无人值守地源热泵自动控制系统

杨向文++赵善祥++王西霞

摘 要：本文针对一套地源热泵空调系统、水蓄能系统和太阳能系统相结合为建筑区域供冷供暖，并提供生活热水的综合系统，提出采用可编程控制器（PLC）与组态软件开发的SCADA系统（数据采集与监视控制系统）配套的控制方案，采集设备运行及气候补偿参数，结合数据分析、视频监测、远程监控等方式实现本系统的控制功能，达到节能的目的，实现无人值守情况下系统的正常运行，降低系统的运行成本和管理成本。

关键词：地源热泵；PLC；SCADA；气候补偿

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0033-01

Abstract：Based on a set of ground source heat pump air conditioning system， water storage system and solar energy storage system combined for building regional of cooling and heating， and provide living hot water comprehensive system， proposed used the programmable controller （PLC） and configuration software development of SCADA system （data acquisition and monitoring control system） form a complete set of control scheme， the acquisition equipment operation and climate compensation parameters， combined with data analysis， video monitoring， remote control to realize the control function of this system， achieve the purpose of energy saving， realizing unattended system under normal operation， reduce the running cost and management cost of the system.

Key words：Ground source heat pump；Programmable controller；Supervisory control and data acquisition；Climate compensation

近年来，随着公共建筑和住宅空调系统节能需求的升高，在环保和节能特性方面表现突出的地源热泵系统得到了广泛的应用。在地源热泵空调系统的基础上，结合水蓄能系统和太阳能系统为建筑区域供冷供暖更是新的发展方向，但在实际运行中，由于系统组成复杂，人工调控操作难度较高，并存在由于部分工作人员缺乏经验，出现系统的运行管理不当，造成资源浪费等问题。为了解决目前地源热泵系统控制方面存在的问题，本文引入一套合理可靠并实现无人值守的地源热泵自控系统。

1 系统构成

本系统采用可编程逻辑控制器及上位机上的SCADA系统，将现场热泵机组及其他各设备的工作状态信息和传感器采集到的数据信息经过PLC处理后，统一集中到工业组态软件开发的SCADA系统中，再利用SCADA系统实现地源热泵系统无人值守的最优化设计，根据实际负荷，经过分析运算，调节热泵机组的启停和工作能级，并和太阳能系统及水蓄能系统配套运行。

2 硬件架构

根据系统需求设计系统的硬件架构，采用分层分布的硬件结构，从下向上分为3级：现场级、监控级、管理级。现场级主要包括以PLC 300为核心控制器的控制柜、热泵机组、循环泵、阀门、各类传感器等；监控级主要包括实时数据服务器、历史数据服务器、工程师站、硬盘录像机、安全防护网关等；管理级主要包括管理终端设备（PC机）、手持管理设备、移动管理设备等。

3 软件设计

本系统软件设计主要包括PLC程序设计和上位机程序设计两部分，无人值守功能的实现主要是根据系统整体工艺要求，依靠PLC程序和上位机监控系统的综合控制逻辑实现的。

3.1 PLC程序设计

采用PLC作为现场控制设备，负责采集现场各类传感器的4-20mA信号获取温度、压力、液位等参数，通过485总线与各热泵机组通信，获取热泵主机包括运行状态、出水温度、回水温度、工作模式等参数，并且采用TCP/IP方式将检测数据上传到上位机，同时接收上位机设定的控制条件等命令。

PLC程序的编写通过Step7软件完成，采用梯形图的方式根据工艺流程编写程序，本系统地流程较复杂，梯形图共计1100多步，再此就不一一赘述了。系统上电后，PLC在设定时间范围内根据工艺要求，检测工作模式，手动模式下，人工控制系统运行；自动模式下，PLC负责将温度、压力、流量和液位等实时数据与上位机设定的参数限值进行比较，从而实现启停阀门、循环泵、主机等设备；不断检测上位机给定的命令，负责太阳能系统、水蓄能系统包括泵、阀门等执行机构的启停；并通过程序判定现场部分故障情况，例如压力、液位等异常时将报警信号上传到上位机显示、处理。

3.2 上位机程序设计

采用组态软件开发数据采集与监视控制系统（SCADA系统），监控系统根据热泵机房设备的实际分布情况及热泵系统运行的工艺流程设计系统运行流程效果图，将采集的参数形象、动态的展示，并以图形按钮、树形菜单等方式为用户提供操作接口，以实现设备控制、限值设定、参数调节以及各类信号报警等各项功能，提高系统的易用性和交互性。上位机程序主要功能如下：

（1）控制模式转换：设置系统的运行模式为全自动运行或者手动点动启停设备及各个子系统。自动模式下可根据用户侧供水温度等条件完成热泵机组的启停、机组的自动加载、减载、设备轮换、根据室外环境温度自动设定主机出水温度，克服室外环境温度变化造成的室内温度波动，达到节能、舒适的目的。

（2）控制三个系统协调运行：电价低谷时段控制热泵机组为蓄能池蓄热（冷），电价高峰期蓄能池放能进行制热（冷）；可实现根据设定的时间和温度条件，控制太阳能系统为淋浴水箱供热、为蓄能池蓄热、为地源侧蓄热三种工作模式按照优先级从高到低的顺序运行。

（3）系统还具有通过数据曲线、数据报表进行数据分析功能；实时监测关键参数及设备状态进行故障检测，实现声光报警和短信提示功能；与视频监控系统结合将热泵机房主要设备的监控画面集成到上位机界面显示；用户分级管理功能，为不同级别的用户分配不同的操作权限，保证系统安全；提供Web访问功能，支持通过互联网远程访问，便于管理人员远程办公。

4 结语

采用PLC和SCADA系统的综合控制逻辑，实现对地源热泵空调系统的无人值守控制，改变了传统的人工管理模式，提高了系统的可靠性、稳定性，降低了运行成本。积极响应国家倡导的绿色、节能、环保的方针，推进了低碳降耗的地源热泵、太阳能等新能源技术的应用和普及，达到节能环保目的。

参考文献

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