空氣能熱泵熱水機組遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

Research and Application of the Remote Intelligent Monitoring System

for Air Heat Pump Hot Water Units

黃　丹1,3　趙文麗2　毛曉波1

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院1，河南 鄭州　450001；

河南省輕工業(yè)職工大學(xué)機電工程系2，河南 鄭州　450002；國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心3，河南 鄭州　450002)

空氣能熱泵熱水機組遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

Research and Application of the Remote Intelligent Monitoring System

for Air Heat Pump Hot Water Units

黃丹1,3趙文麗2毛曉波1

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院1，河南 鄭州450001；

河南省輕工業(yè)職工大學(xué)機電工程系2，河南 鄭州450002；國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心3，河南 鄭州450002)

摘要：對空氣能熱泵熱水機組的數(shù)據(jù)通信模式和控制技術(shù)進行了研究。基于LabVIEW開發(fā)了PC監(jiān)控界面，以實時遠程監(jiān)測熱水機組各參數(shù)變化和負載工作狀態(tài)。采用模糊控制算法，實現(xiàn)了機組設(shè)定制水溫度和除霜運轉(zhuǎn)的遠程智能控制，取代了傳統(tǒng)的人工控制；設(shè)計實現(xiàn)了一款空氣能熱泵熱水機組遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，解決了機組參數(shù)觀察及操控不便的問題，提高了機組的制熱性能。測試結(jié)果和實際應(yīng)用表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

關(guān)鍵詞：空氣能熱泵節(jié)能遠程監(jiān)控智能控制LabVIEW

Abstract：The data communication mode and control technology for air heat pump hot water unit are researched. The PC interface is developed based on LabVIEW, to remotely monitor variation of various parameters and condition of the load operation for the unit in real time. By using fuzzy control algorithm, the remote intelligent control of unit setting water temperature and defrost operation are implemented instead of traditional manual control; thus the remote intelligent monitoring system for air heat pump hot water unit is realized, to solve the problems of incontinence of observing unit parameters and operational control, and improves the heating performance of unit. The test result and practical application show that the system performance is stable, safety and energy saving. It possesses broad application prospect and promotion value.

Keywords：Air heat pumpEnergy-savingRemote monitoringIntelligent controlLabVIEW

0引言

空氣能熱泵熱水技術(shù)是當(dāng)今最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉醇夹g(shù)之一。它根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用少量的電能驅(qū)動，以冷媒為載體，將低品味熱源(空氣)中的能量轉(zhuǎn)移到被加熱的水中,用以制取高品位的生活熱水和采暖熱水，這樣不僅安全，而且節(jié)能環(huán)保。目前，美的、格力等著名企業(yè)均推出了空氣能熱泵熱水機組系列產(chǎn)品，但機組及其控制柜體積龐大，通常安裝在賓館等大樓的頂層，操作人員必須到現(xiàn)場操控機組;機組的運行參數(shù)也是通過現(xiàn)場的線控器來查看，很不方便[1]。此外，熱水機組的水溫設(shè)定和除霜啟停通常采用人工設(shè)置，影響了節(jié)能效果。

本文提出一種空氣能熱泵熱水機組遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。基于LabVIEW開發(fā)的圖形化的用戶界面，使用戶能夠在控制室通過PC遠程實時觀察熱水系統(tǒng)運行情況，檢測各負載的工作狀態(tài)；在監(jiān)控界面后臺程序中集成了智能控制模塊，實現(xiàn)了模糊控制的計算和分析，并能遠程自動控制機組的制水溫度設(shè)定和除霜啟停。

1遠程監(jiān)控的實現(xiàn)

為方便客戶通過控制室的PC終端實時了解熱水系統(tǒng)的運行情況，設(shè)計了遠程通信與監(jiān)控兩大模塊。機組采用主從式通信方式，系統(tǒng)中有一臺主機、多臺從機和多個線控器。主機與各從機及線控器掛在同一通信總線上，以數(shù)據(jù)幀的形式進行通信。各模塊單元數(shù)據(jù)幀格式相同，包含機組的各項運行參數(shù)，如在線機組數(shù)、運行模式、水箱溫度、液位、壓縮機電流、電子膨脹閥開度、室外環(huán)境溫度、負載率、端口輸出狀態(tài)、故障與保護狀態(tài)等。PC機串口數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過RS- 485總線連接到通信總線上，通過LabVIEW中的“VISA”通信協(xié)議實現(xiàn)串口通信，讀取通信總線上的數(shù)據(jù)幀[2]。因機組參數(shù)眾多，故利用LabVIEW首先要實現(xiàn)的是接收各幀數(shù)據(jù)并正確拆分，以控件形式在前面板顯示，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

