雙熱源三聯供系統運行遠程監控原理與實現關鍵技術研究

楊前明，霍達，王小琬

（山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

0 引言

太陽能集熱、空氣能熱泵、余熱回收構成的多熱源系統是近年來建筑采暖熱與熱水工程的發展趨勢，在京津冀地區的“煤改電”工程中得到普遍應用。能源工程程監控近年來在建筑物供暖及熱水工程中獲得普遍應用[1-5]。能源運行系統遠程監控是指以工業計算機為核心，利用電子檢測傳感器對能源工程運行中有關參數進行檢測、運算，依據系統設計的運行原則，通過互聯網、以太網、4G網絡等實現系統過程控制系統的數據采集、狀態監測、遠程監控和維護[6-8]。針對多熱源三聯供系統，本文給出了基于能源廉價優先原則實現系統遠程監控的原理與實現方法。

1 多熱源三聯供系統

1.1 組成及工作原理

圖1所示為多熱源三聯供系統示意圖，系統主要由太陽能集熱系統、空氣源熱泵系統和控制系統組成；太陽能集熱器與空氣源熱泵作為雙熱源耦合在一起，為用戶提供夏季制冷、冬季采暖以及全年熱水供應。

圖1 多熱源三聯供工作原理圖Fig. 1 Working principle diagram of Multi-heat source triple supply system

1.2 系統運行模式

多熱源聯供系統在全年內共有采暖、制冷、熱水、采暖＋熱水，制冷＋熱水5種運行模式。制冷模式由熱泵子系統獨立完成，采暖和熱水模式由太陽能集熱系統和熱泵聯合供給完成，制冷和熱水模式中熱水負荷由熱泵制冷劑一次冷凝熱提供。單一熱水模式下，多熱源聯供系統又分為太陽能制熱水、空氣源熱泵制熱水和太陽能—空氣源熱泵制熱水3種運行模式：

1）太陽能制熱水模式：當太陽光照強度充足時，只啟動太陽能集熱模塊，滿足熱水負荷。

2）熱泵制熱水模式：陰雨天氣候時，開啟熱泵制熱水模塊，直接加熱蓄熱水箱中的熱水。

3）太陽能—熱泵制熱水模式：當光照強度較弱，太陽能不足以滿足全部熱水負荷時，太陽能集熱加熱貯熱水箱中的水作為低溫水源，提高熱泵側水的初始溫度。

1.3 能源廉價優先原則

能源廉價優先原則是指在多熱源組成的聯合供熱系統中，系統根據各組成熱源能量的經濟性，優先使用廉價能源，合理配置各組成能源的占比，滿足系統總體供熱負荷要求[9-10]。實現能源廉價優先原則的基本手段是以系統運行參數檢測自動化為基礎，以能源廉價優先使用原則為導向，能源類別自動切換與組合、快速、經濟滿足系統熱負荷需求。

1.4 能源調度流程與策略

（1）能源調度

圖2 系統能源調度流程圖Fig.2 System energy scheduling flow chart

圖2給出了多熱源三聯供系統運行流程原理示意圖。圖中參數說明：TU-用水設定時間，T1-水箱檢測溫度，THP-熱泵加熱熱水所需時間，Ts1-熱泵加熱最佳經濟啟動時間，Ts2-校正后熱泵啟動時間(基于當前水溫和太陽能集熱效率決定)，Td-太陽能集熱與熱泵同時工作時，熱泵最晚啟動時間。

圖2運行流程中，能源管理過程中主要調節步驟說明如下。

首先根據用戶設定的用水時間，以及水箱當前溫度T1估算到達用水時間，熱泵加熱的最佳經濟啟動時間Ts1、集熱器循環和熱泵雙熱源同時工作最佳熱泵啟動時間Td。

比較當前時間是否到達熱泵加熱最佳經濟啟動時間TS1，當到達TS1時間，系統判別是否到達Td，這里流程軟件運行的思想實質是保證在設定時刻，系統向用戶供熱水的前提下，盡可能最大限度優先使用太陽能熱循環熱能，使系統獲得最佳經濟性。

如果未到達TS1，則同樣檢測是否進行溫差循環。未進行溫差循環時，直接啟動HP；進行溫差循環，則在到達TS1時刻后，重新檢測水箱溫度T1，根據水箱溫度重新校正計算熱泵啟動時間TS2，并在TS2時刻啟動HP進行系統補熱，在供水時刻使水溫滿足使用要求。流程軟件運行的思想實質與前面相同。

（2）能源調度經濟思想

假設熱系統以太陽能集熱、熱泵供熱為主，兼顧極寒天氣條件下采用電輔助加熱方式，聯合滿足熱系統熱負荷需求。其能源經濟性指標分別用ES、EHP和EE表示，且有ES＞EHP＞EE，即三種能源中，太陽能集熱最廉價，熱泵供熱次之，電輔助加熱最貴。

