空氣源熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王廣保, 徐友良, 夏繼軍

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 傳媒與設(shè)計(jì)學(xué)院，安徽 滁州 239000)

引 言

空氣源熱泵是應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，通過(guò)對(duì)工質(zhì)做功實(shí)現(xiàn)熱量從冷源向熱源傳輸?shù)墓嵯到y(tǒng)，其應(yīng)用具有安全、高效、節(jié)能、適用范圍廣等特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組主要是采用本地監(jiān)控方式，這種系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)比較落后，沒(méi)有完整的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析功能。運(yùn)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)通訊技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套分布式機(jī)組運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，既可對(duì)空氣源熱泵機(jī)組的運(yùn)行、故障、節(jié)能等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，又可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，形成自動(dòng)控制、故障提醒、節(jié)能建議、便捷維護(hù)等指令，實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組的運(yùn)行管理模式現(xiàn)代化[2]。

1 熱泵改造系統(tǒng)工作原理

熱泵改造系統(tǒng)工作原理如圖1所示。實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)備有超低溫空氣源熱泵機(jī)組(RSB-1)、循環(huán)水泵(LB-R-1)(LB-R-2)、蓄熱水箱(XRSX-1)、電磁閥(DF1、DF2、M)等。超低溫空氣源熱泵機(jī)組(RSB-1)采用綠色無(wú)污染的冷媒，吸取空氣中的熱量，通過(guò)壓縮機(jī)做功，生產(chǎn)出生活熱水。循環(huán)水泵(LB-R-1)把機(jī)組出水口熱水輸送到蓄熱水箱，蓄熱水箱(XRSX-1)采用聚氨酯發(fā)泡保溫，配有6KW電輔助加熱設(shè)備，當(dāng)水箱內(nèi)的水溫達(dá)到設(shè)定溫度值時(shí)，機(jī)組進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉循環(huán)水泵(LB-R-1)及閥門(mén)(DF1、DF2)，使熱能以高溫?zé)崴男问絻?chǔ)存在蓄熱水箱中。循環(huán)水泵(LB-R-2)工作狀態(tài)下，系統(tǒng)把熱水輸送到終端用戶(hù)分水器，再由各終端用戶(hù)的溫度智能控制器根據(jù)室內(nèi)溫度變化情況控制電磁閥的啟停達(dá)到用戶(hù)設(shè)定溫度值。從終端用戶(hù)分水器出來(lái)的水經(jīng)集水器回水管道回流至蓄熱水箱。集水器回水管道上的溫度低至設(shè)定低溫值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)(DF1、DF2)及循環(huán)水泵(LB-R-1)，熱泵機(jī)組進(jìn)入工作狀態(tài)。低電價(jià)時(shí)段，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟蓄熱水箱電輔助加熱模式，低電價(jià)時(shí)段結(jié)束，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉電輔助加熱。蓄熱水箱(XRSX-1)水位下降到設(shè)定低位時(shí)，自來(lái)水進(jìn)水口自動(dòng)補(bǔ)水。

2 熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，軟、硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖2所示。系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成。(1)智能監(jiān)控器。智能監(jiān)控器集成了數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備控制模塊，可通過(guò)485總線與3G/4G模塊通訊。數(shù)據(jù)采集模塊具有數(shù)據(jù)采集功能，能夠采集機(jī)組溫度、壓力、開(kāi)關(guān)量、故障以及現(xiàn)場(chǎng)智能電表數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度、室內(nèi)有效溫度等數(shù)據(jù)。設(shè)備控制模塊接收服務(wù)器端和終端用戶(hù)APP遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定和設(shè)備控制指令，自動(dòng)啟停循環(huán)水泵和電磁閥等。3G/4G通訊模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)以3G/4G通訊方式上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)控制模塊之間的通訊。(2)服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分類(lèi)存儲(chǔ)，由專(zhuān)家管理系統(tǒng)進(jìn)行云計(jì)算，生成控制、建議、服務(wù)、強(qiáng)制等各種類(lèi)型的指令，分發(fā)到設(shè)備控制模塊、用戶(hù)手機(jī)APP、維修人員手機(jī)APP等。(3)企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)及用戶(hù)的末端設(shè)備等。