LabVIEW采用圖形化編程語言即G語言編寫程序，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。遠程監(jiān)控界面內(nèi)部程序主要分為兩部分。一是按字節(jié)接收從串口讀出的字符串，由內(nèi)部循環(huán)控制組成一幀數(shù)據(jù)傳送到后續(xù)程序中。因每幀數(shù)據(jù)有34個字節(jié)，且固定幀頭為5A，故每次由串口讀出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)并判斷是否為幀頭。若是，則取其后的33個字節(jié)與5A組成一幀數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)尋找?guī)^。考慮到數(shù)據(jù)幀內(nèi)可能會有字節(jié)與幀頭沖突而被程序誤認為幀頭，故在所組數(shù)據(jù)幀后加上校驗部分，以排除這種可能性。二是對校驗過的數(shù)據(jù)進行機組號判斷，將數(shù)據(jù)送入對應(yīng)的主機或從機顯示控件。經(jīng)實際測試，通信效果良好。

2設(shè)定制水溫度的模糊控制

空氣能熱泵熱水機組熱水供給模式通常有兩種：一種是制取的熱水溫度恰等于用戶所需的熱水溫度；另一種是制取的熱水溫度高于用戶所需的熱水溫度，用戶在用水時，將高溫?zé)崴c冷水混合，得到所需溫度的熱水。設(shè)冷水(自來水)溫度為15 ℃，用戶所需熱水溫度為45 ℃，冷凝器中冷媒與水的平均傳熱溫差為5 ℃，水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)。

按第一種方式供給熱水，制取熱水溫度為45 ℃時，每加熱1 t水需耗電量為28.64 MJ；按第二種方式供給熱水時，制取熱水溫度為65 ℃，并由65 ℃熱水與15 ℃自來水混合得到45 ℃的熱水，則獲得1 t 45 ℃的熱水所需的高溫(65 ℃)熱水量mH的計算式為(65-15)mH=(45-15)×(1-mH)，解得：mH=0.6 t。加熱得到0.6 t 65 ℃熱水的耗電量為126/3.53=35.69 MJ，比第一種熱水供給模式多耗電約：(35.69-28.64)/28.64≈25%。故熱泵機組制取的熱水溫度超出用戶所需的熱水溫度越多，則耗電量增加越多。因此，在工程實際應(yīng)用中，熱泵機組制取的熱水溫度應(yīng)盡量接近用戶所需的熱水溫度。

根據(jù)人們洗澡用熱水舒適度的習(xí)慣，其設(shè)定水箱制水溫度隨環(huán)境溫度的變化而變化。如環(huán)境溫度高時(30 ℃)，水箱設(shè)定制水溫度就低(39 ℃)；如環(huán)境溫度低時(0 ℃)，水箱設(shè)定制水溫度就偏高(45 ℃)。因而，如果能通過智能控制算法，隨環(huán)境溫度變化實時調(diào)節(jié)空氣能熱泵熱水機組設(shè)定制水溫度，改善高設(shè)定溫度對系統(tǒng)不利影響，則對于提高空氣能熱泵熱水機組的節(jié)能性有著積極的意義[3]。

考慮到空氣能熱泵熱水機組是一個時變的、非線性系統(tǒng)，故采用模糊控制取代傳統(tǒng)的定溫控制方式[4]。采用標(biāo)準(zhǔn)的“雙入單出”模糊控制器，輸入量為前一日的環(huán)境溫度和環(huán)境溫度變化量，輸出量為設(shè)定制水溫度，模糊控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　設(shè)定制水溫度模糊控制結(jié)構(gòu)圖

