李明洋，胡連營，劉洪剛，邵正日

（遼寧省能源研究所，營口 115003）

與單一的土壤源熱泵、太陽能熱泵等系統(tǒng)相比，太陽能與土壤源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)具有熱源匹配性好、系統(tǒng)組合靈活、功能多樣化及運(yùn)行效率較高等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸得到重視[1-3]。為了充分利用太陽能與土壤源的互補(bǔ)特性，本文課題組設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過太陽能跨季蓄熱來恢復(fù)土壤源的溫度場，而且強(qiáng)化了熱泵的制熱運(yùn)行性能[4-5]。但由于系統(tǒng)涉及到比較復(fù)雜的運(yùn)行調(diào)控和狀態(tài)記錄，必須根據(jù)其工藝原理與監(jiān)控要求開發(fā)設(shè)計(jì)一套功能完備的監(jiān)控系統(tǒng)。這對于實(shí)驗(yàn)研究和長期觀察具有非常重要的意義。

1 工藝原理與監(jiān)控要求

太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)建立在遼寧省能源研究所研發(fā)附屬樓，兼具示范使用和實(shí)驗(yàn)研究2種功能?？商峁┎膳療嵩春蜕顭崴瑫r(shí)也可進(jìn)行太陽能與土壤源復(fù)合的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)主要包括太陽能集熱、地埋管換熱、熱泵循環(huán)轉(zhuǎn)換及末端用能4個(gè)部分。

熱泵機(jī)組設(shè)置2臺(tái)，1#熱泵前后端通過板換與集熱水箱連接，主要完成跨季蓄熱和冬季采暖；2#熱泵后端通過板換與恒溫水箱連接，主要完成四季生活熱水的補(bǔ)熱，并且也可以作為1#熱泵系統(tǒng)采暖的補(bǔ)充或備用。

綜合考慮季節(jié)功能和互補(bǔ)特性等因素，太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)設(shè)定了3種運(yùn)行模式：冬季模式、非冬季模式和調(diào)試模式[4]。冬季模式中設(shè)置了自動(dòng)運(yùn)行的采暖系列工況。正常天氣情況下，由1#熱泵系統(tǒng)根據(jù)集熱水箱溫度情況運(yùn)行其中一種工況。并且隨著集熱水箱溫度的變化，工況自動(dòng)進(jìn)行逐級(jí)往復(fù)轉(zhuǎn)換。嚴(yán)寒天氣情況下，當(dāng)1#熱泵系統(tǒng)不能滿足采暖負(fù)荷時(shí)，則由2#熱泵補(bǔ)充采暖。非冬季模式中設(shè)置了自動(dòng)運(yùn)行的太陽能蓄熱和熱泵制冷等工況。調(diào)試模式?jīng)]有季節(jié)限制，主要用于系統(tǒng)初期調(diào)試和維修調(diào)試，也可以用于進(jìn)行單個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)。

復(fù)雜的工況運(yùn)行轉(zhuǎn)換要求監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿以下功能：

（1）直觀地顯示現(xiàn)場傳感器檢測的溫度、流量、功率等參數(shù)值和各個(gè)泵、閥的狀態(tài)。

（2）運(yùn)行工況的手動(dòng)切換和運(yùn)行工況的自動(dòng)切換，自動(dòng)控制泵、閥的啟停。

（3）在設(shè)備故障或異常時(shí)以及在溫度、流量等信號(hào)參數(shù)達(dá)到警戒值時(shí)報(bào)警。

（4）實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)及歷史趨勢顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長時(shí)間保存和條件查詢，并且將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為實(shí)際應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（5）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守，通過工程師站計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)主要分為監(jiān)控層和現(xiàn)場操作層2部分。監(jiān)控層設(shè)有1臺(tái)服務(wù)器，通過RS-485/USB的通訊方式和現(xiàn)場PLC連接，利用組態(tài)王軟件對設(shè)備進(jìn)行組態(tài)?，F(xiàn)場層主要是和PLC、數(shù)據(jù)采集模塊連接現(xiàn)場控制設(shè)備，如PT100熱電阻，水泵，電動(dòng)閥等。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of monitoring system Topology

傳感器采集所需控制的信號(hào)參數(shù)，利用PLC或模塊處理，將信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、冷端補(bǔ)償、線性化處理，送入CPU或模塊中計(jì)算，輸出信號(hào)去控制系統(tǒng)各部件（水泵、閥門等），來實(shí)現(xiàn)復(fù)合熱泵系統(tǒng)各工況自動(dòng)運(yùn)行，并與組態(tài)軟件通信實(shí)現(xiàn)可視化操作和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄功能。傳感器采集觀察和記錄的信號(hào)參數(shù)，通過研華模塊直接送入服務(wù)器上的組態(tài)軟件。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)的選型

