王廣保, 徐友良, 夏繼軍

(滁州職業(yè)技術學院 傳媒與設計學院，安徽 滁州 239000)

引 言

空氣源熱泵是應用熱力學第一定律，通過對工質做功實現(xiàn)熱量從冷源向熱源傳輸?shù)墓嵯到y(tǒng)，其應用具有安全、高效、節(jié)能、適用范圍廣等特點[1]。傳統(tǒng)的空氣源熱泵機組主要是采用本地監(jiān)控方式，這種系統(tǒng)監(jiān)控技術比較落后，沒有完整的歷史數(shù)據(jù)存儲和分析功能。運用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網及移動通訊技術，開發(fā)一套分布式機組運行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，既可對空氣源熱泵機組的運行、故障、節(jié)能等進行實時監(jiān)測，又可對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、分析，形成自動控制、故障提醒、節(jié)能建議、便捷維護等指令，實現(xiàn)熱泵機組的運行管理模式現(xiàn)代化[2]。

1 熱泵改造系統(tǒng)工作原理

熱泵改造系統(tǒng)工作原理如圖1所示。實施遠程監(jiān)控的設備有超低溫空氣源熱泵機組(RSB-1)、循環(huán)水泵(LB-R-1)(LB-R-2)、蓄熱水箱(XRSX-1)、電磁閥(DF1、DF2、M)等。超低溫空氣源熱泵機組(RSB-1)采用綠色無污染的冷媒，吸取空氣中的熱量，通過壓縮機做功，生產出生活熱水。循環(huán)水泵(LB-R-1)把機組出水口熱水輸送到蓄熱水箱，蓄熱水箱(XRSX-1)采用聚氨酯發(fā)泡保溫，配有6KW電輔助加熱設備，當水箱內的水溫達到設定溫度值時，機組進入待機狀態(tài)，系統(tǒng)自動關閉循環(huán)水泵(LB-R-1)及閥門(DF1、DF2)，使熱能以高溫熱水的形式儲存在蓄熱水箱中。循環(huán)水泵(LB-R-2)工作狀態(tài)下，系統(tǒng)把熱水輸送到終端用戶分水器，再由各終端用戶的溫度智能控制器根據(jù)室內溫度變化情況控制電磁閥的啟停達到用戶設定溫度值。從終端用戶分水器出來的水經集水器回水管道回流至蓄熱水箱。集水器回水管道上的溫度低至設定低溫值時，系統(tǒng)自動開啟閥門(DF1、DF2)及循環(huán)水泵(LB-R-1)，熱泵機組進入工作狀態(tài)。低電價時段，系統(tǒng)自動開啟蓄熱水箱電輔助加熱模式，低電價時段結束，系統(tǒng)自動關閉電輔助加熱。蓄熱水箱(XRSX-1)水位下降到設定低位時，自來水進水口自動補水。

2 熱泵遠程監(jiān)控硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用分布式架構，軟、硬件均采用模塊化設計，如圖2所示。系統(tǒng)主要由三個部分組成。(1)智能監(jiān)控器。智能監(jiān)控器集成了數(shù)據(jù)采集模塊、設備控制模塊，可通過485總線與3G/4G模塊通訊。數(shù)據(jù)采集模塊具有數(shù)據(jù)采集功能，能夠采集機組溫度、壓力、開關量、故障以及現(xiàn)場智能電表數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度、室內有效溫度等數(shù)據(jù)。設備控制模塊接收服務器端和終端用戶APP遠程參數(shù)設定和設備控制指令，自動啟停循環(huán)水泵和電磁閥等。3G/4G通訊模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)以3G/4G通訊方式上傳至服務器，實現(xiàn)服務器和現(xiàn)場控制模塊之間的通訊。(2)服務器。服務器對采集的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分類存儲，由專家管理系統(tǒng)進行云計算，生成控制、建議、服務、強制等各種類型的指令，分發(fā)到設備控制模塊、用戶手機APP、維修人員手機APP等。(3)企業(yè)運營管理和維護及用戶的末端設備等。

