基于觸摸屏的地源熱泵監控系統設計及應用

黃越洋，張貴宇，石元博，馮　瑤

（1.遼寧石油化工大學 信息科學與工程學院，撫順 113001；2.遼寧石油化工大學 計算機與通信工程學院，撫順 113001）

基于觸摸屏的地源熱泵監控系統設計及應用

黃越洋1，張貴宇1，石元博2，馮瑤2

（1.遼寧石油化工大學 信息科學與工程學院，撫順 113001；2.遼寧石油化工大學 計算機與通信工程學院，撫順 113001）

在能源緊缺和環境污染的大環境下，對新型供熱制冷系統的應用與研究顯得尤為重要。以地源熱泵計算機監控系統為背景，同時摒棄了傳統依靠計算機對地源熱泵進行監控的單一方式，在了解傳統系統的原理、控制方案后，提出用觸摸屏對地源熱泵系統進行監控的設計。利用PLC和觸摸屏結合的方式監控整個系統。通過系統的實際運行，達到了節能的目的，具有巨大的社會意義和應用價值。

地源熱泵；觸摸屏；PLC；MCGS組態

0　引言

地源熱泵的概念于1912年在瑞士被最早提出，20世紀末的能源危機使得人們開始關注地源熱泵，地源熱泵技術在此迅速發展，并應用于實際工程［1］。地源熱泵是水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換來為水源熱泵的冷熱源，冬季利用地源熱泵機組將地下土壤的熱量從地下土壤中轉移上來，供給室內采暖，此時地能為“熱源”。夏季將地下土壤的冷量轉移到建筑物內，把室內熱量取出來，釋放到地下水，此時地能為“冷源”。所以地源熱泵實質上是一種熱量轉移的裝置。地源熱泵具有高效、節能、環保、運行穩定可靠等優點，它屬于利用可再生能源技術，近年來得到了越來越廣泛的應用［2］。

地源熱泵系統中供熱制冷的控制方式有很多種，因為PLC具有功能豐富、使用方便、工作可靠、經濟合算等優點而廣泛應用于各種工業控制場合［3］。所以利用PLC控制可保證系統穩定運行。本文將PLC和觸摸屏結合使用可以節省很多按鈕，轉換開關，中間間繼電器，時間繼電器等硬元件［4］，并且通過組態軟件將整個系統的現場數據集中在觸摸屏上顯示，方便觀察，自動記錄。

1　系統結構設計

本系統主要包括計算機、觸摸屏、PLC、及地源熱泵機組，PC上位機通過網絡訪問觸摸屏監控軟件或直接操作觸摸屏實現對PLC下位機的控制。根據控制方案所需，利用MCGS嵌入版工控組態軟件對地源熱泵監控系統界面進行組態，將程序下裝到觸摸屏中即可對系統進行監控，選用深圳矩形科技型號為N80M21MAD的PLC作為下位機，對系統進行控制。系統結構框圖如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

2　系統設計與實現

系統軟件主要功能是根據溫度、壓力、水流量等設定的運行參數，通過對PLC編程，讓程序在規定的運行時間內運行，對地源熱泵中控制閥進行開閉控制，以達到無人值守目的。這些參數的設定可以通過觸摸屏來實現。

2.1PLC控制程序設計

PLC程序實現數據處理、邏輯判斷與控制執行等功能。本系統控制方案設計核心為：系統工作模式設計，系統工作模式分為冬季采暖、夏季空調和過渡季補熱，同時設計數據監測系統和超限保護系統保證系統平穩、安全運行［5］，系統控制方案如圖2所示。

圖2　系統控制方案圖

冬季采暖模式：進入冬季采暖模式后打開相應閥門，然后依次啟動地埋管循環泵與空調側循環泵，待水流、壓力開關顯示正常后，啟動地源熱泵機組，當溫度低于設定值開啟地源熱泵制熱模式，打開太陽能采暖一次泵與太陽能采暖二次泵，太陽能為系統補熱，流程圖如圖3所示。

圖3　冬季模式流程圖

夏季制冷模式：共分為四種子模式，分別用符號①②③④表示。子模式①②不開啟熱泵機組，空調系統循環水通過地埋管換冷板式換熱器與地埋管系統交換熱量，由此降低樓內溫度；子模式③④室內對空調要求較高時，熱泵機組開啟，為室內空調末端提供冷凍水。其中子模式②④井群1為室內制冷，③④井群2用作太陽能補熱，并啟動地埋管補熱循環泵。