監(jiān)控系統(tǒng)主要以PLC為核心，下位機(jī)采用西門子S7-200系列PLC，CPU模塊選用224 CPU，本機(jī)帶24個(gè)輸入點(diǎn)/24個(gè)輸出點(diǎn)并集成有RS-485通訊接口，在S7-200的自由端口通訊模式下，可以與任何通訊協(xié)議公開的設(shè)備、控制器進(jìn)行通訊。并且擴(kuò)展能力靈活，最大可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊?？梢詫?shí)現(xiàn)水泵和電動(dòng)閥等設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行和故障信號(hào)的采集。

PLC的擴(kuò)展模塊選用了EM231擴(kuò)展模塊和EM223擴(kuò)展模塊。EM231模塊提供4路模擬量輸入通道，狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制需要的溫度選用Pt100熱電阻來測量，把信號(hào)送入EM231模塊；數(shù)字量的輸入輸出使用CPU模塊上的I/O接口和擴(kuò)展模塊EM223。EM223模塊提供4路數(shù)字量輸入/輸出通道，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場溫度、流量、功率等信息的實(shí)時(shí)采集。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

監(jiān)控系統(tǒng)采用ADAM4015來接收不涉及控制的PT100熱電阻信號(hào)，ADAM4015適用于不同熱電阻信號(hào)，誤差＜±0.1%。采用ADAM4017來接收流量、功率及輻照度等傳感器輸出的4～20 mA信號(hào)，ADAM4017是16位A/D 8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬量輸入信號(hào)，它為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，誤差＜±0.1%。

ADAM4015和ADAM4017采集到的數(shù)據(jù)需要記錄下來，采用服務(wù)器來記錄，這就需要模塊和服務(wù)器之間通訊，所以采用了ADAM-4520模塊，將RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換為隔離RS-422或RS-485信號(hào)。ADAM-4520支持標(biāo)準(zhǔn)的PC硬件組建工業(yè)級(jí)的遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)，不需要對PC硬件或軟件做任何修改。

3.3 上位機(jī)的配置

上位機(jī)選用了聯(lián)想ThinkServer塔式服務(wù)器，并配備了雙硬盤RAID 1系統(tǒng)。操作系統(tǒng)選用的是Windows Server 2003 Enterprise Edition，支持高性能服務(wù)器。只要服務(wù)器中任何一對鏡像盤中至少有一塊磁盤可以使用，系統(tǒng)都可以正常運(yùn)行，具備很好的磁盤冗余能力。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用組態(tài)王KingView6.53作為監(jiān)控組態(tài)軟件。它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控，為實(shí)施數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控提供了基礎(chǔ)平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境[6]。

4.1.1 數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王的最核心部分，是連接上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁。在數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當(dāng)前值，變量包括系統(tǒng)變量和用戶定義的變量。本系統(tǒng)定義了I/O實(shí)型、I/O整型、I/O離散型3種變量。把一般溫度信號(hào)定義為I/O實(shí)型變量，系統(tǒng)時(shí)間和報(bào)警信息定義為I/O整型變量，輸出的控制信號(hào)定義為I/O離散型變量。

4.1.2 動(dòng)畫連接設(shè)計(jì)

動(dòng)畫就是在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，在畫面上以圖形對象的動(dòng)畫效果表示出來；或者由軟件使用者通過圖形對象改變數(shù)據(jù)變量的值[6]。本系統(tǒng)主要?jiǎng)赢嬙O(shè)計(jì)是管道流動(dòng)，根據(jù)實(shí)際工況狀態(tài)在畫面上正確顯示管道流動(dòng)方向。調(diào)用的是水泵的運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)，組態(tài)王收到運(yùn)行信號(hào)，激活管道流動(dòng)選項(xiàng)，管道產(chǎn)生流動(dòng)效果。

4.1.3 組態(tài)王遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

通過組態(tài)王的Web發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控功能。以本地?cái)?shù)據(jù)庫作為遠(yuǎn)程監(jiān)控程序的核心，組態(tài)界面和I/0驅(qū)動(dòng)程序通過數(shù)據(jù)庫點(diǎn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，客戶端利用瀏覽器的形式訪問數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，通過工程師站計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。

4.2 組態(tài)畫面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行需要，利用組態(tài)王的工程管理器、工程瀏覽器，數(shù)據(jù)庫以及全局腳本等功能，組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面。如圖2所示，每個(gè)模式根據(jù)不同季節(jié)和不同的使用要求進(jìn)行交替運(yùn)行。每個(gè)模式分別包括動(dòng)態(tài)流程和參數(shù)設(shè)置界面，并可進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)的趨勢曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表界面。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of monitoring system interface

