CN105371500A - 相变蓄热空气源热泵热水机组控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种相变蓄热空气源热泵热水机组控制系统及其控制方法是通过微控制器单元、传感器单元、模拟量调理单元、数据采集单元、显示单元、通讯单元、操控单元和驱动单元，采用模块化的系统结构，将各单元组成一控制系统，采用自动化和数据融合技术监控热水机组的运行状态，并根据实际保温水箱温度、环境温度和热水机组的不同工况实现自动调节。本发明监测参数全面，结构简单，控制方便，实现了热水机组运行的连续性、可靠性和安全性。

Description

相变蓄热空气源热泵热水机组控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种空气源热泵热水机组控制系统，尤其一种用于相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组的控制系统。

背景技术

本专利申请是基于申请人已申请的公开号为CN102798214A公开的“一种相变蓄热空气源热泵热水机组”的发明专利，实现对其进行智能化自动检测并控制的技术方案申请，经发明人检索，能够获得的现有技术如下：

公开号为CN204256466U公开了一种名称为“热泵设备自动化控制系统”的实用新型专利，该专利通过热泵系统与控制系统之间的结构连接关系，使用PLC连接电气控制柜实现了自动控制，其每套热泵系统仅安装有一个压力表、一个温度计和一个液位传感器，监测量少，且由于控制器PLC本身具有较强的逻辑控制能力，但运算能力不足的问题，无法对热泵系统各个部分传感器数据进行融合，造成故障数据不全面，又由于热泵存在传感器安装数量少，采集数据不全面且不准确的问题，控制系统并未对所有的热泵机组进行检测和控制。

公开号为CN102353089A公开了一种名称为“太阳能空气源热泵综合采暖控制系统”的发明专利，该发明专利所述的技术方案主要描述了采暖系统的组成及工作方式，并未对采暖系统进行自动控制，其控制仅仅是对管路的流通路径和方向进行了改变，并未对管路流量进行实时调节，未能达到精确自动控制的目的。

公开号为CN103711684A公开了一种“空气源热泵专用智能控制装置”的发明专利，该智能控制装置是由数字量采集单元、故障采集单元、模拟量采集单元、温度采集单元、继电器输出单元、故障输出单元、语音报警输出单元、模拟量输出单元、CPU处理单元、通讯接口单元、外围通讯单元和设备信息单元组成，设备信息单元经过数字量采集单元、故障采集单元、模拟量采集单元和温度采集单元连接至CPU处理器单元，再由CPU处理器单元分别连接到继电器输出单元、故障输出单元、语音报警输出单元和模拟量输出单元，最后汇集连接至外围执行单元。该发明采用模块化集成设计，可节约成本和系统空间，而且集成的语音报警单元和通讯接口单元可实现良好的现场监控和数据共享，为系统维护提供了方便。但该控制装置仅仅是用于控制空气源热泵的，而未对整个热水机组系统进行控制，而且检测功能也仅仅是对空气源热泵进行监测和保护，缺乏对整个系统各个部分进行监测控制。

上述现有空气源热泵热水机组在运行时，存在参数不直观、系统数据不明确、工况不稳定、压缩机易损坏、无法故障预警、故障信息滞后、无系统自保护和控制智能化程度低等缺陷，迫切需要针对空气源热泵热水机组开发一种集监测、控制、保护与智能识别于一体的自动控制系统。

发明内容

本发明针对公开号为：CN102798214A公开的“一种相变蓄热空气源热泵热水机组”的发明专利，提供一种相变蓄热空气源热泵热水机组控制系统及其控制方法，解决相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组加热效率低，参数监测不准确的问题，实现自动控制。

实现上述目的的技术方案如下。

一种相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组控制系统，包括微控制器单元、传感器单元、模拟量调理单元、数据采集单元和驱动单元；其特征在于：

所述微控制器单元，包括微控制器GPIOA口与数据采集单元通过SPI总线进行通讯连接；微控制器GPIOE口与电子膨胀阀驱动单元连接，发出电子膨胀阀步进电机所需励磁信号，实现电子膨胀阀的脉冲控制；微控制器USART1口与通讯单元通过RS232总线与屏幕显示单元连接，用于实时显示系统各参数和状态；微控制器GPIOB口与继电器驱动单元控制端进行连接，通过继电器触点对交流电磁阀、四通换向阀、压缩机和蒸发器进行系统自动启停控制；微控制器GPIOC口与继电器驱动单元控制端连接，读取继电器当前状态；微控制器GPIOE15口与操控单元手/自动按钮输入端连接，CPU获取手自动控制信号，实现系统手动/自动控制；微控制器GPIOD口与显示单元面板LED显示灯控制端连接，对指示灯进行控制，显示当前继电器通断状态；