春秋季過渡季節：啟動太陽能采暖一次循環泵和地埋管補熱循環泵，太陽能系統為系統補熱。

2.2觸摸屏監控界面設計

觸摸屏監控界面軟件采用Viieo.DeSigner設計。它是一款功能強大的觸摸屏人機界面設計軟件，可使用此軟件為人機界面設備創建操作員面板并配置［6］。

操作參數本系統采用的觸摸屏為北京昆侖通態TPC1061Ti。 TPC1061Ti，是以先進的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。利用MCGS嵌入版組態軟件對監控界面進行組態。

如圖4所示，為溫度壓力監測組態界面，左側12個溫度傳感器，監測所在位置溫度，右側監測分集水器的兩端壓力。上位機通過接收到的數據進行系統保護，其中包括溫度超限保護和差壓超限保護。同樣在溫度壓力監測組態過程中我們需要對每一個輸入構件都進行操作屬性進行設置，全部對應到實時數據庫中已經設置好的對象。

圖4　溫度壓力監控界面

3　通信調試

3.1智能儀表的調試

對儀表進行接線和配電，按數據類型進行調試。數據類型：模擬量、數字量、Modbus協議。對于模擬量調試來說，設置PLC相應的模擬量接收模式，使用Vladder軟件編寫參數轉化梯形圖，設置PLC“RUN”模式，利用軟件自帶的線圈狀態信息功能觀察數據。對于數字量調試來說，使用Vladder軟件對節點進行強制賦值1/0，觀察PLC上的指示燈亮暗，正確亮燈、設備啟動說明設備通訊良好（如圖中01=1；02=0；03=1）。Modbus協議，電腦通過串口軟件給模塊發送對應測試HEX指令，指令正確發送后，接收到返回數據說明設備通訊正常，反之錯誤。調試結果如圖5所示。

圖5　調試結果

3.2觸摸屏與PLC調試與通信

PC上位機、觸摸屏與PLC的通信方式采用工業以太網Modbus TCP/IP方式，其具有協議開放，與不同廠商設備兼容，能實現遠程訪問、遠程診斷、網絡速度快、實時性強、系統安全性高、成本低等特點。在ViieoDeSigner中添加驅動程序并進行配置，使通信設置與設備相匹配，并將用戶應用程序下載到觸摸屏，即可實現觸摸屏與PLC和PC上位機問的以太網通信。無需編寫復雜的通信程序，只需設置各設備的IP、子網掩碼和網關［7］。

4　結論

隨著科技與經濟的發展，傳統的鍋爐供熱和空調制冷模式已經無法滿足當今社會的可持續發展要求。而地源熱泵技術的興起，彌補了傳統供熱制冷系統的缺陷，所以地源熱泵的研究意義重大。本文通過對系統結構的設計、數據采集儀表選擇、觸摸屏型號選擇、控制設備選擇、儀表設備接線、下位機梯形圖編程、利用MCGS進行上位機界面組態、觸摸屏與PLC通信等實現了對地源熱泵的自控控制功能，顯著提高了系統的穩定性。

［1］ 趙桂章.地源熱泵的發展現狀及新方法研究［J］.山西建筑，2013，7（3）:124-125.

［2］ 齊游洋，辛立民.淺談地源熱泵技術［J］.四川建材，2015，10（5）:41.

［3］ 劉露萍，觸摸屏在PLC工業控制中的應用［J］.職教創新專業課程，2010，（6）:72.

［4］ 劉瑞祥.PLC和HMI在地源熱泵系統自控設計中的應用［J］.中國地源熱泵行業高層論壇論文集，2013，（5）:25-28.

［5］ 楊衛波，施明恒.混合地源熱泵系統（HGSHPS）的研究［J］.建筑熱能通風空調，2006，25（03）:20-26.

［6］ 蔣曉峰，施偉鋒.基于觸摸屏和PLC的船舶電站監控系統設計［J］.電力自動化設備，2011，31（1）:122-125.

［7］ Designer施耐德電氣用戶指南［EB/0L］.2009［2010-05-09］.

Ground source heat pump based on touch screen monitoring system design and application

HUANG Yue-yang1，ZHANG Gui-yu1，SHI Yuan-bo2，FENG Yao2

TP277

A

1009-0134（2016）09-0024-03

2016-07-15

遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2014150）；遼寧省博士啟動基金項目（201501104）

黃越洋（1981 -），女，遼寧昌圖人，講師，博士研究生，研究方向為工業過程先進控制和無線傳感器網絡定位。