双热源三联供系统运行远程监控原理与实现关键技术研究

杨前明，霍达，王小琬

（山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

太阳能集热、空气能热泵、余热回收构成的多热源系统是近年来建筑采暖热与热水工程的发展趋势，在京津冀地区的“煤改电”工程中得到普遍应用。能源工程程监控近年来在建筑物供暖及热水工程中获得普遍应用[1-5]。能源运行系统远程监控是指以工业计算机为核心，利用电子检测传感器对能源工程运行中有关参数进行检测、运算，依据系统设计的运行原则，通过互联网、以太网、4G网络等实现系统过程控制系统的数据采集、状态监测、远程监控和维护[6-8]。针对多热源三联供系统，本文给出了基于能源廉价优先原则实现系统远程监控的原理与实现方法。

1 多热源三联供系统

1.1 组成及工作原理

图1所示为多热源三联供系统示意图，系统主要由太阳能集热系统、空气源热泵系统和控制系统组成；太阳能集热器与空气源热泵作为双热源耦合在一起，为用户提供夏季制冷、冬季采暖以及全年热水供应。

图1 多热源三联供工作原理图Fig. 1 Working principle diagram of Multi-heat source triple supply system

1.2 系统运行模式

多热源联供系统在全年内共有采暖、制冷、热水、采暖＋热水，制冷＋热水5种运行模式。制冷模式由热泵子系统独立完成，采暖和热水模式由太阳能集热系统和热泵联合供给完成，制冷和热水模式中热水负荷由热泵制冷剂一次冷凝热提供。单一热水模式下，多热源联供系统又分为太阳能制热水、空气源热泵制热水和太阳能—空气源热泵制热水3种运行模式：

1）太阳能制热水模式：当太阳光照强度充足时，只启动太阳能集热模块，满足热水负荷。

2）热泵制热水模式：阴雨天气候时，开启热泵制热水模块，直接加热蓄热水箱中的热水。

3）太阳能—热泵制热水模式：当光照强度较弱，太阳能不足以满足全部热水负荷时，太阳能集热加热贮热水箱中的水作为低温水源，提高热泵侧水的初始温度。

1.3 能源廉价优先原则

能源廉价优先原则是指在多热源组成的联合供热系统中，系统根据各组成热源能量的经济性，优先使用廉价能源，合理配置各组成能源的占比，满足系统总体供热负荷要求[9-10]。实现能源廉价优先原则的基本手段是以系统运行参数检测自动化为基础，以能源廉价优先使用原则为导向，能源类别自动切换与组合、快速、经济满足系统热负荷需求。

1.4 能源调度流程与策略

（1）能源调度

图2 系统能源调度流程图Fig.2 System energy scheduling flow chart

图2给出了多热源三联供系统运行流程原理示意图。图中参数说明：TU-用水设定时间，T1-水箱检测温度，THP-热泵加热热水所需时间，Ts1-热泵加热最佳经济启动时间，Ts2-校正后热泵启动时间(基于当前水温和太阳能集热效率决定)，Td-太阳能集热与热泵同时工作时，热泵最晚启动时间。

图2运行流程中，能源管理过程中主要调节步骤说明如下。

首先根据用户设定的用水时间，以及水箱当前温度T1估算到达用水时间，热泵加热的最佳经济启动时间Ts1、集热器循环和热泵双热源同时工作最佳热泵启动时间Td。

比较当前时间是否到达热泵加热最佳经济启动时间TS1，当到达TS1时间，系统判别是否到达Td，这里流程软件运行的思想实质是保证在设定时刻，系统向用户供热水的前提下，尽可能最大限度优先使用太阳能热循环热能，使系统获得最佳经济性。

如果未到达TS1，则同样检测是否进行温差循环。未进行温差循环时，直接启动HP；进行温差循环，则在到达TS1时刻后，重新检测水箱温度T1，根据水箱温度重新校正计算热泵启动时间TS2，并在TS2时刻启动HP进行系统补热，在供水时刻使水温满足使用要求。流程软件运行的思想实质与前面相同。

（2）能源调度经济思想

假设热系统以太阳能集热、热泵供热为主，兼顾极寒天气条件下采用电辅助加热方式，联合满足热系统热负荷需求。其能源经济性指标分别用ES、EHP和EE表示，且有ES＞EHP＞EE，即三种能源中，太阳能集热最廉价，热泵供热次之，电辅助加热最贵。