所述传感器单元，包括温度传感器、液位传感器和压力传感器，其中：在压缩机出口设置有温度传感器，用于监测压缩机出口温度；在压缩机出口与四通换向阀之间安装压力传感器，监测压缩机出口压力；在冷凝器套管出口设置有温度传感器，监测冷凝器出口水温；在冷凝器出口设置有温度传感器，监测冷凝器出口工质温度；在环境空气中设置有温度传感器，监测当前环境温度；在蒸发器出口设置有温度传感器，监测蒸发器出口工质温度；在蓄热器蓄热管道出口设置有温度传感器，监测蓄热器出口工质温度；在蓄热器放热管道进口设置有温度传感器，监测蓄热器进口工质温度；在蓄热器放热管道出口设置有温度传感器，监测蓄热器出口工质温度；在保温水箱内设置有液位传感器，监测保温水箱的实时水位；

模拟量调理单元，包括温度调理电路、液位调理电路和压力调理电路，其中：温度调理电路输入端分别与温度传感器输出端相连接，液位调理电路输入端与液位传感器输出端相连接，压力调理电路的输入端与压力传感器输出端相连接；调理电路单元将传感器单元的输出信号隔离转变为直流电压信号，传输到数据采集单元信号采集通道输入端；

数据采集单元，包括A/D转换器，其中：A/D转换器的信号采集输入端分别与压力调理电路输出端和温度调理电路输出端相连接，A/D转换器信号采集输入端分别与液位调理电路输出端和温度调理电路输出端相连接；

驱动单元，包括继电器驱动电路和电子膨胀阀驱动电路，继电器驱动电路用于控制电磁阀、四通换向阀、压缩机和蒸发器启停通断，继电器驱动单元控制端与微控制器GPIOC口连接，向微控制器发送继电器控制单元实时状态；电子膨胀阀驱动单元信号控制端与微控制器GPIOE口连接，接受微控制器发出的脉冲励磁信号，驱动单元输出端连接有电子膨胀阀并输出脉冲励磁信号，电子膨胀阀接收励磁脉冲信号后，驱动步进电机正反转对管路开度进行调节，调整加热装置的制冷剂流量。

一种用于上述相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组控制系统的控制方法，所述控制方法是通过对压缩机、冷凝器、蒸发器、蓄热器、保温水箱以及环境空气中设置的温度传感器、压力传感器和液位传感器，由微控制器采集传感器信号，对相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组运行状态、环境温度和冷凝器进口水温进行综合判断，识别系统所处不同工况，微控制器的驱动单元控制热水机组中的电磁阀及电子膨胀阀的开度，对系统工质流经路径进行控制，对工质流量进行调节，改变系统的运行状态，微控制器的驱动单元控制保温水箱电磁阀对保温水箱水位进行调节；同时通过微控制器对采集的信号进行分析、处理、显示和上传，提供热水机组的运行信息。

上述的控制方法中，所述控制方法对当前系统不同工况的判断方法是通过数据采集单元所采集的传感器信息，微处理器计算得到温度、压力和液位实际值，并对信号进行信息融合，进而综合判断系统冷凝器进口水温T1，当冷凝器进口水温T1大于设定阈值时，进入单独蓄热模式，在此期间，判断蓄热器出口工质温度T4，当T4大于设定阈值时，系统发生保护并停机；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta大于设定阈值时，系统进入供热—蓄热模式；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta小于设定阈值时，系统进入供热—放热模式；当环境空气温度Ta小于设定阈值，并且蒸发器出口工质温度T3与蒸发器进口工质温度T5差值大于设定值时，系统进入除霜工况；

上述的控制方法中，所述控制方法对系统工质流经路径进行控制的方法是根据微处理器计算、分析和判断各个参数，得出系统应处工况，系统发出控制信号，驱动电路通过对相应电磁阀进行开断操作，从而使工质流经路径发生改变；具体操作如下：

(1)关闭电磁阀F1、F2、F6与F7_，开通电磁阀F3、F5和四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，此时系统处于单独蓄热模式；

(2)关闭电磁阀F2、F5、F6与F7，开通电磁阀F1、F3和四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，此时系统处于供热—蓄热模式；

(3)关闭电磁阀F5、F6与F7，开通电磁阀F1、F2、F3和四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，此时系统处于供热—放热模式；

(4)关闭电磁阀F1、F2、F3、F5、四通换向阀、水泵及蒸发器，开通电磁阀F6、F7与压缩机，此时系统处于除霜模式。

上述的控制方法中，所述控制方法是对系统工质流量进行调节控制，根据微处理器计算得出工质流量所需开度，进一步计算出电子膨胀阀步进电机所需励磁脉冲数，微处理器对步进电机驱动电路输出控制信号，进而对电子膨胀阀进行脉冲励磁控制。

上述的控制方法中，所述控制方法是对保温水箱水位进行调节控制，当微处理器识别到液位传感器数值小于设定低值时，微处理器发出控制信号，驱动电路对控制信号做出相应的操作，电磁阀F4开启，对保温水箱进行注水；当微处理器识别到液位传感器数值大于设定高值时，微处理器发出控制信号，驱动电路对控制信号做出相应的操作，电磁阀F4关闭，对保温水箱停止注水。

上述的控制方法中，所述控制方法是对传感器数字量信号进行软件滤波处理控制，微处理器对每路传感器数字量信号数值采集五次，CPU对五个数值进行从大到小顺序排列，去除最大值和最小值，并对中间三个值进行平均计算，取该平均值为传感器当前数值。

