空氣能熱泵熱水機(jī)組遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

Research and Application of the Remote Intelligent Monitoring System

for Air Heat Pump Hot Water Units

黃　丹1,3　趙文麗2　毛曉波1

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院1，河南 鄭州　450001；

河南省輕工業(yè)職工大學(xué)機(jī)電工程系2，河南 鄭州　450002；國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心3，河南 鄭州　450002)

空氣能熱泵熱水機(jī)組遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

Research and Application of the Remote Intelligent Monitoring System

for Air Heat Pump Hot Water Units

黃丹1,3趙文麗2毛曉波1

(鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院1，河南 鄭州450001；

河南省輕工業(yè)職工大學(xué)機(jī)電工程系2，河南 鄭州450002；國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心3，河南 鄭州450002)

摘要：對(duì)空氣能熱泵熱水機(jī)組的數(shù)據(jù)通信模式和控制技術(shù)進(jìn)行了研究?；贚abVIEW開(kāi)發(fā)了PC監(jiān)控界面，以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)熱水機(jī)組各參數(shù)變化和負(fù)載工作狀態(tài)。采用模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組設(shè)定制水溫度和除霜運(yùn)轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)程智能控制，取代了傳統(tǒng)的人工控制；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款空氣能熱泵熱水機(jī)組遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，解決了機(jī)組參數(shù)觀察及操控不便的問(wèn)題，提高了機(jī)組的制熱性能。測(cè)試結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：空氣能熱泵節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控智能控制LabVIEW

Abstract：The data communication mode and control technology for air heat pump hot water unit are researched. The PC interface is developed based on LabVIEW, to remotely monitor variation of various parameters and condition of the load operation for the unit in real time. By using fuzzy control algorithm, the remote intelligent control of unit setting water temperature and defrost operation are implemented instead of traditional manual control; thus the remote intelligent monitoring system for air heat pump hot water unit is realized, to solve the problems of incontinence of observing unit parameters and operational control, and improves the heating performance of unit. The test result and practical application show that the system performance is stable, safety and energy saving. It possesses broad application prospect and promotion value.

Keywords：Air heat pumpEnergy-savingRemote monitoringIntelligent controlLabVIEW

0引言

空氣能熱泵熱水技術(shù)是當(dāng)今最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉醇夹g(shù)之一。它根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用少量的電能驅(qū)動(dòng)，以冷媒為載體，將低品味熱源(空氣)中的能量轉(zhuǎn)移到被加熱的水中,用以制取高品位的生活熱水和采暖熱水，這樣不僅安全，而且節(jié)能環(huán)保。目前，美的、格力等著名企業(yè)均推出了空氣能熱泵熱水機(jī)組系列產(chǎn)品，但機(jī)組及其控制柜體積龐大，通常安裝在賓館等大樓的頂層，操作人員必須到現(xiàn)場(chǎng)操控機(jī)組;機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)也是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的線控器來(lái)查看，很不方便[1]。此外，熱水機(jī)組的水溫設(shè)定和除霜啟停通常采用人工設(shè)置，影響了節(jié)能效果。

本文提出一種空氣能熱泵熱水機(jī)組遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的圖形化的用戶界面，使用戶能夠在控制室通過(guò)PC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況，檢測(cè)各負(fù)載的工作狀態(tài)；在監(jiān)控界面后臺(tái)程序中集成了智能控制模塊，實(shí)現(xiàn)了模糊控制的計(jì)算和分析，并能遠(yuǎn)程自動(dòng)控制機(jī)組的制水溫度設(shè)定和除霜啟停。

1遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

為方便客戶通過(guò)控制室的PC終端實(shí)時(shí)了解熱水系統(tǒng)的運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程通信與監(jiān)控兩大模塊。機(jī)組采用主從式通信方式，系統(tǒng)中有一臺(tái)主機(jī)、多臺(tái)從機(jī)和多個(gè)線控器。主機(jī)與各從機(jī)及線控器掛在同一通信總線上，以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行通信。各模塊單元數(shù)據(jù)幀格式相同，包含機(jī)組的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，如在線機(jī)組數(shù)、運(yùn)行模式、水箱溫度、液位、壓縮機(jī)電流、電子膨脹閥開(kāi)度、室外環(huán)境溫度、負(fù)載率、端口輸出狀態(tài)、故障與保護(hù)狀態(tài)等。PC機(jī)串口數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過(guò)RS- 485總線連接到通信總線上，通過(guò)LabVIEW中的“VISA”通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)串口通信，讀取通信總線上的數(shù)據(jù)幀[2]。因機(jī)組參數(shù)眾多，故利用LabVIEW首先要實(shí)現(xiàn)的是接收各幀數(shù)據(jù)并正確拆分，以控件形式在前面板顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

