PLC與智能儀表在熱泵遠程監控系統中的應用

王 皓

(廣東金融學院，廣州 510520)

目前，環境污染、能源短缺已成為全球共同面對的難題，在此背景下進行技術改革勢在必行。應用空氣源熱泵技術能夠提高資源利用率，節能率超過50%，達到了緩解高峰用電緊張局勢的目的。空氣源熱泵運用逆卡諾循環原理驅動熱水機組，在空氣中利用冷媒吸取熱量，再經由熱交換器作用釋放環境中的熱量并加熱冷水，同時熱水也能夠被用戶直接利用。熱泵系統具有運行成本低、集熱效果好、安全環保、結構簡單等優勢。為助推該系統的穩健發展，探析PLC與智能儀表在熱泵遠程監控系統中的應用就顯得尤為重要。

1 熱泵系統構成及其功能

為提高熱泵系統運轉效率，需持續改進控制系統，確保該系統的安全可靠、低耗高效。可通過改進控制系統來達到優化制熱能效比(COP)的目的。基于此，將熱泵熱水機組視為控制系統核心，并綜合以往的研究設計經驗設計了工業控制網絡，囊括了管理網、控制網及設備網，旨在全面管控熱泵系統。

在控制網絡內，設備網、管理網及控制網要執行各自的特定任務，但又相互關聯在一起，構成了綜合性較強的監控體系。在系統控制過程中，設備網屬于現場執行機構，可根據指令深入現場采集數據，并驅動熱泵機組完成補水、開關、除霜、循環加熱、保護及故障處理等控制動作。系統指揮中心為控制網，可基于PLC對熱泵系統的運行情況進行控制，以確保該系統的安全穩定。通過PC機管理網將設備網、控制網關聯在一起，最終構設成了能夠滿足系統運轉需求的監控網絡[1]。

2 基于PLC及智能儀表設計熱泵遠程監控系統

2.1 下位機系統

熱泵系統通過改革，不斷增強了可靠性。在此基礎上，應完善控制系統，并以空氣熱源泵熱水機組集中控制需求為導向來進行PLC程序的編寫。在系統控制進程中，主要囊括泵自動循環切換、三段定時運行、機組啟停、液位控制、水箱溫度、補水控制、故障報警、供水回水控制及變頻器供水等控制環節[2]。

2.2 上位機系統

在系統控制中，通常情況下會運用觸摸屏、工控機、組態軟件及相關編程軟件來完成監控設計任務。其中組態軟件具有可視性、功能多、性能穩定、易于二次組態等優勢，在系統設計中較為常用。基于PLC的熱泵遠程監控系統選用了MCGS來進行系統開發，使監控系統中的設備具有數據采集、流程控制、報警提示、歷史曲線、實時曲線、報表輸出及權限管控等功能。

可利用RS—422MCGS轉變接口并與PLC連接在一起，在實現通道連接及通信參數設置目標的前提下，能夠提高設備數據及控制指令實時傳輸的精準性、實效性。在設備構件中，基于PLC的MCGS通道連接分為可讀、只寫及只讀三種。其中繼電器輸入用只讀操作，用可讀、可寫操作輸出繼電器、中間繼電器、變量存儲器。MCGS負責處理設備相關數據信息，再經由腳本程序存入數據中，可面向用戶實時顯示檢測數據。用戶運用有關數據能夠精確快速地查詢到設備動態信息，了解設備狀況，能夠為用戶運維設備或改進設備管控對策提供依據。

2.3 遠程訪問

應用IT技術對遠程控制系統予以優化能夠滿足新時代的遠程控制需求。在技術應用過程中，常見的網絡形式主要有Modem網、TCP/IP網、串口網等類型。基于PLC的熱泵遠程控制系統MCGS網絡組態軟件選用了TCP/IP協議，立足于系統設備參數和控制指令對服務器予以統一管控及調配。在擁有權限的前提下，用戶可通過網絡隨時訪問服務器。在MCGS運行中，后臺積極調配數據庫內的資源，可通過保存、處理來滿足遠程用戶的訪問需求。若更多用戶訪問相同的MCGS系統，則會降低該系統運行速率并出現異常。為避免MCGS發生故障，需對服務器進行升級迭代，旨在提高系統的可靠性、安全性、穩定性[3]。

3 數據采集系統

3.1 PLC及AVR通信

目前，熱泵熱水器作為一般設備僅具有基礎性控制功能，還不具備智能性控制能力。為滿足新時代工業熱泵系統的管控需求，引入了PLC賦予其遠程管理控制能力，可針對設備數據進行實時采集處理，并將處理結果傳輸至上位機內，能夠為管理網下達指令遠程操控設備提供依據。PLC在工業控制中設有通信端口，在熱泵遠程控制系統內，該端口可選用485ADP模塊。單片機是熱泵系統主板與PLC實現通信網絡轉換連接的重要元件，能夠實現遠程在線實時控制系統構設的目標，使系統內部數據能夠在PLC及AVR之間相互傳遞。

可以Mod bus RTU格式為依托來實現單片機的通信目標。經由CRC校驗保障，此方式的數據傳輸更為精準高效。為提高通信質量，需對總線予以規范。RS—485總線技術要求傳輸速率最大為10 MB/s，傳輸距離最遠為1 200 m，傳輸最大值的節點為32，同時需確保總線接地，并運用差分接收、平衡發送的工作模式[4]。

對熱泵通信主板端口進行初始化處理時，要求數據位8位，波特率為9 600 bit/s，停止位1位，并應用CRC(循環冗余碼)進行校驗，充分發揮差錯校驗方式的實踐優勢。可任意選則校驗字段及數據信息字段，以提高數據傳輸的可靠性及精準性。PLC接收CRC指令后，能計算出極為精確的校驗碼，使單片機通信系統得到了優化，該系統程序的運轉速率也會隨之提升。

3.2 水箱溫度及液位數據采集

基于PLC的熱泵機組溫度信號來源渠道豐富，包括水箱溫度、環境溫度、供水溫度、回水溫度，等等。為獲取溫度數據，需配置若干傳感器，需根據測溫需求調配參數，并配合控制系統來選用設備，如A級鉑電阻Pt100型溫度傳感器。以該傳感器為例，測溫范圍在-50℃～300℃，在標定后，其精度高達±0.2 k。熱泵遠程控制系統經由4AD-PT模塊轉換面向PLC寄存器內傳輸由傳感器搜集到的溫度數據。需應用壓力變送器對水箱水位進行檢測，并在2AD模塊驅動下將數據變送并輸出至PLC端。可以0～3 m為依托來控制液壓變送器量程，輸出標準電流信號為4～20 mA，要在程序編寫的基礎上予以換算，旨在精準獲悉系統參數，并在遠傳水表環節予以管控，確保系統控制指令能夠驅動智能儀表。在PLC內的數據，可通過管理網為用戶提供查詢服務。

3.3 能耗數據采集

能耗是熱泵遠程監控系統的關注要點，旨在使該系統實現綠色、環保、低耗的運行目標。為滿足系統數據查詢需求，要針對能耗予以管控，可基于PLC對系統內的編碼式直讀遠傳水表、多功能復費率電表的數據進行采集并將其實時顯示出來。依據現場總線技術改革了變頻器、智能儀表、控制器等設備，應用RS-485接口能夠保障通信方式規范且統一。需根據Mod bus協議對智能儀表通信數據完成控制及采集任務，并根據有關數據不斷調整系統電能處理對策，繼而實現熱泵遠程監控系統能耗控制管理目標。