上述的控制方法中，所述控制方法是对实时系统工况状态进行判断控制，通过数据采集单元所采集的传感器信息，微处理器计算得到温度、压力和液位实际值，并对上述信号进行信息融合，进而综合判断出系统所处工况，系统发出控制信号，驱动电路通过对相应电磁阀进行开断操作，从而使工质流经路径发生改变；系统共有四种不同工况，首先，判断冷凝器进口水温T1，当冷凝器进口水温T1大于设定阈值时，进入单独蓄热模式，此时电磁阀F3、F5和水泵开启，F1、F2、F6、F7关闭，压缩机、蒸发器开启，四通换向阀接通，工质流经路径为：压缩机—四通换向阀—相变蓄热器—储液器—电子膨胀阀R2—室外翅片式蒸发器—四通换向阀—气液分离器Ⅰ—压缩机，在此期间，判断蓄热器出口工质温度T4，当T4大于设定阈值时，系统发生保护并停机；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta大于设定阈值时，系统进入供热—蓄热模式，此时，电磁阀F1、F3开启，F2、F5、F6、F7关闭，开通四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，工质流经路径为：压缩机—四通换向阀—冷凝器—相变蓄热器—储液器—电子膨胀阀R2—室外翅片式蒸发器—四通换向阀—气液分离器Ⅱ—压缩机；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta小于设定阈值时，系统进入供热—放热模式，此时，电磁阀F1、F2、F3和水泵开启，F5、F6、F7关闭，并开启四通换向阀、蒸发器和压缩机，工质流经路径为两部分：一是压缩机—四通换向阀—冷凝器—相变蓄热器—储液器—电子膨胀阀R2—蒸发器—四通换向阀—气液分离器Ⅱ—压缩机；二是压缩机—四通换向阀冷凝器—相变蓄热器—气液分离器Ⅰ—压缩机；当环境空气温度Ta小于设定阈值，并且蒸发器出口工质温度T3与蒸发器进口工质温度T5差值大于设定值时，系统进入除霜工况，电磁阀F6、F7开启，F1、F2、F3、F5和水泵关闭，关闭四通换向阀和蒸发器，开通压缩机，工质流经路径为：压缩机—四通换向阀—蒸发器—电子膨胀阀R2—蓄热器—气液分离器Ⅱ—压缩机，系统只能运行于以上所述四种工况之一。

本发明上述技术方案采用模块化的系统结构，将微控制器单元、传感器单元、模拟量调理单元、数据采集单元、显示单元、通讯单元、操控单元和驱动单元组成一个有机整体，采用自动化技术和数据融合技术更加直接准确地监控相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组运行状态，根据实际保温水箱温度、环境温度和相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组的不同工况，在不同工况之间进行自动调节，此外，还设计有手动调节功能，本装置监测参数全面，结构简单，控制方便，能够保证相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组运行的连续性、可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明被控制的相变蓄热空气源热泵热水机组系统结构示意图。

图2是本发明的组成结构框图。

图3是本发明的整体结构示意图。

图4是本发明的总体程序流程图。

图5是本发明的工况转换滞环控制程序流程图。

图中：1：压缩机；2：四通换向阀；3：储液器；4：冷凝器；5：保温水箱；6：相变蓄热器；7：蒸发器；8：气液分离器Ⅰ；9：气液分离器Ⅱ。

R₁-R₂：电子膨胀阀；G₁-G₃：过滤器；F₁-F₇：电磁阀；D₁-D₆：单向阀。

具体实施方式

下面结合附图用具体实施例来进一步详细描述本发明所称的一种相变蓄热空气源热泵热水机组控制系统及其控制方法，所述领域的技术人员在阅读了本具体实施例后，能够实现本发明所述的技术方案，同时也能够体现本发明所述的优点与积极效果。

实施本发明所提供的相变蓄热空气源热泵热水机组控制系统及其控制方法，是针对公开号为：CN102798214A公开的“一种相变蓄热空气源热泵热水机组”的发明专利进行的，具体实施技术方案如下。

一、一种相变蓄热空气源热泵热水机组的实施

如图1所示，一种相变蓄热空气源热泵热水机组，包括压缩机1、四通换向阀2、储液器3、套管式冷凝器4、保温水箱5、相变蓄热器6、蒸发器7、气液分离器I8、气液分离器II9、过滤器G1-G3、单向阀D1-D6、电子膨胀阀R1、电子膨胀阀R2和电磁阀F1-F7等部件。各部件连接关系如图1所示，保温水箱5与套管式冷凝器4相连用于水的换热流动；套管式冷凝器4工质入口与单向阀D1相连，电磁阀F1控制该段管路的通断；套管式冷凝器4工质出口与相变蓄热器6的入口相连，相变蓄热器6入口还与气液分离器I8连接；相变蓄热器6出口一路与储液器3连接，另一路与电子膨胀阀R1连接；电磁阀F2控制电子膨胀阀R1管路的通断；储液器3与电磁阀F2与电子膨胀阀R2管路相连，电磁阀F3和F7控制该管路流经方向；电子膨胀阀R2与蒸发器7相连；四通换向阀2与蒸发器7、电磁阀F1、电磁阀F5、单向阀D5、压缩机1和气液分离器II9相连；气液分离器I8一端与相变蓄热器6连接，另一端与压缩机1连接；电磁阀F5与F6为套管式冷凝器所设计旁路。

