天津港国际物流地源热泵远程监控系统应用

2014-11-10关坤

科技创新导报 2014年13期

关坤

摘要：建设节约型社会、发展循环经济是我国的一项国策。地源热泵技术是一种利用地下浅表地热能源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统，是一项经济有效的节能技术，而且环境效益显著。该文对天津港国际物流有限公司的地源热泵能源远程监控工程进行了详细介绍，为同类工程的建设和优化提供了有益参考。

关键词：地源热泵节能技术远程监控

中图分类号：TU831 文献标志码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0064-04

当前我国20%左右的能源消耗用于建筑物采暖和制冷，抓好建筑节能对于实现经济可持续发展和保护环境具有重要意义。此外，加强能源利用管理，提高能源利用效率，是提高经济运行质量、改善环境和增强企业市场竞争力的重要措施，也是缓解当前经济社会发展面临的能源约束矛盾、建设节约型社会、实现经济社会可持续发展的根本保障。

地源热泵技术利用地球浅表热能等可再生和绿色能源向建筑提供采暖、生活热水供应、制冷，是一项优秀的建筑节能技术，所以我国政府必将进一步支持此技术的发展，市场也能更进一步的认可此项技术，地源热泵空调系统在房地产项目的全面应用前景是十分美好的。天津港国际物流有限公司地源热泵能源远程监控工程的能源监控系统采用了世界领先的“低碳型建筑系统方案”，系统能效高，在建筑制冷、制热系统中处于领先地位。

1 系统概述和系统总体设计说明

为了实现该系统的安全、高效运行，该监控系统充分利用信息化技术和自动控制技术的新成果，实现全程全时段自动监视和控制，提高了能源管理和利用效率，大大节约了运行成本，实现了预期建设目标。

天津港国际物流地源热泵有四个机房，分别在汽配中心四小楼、办公楼、海关验放中心以及办公大楼。由于机房位置比较分散，部署维护人员较多，设备由西亚特、克莱门特和美意三家厂家提供，难于及时解决运行过程中出现的问题。因此，必须通过能源调度监控和分析管理，实现天津港地源热泵等的实时监视和自动控制，以及科学化的调度管理和数据分析，以最大程度地方便管理、减少维护费用，实现最佳节能控制。此工程分两期进行，前期实现了天津港国际物流能源监控中心自控系统的四个机房对于地源热泵系统的远程监控（见图1），后期又完成了整个海关系统的楼宇自动化控制。

1.1 建设目标

传统的能源中心自控系统主要侧重于实现能源设备的监控和数据采集，在控制方面采用分散式控制。这些系统在能源监测、统计、能源预测方面的功能往往还有不少欠缺，不能有效地实现系统的整体集中监控、管理。在能耗数据分析、节能优化的决策支持及系统故障诊断等方面通常都比较薄弱。本系统的设计目标明确为下述四个方面：

（1）实现天津港物流地源热泵机组等的全部数据采集，实现能源数据的实时动态显示，并以立体美观的流程图方式进行展示。

（2）实现能源系统现地监控和中心监控，能够方便的进行系统控制指令下发。

（3）实现系统的安全稳定，保障系统数据的实时性、唯一性、可靠性和稳定性。

（4）实现基本的能源数据存储、分析和管理。

1.2 系统架构

依据系统的设计目标、总体实现思路、主要技术路线，本系统的总体结构如（图2）所示，本系统由现场设备层（狭义的现场设备层+设备控制层）、集中监控层、信息管理层组成。

（1）现场设备层

现场设备层由布置在现场的测量仪表和PLC及控制网络组成。现场测量仪表主要包括电力、温度、压力、流量等监控仪表，统一采用RS-485总线方式和现场监控触摸屏相连，通过MODBUS方式和现场监控显示屏内的组态软件进行通讯。现场设备层主要包括地源热泵机组、室外循环水泵、室内循环水泵、循环水进/出口温度、压力、一次水进/出口温度、压力、地源热泵机组冬夏转换、出口温度设置、报警等8个子系统，所有PLC采用Hostlink协议与现场监控触摸屏软件进行通讯。