LabVIEW采用圖形化編程語(yǔ)言即G語(yǔ)言編寫程序，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面內(nèi)部程序主要分為兩部分。一是按字節(jié)接收從串口讀出的字符串，由內(nèi)部循環(huán)控制組成一幀數(shù)據(jù)傳送到后續(xù)程序中。因每幀數(shù)據(jù)有34個(gè)字節(jié)，且固定幀頭為5A，故每次由串口讀出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)并判斷是否為幀頭。若是，則取其后的33個(gè)字節(jié)與5A組成一幀數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)尋找?guī)^?？紤]到數(shù)據(jù)幀內(nèi)可能會(huì)有字節(jié)與幀頭沖突而被程序誤認(rèn)為幀頭，故在所組數(shù)據(jù)幀后加上校驗(yàn)部分，以排除這種可能性。二是對(duì)校驗(yàn)過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)組號(hào)判斷，將數(shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)的主機(jī)或從機(jī)顯示控件。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，通信效果良好。

2設(shè)定制水溫度的模糊控制

空氣能熱泵熱水機(jī)組熱水供給模式通常有兩種：一種是制取的熱水溫度恰等于用戶所需的熱水溫度；另一種是制取的熱水溫度高于用戶所需的熱水溫度，用戶在用水時(shí)，將高溫?zé)崴c冷水混合，得到所需溫度的熱水。設(shè)冷水(自來(lái)水)溫度為15 ℃，用戶所需熱水溫度為45 ℃，冷凝器中冷媒與水的平均傳熱溫差為5 ℃，水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)。

按第一種方式供給熱水，制取熱水溫度為45 ℃時(shí)，每加熱1 t水需耗電量為28.64 MJ；按第二種方式供給熱水時(shí)，制取熱水溫度為65 ℃，并由65 ℃熱水與15 ℃自來(lái)水混合得到45 ℃的熱水，則獲得1 t 45 ℃的熱水所需的高溫(65 ℃)熱水量mH的計(jì)算式為(65-15)mH=(45-15)×(1-mH)，解得：mH=0.6 t。加熱得到0.6 t 65 ℃熱水的耗電量為126/3.53=35.69 MJ，比第一種熱水供給模式多耗電約：(35.69-28.64)/28.64≈25%。故熱泵機(jī)組制取的熱水溫度超出用戶所需的熱水溫度越多，則耗電量增加越多。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，熱泵機(jī)組制取的熱水溫度應(yīng)盡量接近用戶所需的熱水溫度。

根據(jù)人們洗澡用熱水舒適度的習(xí)慣，其設(shè)定水箱制水溫度隨環(huán)境溫度的變化而變化。如環(huán)境溫度高時(shí)(30 ℃)，水箱設(shè)定制水溫度就低(39 ℃)；如環(huán)境溫度低時(shí)(0 ℃)，水箱設(shè)定制水溫度就偏高(45 ℃)。因而，如果能通過(guò)智能控制算法，隨環(huán)境溫度變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空氣能熱泵熱水機(jī)組設(shè)定制水溫度，改善高設(shè)定溫度對(duì)系統(tǒng)不利影響，則對(duì)于提高空氣能熱泵熱水機(jī)組的節(jié)能性有著積極的意義[3]。

考慮到空氣能熱泵熱水機(jī)組是一個(gè)時(shí)變的、非線性系統(tǒng)，故采用模糊控制取代傳統(tǒng)的定溫控制方式[4]。采用標(biāo)準(zhǔn)的“雙入單出”模糊控制器，輸入量為前一日的環(huán)境溫度和環(huán)境溫度變化量，輸出量為設(shè)定制水溫度，模糊控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　設(shè)定制水溫度模糊控制結(jié)構(gòu)圖

