無人值守地源熱泵自動控制系統

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、水蓄能系統和太陽能系統相結合為建筑區域供冷供暖，并提供生活熱水的綜合系統，提出采用可編程控制器（PLC）與組態軟件開發的SCADA系統（數據采集與監視控制系統）配套的控制方案，采集設備運行及氣候補償參數，結合數據分析、視頻監測、遠程監控等方式實現本系統的控制功能，達到節能的目的，實現無人值守情況下系統的正常運行，降低系統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節能需求的升高，在環保和節能特性方面表現突出的地源熱泵系統得到了廣泛的應用。在地源熱泵空調系統的基礎上，結合水蓄能系統和太陽能系統為建筑區域供冷供暖更是新的發展方向，但在實際運行中，由于系統組成復雜，人工調控操作難度較高，并存在由于部分工作人員缺乏經驗，出現系統的運行管理不當，造成資源浪費等問題。為了解決目前地源熱泵系統控制方面存在的問題，本文引入一套合理可靠并實現無人值守的地源熱泵自控系統。

1 系統構成

本系統采用可編程邏輯控制器及上位機上的SCADA系統，將現場熱泵機組及其他各設備的工作狀態信息和傳感器采集到的數據信息經過PLC處理后，統一集中到工業組態軟件開發的SCADA系統中，再利用SCADA系統實現地源熱泵系統無人值守的最優化設計，根據實際負荷，經過分析運算，調節熱泵機組的啟停和工作能級，并和太陽能系統及水蓄能系統配套運行。

2 硬件架構

根據系統需求設計系統的硬件架構，采用分層分布的硬件結構，從下向上分為3級：現場級、監控級、管理級。現場級主要包括以PLC 300為核心控制器的控制柜、熱泵機組、循環泵、閥門、各類傳感器等；監控級主要包括實時數據服務器、歷史數據服務器、工程師站、硬盤錄像機、安全防護網關等；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主要是根據系統整體工藝要求，依靠PLC程序和上位機監控系統的綜合控制邏輯實現的。

3.1 PLC程序設計

采用PLC作為現場控制設備，負責采集現場各類傳感器的4-20mA信號獲取溫度、壓力、液位等參數，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、出水溫度、回水溫度、工作模式等參數，并且采用TCP/IP方式將檢測數據上傳到上位機，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工藝流程編寫程序，本系統地流程較復雜，梯形圖共計1100多步，再此就不一一贅述了。系統上電后，PLC在設定時間范圍內根據工藝要求，檢測工作模式，手動模式下，人工控制系統運行；自動模式下，PLC負責將溫度、壓力、流量和液位等實時數據與上位機設定的參數限值進行比較，從而實現啟停閥門、循環泵、主機等設備；不斷檢測上位機給定的命令，負責太陽能系統、水蓄能系統包括泵、閥門等執行機構的啟停；并通過程序判定現場部分故障情況，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

采用組態軟件開發數據采集與監視控制系統（SCADA系統），監控系統根據熱泵機房設備的實際分布情況及熱泵系統運行的工藝流程設計系統運行流程效果圖，將采集的參數形象、動態的展示，并以圖形按鈕、樹形菜單等方式為用戶提供操作接口，以實現設備控制、限值設定、參數調節以及各類信號報警等各項功能，提高系統的易用性和交互性。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。自動模式下可根據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、根據室外環境溫度自動設定主機出水溫度，克服室外環境溫度變化造成的室內溫度波動，達到節能、舒適的目的。

（2）控制三個系統協調運行：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）；可實現根據設定的時間和溫度條件，控制太陽能系統為淋浴水箱供熱、為蓄能池蓄熱、為地源側蓄熱三種工作模式按照優先級從高到低的順序運行。

（3）系統還具有通過數據曲線、數據報表進行數據分析功能；實時監測關鍵參數及設備狀態進行故障檢測，實現聲光報警和短信提示功能；與視頻監控系統結合將熱泵機房主要設備的監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，保證系統安全；提供Web訪問功能，支持通過互聯網遠程訪問，便于管理人員遠程辦公。

4 結語

采用PLC和SCADA系統的綜合控制邏輯，實現對地源熱泵空調系統的無人值守控制，改變了傳統的人工管理模式，提高了系統的可靠性、穩定性，降低了運行成本。積極響應國家倡導的綠色、節能、環保的方針，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，達到節能環保目的。

參考文獻

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