本发明控制系统通过对相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组运行状态、保温水箱水位和环境温度等特征量进行在线检测、信息融合和特征提取，驱动单元通过控制电磁阀通断电来控制加热系统管路流经方向，控制电子膨胀阀来对系统管路开度进行调节，进而调整加热装置的制冷剂流量，使加热装置工作于不同工况下，从而使整个系统处于最佳运行状态。

二、一种相变蓄热空气源热泵热水机组的控制系统的实施

如附图2和附图3所示，一种相变蓄热空气源热泵热水机组的控制系统，包括微控制器单元、传感器单元、模拟量调理单元、数据采集单元、显示单元、通讯单元、操控单元和驱动单元；其中：

所述微控制器单元采用高速CPU，型号为STM32F103，系统时钟为72MHz，CPU为整个系统的核心部分，负责整个控制系统的运行、数据处理、控制命令输出及通讯等功能，高速系统时钟用于提高系统运算的快速性及控制的准确性和实时性；微控制器GPIOA口与数据采集单元通过SPI总线进行通讯连接；微控制器GPIOE口与电子膨胀阀驱动单元连接，发出电子膨胀阀步进电机所需励磁信号，实现电子膨胀阀的脉冲控制；微控制器USART1口与通讯单元通过RS232总线与屏幕显示单元连接，用于实时显示系统各参数和状态；微控制器GPIOB口与继电器驱动单元控制端进行连接，通过继电器触点对交流电磁阀、四通换向阀、压缩机和蒸发器等部件进行系统自动启停控制；微控制器GPIOC口与继电器驱动单元控制端连接，读取继电器当前状态；微控制器GPIOE15口与操控单元手/自动按钮输入端连接，CPU获取手自动控制信号，实现系统手动/自动控制；微控制器GPIOD口与显示单元面板LED显示灯控制端连接，对指示灯进行控制，显示当前继电器通断状态。

所述传感器单元，包括八个温度传感器、一个液位传感器和一个压力传感器，所有传感器采用DC24V供电，输出信号为4-20mA，温度传感器采用PT100铂电阻探头；传感器安装位置及量程如下：在压缩机1出口安装温度传感器，传感器探头贴于管壁，该传感器量程为0-150℃，用于监测压缩机出口温度；在压缩机4出口与四通换向阀之间安装压力传感器，传感器量程为0-4MPa，监测压缩机出口压力；在冷凝器4套管出口安装温度传感器，量程为0-100℃，监测冷凝器出口水温；在冷凝器4出口安装温度传感器，量程为0-100℃，监测冷凝器出口工质温度；一个温度传感器置于环境空气当中，量程为-50-50℃，监测当前环境温度；在蒸发器7出口安装温度传感器，量程为-50-100℃，监测蒸发器出口工质温度；在蓄热器6蓄热管道出口安装温度传感器，量程为0-50℃，监测蓄热器出口工质温度；在蓄热器6放热管道进口安装温度传感器，量程为-50-100℃，监测蓄热器进口工质温度；在蓄热器6放热管道出口安装温度传感器，量程为0-50℃，监测蓄热器出口工质温度；在保温水箱5内置入液位传感器，量程为0-1m，监测保温水箱当前水位。

所述的模拟量调理单元，包括八个温度调理电路、一个液位调理电路、一个压力调理电路，八个温度调理电路的输入端分别与八个温度互感器的输出端相连接，一个液位调理电路的输入端与一个液位互感器的输出端相连接，一个压力调理电路的输入端与一个压力传感器的输出端相连接；调理电路单元把传感器单元4-20mA输出信号隔离转变为0-5V直流电压信号，传输到数据采集单元信号采集通道输入端；

所述的数据采集单元包括两片外扩高速八路A/D转换器，其中，一片外扩高速A/D转换器的信号采集输入端分别与一个压力调理电路的输出端和六个温度调理电路的输出端相连接，一片外扩高速A/D转换器的信号采集输入端分别与一个液位调理电路的输出端和两个温度调理电路的输出端相连接；

所述显示单元，包括可触摸液晶彩屏、一个交流指示灯和十二个LED显示灯，可触摸液晶屏采用DC24V供电并与通讯单元信号输出口相连接，可触摸液晶彩屏置于配电外壳面板，通过RS232通信方式与微控制器相连，一个交流指示灯接入系统AC220V，用于指示系统的通电状况，十二个LED显示灯用于显示系统手动/自动模式、压缩机启停状态、蒸发器启停状态、四通换向阀通断状态、水泵启停状态及七路电磁阀通断状态；

所述通讯单元，由一路RS-232通信电路和两路SPI通信电路组成，其中微控制器与外扩高速A/D转换器之间使用SPI总线方式通信，微控制器与可触摸液晶显示屏之间使用RS-232方式通信；