因前文中提到的基于LabVIEW的遠程監(jiān)控界面中包含室外環(huán)境溫度這一參數(shù)的實時測量數(shù)值，故可直接在LabVIEW后臺程序中提取室外環(huán)境溫度在8∶00、12∶00、16∶00這三個時間點的測量值為參考值，取平均值作為室外環(huán)境溫度E，采用數(shù)據(jù)記錄函數(shù)將當(dāng)日所測室外環(huán)境溫度E記錄在數(shù)據(jù)文件中[5]；通過讀取數(shù)據(jù)文件中近兩日的溫度值并做差值，得到室外環(huán)境溫度平均值的變化量，記為EC；設(shè)定制水溫度作為輸出量，記為U。考慮到換算方便，本文中將模糊論域全部設(shè)為對稱范圍。

以中原城市鄭州為例，根據(jù)實際環(huán)境，將室外環(huán)境溫度E的基本論域設(shè)定為[-8 ℃，40 ℃]，模糊論域為X={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，換算式為：

(1)

室外環(huán)境溫度變化量EC的基本論域為[-6 ℃，6 ℃]，模糊論域為Y={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，換算式為：

(2)

設(shè)定制水溫度U的基本論域為[40 ℃，52 ℃]，模糊論域為Z={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，換算式為：

(3)

E、EC、U均用7個模糊變量來描述，分別對應(yīng)各自模糊論域的7個元素。LabVIEW提供了模糊邏輯工具箱，將輸入、輸出量模糊化。在模糊控制中，不同的隸屬度函數(shù)會對控制特性產(chǎn)生不同的影響，隸屬度函數(shù)曲線形狀比較陡峭的模糊量，其分辨率較高，控制靈敏度也高；反之，隸屬度函數(shù)曲線形狀較平緩的模糊子集，靈敏度較低，控制特性比較平緩，穩(wěn)定性比較好。考慮到本文中的室外環(huán)境溫度基本論域為-8~40 ℃，跨度較大，故隸屬度函數(shù)μ(X)在誤差較小的適溫區(qū)域采用分辨率較高的三角形隸屬函數(shù);在誤差較大的高溫和低溫區(qū)域采用分辨率略低的三角形函數(shù)和高斯函數(shù)作為隸屬函數(shù)，如圖2所示，這樣達到了整體控制精度高而且穩(wěn)定性好的效果。

圖2　室外環(huán)境溫度隸屬度函數(shù)示意圖

本文中的室外環(huán)境溫度EC和輸出量設(shè)定制水溫度U，其溫度范圍跨度較小，故均采用標(biāo)準(zhǔn)的三角形隸屬函數(shù)，如圖3所示。

圖3　室外環(huán)境溫度變化量隸屬度函數(shù)示意圖

根據(jù)實際控制經(jīng)驗，可將上述模糊變量羅列成49條模糊規(guī)則，如表1所示。

輸入變量通過模糊化以及根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，得到輸出模糊變量，而輸出模糊變量需要通過逆模糊化處理才能得到精確的輸出變量。采用重心法對輸出模糊變量逆模糊化，其本質(zhì)為加權(quán)平均法。在LabVIEW后臺程序界面，載入設(shè)置好的上述模糊控制系統(tǒng)，導(dǎo)入室外溫度測量值E以及計算所得平均溫度變化量EC，并模糊化處理，作為該模糊控制系統(tǒng)的輸入量，而輸出量為模糊論域Z的子集，換算后得到真正的設(shè)定制水溫度U。

表1　設(shè)定制水溫度模糊規(guī)則

通過LabVIEW仿真，抽取部分測試點作為取樣點，得到圖4所示的輸入與輸出變量關(guān)系。由圖4可以看出，各輸入量均對輸出量產(chǎn)生明顯影響，在室外溫度E相同的情況下，機組設(shè)定制水溫度U隨環(huán)境溫度變化量EC增大而逐漸降低；從縱向來看，設(shè)定制水溫度U隨著室外溫度E的降低而變高。

圖4　設(shè)定制水溫度模糊控制仿真結(jié)果

3智能除霜控制

空氣能熱泵熱水機組系統(tǒng)原理如圖5所示。根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，冷媒在蒸發(fā)器中吸收空氣的熱量，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)；進入到壓縮機中，壓縮機耗電做功使低溫低壓冷媒變?yōu)楦邷馗邏簹怏w；接著在冷凝器中放熱，將熱量轉(zhuǎn)移到冷水中，并轉(zhuǎn)化為液體進入膨脹閥；通過膨脹閥節(jié)流后又變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，再次進入蒸發(fā)器。如此循環(huán)往復(fù)工作，空氣中的熱能被不斷“泵”送到水中，使水箱里的水溫逐漸升高[6]。

