雙熱源三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控原理與實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊前明，霍達(dá)，王小琬

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

太陽能集熱、空氣能熱泵、余熱回收構(gòu)成的多熱源系統(tǒng)是近年來建筑采暖熱與熱水工程的發(fā)展趨勢，在京津冀地區(qū)的“煤改電”工程中得到普遍應(yīng)用。能源工程程監(jiān)控近年來在建筑物供暖及熱水工程中獲得普遍應(yīng)用[1-5]。能源運(yùn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控是指以工業(yè)計算機(jī)為核心，利用電子檢測傳感器對能源工程運(yùn)行中有關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測、運(yùn)算，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的運(yùn)行原則，通過互聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)、4G網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)[6-8]。針對多熱源三聯(lián)供系統(tǒng)，本文給出了基于能源廉價優(yōu)先原則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的原理與實(shí)現(xiàn)方法。

1 多熱源三聯(lián)供系統(tǒng)

1.1 組成及工作原理

圖1所示為多熱源三聯(lián)供系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成；太陽能集熱器與空氣源熱泵作為雙熱源耦合在一起，為用戶提供夏季制冷、冬季采暖以及全年熱水供應(yīng)。

圖1 多熱源三聯(lián)供工作原理圖Fig. 1 Working principle diagram of Multi-heat source triple supply system

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

多熱源聯(lián)供系統(tǒng)在全年內(nèi)共有采暖、制冷、熱水、采暖＋熱水，制冷＋熱水5種運(yùn)行模式。制冷模式由熱泵子系統(tǒng)獨(dú)立完成，采暖和熱水模式由太陽能集熱系統(tǒng)和熱泵聯(lián)合供給完成，制冷和熱水模式中熱水負(fù)荷由熱泵制冷劑一次冷凝熱提供。單一熱水模式下，多熱源聯(lián)供系統(tǒng)又分為太陽能制熱水、空氣源熱泵制熱水和太陽能—空氣源熱泵制熱水3種運(yùn)行模式：

1）太陽能制熱水模式：當(dāng)太陽光照強(qiáng)度充足時，只啟動太陽能集熱模塊，滿足熱水負(fù)荷。

2）熱泵制熱水模式：陰雨天氣候時，開啟熱泵制熱水模塊，直接加熱蓄熱水箱中的熱水。

3）太陽能—熱泵制熱水模式：當(dāng)光照強(qiáng)度較弱，太陽能不足以滿足全部熱水負(fù)荷時，太陽能集熱加熱貯熱水箱中的水作為低溫水源，提高熱泵側(cè)水的初始溫度。

1.3 能源廉價優(yōu)先原則

能源廉價優(yōu)先原則是指在多熱源組成的聯(lián)合供熱系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)各組成熱源能量的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)先使用廉價能源，合理配置各組成能源的占比，滿足系統(tǒng)總體供熱負(fù)荷要求[9-10]。實(shí)現(xiàn)能源廉價優(yōu)先原則的基本手段是以系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)檢測自動化為基礎(chǔ)，以能源廉價優(yōu)先使用原則為導(dǎo)向，能源類別自動切換與組合、快速、經(jīng)濟(jì)滿足系統(tǒng)熱負(fù)荷需求。

1.4 能源調(diào)度流程與策略

（1）能源調(diào)度

圖2 系統(tǒng)能源調(diào)度流程圖Fig.2 System energy scheduling flow chart

圖2給出了多熱源三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行流程原理示意圖。圖中參數(shù)說明：TU-用水設(shè)定時間，T1-水箱檢測溫度，THP-熱泵加熱熱水所需時間，Ts1-熱泵加熱最佳經(jīng)濟(jì)啟動時間，Ts2-校正后熱泵啟動時間(基于當(dāng)前水溫和太陽能集熱效率決定)，Td-太陽能集熱與熱泵同時工作時，熱泵最晚啟動時間。

圖2運(yùn)行流程中，能源管理過程中主要調(diào)節(jié)步驟說明如下。

首先根據(jù)用戶設(shè)定的用水時間，以及水箱當(dāng)前溫度T1估算到達(dá)用水時間，熱泵加熱的最佳經(jīng)濟(jì)啟動時間Ts1、集熱器循環(huán)和熱泵雙熱源同時工作最佳熱泵啟動時間Td。