假設熱系統在冬季極寒工況下熱負荷需求總量為Q，根據能源廉價優先使用原則，在滿足系統要求的供熱時間內，三種能源的使用順序應該是太陽能、熱泵和電輔助加熱。且有Q=QS+QHP+QE,式中QS、QHP、QE分別是三種能源提供的單項熱負荷。

能源調度的管理思想是合理經濟使用組成熱系統的各類能源，按照能源廉價優先使用原則，根據系統總體熱負荷需求，按照太陽能集熱、熱泵和電輔助加熱三種能源能源調度策略，通過計算機自動切換或組合使用組成能源。

（3）控制策略

為實現圖2所示能源調度流程，組成雙熱源三聯供系統的各主要子程序控制策略設計如表1所示。

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

熱泵循環：當t處于用熱水時段[t3，t4]時，若水箱溫度低于設定值Tset1時，熱泵循環啟動；當t處于非用水時間段時，根據系統是否進行溫差循環以及水箱溫度T1，判定HP啟動時間，若未進行溫差循環則t5時刻啟動HP，若進行了溫差循環，則t6時刻啟動HP。

集熱循環：當集熱器出水口溫度T3與水箱溫度T1之差大于集熱循環設定啟動溫度?TP2on時，集熱循環啟動；當二者溫差小于集熱循環設定的停止溫度?TP2off時集熱循環停止。

自動補水：當水箱液位H1低于補水泵啟動設置液位Hset1時，補水閥V9啟動；當水箱液位H1大于或等于補水泵停止設置液位Hset2時，補水閥V9關閉。

2 系統硬件結構

2.1 硬件結構設計

圖3給出了遠程監控系統硬件結構示意圖，主要由遠程監控端、現場控制器以及終端設備構成。

（1）現場控制設備

現場控制設備包括可編程控制器PLC、AD模塊、PT模塊等，接受終端設備如前端傳感器（液位、溫度等）傳來的信號，通過分析運算反饋到其他終端設備如閥門執行器（循環泵、補水電磁閥、電氣執行元件）并控制執行器執行相應的動作。

（2）遠程監控端

遠程監控端通過組態軟件或GRM通訊模塊內置網頁監控或移動設備APP對系統實時運行狀況時監測與分析管理，提高了系統人機交互能力和技術文檔管理水平。

（3）通信

圖3中GRM500通過RS485串口與PLC接通，將PLC中的實時數據通過GPRS或無線網絡等途徑傳輸到遠端的監控端，并根據參數變化及時修改數據，控制熱水系統的運行狀態，達到遠程監控目的。用戶可根據需要進行網頁監控、組態監控、手機APP監控、手機短信監控；實際系統運行過程中，用戶可根據需要對PLC中的梯形圖程序進行遠程修改。

圖3 遠程監控系統結構圖Fig. 3 Structure diagram of remote monitoring system

2.2 硬件選型

主要硬件選擇 DVP 32ES211T，DVP04AD-E2，DVP04PT-E2作為控制器與轉換模塊，系統I/O分配如表2所示。

表2 系統I/O及模塊地址分配Table 2 Distribution table of PLC I/O ports in the system

3 系統軟件設計

3.1 軟件設計及功能

監控系統軟件設計主要包括PLC遠程調控、系統可視化監控與網頁及手機APP監控三類軟件。

（1）對PLC控制程序的遠程調控

PLC項目完工后，根據客戶不同需求，控制策略或需進行改變，為方便對程序的更改及維護，需要完成遠程上位機編程軟件WPLSoft對PLC的遠程通訊，以便達到遠程調試PLC梯形圖、維護程序的目的。

（2）系統可視化監控

為直觀顯示系統運行狀況的實時監測以及對系統參數的分析管理，以實現遵循能源廉價優先原則對系統能源進行合理調度分配，需要建立以組態軟件為平臺的可視化遠程監控軟件系統，對系統運行狀況進行實時監控，達到提高人機交互程度和文檔管理水平的目的。

（3）網頁及手機APP監控

為提高系統管理人員或系統用戶對系統的可操作性，方便隨時隨地了解系統運行狀況，還需建立基于網頁監控和移動端APP的監控手段，既滿足監控目的同時又可使用戶根據需要提前控制系統啟動，使系統更加便捷化、人性化。

3.2 關鍵技術

通訊是實現遠程監控的關鍵，為完成PLC程序的遠程調試，需建立無線通訊模塊GRM500和PLC的通訊、模塊和上位機的通訊等。其中模塊和上位機的通訊包括：模塊和PLC編程軟件的通訊，模塊和組態軟件的通訊，應用到的技術有虛擬串口技術及OPC(Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control) 通訊技術。