圖1 熱泵改造系統(tǒng)工作原理圖

圖2 系統(tǒng)物理架構圖

對智能監(jiān)控器的設計制造有以下要求：(1)便于通訊。采用標準的485接口，Modbus RTU協(xié)議，可以與提供相同接口及通訊協(xié)議廠家的控制器進行通訊。(2)易于安裝。設計盡量小巧，力求接線方便，可安裝在電控柜內任何合適位置。(3)嵌入式模式。數(shù)據(jù)采集模塊僅從原設備控制器中讀取相應數(shù)據(jù)，不參與原主板內部控制程序，不影響原設備運行，具有獨立的程序處理系統(tǒng)，對熱泵機組等原控制系統(tǒng)無影響。

3 熱泵遠程監(jiān)控軟件系統(tǒng)

3.1 軟件系統(tǒng)架構

系統(tǒng)開發(fā)了3套軟件：智能控制器數(shù)據(jù)采集與處理軟件；服務器端軟件，包括服務器數(shù)據(jù)庫應用軟件和專家管理系統(tǒng)軟件；客戶端手機APP軟件，包括廠商售后服務人員手機端APP軟件和終端用戶手機APP軟件。

3.2 軟件功能需求

(1)智能控制器軟件。數(shù)據(jù)采集軟件能實時采集用戶用電量數(shù)據(jù)、室內環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、機組實時運行參數(shù)、故障數(shù)據(jù)、售后服務響應速度數(shù)據(jù)等。設備控制軟件能根據(jù)程序和指令自動切換機組運行模式，設置機組運行參數(shù)、控制現(xiàn)場泵、電磁閥的啟停等。(2)服務器端軟件。服務器數(shù)據(jù)庫應用軟件要實現(xiàn)系統(tǒng)配置、用戶管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲等功能，專家管理系統(tǒng)軟件能提供數(shù)據(jù)轉發(fā)接口、數(shù)據(jù)查詢接口、故障查詢接口和客戶端APP遠程控制接口等。服務器端軟件能實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)計算服務功能，對采集的智能電表數(shù)據(jù)進行綜合分析，結合分時電價，對用戶實時用電量以及環(huán)境溫度等進行統(tǒng)計和計算，給出節(jié)能化的控制建議。對空氣源熱泵用戶用電量，設備故障出現(xiàn)率及售后服務響應速度等數(shù)據(jù)進行收集、整理和建檔，以此建立能源大數(shù)據(jù)庫、信譽度評判大數(shù)據(jù)庫和用戶實際節(jié)能數(shù)據(jù)庫。(3)客戶端手機APP軟件。用戶通過手機APP可設定熱泵機組運行參數(shù)，查詢服務器相關數(shù)據(jù)，當設備發(fā)生故障時，用戶通過手機APP能實時收到故障報警信息，可在手機APP上點擊報修。廠商售后服務人員手機APP能實時收到故障報警信息和用戶報修信息，實時掌握故障情況。維修人員可通過設備定位功能，快捷到達設備現(xiàn)場進行售后服務。軟件系統(tǒng)能實現(xiàn)多用戶聯(lián)網遠程監(jiān)控，每個熱泵用戶作為一個子站通過互聯(lián)網接入系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構圖

3.3 軟件非功能需求

(1)交互界面友好。開發(fā)的交互界面要直觀、易懂、數(shù)據(jù)完善、功能齊全、子菜單數(shù)據(jù)歸類清晰明了。(2)運行平臺適應性好。開發(fā)的運行平臺要能在Windows、MAC以及智能手機Android、iOS系統(tǒng)下穩(wěn)定運行。(3)可擴展性。軟件主體設計預留智能家居等管理接口。

4 系統(tǒng)開發(fā)技術

4.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術

選用自主開發(fā)的智能監(jiān)控器及PLC采集熱泵機組運行數(shù)據(jù)、故障信息，電表數(shù)據(jù)和室外環(huán)境溫度、管道進出水溫度、蓄水箱溫度、房間溫度及按鈕控制輸入等相關參數(shù)。

