高速鐵路車站地源熱泵自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李浩然，周文波，丁道祥，王偉，王瑞雪

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

目前，由于地源熱泵是一種利用土壤所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)，高速鐵路車站越來(lái)越多的選擇使用地源熱泵系統(tǒng)作為站房?jī)?nèi)部的空調(diào)裝置。但在使用的過(guò)程中，某些車站地源熱泵在使用的過(guò)程中暴露出自動(dòng)化程度低，站房?jī)?nèi)空調(diào)溫差大，不能夠無(wú)人值守，能源利用率低，耗能較大等弊端。而通過(guò)在地源熱泵系統(tǒng)的室外地源換熱系統(tǒng)、地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)以及室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)置模擬量采集裝置，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂平K端，利用自動(dòng)控制原理對(duì)地源熱泵實(shí)行自動(dòng)控制，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊將數(shù)據(jù)反饋到遠(yuǎn)程服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)地源熱泵遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集控，建立“用數(shù)據(jù)說(shuō)話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理”的科技型、創(chuàng)新型房產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理體系，建立地源熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)了解鐵路地源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)和生產(chǎn)辦公區(qū)內(nèi)設(shè)備工作情況。

1 地源熱泵自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器及上位機(jī)上的SCADA系統(tǒng)，將現(xiàn)場(chǎng)地源熱泵機(jī)組及其他各設(shè)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(guò)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(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)無(wú)人值守的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷，經(jīng)過(guò)分析運(yùn)算，調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組的啟停和工作能級(jí)，并和太陽(yáng)能系統(tǒng)及水蓄能系統(tǒng)配套運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，采用分層分布的硬件結(jié)構(gòu)，從下向上分為3級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、監(jiān)控級(jí)、管理級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要包括以PLC為核心控制器的控制柜、熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、閥門、各類傳感器等；監(jiān)控級(jí)主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、硬盤錄像機(jī)、安全防護(hù)網(wǎng)關(guān)等；管理級(jí)主要包括管理終端設(shè)備（PC機(jī)）、手持管理設(shè)備、移動(dòng)管理設(shè)備等。利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地源熱泵房、段、路局?jǐn)?shù)據(jù)大集中系統(tǒng)，并行成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理，系統(tǒng)管理構(gòu)成圖如圖1。

圖1 地源熱泵自控系統(tǒng)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 地源熱泵自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

在整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)中，地源熱泵機(jī)房設(shè)備主要包括地源熱泵機(jī)組、地源循環(huán)泵、用戶循環(huán)泵、板式換熱器和軟水設(shè)備等。候車室設(shè)備主要包括中央空調(diào)機(jī)組、地板輻射供暖、盥洗室風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組等，生產(chǎn)辦公區(qū)包括風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組等。基于地源熱泵系統(tǒng)的組成，地源熱泵自控系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)區(qū)域可分為埋管區(qū)域地溫監(jiān)測(cè)、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控、全系統(tǒng)輸入／輸出能量計(jì)量、全系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行控制等。

2.1 埋管區(qū)域地溫監(jiān)測(cè)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中將一定將一定程度上改變換熱區(qū)的地溫場(chǎng)，地溫場(chǎng)的改變直接影響系統(tǒng)性能和換熱區(qū)的地質(zhì)環(huán)境。因此通過(guò)設(shè)置埋管區(qū)域地溫監(jiān)測(cè)，可及時(shí)反饋換熱區(qū)溫度變換情況，作為系統(tǒng)自動(dòng)啟停的溫控參數(shù)之一，對(duì)達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)性能和保護(hù)地質(zhì)環(huán)境具有重要意義。

將整個(gè)埋管區(qū)域劃分成若干區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)選取2個(gè)具有代表性的點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為了滿足監(jiān)測(cè)需求，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)分為2類：一類是將溫度傳感器同豎直埋管一起固定下埋，對(duì)管井進(jìn)行監(jiān)測(cè)；另一類是設(shè)置單獨(dú)的溫度監(jiān)測(cè)井，用其他載體固定溫度傳感器埋入井內(nèi)。溫度傳感器的選型方面要保證傳感器和導(dǎo)線在高壓、偏堿性土質(zhì)（及液體）環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。溫度傳感器埋設(shè)完成后，通過(guò)多芯絕緣屏蔽導(dǎo)線連接進(jìn)入控制終端箱，控制終端箱內(nèi)部的可編程控制器具備通訊接口和開放通訊協(xié)議。在數(shù)據(jù)集控室設(shè)置1臺(tái)工控機(jī)，通過(guò)RS485通訊接口和通訊線纜與控制終端箱進(jìn)行通訊連接，采集、存儲(chǔ)土壤溫度信號(hào)，供高速鐵路車站地源熱泵控制系統(tǒng)組態(tài)軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析。

