PLC與智能儀表在熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 皓

(廣東金融學(xué)院，廣州 510520)

目前，環(huán)境污染、能源短缺已成為全球共同面對(duì)的難題，在此背景下進(jìn)行技術(shù)改革勢(shì)在必行。應(yīng)用空氣源熱泵技術(shù)能夠提高資源利用率，節(jié)能率超過(guò)50%，達(dá)到了緩解高峰用電緊張局勢(shì)的目的?？諝庠礋岜眠\(yùn)用逆卡諾循環(huán)原理驅(qū)動(dòng)熱水機(jī)組，在空氣中利用冷媒吸取熱量，再經(jīng)由熱交換器作用釋放環(huán)境中的熱量并加熱冷水，同時(shí)熱水也能夠被用戶直接利用。熱泵系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、集熱效果好、安全環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。為助推該系統(tǒng)的穩(wěn)健發(fā)展，探析PLC與智能儀表在熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用就顯得尤為重要。

1 熱泵系統(tǒng)構(gòu)成及其功能

為提高熱泵系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，需持續(xù)改進(jìn)控制系統(tǒng)，確保該系統(tǒng)的安全可靠、低耗高效。可通過(guò)改進(jìn)控制系統(tǒng)來(lái)達(dá)到優(yōu)化制熱能效比(COP)的目的?；诖?，將熱泵熱水機(jī)組視為控制系統(tǒng)核心，并綜合以往的研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，囊括了管理網(wǎng)、控制網(wǎng)及設(shè)備網(wǎng)，旨在全面管控?zé)岜孟到y(tǒng)。

在控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，設(shè)備網(wǎng)、管理網(wǎng)及控制網(wǎng)要執(zhí)行各自的特定任務(wù)，但又相互關(guān)聯(lián)在一起，構(gòu)成了綜合性較強(qiáng)的監(jiān)控體系。在系統(tǒng)控制過(guò)程中，設(shè)備網(wǎng)屬于現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可根據(jù)指令深入現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組完成補(bǔ)水、開關(guān)、除霜、循環(huán)加熱、保護(hù)及故障處理等控制動(dòng)作。系統(tǒng)指揮中心為控制網(wǎng)，可基于PLC對(duì)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，以確保該系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。通過(guò)PC機(jī)管理網(wǎng)將設(shè)備網(wǎng)、控制網(wǎng)關(guān)聯(lián)在一起，最終構(gòu)設(shè)成了能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需求的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[1]。

2 基于PLC及智能儀表設(shè)計(jì)熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 下位機(jī)系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)通過(guò)改革，不斷增強(qiáng)了可靠性。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)完善控制系統(tǒng)，并以空氣熱源泵熱水機(jī)組集中控制需求為導(dǎo)向來(lái)進(jìn)行PLC程序的編寫。在系統(tǒng)控制進(jìn)程中，主要囊括泵自動(dòng)循環(huán)切換、三段定時(shí)運(yùn)行、機(jī)組啟停、液位控制、水箱溫度、補(bǔ)水控制、故障報(bào)警、供水回水控制及變頻器供水等控制環(huán)節(jié)[2]。

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)

在系統(tǒng)控制中，通常情況下會(huì)運(yùn)用觸摸屏、工控機(jī)、組態(tài)軟件及相關(guān)編程軟件來(lái)完成監(jiān)控設(shè)計(jì)任務(wù)。其中組態(tài)軟件具有可視性、功能多、性能穩(wěn)定、易于二次組態(tài)等優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為常用?；赑LC的熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)選用了MCGS來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，使監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集、流程控制、報(bào)警提示、歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、報(bào)表輸出及權(quán)限管控等功能。

可利用RS—422MCGS轉(zhuǎn)變接口并與PLC連接在一起，在實(shí)現(xiàn)通道連接及通信參數(shù)設(shè)置目標(biāo)的前提下，能夠提高設(shè)備數(shù)據(jù)及控制指令實(shí)時(shí)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性、實(shí)效性。在設(shè)備構(gòu)件中，基于PLC的MCGS通道連接分為可讀、只寫及只讀三種。其中繼電器輸入用只讀操作，用可讀、可寫操作輸出繼電器、中間繼電器、變量存儲(chǔ)器。MCGS負(fù)責(zé)處理設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息，再經(jīng)由腳本程序存入數(shù)據(jù)中，可面向用戶實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)。用戶運(yùn)用有關(guān)數(shù)據(jù)能夠精確快速地查詢到設(shè)備動(dòng)態(tài)信息，了解設(shè)備狀況，能夠?yàn)橛脩暨\(yùn)維設(shè)備或改進(jìn)設(shè)備管控對(duì)策提供依據(jù)。

2.3 遠(yuǎn)程訪問(wèn)