所述操控单元，为十三个按钮开关，其中一个作为整个系统的通电开关，接入系统交流电，控制整个系统的电源通断。一个接入手动/自动控制电路选择端，用于使能/失能相应的手动/自动控制电路，十一个按钮接入手动控制电路的输入端，手动控制电路的输出端与继电器控制电路的信号输出端连接，通过控制电磁线圈的通断电来控制继电器触点的通断，进而控制电磁阀、四通换向阀、压缩机和蒸发器等部件的启停通断，用于手动模式；

所述驱动单元，包括继电器驱动电路和电子膨胀阀驱动电路，继电器驱动电路，用于控制电磁阀、四通换向阀、压缩机和蒸发器等部件的启停通断，属于开关量控制，继电器驱动单元控制端与微控制器GPIOC口连接，向微控制器发送继电器控制单元当前状态；电子膨胀阀驱动电路，供电电源为DC12V，电子膨胀阀驱动单元信号控制端与微控制器GPIOE口连接，接受微控制器发出的脉冲励磁信号，驱动单元输出端连接电子膨胀阀并输出直流12V脉冲励磁信号，电子膨胀阀接收励磁脉冲信号后，驱动步进电机正反转，从而对管路开度进行调节，进而调整加热装置的制冷剂流量，使加热装置工作于不同工况下，使整个系统处于最佳运行状态。

三、一种相变蓄热空气源热泵热水机组的控制系统的控制方法的实施，具体控制方法是在相变蓄热空气源热泵热水机组中安装传感器，传感器采用DC24V供电，信号输出均为4-20mA，传感器安装位置及量程如下：在压缩机4出口安装温度传感器，传感器探头贴于管壁，该传感器量程为0-150℃，用于监测压缩机出口温度；在压缩机4出口与四通换向阀之间安装压力传感器，传感器量程为0-4MPa，监测压缩机出口压力；在冷凝器4套管出口安装温度传感器，量程为0-100℃，监测冷凝器出口水温；在冷凝器4出口安装温度传感器，量程为0-100℃，监测冷凝器出口工质温度；一个温度传感器置于环境空气当中，量程为-50-50℃，监测当前环境温度；在蒸发器7出口安装温度传感器，量程为-50-100℃，监测蒸发器出口工质温度；在蓄热器6蓄热管道出口安装温度传感器，量程为0-50℃，监测蓄热器出口工质温度；在蓄热器6放热管道进口安装温度传感器，量程为-50-100℃，监测蓄热器进口工质温度；在蓄热器6放热管道出口安装温度传感器，量程为0-50℃，监测蓄热器出口工质温度；在保温水箱5内置入液位传感器，量程为0-1m，监测保温水箱当前水位。所有传感器输出4-20mA信号均连接到模拟量调理单元信号输入端，模拟量调理电路对输入4-20mA信号进行隔离并变换为0-5V直流电压信号，0-5V信号输入至数据采集单元AD芯片的信号输入端。数据采集单元主要包括两片外扩高速八路十位A/D转换器，主要作用为把输入通道0-5V模拟信号转变为-2⁹～2⁹范围的数字量信号，并存储于其内部存储器中，其中，一片外扩高速A/D转换器的输入端分别与一个压力调理电路的输出端和六个温度调理电路的输出端相连接，一片外扩高速A/D转换器的输入端分别与一个液位调理电路的输出端和两个温度调理电路的输出端相连接。两片外扩高速八路十位A/D转换器的八个输出端与微处理器的五个GPIO口连接，通过虚拟SPI通讯方式与微处理器进行通讯。

微控制器通过虚拟SPI总线与AD芯片通讯，获得当前每个传感器数值，微处理器CPU对每路传感器数字量信号进行软件滤波处理，得到稳定的传感器数值。微控制器GPIOC口通过与外围继电器驱动单元控制信号端获得当前电磁阀、压缩机、四通换向阀及蒸发器等通断启停信号，得知当前被控设备的状态，并记录于微控制器之中，微控制器将以上所有采集信号通过RS232通讯电路上传至可触摸液晶显示屏，显示屏向相关人员显示传感器及各被控设备的信息。微控制器CPU同时检测手/自动控制信号，当系统被置于手动档位时，微控制器只对传感器及外围被控设备进行监测而不控制。当系统被置于自动档位时，微控制器获得传感器数字量信息之后，对其进行综合判断识别，得出系统当前应处于的工况状态，微控制器得到此时电磁阀、压缩机、蒸发器和四通换向阀等执行机构应处于的状态，微控制器通过GPIOB口对继电器驱动单元输出控制信号，控制继电器触点的通断，进而控制电磁阀、压缩机、蒸发器和四通换向阀等被控部件的通断和启停，使工质流经路径和方向得到改变，从而使热水机组工作于不同的工况。系统在不同工况之间进行转换时，需要对所依据温度进行滞环控制，以减少系统硬件采集书记不准确所带来的影响，使得系统在不同工况之间平稳过渡。微控制器获得当前电子膨胀阀脉冲位置，通过传感器各参数进行计算得到电子膨胀阀应该处于的脉冲位置，从而得到脉冲差值，微控制器通过GPIO口向电子膨胀阀驱动电路输出信号，电子膨胀阀驱动电路信号输入端得到控制信号后，输出端向电子膨胀阀发出脉冲差值励磁信号，电子膨胀阀内步进电机进行对应旋转，从而对管路开度进行控制，达到调节工质流量的目的。微控制器对保温水箱水量的控制是通过液位传感器得到保温水箱当前水位数据，CPU对设定阈值与当前水位值进行比较，当低于水位设定阈值时，微控制器输出控制信号，系统进水电磁阀F4开启，向保温水箱内注入冷水，当当前水位高于设定阈值时，进水电磁阀F4关闭，停止注水。