比較當(dāng)前時間是否到達(dá)熱泵加熱最佳經(jīng)濟(jì)啟動時間TS1，當(dāng)?shù)竭_(dá)TS1時間，系統(tǒng)判別是否到達(dá)Td，這里流程軟件運(yùn)行的思想實(shí)質(zhì)是保證在設(shè)定時刻，系統(tǒng)向用戶供熱水的前提下，盡可能最大限度優(yōu)先使用太陽能熱循環(huán)熱能，使系統(tǒng)獲得最佳經(jīng)濟(jì)性。

如果未到達(dá)TS1，則同樣檢測是否進(jìn)行溫差循環(huán)。未進(jìn)行溫差循環(huán)時，直接啟動HP；進(jìn)行溫差循環(huán)，則在到達(dá)TS1時刻后，重新檢測水箱溫度T1，根據(jù)水箱溫度重新校正計算熱泵啟動時間TS2，并在TS2時刻啟動HP進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)熱，在供水時刻使水溫滿足使用要求。流程軟件運(yùn)行的思想實(shí)質(zhì)與前面相同。

（2）能源調(diào)度經(jīng)濟(jì)思想

假設(shè)熱系統(tǒng)以太陽能集熱、熱泵供熱為主，兼顧極寒天氣條件下采用電輔助加熱方式，聯(lián)合滿足熱系統(tǒng)熱負(fù)荷需求。其能源經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分別用ES、EHP和EE表示，且有ES＞EHP＞EE，即三種能源中，太陽能集熱最廉價，熱泵供熱次之，電輔助加熱最貴。

假設(shè)熱系統(tǒng)在冬季極寒工況下熱負(fù)荷需求總量為Q，根據(jù)能源廉價優(yōu)先使用原則，在滿足系統(tǒng)要求的供熱時間內(nèi)，三種能源的使用順序應(yīng)該是太陽能、熱泵和電輔助加熱。且有Q=QS+QHP+QE,式中QS、QHP、QE分別是三種能源提供的單項熱負(fù)荷。

能源調(diào)度的管理思想是合理經(jīng)濟(jì)使用組成熱系統(tǒng)的各類能源，按照能源廉價優(yōu)先使用原則，根據(jù)系統(tǒng)總體熱負(fù)荷需求，按照太陽能集熱、熱泵和電輔助加熱三種能源能源調(diào)度策略，通過計算機(jī)自動切換或組合使用組成能源。

（3）控制策略

為實(shí)現(xiàn)圖2所示能源調(diào)度流程，組成雙熱源三聯(lián)供系統(tǒng)的各主要子程序控制策略設(shè)計如表1所示。

表1 子程序控制策略表Table 1 subroutine control policy table

熱泵循環(huán)：當(dāng)t處于用熱水時段[t3，t4]時，若水箱溫度低于設(shè)定值Tset1時，熱泵循環(huán)啟動；當(dāng)t處于非用水時間段時，根據(jù)系統(tǒng)是否進(jìn)行溫差循環(huán)以及水箱溫度T1，判定HP啟動時間，若未進(jìn)行溫差循環(huán)則t5時刻啟動HP，若進(jìn)行了溫差循環(huán)，則t6時刻啟動HP。

集熱循環(huán)：當(dāng)集熱器出水口溫度T3與水箱溫度T1之差大于集熱循環(huán)設(shè)定啟動溫度?TP2on時，集熱循環(huán)啟動；當(dāng)二者溫差小于集熱循環(huán)設(shè)定的停止溫度?TP2off時集熱循環(huán)停止。

自動補(bǔ)水：當(dāng)水箱液位H1低于補(bǔ)水泵啟動設(shè)置液位Hset1時，補(bǔ)水閥V9啟動；當(dāng)水箱液位H1大于或等于補(bǔ)水泵停止設(shè)置液位Hset2時，補(bǔ)水閥V9關(guān)閉。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3給出了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖，主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控端、現(xiàn)場控制器以及終端設(shè)備構(gòu)成。

（1）現(xiàn)場控制設(shè)備

現(xiàn)場控制設(shè)備包括可編程控制器PLC、AD模塊、PT模塊等，接受終端設(shè)備如前端傳感器（液位、溫度等）傳來的信號，通過分析運(yùn)算反饋到其他終端設(shè)備如閥門執(zhí)行器（循環(huán)泵、補(bǔ)水電磁閥、電氣執(zhí)行元件）并控制執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)的動作。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控端

遠(yuǎn)程監(jiān)控端通過組態(tài)軟件或GRM通訊模塊內(nèi)置網(wǎng)頁監(jiān)控或移動設(shè)備APP對系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行狀況時監(jiān)測與分析管理，提高了系統(tǒng)人機(jī)交互能力和技術(shù)文檔管理水平。