圖1 熱泵改造系統(tǒng)工作原理圖

圖2 系統(tǒng)物理架構(gòu)圖

對(duì)智能監(jiān)控器的設(shè)計(jì)制造有以下要求：(1)便于通訊。采用標(biāo)準(zhǔn)的485接口，Modbus RTU協(xié)議，可以與提供相同接口及通訊協(xié)議廠家的控制器進(jìn)行通訊。(2)易于安裝。設(shè)計(jì)盡量小巧，力求接線方便，可安裝在電控柜內(nèi)任何合適位置。(3)嵌入式模式。數(shù)據(jù)采集模塊僅從原設(shè)備控制器中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，不參與原主板內(nèi)部控制程序，不影響原設(shè)備運(yùn)行，具有獨(dú)立的程序處理系統(tǒng)，對(duì)熱泵機(jī)組等原控制系統(tǒng)無(wú)影響。

3 熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件系統(tǒng)

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了3套軟件：智能控制器數(shù)據(jù)采集與處理軟件；服務(wù)器端軟件，包括服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用軟件和專(zhuān)家管理系統(tǒng)軟件；客戶(hù)端手機(jī)APP軟件，包括廠商售后服務(wù)人員手機(jī)端APP軟件和終端用戶(hù)手機(jī)APP軟件。

3.2 軟件功能需求

(1)智能控制器軟件。數(shù)據(jù)采集軟件能實(shí)時(shí)采集用戶(hù)用電量數(shù)據(jù)、室內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、故障數(shù)據(jù)、售后服務(wù)響應(yīng)速度數(shù)據(jù)等。設(shè)備控制軟件能根據(jù)程序和指令自動(dòng)切換機(jī)組運(yùn)行模式，設(shè)置機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、控制現(xiàn)場(chǎng)泵、電磁閥的啟停等。(2)服務(wù)器端軟件。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用軟件要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，專(zhuān)家管理系統(tǒng)軟件能提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口、數(shù)據(jù)查詢(xún)接口、故障查詢(xún)接口和客戶(hù)端APP遠(yuǎn)程控制接口等。服務(wù)器端軟件能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)功能，對(duì)采集的智能電表數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，結(jié)合分時(shí)電價(jià)，對(duì)用戶(hù)實(shí)時(shí)用電量以及環(huán)境溫度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，給出節(jié)能化的控制建議。對(duì)空氣源熱泵用戶(hù)用電量，設(shè)備故障出現(xiàn)率及售后服務(wù)響應(yīng)速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和建檔，以此建立能源大數(shù)據(jù)庫(kù)、信譽(yù)度評(píng)判大數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶(hù)實(shí)際節(jié)能數(shù)據(jù)庫(kù)。(3)客戶(hù)端手機(jī)APP軟件。用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP可設(shè)定熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，查詢(xún)服務(wù)器相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP能實(shí)時(shí)收到故障報(bào)警信息，可在手機(jī)APP上點(diǎn)擊報(bào)修。廠商售后服務(wù)人員手機(jī)APP能實(shí)時(shí)收到故障報(bào)警信息和用戶(hù)報(bào)修信息，實(shí)時(shí)掌握故障情況。維修人員可通過(guò)設(shè)備定位功能，快捷到達(dá)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行售后服務(wù)。軟件系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，每個(gè)熱泵用戶(hù)作為一個(gè)子站通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

3.3 軟件非功能需求

(1)交互界面友好。開(kāi)發(fā)的交互界面要直觀、易懂、數(shù)據(jù)完善、功能齊全、子菜單數(shù)據(jù)歸類(lèi)清晰明了。(2)運(yùn)行平臺(tái)適應(yīng)性好。開(kāi)發(fā)的運(yùn)行平臺(tái)要能在Windows、MAC以及智能手機(jī)Android、iOS系統(tǒng)下穩(wěn)定運(yùn)行。(3)可擴(kuò)展性。軟件主體設(shè)計(jì)預(yù)留智能家居等管理接口。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

選用自主開(kāi)發(fā)的智能監(jiān)控器及PLC采集熱泵機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障信息，電表數(shù)據(jù)和室外環(huán)境溫度、管道進(jìn)出水溫度、蓄水箱溫度、房間溫度及按鈕控制輸入等相關(guān)參數(shù)。

4.2 數(shù)據(jù)上傳及與服務(wù)器通訊技術(shù)