由于需要顯示的設(shè)備、管道及參數(shù)較多，每個(gè)模式的動(dòng)態(tài)流程界面都分成3個(gè)畫面，即分別由太陽能集熱系統(tǒng)流程圖、地埋管換熱系統(tǒng)流程圖和熱泵循環(huán)系統(tǒng)流程圖造成，可以根據(jù)需要自由切換查看。太陽能集熱系統(tǒng)流程圖主要顯示太陽能集熱系統(tǒng)的水泵、電動(dòng)閥和管道當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)顯示主要實(shí)時(shí)參數(shù)結(jié)果，如太陽能輻射量、環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽能集熱器進(jìn)出口溫度、恒溫水箱溫度、集熱水箱溫度及集熱循環(huán)流量等。地埋管換熱系統(tǒng)流程圖主要顯示地埋管換熱器的當(dāng)前狀態(tài)和地下測溫點(diǎn)實(shí)時(shí)參數(shù)結(jié)果。復(fù)合熱泵循環(huán)系統(tǒng)流程圖主要顯示熱泵循環(huán)系統(tǒng)的水泵、電動(dòng)閥和管道當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)顯示主要實(shí)時(shí)參數(shù)結(jié)果和實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果；實(shí)時(shí)參數(shù)結(jié)果包括熱泵兩側(cè)循環(huán)流量、熱泵輸入功率及相應(yīng)測點(diǎn)的溫度等；實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果包括熱泵吸熱量、熱泵制熱量、機(jī)組COP及系統(tǒng)COP。如圖3所示為冬季復(fù)合熱泵循環(huán)系統(tǒng)流程圖。

4.3 下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)及狀態(tài)信號(hào)，并接受上位機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信號(hào)，通過對應(yīng)地址模塊進(jìn)行處理和輸出，完成控制各個(gè)閥門和水泵的開關(guān)停止。

圖3 冬季復(fù)合熱泵循環(huán)系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of winter compound heat circulation system

下位機(jī)PLC軟件設(shè)計(jì)主要采用西門子STEP 7 MicroWIN SP6編程環(huán)境，梯形圖編程語言，模塊化編程。根據(jù)控制系統(tǒng)各部分完成的功能不同，把程序劃分成不同的功能模塊。梯形圖是使用得最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，直觀易懂，特別適用于開關(guān)量邏輯控制[7]。

4.3.1 PLC程序流程設(shè)計(jì)

PLC的工作方式采用不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。掃描順序?yàn)閺纳系较拢瑥淖蟮接?。CPU從第一條指令執(zhí)行開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。本系統(tǒng)PLC控制程序主要分為主程序和子程序2個(gè)部分，主程序完成系統(tǒng)的初始化和信號(hào)采集與檢測以及各模塊子程序的調(diào)用，冬季模式子程序主要包括土壤源熱泵采暖模塊、復(fù)合源熱泵采暖模塊、太陽能熱泵采暖模塊和太陽能輔助熱泵采暖模塊等，非冬季模式子程序主要包括太陽能跨季蓄熱模塊、土壤源直接制冷模塊和土壤源熱泵制冷模塊。PLC程序流程圖如圖4所示。

圖4 PLC程序流程圖Fig.4 Flow chart of PLC program

4.3.2 采暖系列工況程序轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)

根據(jù)具體工藝情況，PLC程序定義了狀態(tài)字和條件字。狀態(tài)字是指各工況子程序模塊的名稱代碼，條件字是指邏輯比較的觸點(diǎn)。這樣各工況之間可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，完全自動(dòng)運(yùn)行，且運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)工況混亂。如圖5所示為冬季模式的采暖系列工況程序轉(zhuǎn)換 流 程 圖 ，S1～S13為狀態(tài)字，C1～C4 為條件字，當(dāng)狀態(tài)字和條件字一一對應(yīng)時(shí)運(yùn)行當(dāng)前工況。

圖5 采暖系列工況程序轉(zhuǎn)換流程圖Fig.5 Flow chart of heating series working condition program transformation

5 結(jié)語

本文利用西門子公司的S7-200 PLC和組態(tài)王KingView6.53軟件開發(fā)了太陽能-土壤源復(fù)合熱泵監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過近兩年的實(shí)際運(yùn)行和科研實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地將現(xiàn)場傳感器的信息采集到上位機(jī)，并可根據(jù)運(yùn)行的需要自動(dòng)控制現(xiàn)場的設(shè)備，例如電動(dòng)閥的開關(guān)、泵的啟停等。該系統(tǒng)人機(jī)界面友好，自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，為太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和長期觀察提供了可靠的保證。

[1]楊衛(wèi)波，倪美琴，施明恒，等.太陽能-地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2009，37（12）：52-57.

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