假设热系统在冬季极寒工况下热负荷需求总量为Q，根据能源廉价优先使用原则，在满足系统要求的供热时间内，三种能源的使用顺序应该是太阳能、热泵和电辅助加热。且有Q=QS+QHP+QE,式中QS、QHP、QE分别是三种能源提供的单项热负荷。

能源调度的管理思想是合理经济使用组成热系统的各类能源，按照能源廉价优先使用原则，根据系统总体热负荷需求，按照太阳能集热、热泵和电辅助加热三种能源能源调度策略，通过计算机自动切换或组合使用组成能源。

（3）控制策略

为实现图2所示能源调度流程，组成双热源三联供系统的各主要子程序控制策略设计如表1所示。

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

热泵循环：当t处于用热水时段[t3，t4]时，若水箱温度低于设定值Tset1时，热泵循环启动；当t处于非用水时间段时，根据系统是否进行温差循环以及水箱温度T1，判定HP启动时间，若未进行温差循环则t5时刻启动HP，若进行了温差循环，则t6时刻启动HP。

集热循环：当集热器出水口温度T3与水箱温度T1之差大于集热循环设定启动温度∆TP2on时，集热循环启动；当二者温差小于集热循环设定的停止温度∆TP2off时集热循环停止。

自动补水：当水箱液位H1低于补水泵启动设置液位Hset1时，补水阀V9启动；当水箱液位H1大于或等于补水泵停止设置液位Hset2时，补水阀V9关闭。

2 系统硬件结构

2.1 硬件结构设计

图3给出了远程监控系统硬件结构示意图，主要由远程监控端、现场控制器以及终端设备构成。

（1）现场控制设备

现场控制设备包括可编程控制器PLC、AD模块、PT模块等，接受终端设备如前端传感器（液位、温度等）传来的信号，通过分析运算反馈到其他终端设备如阀门执行器（循环泵、补水电磁阀、电气执行元件）并控制执行器执行相应的动作。

（2）远程监控端

远程监控端通过组态软件或GRM通讯模块内置网页监控或移动设备APP对系统实时运行状况时监测与分析管理，提高了系统人机交互能力和技术文档管理水平。

（3）通信

图3中GRM500通过RS485串口与PLC接通，将PLC中的实时数据通过GPRS或无线网络等途径传输到远端的监控端，并根据参数变化及时修改数据，控制热水系统的运行状态，达到远程监控目的。用户可根据需要进行网页监控、组态监控、手机APP监控、手机短信监控；实际系统运行过程中，用户可根据需要对PLC中的梯形图程序进行远程修改。

图3 远程监控系统结构图Fig. 3 Structure diagram of remote monitoring system

2.2 硬件选型

主要硬件选择 DVP 32ES211T，DVP04AD-E2，DVP04PT-E2作为控制器与转换模块，系统I/O分配如表2所示。

表2 系统I/O及模块地址分配Table 2 Distribution table of PLC I/O ports in the system

3 系统软件设计

3.1 软件设计及功能

监控系统软件设计主要包括PLC远程调控、系统可视化监控与网页及手机APP监控三类软件。

（1）对PLC控制程序的远程调控

PLC项目完工后，根据客户不同需求，控制策略或需进行改变，为方便对程序的更改及维护，需要完成远程上位机编程软件WPLSoft对PLC的远程通讯，以便达到远程调试PLC梯形图、维护程序的目的。

（2）系统可视化监控

为直观显示系统运行状况的实时监测以及对系统参数的分析管理，以实现遵循能源廉价优先原则对系统能源进行合理调度分配，需要建立以组态软件为平台的可视化远程监控软件系统，对系统运行状况进行实时监控，达到提高人机交互程度和文档管理水平的目的。

（3）网页及手机APP监控

为提高系统管理人员或系统用户对系统的可操作性，方便随时随地了解系统运行状况，还需建立基于网页监控和移动端APP的监控手段，既满足监控目的同时又可使用户根据需要提前控制系统启动，使系统更加便捷化、人性化。

3.2 关键技术

通讯是实现远程监控的关键，为完成PLC程序的远程调试，需建立无线通讯模块GRM500和PLC的通讯、模块和上位机的通讯等。其中模块和上位机的通讯包括：模块和PLC编程软件的通讯，模块和组态软件的通讯，应用到的技术有虚拟串口技术及OPC(Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control) 通讯技术。

