基于觸摸屏的地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃越洋，張貴宇，石元博，馮　瑤

（1.遼寧石油化工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，撫順 113001）

基于觸摸屏的地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃越洋1，張貴宇1，石元博2，馮瑤2

（1.遼寧石油化工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，撫順 113001）

在能源緊缺和環(huán)境污染的大環(huán)境下，對(duì)新型供熱制冷系統(tǒng)的應(yīng)用與研究顯得尤為重要。以地源熱泵計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為背景，同時(shí)摒棄了傳統(tǒng)依靠計(jì)算機(jī)對(duì)地源熱泵進(jìn)行監(jiān)控的單一方式，在了解傳統(tǒng)系統(tǒng)的原理、控制方案后，提出用觸摸屏對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的設(shè)計(jì)。利用PLC和觸摸屏結(jié)合的方式監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能的目的，具有巨大的社會(huì)意義和應(yīng)用價(jià)值。

地源熱泵；觸摸屏；PLC；MCGS組態(tài)

0　引言

地源熱泵的概念于1912年在瑞士被最早提出，20世紀(jì)末的能源危機(jī)使得人們開始關(guān)注地源熱泵，地源熱泵技術(shù)在此迅速發(fā)展，并應(yīng)用于實(shí)際工程［1］。地源熱泵是水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來(lái)為水源熱泵的冷熱源，冬季利用地源熱泵機(jī)組將地下土壤的熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移上來(lái)，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”。夏季將地下土壤的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，把室內(nèi)熱量取出來(lái)，釋放到地下水，此時(shí)地能為“冷源”。所以地源熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量轉(zhuǎn)移的裝置。地源熱泵具有高效、節(jié)能、環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，它屬于利用可再生能源技術(shù)，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［2］。

地源熱泵系統(tǒng)中供熱制冷的控制方式有很多種，因?yàn)镻LC具有功能豐富、使用方便、工作可靠、經(jīng)濟(jì)合算等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)合［3］。所以利用PLC控制可保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文將PLC和觸摸屏結(jié)合使用可以節(jié)省很多按鈕，轉(zhuǎn)換開關(guān)，中間間繼電器，時(shí)間繼電器等硬元件［4］，并且通過(guò)組態(tài)軟件將整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集中在觸摸屏上顯示，方便觀察，自動(dòng)記錄。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC、及地源熱泵機(jī)組，PC上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)觸摸屏監(jiān)控軟件或直接操作觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC下位機(jī)的控制。根據(jù)控制方案所需，利用MCGS嵌入版工控組態(tài)軟件對(duì)地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)界面進(jìn)行組態(tài)，將程序下裝到觸摸屏中即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，選用深圳矩形科技型號(hào)為N80M21MAD的PLC作為下位機(jī)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要功能是根據(jù)溫度、壓力、水流量等設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)對(duì)PLC編程，讓程序在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，對(duì)地源熱泵中控制閥進(jìn)行開閉控制，以達(dá)到無(wú)人值守目的。這些參數(shù)的設(shè)定可以通過(guò)觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷與控制執(zhí)行等功能。本系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)核心為：系統(tǒng)工作模式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)工作模式分為冬季采暖、夏季空調(diào)和過(guò)渡季補(bǔ)熱，同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和超限保護(hù)系統(tǒng)保證系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)行［5］，系統(tǒng)控制方案如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制方案圖

冬季采暖模式：進(jìn)入冬季采暖模式后打開相應(yīng)閥門，然后依次啟動(dòng)地埋管循環(huán)泵與空調(diào)側(cè)循環(huán)泵，待水流、壓力開關(guān)顯示正常后，啟動(dòng)地源熱泵機(jī)組，當(dāng)溫度低于設(shè)定值開啟地源熱泵制熱模式，打開太陽(yáng)能采暖一次泵與太陽(yáng)能采暖二次泵，太陽(yáng)能為系統(tǒng)補(bǔ)熱，流程圖如圖3所示。

圖3　冬季模式流程圖

夏季制冷模式：共分為四種子模式，分別用符號(hào)①②③④表示。子模式①②不開啟熱泵機(jī)組，空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水通過(guò)地埋管換冷板式換熱器與地埋管系統(tǒng)交換熱量，由此降低樓內(nèi)溫度；子模式③④室內(nèi)對(duì)空調(diào)要求較高時(shí)，熱泵機(jī)組開啟，為室內(nèi)空調(diào)末端提供冷凍水。其中子模式②④井群1為室內(nèi)制冷，③④井群2用作太陽(yáng)能補(bǔ)熱，并啟動(dòng)地埋管補(bǔ)熱循環(huán)泵。