因前文中提到的基于LabVIEW的遠(yuǎn)程監(jiān)控界面中包含室外環(huán)境溫度這一參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)值，故可直接在LabVIEW后臺(tái)程序中提取室外環(huán)境溫度在8∶00、12∶00、16∶00這三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量值為參考值，取平均值作為室外環(huán)境溫度E，采用數(shù)據(jù)記錄函數(shù)將當(dāng)日所測(cè)室外環(huán)境溫度E記錄在數(shù)據(jù)文件中[5]；通過(guò)讀取數(shù)據(jù)文件中近兩日的溫度值并做差值，得到室外環(huán)境溫度平均值的變化量，記為EC；設(shè)定制水溫度作為輸出量，記為U。考慮到換算方便，本文中將模糊論域全部設(shè)為對(duì)稱范圍。

以中原城市鄭州為例，根據(jù)實(shí)際環(huán)境，將室外環(huán)境溫度E的基本論域設(shè)定為[-8 ℃，40 ℃]，模糊論域?yàn)閄={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，換算式為：

(1)

室外環(huán)境溫度變化量EC的基本論域?yàn)閇-6 ℃，6 ℃]，模糊論域?yàn)閅={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，換算式為：

(2)

設(shè)定制水溫度U的基本論域?yàn)閇40 ℃，52 ℃]，模糊論域?yàn)閆={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，換算式為：

(3)

E、EC、U均用7個(gè)模糊變量來(lái)描述，分別對(duì)應(yīng)各自模糊論域的7個(gè)元素。LabVIEW提供了模糊邏輯工具箱，將輸入、輸出量模糊化。在模糊控制中，不同的隸屬度函數(shù)會(huì)對(duì)控制特性產(chǎn)生不同的影響，隸屬度函數(shù)曲線形狀比較陡峭的模糊量，其分辨率較高，控制靈敏度也高；反之，隸屬度函數(shù)曲線形狀較平緩的模糊子集，靈敏度較低，控制特性比較平緩，穩(wěn)定性比較好?？紤]到本文中的室外環(huán)境溫度基本論域?yàn)?8~40 ℃，跨度較大，故隸屬度函數(shù)μ(X)在誤差較小的適溫區(qū)域采用分辨率較高的三角形隸屬函數(shù);在誤差較大的高溫和低溫區(qū)域采用分辨率略低的三角形函數(shù)和高斯函數(shù)作為隸屬函數(shù)，如圖2所示，這樣達(dá)到了整體控制精度高而且穩(wěn)定性好的效果。

圖2　室外環(huán)境溫度隸屬度函數(shù)示意圖

本文中的室外環(huán)境溫度EC和輸出量設(shè)定制水溫度U，其溫度范圍跨度較小，故均采用標(biāo)準(zhǔn)的三角形隸屬函數(shù)，如圖3所示。

圖3　室外環(huán)境溫度變化量隸屬度函數(shù)示意圖

根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，可將上述模糊變量羅列成49條模糊規(guī)則，如表1所示。

輸入變量通過(guò)模糊化以及根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，得到輸出模糊變量，而輸出模糊變量需要通過(guò)逆模糊化處理才能得到精確的輸出變量。采用重心法對(duì)輸出模糊變量逆模糊化，其本質(zhì)為加權(quán)平均法。在LabVIEW后臺(tái)程序界面，載入設(shè)置好的上述模糊控制系統(tǒng)，導(dǎo)入室外溫度測(cè)量值E以及計(jì)算所得平均溫度變化量EC，并模糊化處理，作為該模糊控制系統(tǒng)的輸入量，而輸出量為模糊論域Z的子集，換算后得到真正的設(shè)定制水溫度U。

表1　設(shè)定制水溫度模糊規(guī)則

通過(guò)LabVIEW仿真，抽取部分測(cè)試點(diǎn)作為取樣點(diǎn)，得到圖4所示的輸入與輸出變量關(guān)系。由圖4可以看出，各輸入量均對(duì)輸出量產(chǎn)生明顯影響，在室外溫度E相同的情況下，機(jī)組設(shè)定制水溫度U隨環(huán)境溫度變化量EC增大而逐漸降低；從縱向來(lái)看，設(shè)定制水溫度U隨著室外溫度E的降低而變高。

圖4　設(shè)定制水溫度模糊控制仿真結(jié)果

3智能除霜控制

空氣能熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)原理如圖5所示。根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，冷媒在蒸發(fā)器中吸收空氣的熱量，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)；進(jìn)入到壓縮機(jī)中，壓縮機(jī)耗電做功使低溫低壓冷媒變?yōu)楦邷馗邏簹怏w；接著在冷凝器中放熱，將熱量轉(zhuǎn)移到冷水中，并轉(zhuǎn)化為液體進(jìn)入膨脹閥；通過(guò)膨脹閥節(jié)流后又變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，再次進(jìn)入蒸發(fā)器。如此循環(huán)往復(fù)工作，空氣中的熱能被不斷“泵”送到水中，使水箱里的水溫逐漸升高[6]。