（1）虚拟串口技术

串口是应用非常普遍的设备通信接口，但其受通信电缆的限制，仅适用于本地短距离通讯，因此受到了很大的限制，为了实现跨网、跨地区的长距离通讯，虚拟串口技术可以很好地解决该问题，实现这一功能的产品称之为串口服务器。它具备串口转网络功能，能够将RS-232/485/422串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离，通过虚拟串口的建立完成了上位机对PLC内程序的读取和写入以及运行监控功能[11-12]。

（2）OPC通讯技术

OPC通讯技术是一种联通硬件与远程监控中心软件之间的标准接口协议，监控中心的组态软件与OPC 服务器连接必须通过OPC 接口[13-14]。GRM500 无线通讯模块把 PLC 传输来的数据打包为数据包格式，再通过 4G 网络或以太网将数据包发送到服务器，服务器将数据把数据转发到 OPC 服务器，OPC 服务器通过 Grm Opc Server 将传送上来的数据作为变量组提供给世纪星组态软件[15]。

3.3 软件设计

（1）PLC程序远程调试

图4 梯形图通讯格式设定程序Fig. 4 Communication format setting program ladder

图5 组态监控界面Fig. 5 Configuration monitoring interface

安装GRM500模块自带的GVCOM3软件和虚拟串口，在计算机设备管理器端口子菜单下，出现com0com的虚拟串口，表示驱动已经安装成功。运行GVCOM3软件，新建模块，输入GRM500的序列号以及密码，点击运行即可建立PLC程序的无线通讯通道，完成上位机与PLC之间的无线通讯。

完成通道安装后，需对无线通讯模块与PLC的连接进行配置。将PLC的485口与模块的COM口相连，对编程软件进行通讯设置。

编译程序向导配置：在编写的程序开头加入通讯程序向导，选择只产生格式或在程序开头加入图4的梯形图程序，即可对PLC进行远程梯形图的监控与调试。

（2）组态可视化软件

利用世纪星组态软件作为可视化监控平台，建立系统变量，并对变量进行定义，将画面与定义的变量用动画连接关联起来。对于特定的事件编写命令语言，在满足条件的情况下执行相应的操作，并将无线通讯模块GRM500开发软件中建立的变量下载到OPC服务器中，通过GRM OPC服务器与PLC中的变量建立互为映像的关系。采用以太网或GPRS作为传输媒介，即可实时显示系统运行参数和对系统进行过程控制。图5所示为开发的组态监控画面。

（3）网页及手机APP监控

使用无线通讯模块GRM500的工程配置软件GRMDev3完成GRM500的工程开发和下载，如配置需要远程监控的变量，及对应的PLC寄存器地址。需要在网页上监控的变量，需勾选网络读写属性，并配置WEB扩展属性。将配置好的变量通过网线或云端下载到GRM500通讯模块内，使用手机网页浏览器或者电脑网页浏览器打开巨控云监控的网址，输入模块的账号及密码即可查看或修改GRM500里面全部的变量。将要控制的变量分为：系统参数、控制变量、状态显示、实时数据表、温度曲线图、液位曲线图六栏，网页监控主要画面如图6所示。

图6 (a) 控制量界面显示Fig.6 (a) Control volume interface display

图6 (b) 实时数据界面显示Fig.6 (b) Real-time data interface display

图6 (c) 温度曲线图Fig.6 (c) Temperature graph

图6 (d) 液位曲线图Fig.6 (d) Level curve

为方便监控人员或用户对系统监控更加便捷，使用巨控科技开发的针对无线通讯模块GRM500的移动终端APP对系统进行监控。进行账号密码登录后，可一步登录监控界面，方便快捷，可通过远程移动终端对系统所涉及的开关量、模拟量以及各个参数进行远程控制，监控界面如同网页监控相同，手机APP监控软件界面如图7所示。

图7 (a) 监控软件登录界面Fig.7 (a) Monitoring software login screen

图7 (b) 控制变量监控画面Fig.7 (b) Control variables monitoring screen

4 结论

1）给出了双热源三联供系统设计方案，以能源廉价优先使用为原则，设计了多热源能量调控管理控制策略；搭建了以“PLC+智能终端”为控制核心的无线远程监控系统，构建以网页、手机APP与组态软件为监控手段的无线远程监控方案。

2）实际系统运行表明，双热源三联供远程监控系统能够很好地实现能源科学管理调度，监控数据可以表格、折线图形式呈现，方便用户进行运行参数设定、查询与趋势分析。远程监控系统参数设定便捷、运行稳定。

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