（2）现场监控触摸屏

现场监控触摸屏主要完成各种监控画面、采集参数的显示，并实现一些参数设定信息的输入。主要功能：一是分别实现各个子系统的数据集成，包括对设备运行状态（如热泵机组、水泵运行状态、阀位等）、设备运行参数（如温度、压力、频率、流量及热量等）进行实时监控和数据采集；二是实现各个子站系统的控制，包括按设定的控制策略对各个设备进行机组启停、空调一二次泵变频等进行自动控制；三是向能源中心层提供集中监视和远程操作的数据接口，即在通讯网络的支撑下，将各个子站运行数据传送到能源监控中心，同时接能源监控中心发来的调度控制指令。另外，现场控制系统还具有数据存储、自我保护（如断电保护、短路检测等）、显示操作、参数异常检测并做出报警提示及上传等功能。

（3）能源监控中心层

能源监控中心层由监控服务器和数据服务器等组成，主要功能包括：通过部署在能源中心控制室的监控服务器来实现各子站设备的集中监视和远程操作；数据库服务器实现全部数据的集中存储分析和查询；能源监控中心层采集所有子站的实时数据，并对数据进行存储、历史趋势分析、报警查询、报表管理及输出等，在此基础上，还可以向各现场设备发出调度控制指令。

①监控服务器

主要提供与设备接口层的通讯驱动服务、变量输入/输出服务、变量计算服务、实时报警服务、实时趋势服务、实时监视画面服务、操作权限控制服务；同时作为能源中心操作人员实现能源设备集中监视功能、远程操作、参数下传等功能的操作终端；

两台监控服务器互为冗余，实现系统的安全稳定可靠运行。

其中一台监控服务器兼做工程师站，供管理人员使用，用于系统开发、编辑、修改或更新系统的各种参数和常数，对SCADA服务器所提供的各项服务进行组态、维护、管理；

②数据库服务器endprint

主要部署SQL Server 2005数据库，实现系统全部数据的集中存储、查询和数据分析。数据能够存储多年，根据系统要求实现历史数据的查询服务。根据系统要求实现各种能源分析。

③网络拓扑结构

通讯是整个控制系统联络的枢纽，各个子站、PLC、现场监控触摸屏及能源中心通过通讯系统形成一个统一的整体。为了实现运行数据的集中监测、控制、调度，必须建立连接所有监控点的通讯网络。

本系统的网络拓扑如下图所示，整个系统的网络分为3个部分：

（1）RS-485网络

系统的一次仪表（水表、电量表、热表等）、现场主要设备（地源热泵机组、水泵、阀门等）全部采用RS-485通讯方式，分别连成两条总线，通过Modbus协议进行通讯连接，使电量表的的运行参数、控制参数、电量参数、和流量计的计量参数快速的与监控触摸屏进行交互，支持实时读写数据。

（2）Hostlink网络

各个子站的OMRON PLC与监控触摸屏之间的通信采用OMRON公司专业的Hostlink协议，PLC的CPU上配有专业的Hostlink接口，完成CPU与监控触摸屏之间的通讯连接，支持数据的实时读写。监控触摸屏上配置了TCP/IP接口，把监控触摸屏接入能源中心的网络。

（3）能源监控中心网络

能源监控中心的网络是一个由交换机和计算机、服务器组成的典型的局域网，监控服务器数据库服务器在局域网内实现数据的交互，通过路由器把局域网连接到现场监控触摸屏，形成一个全面的局域网，实现现场监控触摸屏与能源监控中心局域网之间的连接。

2 能源中心设计

2.1 能源中心的硬件系统架构

能源监控UEMS中心监控系统配置IBM服务器2台，互为冗余，作为数据库服务器；配置2台Advantech原装IPC-610H工控机，互为冗余，作为监控服务器。配置1台Advantech工控机作为web服务器

数据库服务器（IBM X3650服务器）为操作塔式服务器。四核英特尔至强处理器E5504 2.0 GHz（4MB三级缓存，最高支持800MHz内存频率，4.8GT/s QPI），可扩展至2个处理器，集成双千兆以太网，支持网络唤醒、网络卸载引擎。服务器配置专用机柜，摆放在单独的房间，避免了噪声污染和因环境导致的故障。此外，采用两台互为冗余的监控计算机分别作为工程师站和操作员站，另有一台Web服务器计算机和4台研华EKI-1522数据采集模块，连接到30个PT100温度传感器，30个压力传感器。