4.2 數(shù)據(jù)上傳及與服務器通訊技術

智能監(jiān)控器采集熱泵機組運行數(shù)據(jù)后，采用485總線、MODBUS協(xié)議與3G/4G模塊進行現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)傳輸，3G/4G模塊將數(shù)據(jù)傳遞至遠程云服務器。3G/4G模塊采用UDP協(xié)議與遠程云服務器進行數(shù)據(jù)傳輸。當服務器接收到數(shù)據(jù)后，進行項目識別、歸類、分組、數(shù)據(jù)存儲、計算，并生成各類指令。

服務器專家管理系統(tǒng)軟件根據(jù)初始設定的參數(shù)，遠程自動監(jiān)控熱泵機組等現(xiàn)場設備運行。當現(xiàn)場設備出現(xiàn)故障時，專家管理系統(tǒng)軟件能夠及時通過實時數(shù)據(jù)分析，判斷出機組等設備具體故障位置，發(fā)出提醒指令到相應子站對應客戶端或APP端。云計算主要是分析當前工作方式是否以節(jié)能或節(jié)省方式運行，同樣是通過客戶端或APP進行反饋到最終客戶端去選擇。UDP控件端口定義為8600，監(jiān)聽各子站3G/4G模塊發(fā)送的注冊信息并回復。UDP控件接收子站HeartBeat心跳包，并獲取子站ID號、動態(tài)IP地址及端口號；添加子站動態(tài)IP及端口到列表。服務器根據(jù)取得各子站的動態(tài)IP及端口，提供給UDP控件向子站采集數(shù)據(jù)。通訊協(xié)議選用MODBUS RTU，MODBUS協(xié)議詳細定義了校驗碼、數(shù)據(jù)序列等。MODBUS協(xié)議在一根通訊線上使用主從應答式通訊，意味著在一根單獨的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。服務器的信號尋址到一臺唯一的終端設備，終端設備發(fā)出的應答信號以相反的方向傳輸給服務器。MODBUS協(xié)議只允許在智能模塊或PLC與終端設備之間通訊，而不允許終端設備相互之間的通訊，這樣各終端設備不會在它們初始化時占據(jù)通訊線路，而僅限于響應到達服務器的查詢信號[3]。UDP控件監(jiān)聽各子站發(fā)回的運行數(shù)據(jù)報文并解釋。服務器通過UDP控件向子站發(fā)送控制信息。UDP控件配置見圖4。

圖4 idUDPRTU控件配置

4.3 客戶端與服務器之間通訊技術

客戶端APP與服務器之間通訊采用DELPHI XE10提供DataSnap技術?；谖④汣OM/DCOM技術的DataSnap只支持Windows系統(tǒng)而不支持跨平臺。DELPHI2009推出后，DataSnap的多層架構不再基于微軟的COM，移除了COM依賴就等于擺脫了Windows的束縛，實現(xiàn)了跨平臺。在新版快速應用開發(fā)(RAD)中的DataSnap技術，使用TCP/IP以更加開放的交互方式生成遠程服務對象和客戶端連接，能夠很好適應本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境。DataSnap作為一套綜合而強大的中間件，主要特點是能夠快速創(chuàng)建DataSnap應用及服務和快速部署，且執(zhí)行效率高。DELPHI XE10提供的DataSnap具備通過TCP/IP通信傳輸數(shù)據(jù)的多項標準，能基于TCP/IP協(xié)議，通過HTTP及HTTPS進行數(shù)據(jù)交互。HTTPS協(xié)議是在HTTP基礎上增加TLS/SSL協(xié)議，通過數(shù)字證書、加密算法、非對稱密鑰等技術構建的可進行加密傳輸、身份認證的網絡協(xié)議，通過加密傳輸實現(xiàn)互聯(lián)網傳輸安全保護。此外為提升網絡傳輸效率，客戶端APP中的業(yè)務邏輯數(shù)據(jù)選用REST服務廣播、傳遞消息。例如，在DataSnap中定義了供客戶端及APP調用的遠程控制和水箱控制等函數(shù)(API)，支持JSON格式和數(shù)據(jù)流格式數(shù)據(jù)傳輸。

