楊向文++趙善祥++王西霞

摘 要：本文針對一套地源熱泵空調系統(tǒng)、水蓄能系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)相結合為建筑區(qū)域供冷供暖，并提供生活熱水的綜合系統(tǒng)，提出采用可編程控制器（PLC）與組態(tài)軟件開發(fā)的SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）配套的控制方案，采集設備運行及氣候補償參數(shù)，結合數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)測、遠程監(jiān)控等方式實現(xiàn)本系統(tǒng)的控制功能，達到節(jié)能的目的，實現(xiàn)無人值守情況下系統(tǒng)的正常運行，降低系統(tǒng)的運行成本和管理成本。

關鍵詞：地源熱泵；PLC；SCADA；氣候補償

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0033-01

Abstract：Based on a set of ground source heat pump air conditioning system， water storage system and solar energy storage system combined for building regional of cooling and heating， and provide living hot water comprehensive system， proposed used the programmable controller （PLC） and configuration software development of SCADA system （data acquisition and monitoring control system） form a complete set of control scheme， the acquisition equipment operation and climate compensation parameters， combined with data analysis， video monitoring， remote control to realize the control function of this system， achieve the purpose of energy saving， realizing unattended system under normal operation， reduce the running cost and management cost of the system.

Key words：Ground source heat pump；Programmable controller；Supervisory control and data acquisition；Climate compensation

近年來，隨著公共建筑和住宅空調系統(tǒng)節(jié)能需求的升高，在環(huán)保和節(jié)能特性方面表現(xiàn)突出的地源熱泵系統(tǒng)得到了廣泛的應用。在地源熱泵空調系統(tǒng)的基礎上，結合水蓄能系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)為建筑區(qū)域供冷供暖更是新的發(fā)展方向，但在實際運行中，由于系統(tǒng)組成復雜，人工調控操作難度較高，并存在由于部分工作人員缺乏經(jīng)驗，出現(xiàn)系統(tǒng)的運行管理不當，造成資源浪費等問題。為了解決目前地源熱泵系統(tǒng)控制方面存在的問題，本文引入一套合理可靠并實現(xiàn)無人值守的地源熱泵自控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器及上位機上的SCADA系統(tǒng)，將現(xiàn)場熱泵機組及其他各設備的工作狀態(tài)信息和傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過PLC處理后，統(tǒng)一集中到工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)的SCADA系統(tǒng)中，再利用SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)無人值守的最優(yōu)化設計，根據(jù)實際負荷，經(jīng)過分析運算，調節(jié)熱泵機組的啟停和工作能級，并和太陽能系統(tǒng)及水蓄能系統(tǒng)配套運行。

2 硬件架構

根據(jù)系統(tǒng)需求設計系統(tǒng)的硬件架構，采用分層分布的硬件結構，從下向上分為3級：現(xiàn)場級、監(jiān)控級、管理級?，F(xiàn)場級主要包括以PLC 300為核心控制器的控制柜、熱泵機組、循環(huán)泵、閥門、各類傳感器等；監(jiān)控級主要包括實時數(shù)據(jù)服務器、歷史數(shù)據(jù)服務器、工程師站、硬盤錄像機、安全防護網(wǎng)關等；管理級主要包括管理終端設備（PC機）、手持管理設備、移動管理設備等。

3 軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括PLC程序設計和上位機程序設計兩部分，無人值守功能的實現(xiàn)主要是根據(jù)系統(tǒng)整體工藝要求，依靠PLC程序和上位機監(jiān)控系統(tǒng)的綜合控制邏輯實現(xiàn)的。

3.1 PLC程序設計

采用PLC作為現(xiàn)場控制設備，負責采集現(xiàn)場各類傳感器的4-20mA信號獲取溫度、壓力、液位等參數(shù)，通過485總線與各熱泵機組通信，獲取熱泵主機包括運行狀態(tài)、出水溫度、回水溫度、工作模式等參數(shù)，并且采用TCP/IP方式將檢測數(shù)據(jù)上傳到上位機，同時接收上位機設定的控制條件等命令。

PLC程序的編寫通過Step7軟件完成，采用梯形圖的方式根據(jù)工藝流程編寫程序，本系統(tǒng)地流程較復雜，梯形圖共計1100多步，再此就不一一贅述了。系統(tǒng)上電后，PLC在設定時間范圍內根據(jù)工藝要求，檢測工作模式，手動模式下，人工控制系統(tǒng)運行；自動模式下，PLC負責將溫度、壓力、流量和液位等實時數(shù)據(jù)與上位機設定的參數(shù)限值進行比較，從而實現(xiàn)啟停閥門、循環(huán)泵、主機等設備；不斷檢測上位機給定的命令，負責太陽能系統(tǒng)、水蓄能系統(tǒng)包括泵、閥門等執(zhí)行機構的啟停；并通過程序判定現(xiàn)場部分故障情況，例如壓力、液位等異常時將報警信號上傳到上位機顯示、處理。

3.2 上位機程序設計

采用組態(tài)軟件開發(fā)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)），監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)熱泵機房設備的實際分布情況及熱泵系統(tǒng)運行的工藝流程設計系統(tǒng)運行流程效果圖，將采集的參數(shù)形象、動態(tài)的展示，并以圖形按鈕、樹形菜單等方式為用戶提供操作接口，以實現(xiàn)設備控制、限值設定、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能，提高系統(tǒng)的易用性和交互性。上位機程序主要功能如下：

（1）控制模式轉換：設置系統(tǒng)的運行模式為全自動運行或者手動點動啟停設備及各個子系統(tǒng)。自動模式下可根據(jù)用戶側供水溫度等條件完成熱泵機組的啟停、機組的自動加載、減載、設備輪換、根據(jù)室外環(huán)境溫度自動設定主機出水溫度，克服室外環(huán)境溫度變化造成的室內溫度波動，達到節(jié)能、舒適的目的。

（2）控制三個系統(tǒng)協(xié)調運行：電價低谷時段控制熱泵機組為蓄能池蓄熱（冷），電價高峰期蓄能池放能進行制熱（冷）；可實現(xiàn)根據(jù)設定的時間和溫度條件，控制太陽能系統(tǒng)為淋浴水箱供熱、為蓄能池蓄熱、為地源側蓄熱三種工作模式按照優(yōu)先級從高到低的順序運行。

（3）系統(tǒng)還具有通過數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)報表進行數(shù)據(jù)分析功能；實時監(jiān)測關鍵參數(shù)及設備狀態(tài)進行故障檢測，實現(xiàn)聲光報警和短信提示功能；與視頻監(jiān)控系統(tǒng)結合將熱泵機房主要設備的監(jiān)控畫面集成到上位機界面顯示；用戶分級管理功能，為不同級別的用戶分配不同的操作權限，保證系統(tǒng)安全；提供Web訪問功能，支持通過互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問，便于管理人員遠程辦公。

4 結語

采用PLC和SCADA系統(tǒng)的綜合控制邏輯，實現(xiàn)對地源熱泵空調系統(tǒng)的無人值守控制，改變了傳統(tǒng)的人工管理模式，提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，降低了運行成本。積極響應國家倡導的綠色、節(jié)能、環(huán)保的方針，推進了低碳降耗的地源熱泵、太陽能等新能源技術的應用和普及，達到節(jié)能環(huán)保目的。

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