对传感器数字量信号到实际值转换及软件滤波处理的方法是：微处理器对每路传感器数字量信号数值采集五次，CPU对五个数值进行从大到小顺序排列，去除最大值和最小值，并对中间三个值进行平均计算，取该平均值为传感器当前数值。计算公式如下：

M_ax＝2⁹×a+b(1)

M_in＝-2⁹×a+b(2)

式中，M_ax为传感器量程上限，M_in为传感器量程下限。可求得：

$a=\frac{M_{ax}-M_{in}}{2^{10}}---\left(3\right)$

$b=\frac{M_{ax}+M_{in}}{2}---\left(4\right)$

传感器实际值与CPU所采集AD芯片内数字量之间的关系为：

f(x)＝a·x+b(5)

式中，f(x)为传感器实际值，x为AD芯片内对应传感器二进制数字量。

软件滤波公式为：

$f{\left(x\right)}_{av}=\frac{1}{3}\left(f\right(x1)+f(x2)+f(x3\left)\right)---\left(6\right)$

其中，f(x0)_min＜f(x1)＜f(x2)＜f(x3)＜f(x4)_max,f(x0)_min为5次采集最小值，f(x4)_max为5次采集最大值，f(x)_av为最终有效传感器实际值。

对当前系统应处于的工况状态的判断方法是：通过数据采集单元所采集的传感器信息，微处理器计算得到温度、压力和液位实际值，并对上述信号进行信息融合，进而综合判断出系统所处工况，系统发出控制信号，驱动电路通过对相应电磁阀进行开断操作，从而使工质流经路径发生改变。系统共有4中不同工况，首先，判断冷凝器进口水温T1，当冷凝器进口水温T1大于设定阈值时，进入单独蓄热模式，此时电磁阀F3、F5和水泵开启、F1、F2、F6、F7关闭，压缩机、蒸发器开启，四通换向阀接通，工质流经路径为：压缩机1——四通换向阀2—蓄热器6—储液器3—电子膨胀阀R₂—蒸发器7—四通换向阀2—气液分离器II9—压缩机1，在此期间，判断蓄热器出口工质温度T4，当T4大于设定阈值时，系统发生保护并停机；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta大于设定阈值时，系统进入供热—蓄热模式，此时，电磁阀F1、F3和水泵开启、F2、F5、F6、F7关闭，开通四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，工质流经路径为：压缩机1—四通换向阀2—冷凝器4—蓄热器6—储液器3—电子膨胀阀R2—蒸发器7—四通换向阀2—气液分离器II9—压缩机1；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta小于设定阈值时，系统进入供热—放热模式，此时，电磁阀F1、F2、F3和水泵开启，F5、F6、F7关闭，并四通换向阀、蒸发器和压缩机，工质流经路径为两部分：(1)压缩机1—四通换向阀2—冷凝器4—蓄热器6—储液器3—电子膨胀阀R2—蒸发器7—四通换向阀2—气液分离器II9—压缩机1，(2)压缩机1—四通换向阀2——冷凝器4—蓄热器6—气液分离器I8—压缩机1；当环境空气温度Ta小于设定阈值，并且蒸发器出口工质温度T3与蒸发器进口工质温度T5差值大于设定值时，系统进入除霜工况，电磁阀F6、F7开启、F1、F2、F3、F5和水泵关闭，关闭四通换向阀和蒸发器，开通压缩机，工质流经路径为：压缩机1—四通换向阀2—蒸发器7—电子膨胀阀R2—蓄热器6—气液分离器II9—压缩机1。系统只能运行于以上所述四种工况之一。