如遠程控制API：

procedure TServerMethods1.AppRemoteCtrl(StationId,PlcId,MdId:Byte;D1,D2:Word);

begin

FormMain.CtrlStation:=StationId;

FormMain.CtrlPlc:=PlcId;

FormMain.CtrlMd:=MdId;

FormMain.isControlIng:=True;

case PlcId of

0:

Begin

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls1[MdId].MdControlAOut.RunStop:=D1+$4000;

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls1[MdId].MdControlAOut.SetTemp:=D2;

end;

1:

begin

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls2[MdId].MdControlAOut.RunStop:=D1+$4000;

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls2[MdId].MdControlAOut.SetTemp:=D2;

end;

end;

FormMain.TimerMain.Enabled:=False;

FormMain.TimerCtrl.Enabled:=True;

end;

生成的JSON數(shù)據(jù)如下：

{

"FormMain":{

"CtrlStation":"100001",

"CtrlPlc":"100001",

"CtrlMd":"100001",

"isControlIng":true,

.....

}

}

JSON(JavaScript Object Notation)作為一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，是一種獨立于編程語言的文本格式，既易于開發(fā)人員閱讀，也易于計算機解析與生成，能夠提高開發(fā)效率與網絡傳輸效率。

4.4 服務器端軟件架構

云端服務器使用基于服務的分層結構，其中數(shù)據(jù)庫層用于數(shù)據(jù)存儲；業(yè)務邏輯層負責數(shù)據(jù)的收集與分析；服務層API為外部提供基于REST的訪問接口；客戶端則通過API Gateway(API網關)訪問并獲取數(shù)據(jù)，其結構如圖5所示。

業(yè)務邏輯層采用DeltaV 數(shù)字自動化系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)進行分析與統(tǒng)計。數(shù)據(jù)的存儲采用成熟的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，并根據(jù)數(shù)據(jù)用途的不同分為分數(shù)據(jù)云存儲庫、專家云計算庫。數(shù)據(jù)云存儲庫分為歷史數(shù)據(jù)庫和動作執(zhí)行數(shù)據(jù)庫。專家云數(shù)據(jù)庫分為獨立云計算數(shù)據(jù)庫和指令執(zhí)行數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)表(table)包括：子站信息表(Station)、末端配置表(md)、運行數(shù)據(jù)表(RunDatas)、運行異常表(Rb_Error)、操作計錄表(Options)、維護人員信息表(Df_User)。數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件界面見圖6。

圖5 服務器端軟件架構

圖6 數(shù)據(jù)表(table)開發(fā)軟件

運行數(shù)據(jù)表(RunDatas)用于定時保存每個終端運行數(shù)據(jù)，每30分鐘保存一次，字段包括：ID、用戶名(子站)、末端名(位置)、時間、溫度。

4.5 熱泵機組運行歷史數(shù)據(jù)查詢技術

在客戶端進入查詢界面后，輸入用戶名、末端位置、開始日期、結束日期，點擊查詢按鈕，在表格中顯示查詢數(shù)據(jù)。點擊曲線按鈕直觀顯示一天中溫度變化曲線。如圖7所示。

5 軟件開發(fā)及使用

開發(fā)的客戶端手機APP軟件，需要通過用戶名+密碼登錄訪問服務器，廠商客戶端APP與服務器間用TCP通訊方式、自定義通訊協(xié)議及端口。服務器端應用軟件與廠商及用戶交流信息，發(fā)送保運信息，指導用戶高效使用熱泵。終端用戶以APP方式提醒廠商或設備維護人員及時維護主機或末端設備。

6 結論

通過測試，開發(fā)的空氣源熱泵機組遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了功能性和非功能性需求，大數(shù)據(jù)可分類保存半年。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性、擴展性、可維護性、操作便捷性和交互界面友好性等方面達到了設計要求。

圖7 一天中溫度曲線

查詢數(shù)據(jù)可以導出為.xls格式，做進一步統(tǒng)計分析。