智能監(jiān)控器采集熱泵機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)后，采用485總線、MODBUS協(xié)議與3G/4G模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，3G/4G模塊將數(shù)據(jù)傳遞至遠(yuǎn)程云服務(wù)器。3G/4G模塊采用UDP協(xié)議與遠(yuǎn)程云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行項(xiàng)目識(shí)別、歸類(lèi)、分組、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算，并生成各類(lèi)指令。

服務(wù)器專(zhuān)家管理系統(tǒng)軟件根據(jù)初始設(shè)定的參數(shù)，遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控?zé)岜脵C(jī)組等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，專(zhuān)家管理系統(tǒng)軟件能夠及時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，判斷出機(jī)組等設(shè)備具體故障位置，發(fā)出提醒指令到相應(yīng)子站對(duì)應(yīng)客戶(hù)端或APP端。云計(jì)算主要是分析當(dāng)前工作方式是否以節(jié)能或節(jié)省方式運(yùn)行，同樣是通過(guò)客戶(hù)端或APP進(jìn)行反饋到最終客戶(hù)端去選擇。UDP控件端口定義為8600，監(jiān)聽(tīng)各子站3G/4G模塊發(fā)送的注冊(cè)信息并回復(fù)。UDP控件接收子站HeartBeat心跳包，并獲取子站ID號(hào)、動(dòng)態(tài)IP地址及端口號(hào)；添加子站動(dòng)態(tài)IP及端口到列表。服務(wù)器根據(jù)取得各子站的動(dòng)態(tài)IP及端口，提供給UDP控件向子站采集數(shù)據(jù)。通訊協(xié)議選用MODBUS RTU，MODBUS協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等。MODBUS協(xié)議在一根通訊線上使用主從應(yīng)答式通訊，意味著在一根單獨(dú)的通訊線上信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。服務(wù)器的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的終端設(shè)備，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給服務(wù)器。MODBUS協(xié)議只允許在智能模塊或PLC與終端設(shè)備之間通訊，而不允許終端設(shè)備相互之間的通訊，這樣各終端設(shè)備不會(huì)在它們初始化時(shí)占據(jù)通訊線路，而僅限于響應(yīng)到達(dá)服務(wù)器的查詢(xún)信號(hào)[3]。UDP控件監(jiān)聽(tīng)各子站發(fā)回的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)文并解釋。服務(wù)器通過(guò)UDP控件向子站發(fā)送控制信息。UDP控件配置見(jiàn)圖4。

圖4 idUDPRTU控件配置

4.3 客戶(hù)端與服務(wù)器之間通訊技術(shù)

客戶(hù)端APP與服務(wù)器之間通訊采用DELPHI XE10提供DataSnap技術(shù)。基于微軟COM/DCOM技術(shù)的DataSnap只支持Windows系統(tǒng)而不支持跨平臺(tái)。DELPHI2009推出后，DataSnap的多層架構(gòu)不再基于微軟的COM，移除了COM依賴(lài)就等于擺脫了Windows的束縛，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)。在新版快速應(yīng)用開(kāi)發(fā)(RAD)中的DataSnap技術(shù)，使用TCP/IP以更加開(kāi)放的交互方式生成遠(yuǎn)程服務(wù)對(duì)象和客戶(hù)端連接，能夠很好適應(yīng)本系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。DataSnap作為一套綜合而強(qiáng)大的中間件，主要特點(diǎn)是能夠快速創(chuàng)建DataSnap應(yīng)用及服務(wù)和快速部署，且執(zhí)行效率高。DELPHI XE10提供的DataSnap具備通過(guò)TCP/IP通信傳輸數(shù)據(jù)的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，能基于TCP/IP協(xié)議，通過(guò)HTTP及HTTPS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。HTTPS協(xié)議是在HTTP基礎(chǔ)上增加TLS/SSL協(xié)議，通過(guò)數(shù)字證書(shū)、加密算法、非對(duì)稱(chēng)密鑰等技術(shù)構(gòu)建的可進(jìn)行加密傳輸、身份認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)加密傳輸實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)傳輸安全保護(hù)。此外為提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，客戶(hù)端APP中的業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)選用REST服務(wù)廣播、傳遞消息。例如，在DataSnap中定義了供客戶(hù)端及APP調(diào)用的遠(yuǎn)程控制和水箱控制等函數(shù)(API)，支持JSON格式和數(shù)據(jù)流格式數(shù)據(jù)傳輸。