（1）虛擬串口技術

串口是應用非常普遍的設備通信接口，但其受通信電纜的限制，僅適用于本地短距離通訊，因此受到了很大的限制，為了實現跨網、跨地區的長距離通訊，虛擬串口技術可以很好地解決該問題，實現這一功能的產品稱之為串口服務器。它具備串口轉網絡功能，能夠將RS-232/485/422串口轉換成TCP/IP網絡接口，實現RS-232/485/422串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能，連接網絡進行數據通信，極大的擴展串口設備的通信距離，通過虛擬串口的建立完成了上位機對PLC內程序的讀取和寫入以及運行監控功能[11-12]。

（2）OPC通訊技術

OPC通訊技術是一種聯通硬件與遠程監控中心軟件之間的標準接口協議，監控中心的組態軟件與OPC 服務器連接必須通過OPC 接口[13-14]。GRM500 無線通訊模塊把 PLC 傳輸來的數據打包為數據包格式，再通過 4G 網絡或以太網將數據包發送到服務器，服務器將數據把數據轉發到 OPC 服務器，OPC 服務器通過 Grm Opc Server 將傳送上來的數據作為變量組提供給世紀星組態軟件[15]。

3.3 軟件設計

（1）PLC程序遠程調試

圖4 梯形圖通訊格式設定程序Fig. 4 Communication format setting program ladder

圖5 組態監控界面Fig. 5 Configuration monitoring interface

安裝GRM500模塊自帶的GVCOM3軟件和虛擬串口，在計算機設備管理器端口子菜單下，出現com0com的虛擬串口，表示驅動已經安裝成功。運行GVCOM3軟件，新建模塊，輸入GRM500的序列號以及密碼，點擊運行即可建立PLC程序的無線通訊通道，完成上位機與PLC之間的無線通訊。

完成通道安裝后，需對無線通訊模塊與PLC的連接進行配置。將PLC的485口與模塊的COM口相連，對編程軟件進行通訊設置。

編譯程序向導配置：在編寫的程序開頭加入通訊程序向導，選擇只產生格式或在程序開頭加入圖4的梯形圖程序，即可對PLC進行遠程梯形圖的監控與調試。

（2）組態可視化軟件

利用世紀星組態軟件作為可視化監控平臺，建立系統變量，并對變量進行定義，將畫面與定義的變量用動畫連接關聯起來。對于特定的事件編寫命令語言，在滿足條件的情況下執行相應的操作，并將無線通訊模塊GRM500開發軟件中建立的變量下載到OPC服務器中，通過GRM OPC服務器與PLC中的變量建立互為映像的關系。采用以太網或GPRS作為傳輸媒介，即可實時顯示系統運行參數和對系統進行過程控制。圖5所示為開發的組態監控畫面。

（3）網頁及手機APP監控

使用無線通訊模塊GRM500的工程配置軟件GRMDev3完成GRM500的工程開發和下載，如配置需要遠程監控的變量，及對應的PLC寄存器地址。需要在網頁上監控的變量，需勾選網絡讀寫屬性，并配置WEB擴展屬性。將配置好的變量通過網線或云端下載到GRM500通訊模塊內，使用手機網頁瀏覽器或者電腦網頁瀏覽器打開巨控云監控的網址，輸入模塊的賬號及密碼即可查看或修改GRM500里面全部的變量。將要控制的變量分為：系統參數、控制變量、狀態顯示、實時數據表、溫度曲線圖、液位曲線圖六欄，網頁監控主要畫面如圖6所示。

圖6 (a) 控制量界面顯示Fig.6 (a) Control volume interface display

圖6 (b) 實時數據界面顯示Fig.6 (b) Real-time data interface display

圖6 (c) 溫度曲線圖Fig.6 (c) Temperature graph

圖6 (d) 液位曲線圖Fig.6 (d) Level curve

為方便監控人員或用戶對系統監控更加便捷，使用巨控科技開發的針對無線通訊模塊GRM500的移動終端APP對系統進行監控。進行賬號密碼登錄后，可一步登錄監控界面，方便快捷，可通過遠程移動終端對系統所涉及的開關量、模擬量以及各個參數進行遠程控制，監控界面如同網頁監控相同，手機APP監控軟件界面如圖7所示。

圖7 (a) 監控軟件登錄界面Fig.7 (a) Monitoring software login screen

圖7 (b) 控制變量監控畫面Fig.7 (b) Control variables monitoring screen

4 結論

1）給出了雙熱源三聯供系統設計方案，以能源廉價優先使用為原則，設計了多熱源能量調控管理控制策略；搭建了以“PLC+智能終端”為控制核心的無線遠程監控系統，構建以網頁、手機APP與組態軟件為監控手段的無線遠程監控方案。

2）實際系統運行表明，雙熱源三聯供遠程監控系統能夠很好地實現能源科學管理調度，監控數據可以表格、折線圖形式呈現，方便用戶進行運行參數設定、查詢與趨勢分析。遠程監控系統參數設定便捷、運行穩定。

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