控制下位机S7-200PLC中的PID输出,PID输出一个占空比不断变化的脉冲串,从而控制固态继电器控制加湿器,达到湿度可调并达到恒定的目的。温度的控制是把干球温度作为反馈值,再根据上位机MCGS中预设的温度值控制下位机S7-200PLC中的PID输出,PID输出一个4〜20mA的模拟量,将此模拟量加到变频器的控制端口,变频器控制电机的转速,温度控制系统是一个水循环供热系统,类似于家中的暖气,当温度过低时电机转速增加水流速度加快室温增加,同理,当温度过高时会降低水的流速,从而实现温度的调节控制。
[0064] 2、耗能效率测试的方法过程:
[0065] 被测空气源热泵机组上设有进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器,所述进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器分别测量热泵工作时的进水温度、出水温度及水的流速,然后根据被测空气源热泵机组的进水温度、出水温度和水的流量计算出被测空气源热泵机组的产热功率;电源管理模块为被测空气源热泵机组供电,并且测量被测空气源热泵机组工作时的电压、电流、频率及耗能功率,最后根据被测空气源热泵机组的产热功率和耗能功率就可以计算出热泵的效率,判断被测空气源热泵机组的性能是否合格,是否允许出厂。
[0066] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,其特征在于:包括上位机MCGS、下位机PLC、温度湿度测量模块、温度调节模块、湿度调节模块、被测空气源热泵机组、热泵电源管理模块, 所述上位机MCGS与下位机PLC相连; 所述温度湿度测量模块由温度传感器、温度变送器组成,所述温度传感器设有两个,分别为第一温度传感器、第二温度传感器,所述第一温度传感器测量干球的温度,第二温度传感器测量湿球的温度,所述第一温度传感器、第二温度传感器分别与两个温度变送器相连,所述两个温度变送器均通过模拟量采集器与下位机PLC相连; 所述温度调节模块由水循环供热系统、电机、变频器组成,所述水循环供热系统通过电机与变频器相连,所述变频器与下位机PLC相连; 所述湿度调节模块由加湿器、固态继电器组成,所述加湿器与固态继电器相连,所述固态继电器与下位机PLC相连; 所述被测空气源热泵机组与热泵电源管理模块相连,所述热泵电源管理模块与上位机MCGS相连,所述热泵电源管理模块为被测空气源热泵机组供电,并测量被测空气源热泵机组工作时的电压、电流、频率及功率; 所述被测空气源热泵机组与模拟量采集器之间设有进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器,所述进水温度测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时的进水温度传递给所述模拟量采集器,所述出水温度测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时的出水温度传递给所述模拟量采集器,所述水流量测量器将测量的被测空气源热泵机组工作时水的流量传递给所述模拟量采集模块。
2.根据权利要求1所述的一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,其特征在于:所述下位机PLC采用的是S7-200PLC。
3.根据权利要求1或2所`述的一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,其特征在于:所述第一温度传感器、第二温度传感器均为钼热电阻PT100。
4.根据权利要求1或2所述的一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,其特征在于:所述模拟量采集器为EM235模块。
5.根据权利要求1或2所述的一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,其特征在于:所述温度变送器采用SBWZ温度变送器,所述SBWZ温度变送器的类型为4〜20mA电流型。
6.根据权利要求1或2所述的一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试系统,其特征在于:所述第一温度传感器、第二温度传感器与两个温度变送器之间的接线采用三线制接法。
7.一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试方法,其特征在于:包括温湿度控制方法和耗能测试方法, 温湿度控制方法包括以下步骤, 步骤一,所述第一温度传感器、第二温度传感器分别测出热泵实验室的干球温度和湿球温度; 步骤二,所述两个温度变送器分别将所述第一温度传感器测量的干球的温度和第二温度传感器测量的湿球的温度信号转化为4〜20mA的标准电流信号,并将4〜20mA的标准电流信号传递给模拟量采集器; 步骤三,所述模拟量采集器采集到两个温度变送器传递过来的4〜20mA的标准电流信号并将电流信号转化成数字信号,所述模拟量采集器将数字信号传送给下位机PLC ; 步骤四,下位机PLC对数字信号进行相应的变化和处理,下位机PLC将变化和处理后的数字信息通过标准Modbus通信协议传给上位机MCGS ; 步骤五,上位机MCGS通过第一温度传感器测出的干球温度和第二温度传感器测出的湿球温度计算出热泵实验室湿度,并显示测量的实验室温度值和湿度值; 步骤六,下位机PLC将测量的湿度值作反馈值,根据上位机MCGS中预设的湿度值控制下位机PLC,下位机PLC控制湿度调节模块,达到湿度可调并达到恒定的目的; 下位机PLC把干球温度值作为反馈值,根据上位机MCGS中预设的温度值控制下位机PLC,下位机PLC控制温度调节模块调节热泵实验室的温度; 所述耗能效率测试方法为: 首先,所述进水温度测量器、出水温度测量器及水流量测量器分别测量被测空气源热泵机组工作时的进水温度、出水温度及水的流量,根据被测空气源热泵机组的进水温度、出水温度和水的流量计算出被测空气源热泵机组的产热功率; 然后,所述电源管理模块为被测空气源热泵机组供电,并且测量被测空气源热泵机组工作时的电压、电流、频率及耗能功率; 最后,根据被测空气源热泵机组的产热功率和耗能功率就可以计算出热泵的效率。
8.根据权利要求7所述的一种热泵实验室的温湿度控制和耗能效率测试方法,其特征在于:所述实验室测量的湿 度值作为下位机PLC中的PID算法的反馈值,根据上位机MCGS中预设的湿度值控制下位机PLC中的PID输出,PID输出一个占空比不断变化的PWM脉冲串,从而控制固态继电器控制加湿器,达到湿度可调并达到恒定的目的; 所述热泵实验室测量的干球温度作为反馈值,根据上位机MCGS中预设的温度值控制下位机PLC中的PID输出,PID输出一个4〜20mA的模拟量,将此模拟量加到变频器的控制端口,变频器控制电机的转速,当温度过低时电机转速增加,水循环供热系统中的水流速度加快,室温增加,当温度过高时电机转速减小,水循环供热系统中水的流速减小,同时,被测空气源热泵机组工作时也大量吸收室内的热量使室温下降,从而实现温度的调节控制。
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