对工况转换滞环控制的方法是：检测被控温度T₀，当T₀＞Ts+ΔT或者T₀＜Ts+ΔT时(其中，Ts为设定温度，ΔT为控制温度允许误差)，需要对T₀进行滞环控制，以消除系统一次采集数据不准确带来的系统工况控制跳转频繁的问题。当第一次检测T₀＞Ts+ΔT+ΔTh时(ΔTh＜ΔT)，且T₀＞Ts+ΔT+ΔTh时，系统再一次检测T₀，当第二次T₀＞Ts+ΔT+ΔTh时，系统工况改变标志位置1，系统进入工况转换程序；当第二次T₀＜Ts+ΔT+ΔTh确认时，系统进一步判断T₀＞Ts+ΔT或者T₀＜Ts+ΔT，当T₀＞Ts+ΔT时，系统工况改变标志位置1，系统进入工况转换程序，当T₀＜Ts+ΔT时，判断是否T₀＜Ts+ΔT-ΔTh，当T₀＞Ts+ΔT-ΔTh时，系统工况改变标志位置一，系统进入工况转换程序；当T₀＜Ts+ΔT-ΔTh时，系统再次检测T₀，确认T₀＜Ts+ΔT-ΔTh时，工况改变标志位置0，系统保持原状态运行，确认T₀＞Ts+ΔT-ΔTh时，工况改变标志位置一，系统进入工况转换程序。T₀＞Ts-ΔT或者T₀＜Ts-ΔT的情况与上述情况类似，该控制方法的目标是在T₀接近临界值时，设置一个缓冲区，使得不同工况之间有一个重叠的控制区域，使系统在不同工况之间平稳过渡。

Claims (8)

1.一种相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组控制系统，包括微控制器单元、传感器单元、模拟量调理单元、数据采集单元和驱动单元；其特征在于：

所述微控制器单元，包括微控制器GPIOA口与数据采集单元通过SPI总线进行通讯连接；微控制器GPIOE口与电子膨胀阀驱动单元连接，发出电子膨胀阀步进电机所需励磁信号，实现电子膨胀阀的脉冲控制；微控制器USART1口与通讯单元通过RS232总线与屏幕显示单元连接，用于实时显示系统各参数和状态；微控制器GPIOB口与继电器驱动单元控制端进行连接，通过继电器触点对交流电磁阀、四通换向阀、压缩机和蒸发器进行系统自动启停控制；微控制器GPIOC口与继电器驱动单元控制端连接，读取继电器当前状态；微控制器GPIOE15口与操控单元手/自动按钮输入端连接，CPU获取手自动控制信号，实现系统手动/自动控制；微控制器GPIOD口与显示单元面板LED显示灯控制端连接，对指示灯进行控制，显示当前继电器通断状态；

所述传感器单元，包括温度传感器、液位传感器和压力传感器，其中：在压缩机出口设置有温度传感器，用于监测压缩机出口温度；在压缩机出口与四通换向阀之间安装压力传感器，监测压缩机出口压力；在冷凝器套管出口设置有温度传感器，监测冷凝器出口水温；在冷凝器出口设置有温度传感器，监测冷凝器出口工质温度；在环境空气中设置有温度传感器，监测当前环境温度；在蒸发器出口设置有温度传感器，监测蒸发器出口工质温度；在蓄热器蓄热管道出口设置有温度传感器，监测蓄热器出口工质温度；在蓄热器放热管道进口设置有温度传感器，监测蓄热器进口工质温度；在蓄热器放热管道出口设置有温度传感器，监测蓄热器出口工质温度；在保温水箱内设置有液位传感器，监测保温水箱的实时水位；

模拟量调理单元，包括温度调理电路、液位调理电路和压力调理电路，其中：温度调理电路输入端分别与温度传感器输出端相连接，液位调理电路输入端与液位传感器输出端相连接，压力调理电路的输入端与压力传感器输出端相连接；调理电路单元将传感器单元的输出信号隔离转变为直流电压信号，传输到数据采集单元信号采集通道输入端；

数据采集单元，包括A/D转换器，其中：A/D转换器的信号采集输入端分别与压力调理电路输出端和温度调理电路输出端相连接，A/D转换器信号采集输入端分别与液位调理电路输出端和温度调理电路输出端相连接；

驱动单元，包括继电器驱动电路和电子膨胀阀驱动电路，继电器驱动电路用于控制电磁阀、四通换向阀、压缩机和蒸发器启停通断，继电器驱动单元控制端与微控制器GPIOC口连接，向微控制器发送继电器控制单元实时状态；电子膨胀阀驱动单元信号控制端与微控制器GPIOE口连接，接受微控制器发出的脉冲励磁信号，驱动单元输出端连接有电子膨胀阀并输出脉冲励磁信号，电子膨胀阀接收励磁脉冲信号后，驱动步进电机正反转对管路开度进行调节，调整加热装置的制冷剂流量。

2.一种用于权利要求1所述的相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组控制系统的控制方法，所述控制方法是通过对压缩机、冷凝器、蒸发器、蓄热器、保温水箱以及环境空气中设置的温度传感器、压力传感器和液位传感器，由微控制器采集传感器信号，对相变蓄热蒸发型空气源热泵热水机组运行状态、环境温度和冷凝器进口水温进行综合判断，识别系统所处不同工况，微控制器的驱动单元控制热水机组中的电磁阀及电子膨胀阀的开度，对系统工质流经路径进行控制，对工质流量进行调节，改变系统的运行状态，微控制器的驱动单元控制保温水箱电磁阀对保温水箱水位进行调节；同时通过微控制器对采集的信号进行分析、处理、显示和上传，提供热水机组的运行信息。