如遠(yuǎn)程控制API：

procedure TServerMethods1.AppRemoteCtrl(StationId,PlcId,MdId:Byte;D1,D2:Word);

begin

FormMain.CtrlStation:=StationId;

FormMain.CtrlPlc:=PlcId;

FormMain.CtrlMd:=MdId;

FormMain.isControlIng:=True;

case PlcId of

0:

Begin

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls1[MdId].MdControlAOut.RunStop:=D1+$4000;

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls1[MdId].MdControlAOut.SetTemp:=D2;

end;

1:

begin

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls2[MdId].MdControlAOut.RunStop:=D1+$4000;

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls2[MdId].MdControlAOut.SetTemp:=D2;

end;

end;

FormMain.TimerMain.Enabled:=False;

FormMain.TimerCtrl.Enabled:=True;

end;

生成的JSON數(shù)據(jù)如下：

{

"FormMain":{

"CtrlStation":"100001",

"CtrlPlc":"100001",

"CtrlMd":"100001",

"isControlIng":true,

.....

}

}

JSON(JavaScript Object Notation)作為一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，是一種獨(dú)立于編程語(yǔ)言的文本格式，既易于開(kāi)發(fā)人員閱讀，也易于計(jì)算機(jī)解析與生成，能夠提高開(kāi)發(fā)效率與網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

4.4 服務(wù)器端軟件架構(gòu)

云端服務(wù)器使用基于服務(wù)的分層結(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)庫(kù)層用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集與分析；服務(wù)層API為外部提供基于REST的訪問(wèn)接口；客戶(hù)端則通過(guò)API Gateway(API網(wǎng)關(guān))訪問(wèn)并獲取數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

業(yè)務(wù)邏輯層采用DeltaV 數(shù)字自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用成熟的大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件，并根據(jù)數(shù)據(jù)用途的不同分為分?jǐn)?shù)據(jù)云存儲(chǔ)庫(kù)、專(zhuān)家云計(jì)算庫(kù)。數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)庫(kù)分為歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)作執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)。專(zhuān)家云數(shù)據(jù)庫(kù)分為獨(dú)立云計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)和指令執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)表(table)包括：子站信息表(Station)、末端配置表(md)、運(yùn)行數(shù)據(jù)表(RunDatas)、運(yùn)行異常表(Rb_Error)、操作計(jì)錄表(Options)、維護(hù)人員信息表(Df_User)。數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)軟件界面見(jiàn)圖6。

圖5 服務(wù)器端軟件架構(gòu)

圖6 數(shù)據(jù)表(table)開(kāi)發(fā)軟件

運(yùn)行數(shù)據(jù)表(RunDatas)用于定時(shí)保存每個(gè)終端運(yùn)行數(shù)據(jù)，每30分鐘保存一次，字段包括：ID、用戶(hù)名(子站)、末端名(位置)、時(shí)間、溫度。

4.5 熱泵機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)技術(shù)

在客戶(hù)端進(jìn)入查詢(xún)界面后，輸入用戶(hù)名、末端位置、開(kāi)始日期、結(jié)束日期，點(diǎn)擊查詢(xún)按鈕，在表格中顯示查詢(xún)數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊曲線按鈕直觀顯示一天中溫度變化曲線。如圖7所示。

5 軟件開(kāi)發(fā)及使用

開(kāi)發(fā)的客戶(hù)端手機(jī)APP軟件，需要通過(guò)用戶(hù)名+密碼登錄訪問(wèn)服務(wù)器，廠商客戶(hù)端APP與服務(wù)器間用TCP通訊方式、自定義通訊協(xié)議及端口。服務(wù)器端應(yīng)用軟件與廠商及用戶(hù)交流信息，發(fā)送保運(yùn)信息，指導(dǎo)用戶(hù)高效使用熱泵。終端用戶(hù)以APP方式提醒廠商或設(shè)備維護(hù)人員及時(shí)維護(hù)主機(jī)或末端設(shè)備。

6 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試，開(kāi)發(fā)的空氣源熱泵機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了功能性和非功能性需求，大數(shù)據(jù)可分類(lèi)保存半年。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性、擴(kuò)展性、可維護(hù)性、操作便捷性和交互界面友好性等方面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖7 一天中溫度曲線

查詢(xún)數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為.xls格式，做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。