組態(tài)軟件收集土壤溫度并計(jì)算平均值，與設(shè)定的平均值比較。當(dāng)實(shí)際平均溫度高于設(shè)定平均溫度設(shè)定值時(shí)，開啟冷卻塔、冷卻水泵、地源側(cè)冷水泵對(duì)土壤進(jìn)行降溫，直至土壤達(dá)到常年正常溫度為止。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控

通風(fēng)空調(diào)機(jī)組的控制通過(guò)溫、濕度傳感器和氣壓控制開關(guān)，監(jiān)測(cè)通風(fēng)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警狀態(tài)以及手動(dòng)／自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；監(jiān)測(cè)空調(diào)送風(fēng)溫度，新風(fēng)機(jī)組與新風(fēng)門的聯(lián)鎖控制程序：空調(diào)機(jī)組開啟時(shí)，自動(dòng)打開新風(fēng)門，停機(jī)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)門。

通過(guò)室內(nèi)溫、濕度傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫度和濕度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，電動(dòng)兩通閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷冷凍水的供應(yīng)，從而起到控制風(fēng)機(jī)盤管的啟停作用。隨著室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管的啟停，供水主管上裝有水壓差傳感器的壓差控制開關(guān)監(jiān)測(cè)當(dāng)前水壓差，然后將信號(hào)傳輸至控制器，控制器經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算控制安裝在分、集水器旁路上的壓差調(diào)節(jié)閥的開度，維持供、回水壓差恒定于設(shè)定值。

2.3 全系統(tǒng)輸入／輸出能量計(jì)量

自控系統(tǒng)通過(guò)串口通訊線采集地源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)控制柜智能數(shù)字電度表電量數(shù)據(jù)，用來(lái)計(jì)量全部空調(diào)機(jī)組和循環(huán)水泵的耗電量。各用電單元配電柜計(jì)量各風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)組的耗電量。通過(guò)電能計(jì)量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)耗能；電能計(jì)量?jī)x表設(shè)置應(yīng)靠近用電設(shè)備，盡量集中計(jì)量，以保證計(jì)量精度、計(jì)量數(shù)據(jù)傳輸方便。

系統(tǒng)能量輸出由空調(diào)熱水系統(tǒng)、地源循環(huán)水系統(tǒng)、夏季板換水系統(tǒng)和用戶側(cè)空調(diào)水系統(tǒng)4個(gè)系統(tǒng)組成。通過(guò)熱能表對(duì)進(jìn)水管和出水管的溫度采集，并結(jié)合管路流量計(jì)檢測(cè)的管內(nèi)流量進(jìn)行計(jì)算，得最后出每個(gè)系統(tǒng)的能量輸出。

地源熱泵系統(tǒng)通過(guò)采集空調(diào)熱水系統(tǒng)、地源循環(huán)水系統(tǒng)、夏季板換水系統(tǒng)、用戶側(cè)空調(diào)水系統(tǒng)的能量輸入和輸出，計(jì)算系統(tǒng)的總能量以及通過(guò)智能電度表計(jì)量主機(jī)、地源側(cè)水泵、用戶側(cè)水泵、冷卻塔側(cè)水泵以及末端風(fēng)機(jī)盤管的耗電量。最后通過(guò)能量的輸入／輸出和系統(tǒng)總耗電量計(jì)算機(jī)房能效比和車站建筑的能效比。

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

綜上所述，地緣熱泵系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)量如下：

（1）空調(diào)側(cè)3臺(tái)循環(huán)泵的電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)、單泵電量、遠(yuǎn)程控制泵的開停。

（2）地源側(cè)3臺(tái)循環(huán)泵的電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)、單泵電量、遠(yuǎn)程控制泵的開停。

（3）空調(diào)側(cè)循環(huán)溫度檢測(cè)1處，地源側(cè)循環(huán)溫度檢測(cè)1處。

（4）2組地源熱泵機(jī)組的參數(shù)讀取（主要進(jìn)口壓力、出口壓力、進(jìn)口溫度、出口溫度、報(bào)警等）。

（5）補(bǔ)水泵水量和補(bǔ)水壓力，需要加遠(yuǎn)傳水表和水壓傳感器。

（6）地源側(cè)集水器進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、出口壓力、出口溫度，分水器進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、出口壓力、出口溫度。

