基于藍普鋒PLC和物聯(lián)網技術的水源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：通過將基于藍普鋒PLC控制的水源熱泵機組與室外環(huán)境、末端用戶集成在物聯(lián)網上，形成熱泵空調機組管理和調度一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可以通過PC端和移動終端實時監(jiān)測熱泵機組運行狀態(tài)、室外環(huán)境溫度和濕度、末端用戶的室內溫度和濕度，并依據系統(tǒng)計算分析結果，準確下達系統(tǒng)優(yōu)化運行的控制指令，以滿足舒適性需求并達到節(jié)能的目的?，F(xiàn)場項目運行結果表明，采用基于藍普鋒PLC和物聯(lián)網技術的水源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在保證用戶室內環(huán)境舒適的前提下，穩(wěn)定可靠運行且顯著降低系統(tǒng)的能耗。

行業(yè)關鍵字：中央空調、水源熱泵、互聯(lián)網機組、空調機組、物聯(lián)網、末端用戶

技術關鍵字：可靠性、節(jié)能、環(huán)境潮濕、通訊、三相電采集

資料提供：本文涉及方案已在用戶現(xiàn)場實施，技術方案先進，運行穩(wěn)定。歡迎聯(lián)系藍普鋒深入探討、交流。

一、行業(yè)背景

隨著居民生活水平的提高，空調已經成為生活的必需品，其中大型商用中央空調（如大型水源熱泵）已經成為各大型住宅、商場、賓館、辦公樓、學校等建筑物必備的基礎配套設施。由于建筑物體量逐漸趨于龐大，水源熱泵機組系統(tǒng)規(guī)模也在逐年增大，設備的管理、維護和運營調度也越來越復雜，而且系統(tǒng)的能耗也在不斷上升。

水源熱泵機組是利用地球表面淺層的水源，采用熱泵原理，在夏季將建筑物內的熱量通過機組轉移到水源中；在冬季則從相對恒定溫度的水源中提取熱能，通過機組將空氣或水作為媒介，提升溫度后送到建筑物中。通過建筑物中風道或者冷熱水管道連接多個末端設備，將水源熱泵機組產生的冷熱源送至建筑物中各個區(qū)域。

水源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩個方面的內容：一個是基于PLC控制的水源熱泵機組，例如通過PLC采集熱泵機組的供回水溫度、壓力，水泵、風機和壓縮機的運行狀態(tài)、電壓、電流和電量等，控制水泵、風機、壓縮機工作狀態(tài)；另一個是對系統(tǒng)運行進行管理調度的系統(tǒng)，例如采集末端用戶室內溫濕度、末端風機運行狀態(tài)等數據，計算分析后用于調整熱泵機組和末端設備運行參數。

水源熱泵機組的冷熱源相對穩(wěn)定，冬季機組不會結霜，供熱效果好，而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、制熱效率高。但是，水源熱泵機組空調系統(tǒng)大部分仍是有人值守，系統(tǒng)不能遠程維護、管理，也不能依據末端室內溫濕度情況，合理的調節(jié)機組運行狀態(tài)。隨著自動控制技術和物聯(lián)網技術的發(fā)展，水源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)設備管理運維智能化、物聯(lián)網化成為主要發(fā)展方向。

二、系統(tǒng)方案簡介

某項目現(xiàn)場是由1棟辦公樓和2棟宿舍樓組成，采用水源熱泵機組進行供暖和制冷，供熱末端為暖氣片，制冷末端為風機盤管?？照{機組為渦旋式六壓機水源熱泵機組，單臺空調機組最大容量可以達到1400kW，井水泵和回水泵各2臺，循環(huán)泵2臺。機組供暖時，要求辦公樓和宿舍樓內室溫達到20℃以上；機組制冷時，要求辦公室和宿舍樓內室溫低于25℃。