春秋季過(guò)渡季節(jié)：?jiǎn)?dòng)太陽(yáng)能采暖一次循環(huán)泵和地埋管補(bǔ)熱循環(huán)泵，太陽(yáng)能系統(tǒng)為系統(tǒng)補(bǔ)熱。

2.2觸摸屏監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

觸摸屏監(jiān)控界面軟件采用Viieo.DeSigner設(shè)計(jì)。它是一款功能強(qiáng)大的觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)軟件，可使用此軟件為人機(jī)界面設(shè)備創(chuàng)建操作員面板并配置［6］。

操作參數(shù)本系統(tǒng)采用的觸摸屏為北京昆侖通態(tài)TPC1061Ti。 TPC1061Ti，是以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。利用MCGS嵌入版組態(tài)軟件對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行組態(tài)。

如圖4所示，為溫度壓力監(jiān)測(cè)組態(tài)界面，左側(cè)12個(gè)溫度傳感器，監(jiān)測(cè)所在位置溫度，右側(cè)監(jiān)測(cè)分集水器的兩端壓力。上位機(jī)通過(guò)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)，其中包括溫度超限保護(hù)和差壓超限保護(hù)。同樣在溫度壓力監(jiān)測(cè)組態(tài)過(guò)程中我們需要對(duì)每一個(gè)輸入構(gòu)件都進(jìn)行操作屬性進(jìn)行設(shè)置，全部對(duì)應(yīng)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)設(shè)置好的對(duì)象。

圖4　溫度壓力監(jiān)控界面

3　通信調(diào)試

3.1智能儀表的調(diào)試

對(duì)儀表進(jìn)行接線和配電，按數(shù)據(jù)類型進(jìn)行調(diào)試。數(shù)據(jù)類型：模擬量、數(shù)字量、Modbus協(xié)議。對(duì)于模擬量調(diào)試來(lái)說(shuō)，設(shè)置PLC相應(yīng)的模擬量接收模式，使用Vladder軟件編寫參數(shù)轉(zhuǎn)化梯形圖，設(shè)置PLC“RUN”模式，利用軟件自帶的線圈狀態(tài)信息功能觀察數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)字量調(diào)試來(lái)說(shuō)，使用Vladder軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制賦值1/0，觀察PLC上的指示燈亮暗，正確亮燈、設(shè)備啟動(dòng)說(shuō)明設(shè)備通訊良好（如圖中01=1；02=0；03=1）。Modbus協(xié)議，電腦通過(guò)串口軟件給模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)測(cè)試HEX指令，指令正確發(fā)送后，接收到返回?cái)?shù)據(jù)說(shuō)明設(shè)備通訊正常，反之錯(cuò)誤。調(diào)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　調(diào)試結(jié)果

3.2觸摸屏與PLC調(diào)試與通信

PC上位機(jī)、觸摸屏與PLC的通信方式采用工業(yè)以太網(wǎng)Modbus TCP/IP方式，其具有協(xié)議開放，與不同廠商設(shè)備兼容，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)、遠(yuǎn)程診斷、網(wǎng)絡(luò)速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、系統(tǒng)安全性高、成本低等特點(diǎn)。在ViieoDeSigner中添加驅(qū)動(dòng)程序并進(jìn)行配置，使通信設(shè)置與設(shè)備相匹配，并將用戶應(yīng)用程序下載到觸摸屏，即可實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC和PC上位機(jī)問(wèn)的以太網(wǎng)通信。無(wú)需編寫復(fù)雜的通信程序，只需設(shè)置各設(shè)備的IP、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)［7］。

4　結(jié)論

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鍋爐供熱和空調(diào)制冷模式已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)今社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展要求。而地源熱泵技術(shù)的興起，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)供熱制冷系統(tǒng)的缺陷，所以地源熱泵的研究意義重大。本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀表選擇、觸摸屏型號(hào)選擇、控制設(shè)備選擇、儀表設(shè)備接線、下位機(jī)梯形圖編程、利用MCGS進(jìn)行上位機(jī)界面組態(tài)、觸摸屏與PLC通信等實(shí)現(xiàn)了對(duì)地源熱泵的自控控制功能，顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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Ground source heat pump based on touch screen monitoring system design and application

HUANG Yue-yang1，ZHANG Gui-yu1，SHI Yuan-bo2，F(xiàn)ENG Yao2

TP277

A

1009-0134（2016）09-0024-03

2016-07-15

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（L2014150）；遼寧省博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（201501104）

黃越洋（1981 -），女，遼寧昌圖人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程先進(jìn)控制和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位。