（7）空調(diào)側(cè)集水器進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、出口壓力、出口溫度，分水器進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、出口壓力、出口溫度。

（8）換熱板1次側(cè)進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、出口壓力、出口溫度，換熱板2次側(cè)進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度、出口壓力、出口溫度。

（9）中央空調(diào)的溫度采集，1側(cè)設(shè)3個(gè)溫度采集點(diǎn)。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

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(jī)房設(shè)備的實(shí)際分布情況及熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的工藝流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行流程效果圖，將采集的參數(shù)形象、動(dòng)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(shí)現(xiàn)設(shè)備控制、限值設(shè)定、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能，提高系統(tǒng)的易用性和交互性。地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

上位機(jī)程序主要功能如下：

（1）用戶管理：可以定義權(quán)限用戶，進(jìn)行多級(jí)用戶的管理，可以查詢的和可以控制設(shè)備的用戶進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分。

（2）設(shè)備管理：建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)地源熱泵的所有設(shè)備的使用年限、使用注意事項(xiàng)、使用報(bào)廢年限、設(shè)備常用基本參數(shù)說(shuō)明等設(shè)備信息進(jìn)行管理，同時(shí)可以對(duì)遠(yuǎn)程終端其他電腦和手機(jī)上線數(shù)目進(jìn)行管理。遠(yuǎn)端最少允許5臺(tái)手機(jī)，2臺(tái)電腦進(jìn)行操作。可以對(duì)遠(yuǎn)程登錄的手機(jī)。

（3）系統(tǒng)日志：詳細(xì)記錄管理的設(shè)備的工作狀態(tài)日志，可以3min或者5min進(jìn)行一次采集。同時(shí)對(duì)登陸人員及人員的操作進(jìn)行記錄，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以找到責(zé)任人。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，要記錄系統(tǒng)故障時(shí)間，內(nèi)容等基本信息。

（4）控制模式轉(zhuǎn)換：設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行模式為全自動(dòng)運(yùn)行或者手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)啟停設(shè)備及各個(gè)子系統(tǒng)。自動(dòng)模式下可根據(jù)用戶側(cè)供水溫度等條件完成熱泵機(jī)組的啟停、機(jī)組的自動(dòng)加載、減載、設(shè)備輪換、根據(jù)室外環(huán)境溫度自動(dòng)設(shè)定主機(jī)出水溫度，平衡室外環(huán)境溫度變化造成的室內(nèi)溫度波動(dòng)，達(dá)到節(jié)能、舒適的目的。

（5）控制3個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行：電價(jià)低谷時(shí)段控制熱泵機(jī)組為蓄能池蓄熱（冷），電價(jià)高峰期蓄能池放能進(jìn)行制熱（冷）；可實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間和溫度條件，控制太陽(yáng)能系統(tǒng)為淋浴水箱供熱、為蓄能池蓄熱、為地源側(cè)蓄熱3種工作模式按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序運(yùn)行。

（6）系統(tǒng)還具有通過(guò)數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析功能；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行故障檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警和短信提示功能；與視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合將熱泵機(jī)房主要設(shè)備的監(jiān)控畫面集成到上位機(jī)界面顯示；用戶分級(jí)管理功能，為不同級(jí)別的用戶分配不同的操作權(quán)限，保證系統(tǒng)安全；提供Web訪問(wèn)功能，支持通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，便于管理人員遠(yuǎn)程辦公。

（7）數(shù)據(jù)報(bào)表：生成滿足需要的日?qǐng)?bào)月報(bào)和年報(bào)，要按水量、電量、壓力等內(nèi)容進(jìn)行分析計(jì)算，生成報(bào)表。根據(jù)用水量、用電量、壓力情況、溫度情況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，生成曲線，統(tǒng)計(jì)高峰時(shí)間段等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立地源熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將所有采集到的信息和遠(yuǎn)程操作都集中到生產(chǎn)指揮中心，交由專人負(fù)責(zé)監(jiān)控和操作。以實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)場(chǎng)有人值守到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守、定時(shí)巡檢的工作模式的改變。實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制由固定端向移動(dòng)端的進(jìn)步。現(xiàn)場(chǎng)車間設(shè)立監(jiān)控管理地點(diǎn)，可以在被授權(quán)的情況下對(duì)地源熱泵設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行管理和控制。