2.2 软件和数据库配置

数据库的配置依据主要是工程总点数和工程需做存储的点数，目前市场将用户工程按总点数分为三个级别：2000点以下都用组态软件；2000点至5000点组态软件和实时数据库都可能被选择；5000点以上，工程需保存的总点数大于1000点时，一般都选择实时数据库。本项目有站点多且分散、数据量大等特点，信息管理层需要保存大量的数据。

考虑到本项目，第一期仅采集四个地源热泵的站能源数据，配置SQL Server数据库，在该平台上监控组态软件和其他信息管理软件能够同时读写数据。

考虑到将来能源中心需要采集更多分站的数据，为了系统的稳定运行和运算速度，建议第二期采用我公司的工业数据库软件eHistorian作为全部历史数据的数据库。工业数据库软件不同于SQL Server等关系型数据库，是专门设计用于进行工业控制过程数据存储的数据库，它具有存储速度快、并发存储数据量大、存储压缩比高、查询速度快，数据分析工具丰富等特点，已经广泛应用于电力、化工、冶金、能源计量等多行业的能源监控中心项目上，已经成为能源监控中心项目的必须选择。

2.3 数据通信功能实现

能源中心的监控服务器内配置的能源监控UEMS软件采集通过与现地监控触摸屏通讯，采集相关数据。这样监控服务器不但可以显示、统计和分析各设备的数据，也可以对各设备直接进行控制和调节。监控服务器与现地监控触摸屏通讯采用TCP/IP方式，利用UEMS软件内部的接口协议进行快速的数据通讯。

（1）实时监控

在能源监控中心的监控计算机上对各子系统的工作流程画面进行监视（图3和图4），可以清楚直观的看到每个设备的当前运转情况及相关参数是否在正常范围内（图5）。当发现设备工作不正常或者参数超出范围时，可以通知现场工作人员进行处理，也可以在能源监控中心层直接对相关设备发出控制或调节指令让设备以最优方式运行。

（2）监控数据实时和历史变化曲线显示

此外，该监控系统还有以下功能：实时报警；自动生成各种复杂报表；数据存储；数据查询；远程控制；故障诊断与恢复；操作记录查询；系统冗余保障；操作权限管理。

3 数据处理软件设计

针对能源中心采集存储的数据，利用该软件从历史实时数据库中读取数据，进行相应的运算后，实现相应的报表、棒图饼图等分析形式，为能源管理提供依据。计量统计功能对热源系统的投入量、转换环节的转换量、输送分配环节的输送分配量、用能环节的最终使用量进行分别统计汇总，支持各级管理人员准确和清晰地掌握整个系统的各区域的计量信息。能源统计分析按日、月、年统计指定介质（电、热、水、气等）的产生量、使用量，并可统计到工序。对统计结果，可根据能源介质类型、时间以及工序查询统计结果，并可打印。统计结果支持趋势、表格和柱状图方式显示，如图7。

地源热泵能源远程监控系统运行效果

地源热泵系统集中控制的优势主要有：高效、快捷、科学管理模式形成。在机房内我们可根据每个建筑物的耗能情况及时调整出水温度、水泵循环速度；对出现异常情况能及时发出指令，迅速做出响应。科学而高效的管理为机房各类设备长期正常运行创造了良好的条件，同时还能延长设备寿命。原先四个机房每日值班人员多达8人，改造后只需要2人，一年可节省人工费18万元。实行集中控制后由于能够做到及时调整运行效率，在现有基础上估计一年能降10%～15%运行费用，折合约20万元左右。

远程监控系统于2013年11月10日试运行，到11月15日地源热泵系统供暖后正式运行。供暖初期系统设置35～37 ℃之间的出水温度后，主机按照软件指令自动运转，当出水温度达到设置温度时机组停止运行；天气转冷时，将出水温度设置在40～42 ℃之间运行；同时在每天不同时间段设置不一样的出水温度（根据早、中、晚、晴天、阴天等因素设置供暖温度）。

运行期间，只需要在主机房内控制软件，合理输入温度设置，同时能监控所有主机的运行工况。本单位月用电量下降12%，其中，远程监控系统对节能作出了较大贡献，节能效果显著。

5 结语

天津港集装箱物流中心地源热泵远程监控系统投入使用后其运行效果良好，该系统软件和硬件安装后只要通信保持畅通，就能持续正常工作。采用该系统可以运行过程中有效地加强对各机房内的温度传感器和泵站有等硬件设备的保护和检查，保证地源热泵系统能合理调节温度，达到良好节能效果。

参考文献