3.如权利要求2所述的控制方法，所述控制方法是对当前系统不同工况进行判断控制，通过数据采集单元所采集的传感器信息，微处理器计算得到温度、压力和液位实际值，并对信号进行信息融合，进而综合判断系统冷凝器进口水温T1，当冷凝器进口水温T1大于设定阈值时，进入单独蓄热模式，在此期间，判断蓄热器出口工质温度T4，当T4大于设定阈值时，系统发生保护并停机；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta大于设定阈值时，系统进入供热—蓄热模式；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta小于设定阈值时，系统进入供热—放热模式；当环境空气温度Ta小于设定阈值，并且蒸发器出口工质温度T3与蒸发器进口工质温度T5差值大于设定值时，系统进入除霜工况。

4.如权利要求2所述的控制方法，所述控制方法是对系统工质流经路径进行控制，微处理器计算、分析和判断各个参数，得出系统应处工况，系统发出控制信号，驱动电路通过对相应电磁阀进行开断操作，从而使工质流经路径发生改变；具体方法如下：

(1)关闭电磁阀F1、F2、F6与F7，开通电磁阀F3、F5和四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，此时系统处于单独蓄热模式；

(2)关闭电磁阀F2、F5、F6与F7，开通电磁阀F1、F3和四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，此时系统处于供热—蓄热模式；

(3)关闭电磁阀F5、F6与F7，开通电磁阀F1、F2、F3和四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，此时系统处于供热—放热模式；

(4)关闭电磁阀F1、F2、F3、F5、四通换向阀F10、水泵及蒸发器，开通电磁阀F6、F7与压缩机，此时系统处于除霜模式。

5.如权利要求2所述的控制方法，所述控制方法是对系统工质流量进行调节控制，微处理器计算得出工质流量所需开度，进一步计算出电子膨胀阀步进电机所需励磁脉冲数，微处理器对步进电机驱动电路输出控制信号，进而对电子膨胀阀进行脉冲励磁控制。

6.如权利要求2所述的控制方法，所述控制方法是对保温水箱水位进行调节控制，当微处理器识别到液位传感器数值小于设定低值时，微处理器发出控制信号，驱动电路对控制信号做出相应的操作，电磁阀F4开启，对保温水箱进行注水；当微处理器识别到液位传感器数值大于设定高值时，微处理器发出控制信号，驱动电路对控制信号做出相应的操作，电磁阀F4关闭，对保温水箱停止注水。

7.如权利要求2所述的控制方法，所述控制方法是对传感器数字量信号进行软件滤波处理控制，微处理器对每路传感器数字量信号数值采集五次，CPU对五个数值进行从大到小顺序排列，去除最大值和最小值，并对中间三个值进行平均计算，取该平均值为传感器当前数值。

8.如权利要求2所述的控制方法，所述控制方法是对实时系统工况状态进行判断控制，微处理器通过数据采集单元所采集的传感器信息，微处理器计算得到温度、压力和液位实际值，并对上述信号进行信息融合，进而综合判断系统所处工况并发出控制信号，驱动电路通过对相应电磁阀进行开断操作，从而使工质流经路径发生改变；系统共有四种不同工况，首先，判断冷凝器进口水温T1，当冷凝器进口水温T1大于设定阈值时，进入单独蓄热模式，此时电磁阀F3、F5和水泵开启，F1、F2、F6、F7关闭，压缩机、蒸发器开启，四通换向阀接通；工质流经路径为：压缩机—四通换向阀—相变蓄热器—储液器—电子膨胀阀R2—蒸发器—四通换向阀—气液分离器Ⅰ—压缩机，在此期间，判断蓄热器出口工质温度T4，当T4大于设定阈值时，系统发生保护并停机；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta大于设定阈值时，系统进入供热—蓄热模式，此时，电磁阀F1、F3和水泵开启，F2、F5、F6、F7关闭，开通四通换向阀，并启动水泵、蒸发器和压缩机，工质流经路径为：压缩机—四通换向阀—冷凝器—相变蓄热器—储液器—电子膨胀阀R2—蒸发器—四通换向阀—气液分离器Ⅱ—压缩机；当冷凝器进口水温T1小于设定阈值并且环境空气温度Ta小于设定阈值时，系统进入供热—放热模式，此时，电磁阀F1、F2、F3和水泵开启，F5、F6、F7关闭，并开启四通换向阀、蒸发器和压缩机，工质流经路径为两部分：一是压缩机—四通换向阀—冷凝器—相变蓄热器—储液器—电子膨胀阀R2—蒸发器—四通换向阀—气液分离器Ⅱ—压缩机；二是压缩机—四通换向阀—冷凝器—相变蓄热器—气液分离器Ⅰ—压缩机；当环境空气温度Ta小于设定阈值，并且蒸发器出口工质温度T3与蒸发器进口工质温度T5差值大于设定值时，系统进入除霜工况，电磁阀F6、F7开启，F1、F2、F3、F5和水泵关闭，关闭四通换向阀和蒸发器，开通压缩机，工质流经路径为：压缩机—四通换向阀—蒸发器—电子膨胀阀R2—蓄热器—气液分离器Ⅱ—压缩机，系统只能运行于以上所述四种工况之一。