（3）通信

圖3中GRM500通過RS485串口與PLC接通，將PLC中的實(shí)時數(shù)據(jù)通過GPRS或無線網(wǎng)絡(luò)等途徑傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控端，并根據(jù)參數(shù)變化及時修改數(shù)據(jù)，控制熱水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行網(wǎng)頁監(jiān)控、組態(tài)監(jiān)控、手機(jī)APP監(jiān)控、手機(jī)短信監(jiān)控；實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，用戶可根據(jù)需要對PLC中的梯形圖程序進(jìn)行遠(yuǎn)程修改。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of remote monitoring system

2.2 硬件選型

主要硬件選擇 DVP 32ES211T，DVP04AD-E2，DVP04PT-E2作為控制器與轉(zhuǎn)換模塊，系統(tǒng)I/O分配如表2所示。

表2 系統(tǒng)I/O及模塊地址分配Table 2 Distribution table of PLC I/O ports in the system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計及功能

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括PLC遠(yuǎn)程調(diào)控、系統(tǒng)可視化監(jiān)控與網(wǎng)頁及手機(jī)APP監(jiān)控三類軟件。

（1）對PLC控制程序的遠(yuǎn)程調(diào)控

PLC項目完工后，根據(jù)客戶不同需求，控制策略或需進(jìn)行改變，為方便對程序的更改及維護(hù)，需要完成遠(yuǎn)程上位機(jī)編程軟件WPLSoft對PLC的遠(yuǎn)程通訊，以便達(dá)到遠(yuǎn)程調(diào)試PLC梯形圖、維護(hù)程序的目的。

（2）系統(tǒng)可視化監(jiān)控

為直觀顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時監(jiān)測以及對系統(tǒng)參數(shù)的分析管理，以實(shí)現(xiàn)遵循能源廉價優(yōu)先原則對系統(tǒng)能源進(jìn)行合理調(diào)度分配，需要建立以組態(tài)軟件為平臺的可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件系統(tǒng)，對系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，達(dá)到提高人機(jī)交互程度和文檔管理水平的目的。

（3）網(wǎng)頁及手機(jī)APP監(jiān)控

為提高系統(tǒng)管理人員或系統(tǒng)用戶對系統(tǒng)的可操作性，方便隨時隨地了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，還需建立基于網(wǎng)頁監(jiān)控和移動端APP的監(jiān)控手段，既滿足監(jiān)控目的同時又可使用戶根據(jù)需要提前控制系統(tǒng)啟動，使系統(tǒng)更加便捷化、人性化。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

通訊是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵，為完成PLC程序的遠(yuǎn)程調(diào)試，需建立無線通訊模塊GRM500和PLC的通訊、模塊和上位機(jī)的通訊等。其中模塊和上位機(jī)的通訊包括：模塊和PLC編程軟件的通訊，模塊和組態(tài)軟件的通訊，應(yīng)用到的技術(shù)有虛擬串口技術(shù)及OPC(Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control) 通訊技術(shù)。

（1）虛擬串口技術(shù)

串口是應(yīng)用非常普遍的設(shè)備通信接口，但其受通信電纜的限制，僅適用于本地短距離通訊，因此受到了很大的限制，為了實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)、跨地區(qū)的長距離通訊，虛擬串口技術(shù)可以很好地解決該問題，實(shí)現(xiàn)這一功能的產(chǎn)品稱之為串口服務(wù)器。它具備串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)S-232/485/422串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)RS-232/485/422串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大的擴(kuò)展串口設(shè)備的通信距離，通過虛擬串口的建立完成了上位機(jī)對PLC內(nèi)程序的讀取和寫入以及運(yùn)行監(jiān)控功能[11-12]。

（2）OPC通訊技術(shù)

OPC通訊技術(shù)是一種聯(lián)通硬件與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件之間的標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，監(jiān)控中心的組態(tài)軟件與OPC 服務(wù)器連接必須通過OPC 接口[13-14]。GRM500 無線通訊模塊把 PLC 傳輸來的數(shù)據(jù)打包為數(shù)據(jù)包格式，再通過 4G 網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 OPC 服務(wù)器，OPC 服務(wù)器通過 Grm Opc Server 將傳送上來的數(shù)據(jù)作為變量組提供給世紀(jì)星組態(tài)軟件[15]。