空氣能熱泵熱水機(jī)組就是利用室外空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)的冷媒循環(huán)流動(dòng)，不斷蒸發(fā)冷凝，把外界空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到被加熱的水中以供洗浴和采暖。當(dāng)室外溫度降低時(shí)，熱泵機(jī)組蒸發(fā)溫度也隨之降低，甚至低于0 ℃，引起蒸發(fā)器表面結(jié)霜，使傳熱熱阻和空氣流通阻力增加，機(jī)組工況惡化，性能下降，嚴(yán)重影響制熱量和機(jī)組的整體性能。因此，合理除霜是保證機(jī)組供熱穩(wěn)定和可靠的關(guān)鍵。

圖5　空氣能熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)原理圖

因可能結(jié)霜的溫度范圍較小，將室外環(huán)境溫度E的基本論域設(shè)定為[-8 ℃，8 ℃]，模糊論域?yàn)閄={-2,-1,0,1,2}，換算式為：

(4)

將除霜間隔時(shí)間T的基本論域設(shè)定為[0min，30min]，模糊論域?yàn)閅={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，則換算式為：

(5)

將結(jié)霜幾率R的基本論域設(shè)定為[0%，100%]，模糊論域?yàn)閆={-2,-1,0,1,2}，則換算式為：

(6)

采用標(biāo)準(zhǔn)三角形隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化處理，模糊規(guī)則如表2所示。

表2　智能除霜模糊規(guī)則

由LabVIEW計(jì)算處理并得到輸入輸出關(guān)系三維曲面觀察器如圖6所示，從整體視角反映了系統(tǒng)的控制特性。從縱向上看，在室外環(huán)境E相同的條件下，隨著除霜間隔時(shí)間T的升高，結(jié)霜幾率R也隨之升高；從橫向上看，在除霜間隔時(shí)間T相同的條件下，室外環(huán)境溫度E越低結(jié)霜幾率R越高，反之R相應(yīng)減小，符合生活經(jīng)驗(yàn)，無(wú)控制失衡現(xiàn)象，魯棒性能良好。

圖6　智能除霜輸入輸出關(guān)系三維曲面觀察器

抽取部分測(cè)試點(diǎn)作為取樣點(diǎn)，得到表3所示輸入輸出變量測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3　智能除霜模糊控制測(cè)試數(shù)據(jù)

由測(cè)試數(shù)據(jù)得到結(jié)霜幾率R的大致范圍和走向，故在程序中設(shè)定當(dāng)結(jié)霜幾率R≥55%時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)除霜運(yùn)轉(zhuǎn)，并將上一輪的除霜間隔計(jì)時(shí)清零；當(dāng)結(jié)霜幾率R<55%時(shí)，機(jī)組停止除霜運(yùn)轉(zhuǎn)，并開(kāi)始新一輪的除霜間隔計(jì)時(shí)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，根據(jù)統(tǒng)一的通信協(xié)議完成了上位機(jī)熱水機(jī)組與下位機(jī)PC之間的數(shù)據(jù)通信，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的空氣能熱泵熱水機(jī)組遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)熱水機(jī)組各參數(shù)變化和負(fù)載工作狀態(tài)，簡(jiǎn)化了熱水機(jī)組的監(jiān)控操作。通過(guò)引入遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊中的室外環(huán)境溫度變量，利用LabVIEW的模糊控制工具箱，建立了設(shè)定制水溫度和智能除霜的模糊控制模型。該模型在智能控制方面實(shí)現(xiàn)了兩大功能：一是遠(yuǎn)程智能控制機(jī)組設(shè)定制水溫度，取代了傳統(tǒng)的人工定溫控制；二是智能判定機(jī)組結(jié)霜幾率并據(jù)此做出除霜指令，在節(jié)能方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TP27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503019

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：20114101110005);

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14A410001)。

修改稿收到日期：2014-08-06。

第一作者黃丹(1990-)，女，2014年畢業(yè)于鄭州大學(xué)控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，審查員；主要從事智能儀器與儀表的研究。