應(yīng)用IT技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)予以優(yōu)化能夠滿足新時(shí)代的遠(yuǎn)程控制需求。在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)形式主要有Modem網(wǎng)、TCP/IP網(wǎng)、串口網(wǎng)等類型?；赑LC的熱泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)MCGS網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件選用了TCP/IP協(xié)議，立足于系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和控制指令對(duì)服務(wù)器予以統(tǒng)一管控及調(diào)配。在擁有權(quán)限的前提下，用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)訪問(wèn)服務(wù)器。在MCGS運(yùn)行中，后臺(tái)積極調(diào)配數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的資源，可通過(guò)保存、處理來(lái)滿足遠(yuǎn)程用戶的訪問(wèn)需求。若更多用戶訪問(wèn)相同的MCGS系統(tǒng)，則會(huì)降低該系統(tǒng)運(yùn)行速率并出現(xiàn)異常。為避免MCGS發(fā)生故障，需對(duì)服務(wù)器進(jìn)行升級(jí)迭代，旨在提高系統(tǒng)的可靠性、安全性、穩(wěn)定性[3]。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.1 PLC及AVR通信

目前，熱泵熱水器作為一般設(shè)備僅具有基礎(chǔ)性控制功能，還不具備智能性控制能力。為滿足新時(shí)代工業(yè)熱泵系統(tǒng)的管控需求，引入了PLC賦予其遠(yuǎn)程管理控制能力，可針對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，并將處理結(jié)果傳輸至上位機(jī)內(nèi)，能夠?yàn)楣芾砭W(wǎng)下達(dá)指令遠(yuǎn)程操控設(shè)備提供依據(jù)。PLC在工業(yè)控制中設(shè)有通信端口，在熱泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)內(nèi)，該端口可選用485ADP模塊。單片機(jī)是熱泵系統(tǒng)主板與PLC實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換連接的重要元件，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)構(gòu)設(shè)的目標(biāo)，使系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)能夠在PLC及AVR之間相互傳遞。

可以Mod bus RTU格式為依托來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的通信目標(biāo)。經(jīng)由CRC校驗(yàn)保障，此方式的數(shù)據(jù)傳輸更為精準(zhǔn)高效。為提高通信質(zhì)量，需對(duì)總線予以規(guī)范。RS—485總線技術(shù)要求傳輸速率最大為10 MB/s，傳輸距離最遠(yuǎn)為1 200 m，傳輸最大值的節(jié)點(diǎn)為32，同時(shí)需確?？偩€接地，并運(yùn)用差分接收、平衡發(fā)送的工作模式[4]。

對(duì)熱泵通信主板端口進(jìn)行初始化處理時(shí)，要求數(shù)據(jù)位8位，波特率為9 600 bit/s，停止位1位，并應(yīng)用CRC(循環(huán)冗余碼)進(jìn)行校驗(yàn)，充分發(fā)揮差錯(cuò)校驗(yàn)方式的實(shí)踐優(yōu)勢(shì)?？扇我膺x則校驗(yàn)字段及數(shù)據(jù)信息字段，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约熬珳?zhǔn)性。PLC接收CRC指令后，能計(jì)算出極為精確的校驗(yàn)碼，使單片機(jī)通信系統(tǒng)得到了優(yōu)化，該系統(tǒng)程序的運(yùn)轉(zhuǎn)速率也會(huì)隨之提升。

3.2 水箱溫度及液位數(shù)據(jù)采集

基于PLC的熱泵機(jī)組溫度信號(hào)來(lái)源渠道豐富，包括水箱溫度、環(huán)境溫度、供水溫度、回水溫度，等等。為獲取溫度數(shù)據(jù)，需配置若干傳感器，需根據(jù)測(cè)溫需求調(diào)配參數(shù)，并配合控制系統(tǒng)來(lái)選用設(shè)備，如A級(jí)鉑電阻Pt100型溫度傳感器。以該傳感器為例，測(cè)溫范圍在-50℃～300℃，在標(biāo)定后，其精度高達(dá)±0.2 k。熱泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)經(jīng)由4AD-PT模塊轉(zhuǎn)換面向PLC寄存器內(nèi)傳輸由傳感器搜集到的溫度數(shù)據(jù)。需應(yīng)用壓力變送器對(duì)水箱水位進(jìn)行檢測(cè)，并在2AD模塊驅(qū)動(dòng)下將數(shù)據(jù)變送并輸出至PLC端。可以0～3 m為依托來(lái)控制液壓變送器量程，輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)為4～20 mA，要在程序編寫的基礎(chǔ)上予以換算，旨在精準(zhǔn)獲悉系統(tǒng)參數(shù)，并在遠(yuǎn)傳水表環(huán)節(jié)予以管控，確保系統(tǒng)控制指令能夠驅(qū)動(dòng)智能儀表。在PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)，可通過(guò)管理網(wǎng)為用戶提供查詢服務(wù)。

3.3 能耗數(shù)據(jù)采集

能耗是熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)注要點(diǎn)，旨在使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、低耗的運(yùn)行目標(biāo)。為滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢需求，要針對(duì)能耗予以管控，可基于PLC對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的編碼式直讀遠(yuǎn)傳水表、多功能復(fù)費(fèi)率電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并將其實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)改革了變頻器、智能儀表、控制器等設(shè)備，應(yīng)用RS-485接口能夠保障通信方式規(guī)范且統(tǒng)一。需根據(jù)Mod bus協(xié)議對(duì)智能儀表通信數(shù)據(jù)完成控制及采集任務(wù)，并根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整系統(tǒng)電能處理對(duì)策，繼而實(shí)現(xiàn)熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能耗控制管理目標(biāo)。