3.3 軟件設(shè)計

（1）PLC程序遠(yuǎn)程調(diào)試

圖4 梯形圖通訊格式設(shè)定程序Fig. 4 Communication format setting program ladder

圖5 組態(tài)監(jiān)控界面Fig. 5 Configuration monitoring interface

安裝GRM500模塊自帶的GVCOM3軟件和虛擬串口，在計算機(jī)設(shè)備管理器端口子菜單下，出現(xiàn)com0com的虛擬串口，表示驅(qū)動已經(jīng)安裝成功。運(yùn)行GVCOM3軟件，新建模塊，輸入GRM500的序列號以及密碼，點(diǎn)擊運(yùn)行即可建立PLC程序的無線通訊通道，完成上位機(jī)與PLC之間的無線通訊。

完成通道安裝后，需對無線通訊模塊與PLC的連接進(jìn)行配置。將PLC的485口與模塊的COM口相連，對編程軟件進(jìn)行通訊設(shè)置。

編譯程序向?qū)渲茫涸诰帉懙某绦蜷_頭加入通訊程序向?qū)?，選擇只產(chǎn)生格式或在程序開頭加入圖4的梯形圖程序，即可對PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程梯形圖的監(jiān)控與調(diào)試。

（2）組態(tài)可視化軟件

利用世紀(jì)星組態(tài)軟件作為可視化監(jiān)控平臺，建立系統(tǒng)變量，并對變量進(jìn)行定義，將畫面與定義的變量用動畫連接關(guān)聯(lián)起來。對于特定的事件編寫命令語言，在滿足條件的情況下執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將無線通訊模塊GRM500開發(fā)軟件中建立的變量下載到OPC服務(wù)器中，通過GRM OPC服務(wù)器與PLC中的變量建立互為映像的關(guān)系。采用以太網(wǎng)或GPRS作為傳輸媒介，即可實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和對系統(tǒng)進(jìn)行過程控制。圖5所示為開發(fā)的組態(tài)監(jiān)控畫面。

（3）網(wǎng)頁及手機(jī)APP監(jiān)控

使用無線通訊模塊GRM500的工程配置軟件GRMDev3完成GRM500的工程開發(fā)和下載，如配置需要遠(yuǎn)程監(jiān)控的變量，及對應(yīng)的PLC寄存器地址。需要在網(wǎng)頁上監(jiān)控的變量，需勾選網(wǎng)絡(luò)讀寫屬性，并配置WEB擴(kuò)展屬性。將配置好的變量通過網(wǎng)線或云端下載到GRM500通訊模塊內(nèi)，使用手機(jī)網(wǎng)頁瀏覽器或者電腦網(wǎng)頁瀏覽器打開巨控云監(jiān)控的網(wǎng)址，輸入模塊的賬號及密碼即可查看或修改GRM500里面全部的變量。將要控制的變量分為：系統(tǒng)參數(shù)、控制變量、狀態(tài)顯示、實(shí)時數(shù)據(jù)表、溫度曲線圖、液位曲線圖六欄，網(wǎng)頁監(jiān)控主要畫面如圖6所示。

圖6 (a) 控制量界面顯示Fig.6 (a) Control volume interface display

圖6 (b) 實(shí)時數(shù)據(jù)界面顯示Fig.6 (b) Real-time data interface display

圖6 (c) 溫度曲線圖Fig.6 (c) Temperature graph

圖6 (d) 液位曲線圖Fig.6 (d) Level curve

為方便監(jiān)控人員或用戶對系統(tǒng)監(jiān)控更加便捷，使用巨控科技開發(fā)的針對無線通訊模塊GRM500的移動終端APP對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。進(jìn)行賬號密碼登錄后，可一步登錄監(jiān)控界面，方便快捷，可通過遠(yuǎn)程移動終端對系統(tǒng)所涉及的開關(guān)量、模擬量以及各個參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，監(jiān)控界面如同網(wǎng)頁監(jiān)控相同，手機(jī)APP監(jiān)控軟件界面如圖7所示。

圖7 (a) 監(jiān)控軟件登錄界面Fig.7 (a) Monitoring software login screen

圖7 (b) 控制變量監(jiān)控畫面Fig.7 (b) Control variables monitoring screen

4 結(jié)論

1）給出了雙熱源三聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計方案，以能源廉價優(yōu)先使用為原則，設(shè)計了多熱源能量調(diào)控管理控制策略；搭建了以“PLC+智能終端”為控制核心的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建以網(wǎng)頁、手機(jī)APP與組態(tài)軟件為監(jiān)控手段的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控方案。

2）實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行表明，雙熱源三聯(lián)供遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)能源科學(xué)管理調(diào)度，監(jiān)控數(shù)據(jù)可以表格、折線圖形式呈現(xiàn)，方便用戶進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)設(shè)定、查詢與趨勢分析。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定便捷、運(yùn)行穩(wěn)定。

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