空氣能熱泵熱水機組就是利用室外空氣壓縮機驅(qū)動管道內(nèi)的冷媒循環(huán)流動，不斷蒸發(fā)冷凝，把外界空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到被加熱的水中以供洗浴和采暖。當(dāng)室外溫度降低時，熱泵機組蒸發(fā)溫度也隨之降低，甚至低于0 ℃，引起蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使傳熱熱阻和空氣流通阻力增加，機組工況惡化，性能下降，嚴(yán)重影響制熱量和機組的整體性能。因此，合理除霜是保證機組供熱穩(wěn)定和可靠的關(guān)鍵。

圖5　空氣能熱泵熱水機組系統(tǒng)原理圖

因可能結(jié)霜的溫度范圍較小，將室外環(huán)境溫度E的基本論域設(shè)定為[-8 ℃，8 ℃]，模糊論域為X={-2,-1,0,1,2}，換算式為：

(4)

將除霜間隔時間T的基本論域設(shè)定為[0min，30min]，模糊論域為Y={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，則換算式為：

(5)

將結(jié)霜幾率R的基本論域設(shè)定為[0%，100%]，模糊論域為Z={-2,-1,0,1,2}，則換算式為：

(6)

采用標(biāo)準(zhǔn)三角形隸屬函數(shù)進行模糊化處理，模糊規(guī)則如表2所示。

表2　智能除霜模糊規(guī)則

由LabVIEW計算處理并得到輸入輸出關(guān)系三維曲面觀察器如圖6所示，從整體視角反映了系統(tǒng)的控制特性。從縱向上看，在室外環(huán)境E相同的條件下，隨著除霜間隔時間T的升高，結(jié)霜幾率R也隨之升高；從橫向上看，在除霜間隔時間T相同的條件下，室外環(huán)境溫度E越低結(jié)霜幾率R越高，反之R相應(yīng)減小，符合生活經(jīng)驗，無控制失衡現(xiàn)象，魯棒性能良好。

圖6　智能除霜輸入輸出關(guān)系三維曲面觀察器

抽取部分測試點作為取樣點，得到表3所示輸入輸出變量測試數(shù)據(jù)。

表3　智能除霜模糊控制測試數(shù)據(jù)

由測試數(shù)據(jù)得到結(jié)霜幾率R的大致范圍和走向，故在程序中設(shè)定當(dāng)結(jié)霜幾率R≥55%時，機組啟動除霜運轉(zhuǎn)，并將上一輪的除霜間隔計時清零；當(dāng)結(jié)霜幾率R<55%時，機組停止除霜運轉(zhuǎn)，并開始新一輪的除霜間隔計時。

4結(jié)束語

本文從實際應(yīng)用需求出發(fā)，根據(jù)統(tǒng)一的通信協(xié)議完成了上位機熱水機組與下位機PC之間的數(shù)據(jù)通信，設(shè)計了基于LabVIEW的空氣能熱泵熱水機組遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)。實時遠程監(jiān)測熱水機組各參數(shù)變化和負載工作狀態(tài)，簡化了熱水機組的監(jiān)控操作。通過引入遠程監(jiān)測模塊中的室外環(huán)境溫度變量，利用LabVIEW的模糊控制工具箱，建立了設(shè)定制水溫度和智能除霜的模糊控制模型。該模型在智能控制方面實現(xiàn)了兩大功能：一是遠程智能控制機組設(shè)定制水溫度，取代了傳統(tǒng)的人工定溫控制；二是智能判定機組結(jié)霜幾率并據(jù)此做出除霜指令，在節(jié)能方面有著很大的優(yōu)勢，具有推廣應(yīng)用價值。

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中圖分類號：TP27

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503019

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(編號：20114101110005);

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點基金資助項目(編號：14A410001)。

修改稿收到日期：2014-08-06。

第一作者黃丹(1990-)，女，2014年畢業(yè)于鄭州大學(xué)控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，審查員；主要從事智能儀器與儀表的研究。