2.1 系統(tǒng)方案設計

選擇藍普鋒PLC可編程控制器產品控制水源熱泵機組，通過觸摸屏進行人機界面顯示。藍普鋒PLC廣泛應用于水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵、污水源熱泵、吸收式熱泵等，PLC控制工藝成熟穩(wěn)定且具備成套現(xiàn)場解決方案，集成智能控制算法和節(jié)能算法，并可以通過編程靈活調整，滿足不同現(xiàn)場需求。PLC本體自帶多路通訊接口，方便進行聯(lián)網通訊。

控制解決方案設計如下：

（1）信號輸入輸出：通過輸入點（源型漏型均支持，接線方便）采集機組設備運行狀態(tài)，如水泵、壓縮機、水溫、壓力等；通過繼電器輸出控制機組設備啟停；通過模擬量通道（差分隔離模擬量輸入，采集精度0.5%）采集吸排氣壓力，計算過熱度；通過熱電阻采集通道采集冷卻進出水、冷凍進出水等水溫，用于制冷制熱運行過程判斷；

（2）空調機組一般放置于地下室，且現(xiàn)場環(huán)境潮濕，對PLC產品要求苛刻，PLC產品必須長時間穩(wěn)定可靠。選用藍普鋒PLC經過三防處理后，可以長時間穩(wěn)定可靠運行；

（3）空調機組三相電故障判斷一般是通過相序保護器對缺相、過壓等進行判斷，PLC通過輸入采集無源干接點故障信號，為了防止干擾信號，一般會加100ms以上的程序判斷延時。三相電量一般是通過三相電表進行記錄，PLC通過RS485通訊讀取累計電量。

   選用藍普鋒RPC2731三相電參數采集擴展模塊，可以直接采集機組工作電壓、電流、電量等參數，對供電回路進行監(jiān)視和保護，實時保護壓縮機、水泵，從采集判斷到執(zhí)行保護動作周期小于20ms；同時可以記錄三相累計電量，實現(xiàn)保護和采集，降低設備成本；

（4）PLC通過RS232接口連接觸摸屏，顯示機組運行狀態(tài)；PLC通過以太網接口（Modbus TCP協(xié)議），連接至辦公樓內中心服務器，進行數據上傳、存儲、分析、決策；藍普鋒PLC本體自帶3路串口，1路網口，方便進行聯(lián)網；

（5） 辦公樓和宿舍樓內房間內均安裝無線低功耗溫濕度傳感器（電池供電，可以工作三年），無線采集器采集多個范圍內溫濕度傳感器，通過GPRS DTU連接至服務器，進行數據上傳存儲，經過分析，結合室外溫濕度數據，對房間溫度進行智能調節(jié)；

（6）上位機服務器通過無線和有線通信，采集機組狀態(tài)和室內外環(huán)境參數，進行綜合分析、調度。服務器可以通過PC端實時顯示機組運行狀態(tài)，通過WEB發(fā)布方式，實現(xiàn)網頁和手機端數據瀏覽，方便運營維護人員查看現(xiàn)場數據。

圖1  系統(tǒng)結構示意圖

2.2 方案系統(tǒng)選型

PLC選型如下表所示：

2.3 系統(tǒng)控制策略

機組運行控制策略如下：

（1）制冷模式開關機控制

1）手動開關機：通過按下啟動、停止按鈕向控制器發(fā)出開關機信號；

2）定時開關機：先設定時間，機組到達設定時間后，自動向控制器發(fā)出開關機信號；

3）遠程開關機：通過控制器預留開關量輸入接點，實現(xiàn)開關機。

制冷開機過程：開機指令→空調水泵開啟→延時1min【可設】，開啟井水泵→檢測冷凍水及冷卻水水流開關→檢測冷凍水出水溫度（冷凍水出水溫度≥冷凍出水設定溫度+2），滿足開機條件后，而且無其他故障保護，關閉四通閥，開啟第一臺壓縮機→延時1min【可設】執(zhí)行加卸載程序（根據制冷設定溫度與冷凍水出水溫度差值調節(jié)壓縮機運行個數），開啟后續(xù)壓縮機→開機結束；

制冷關機過程：關機指令→延時1min【可設】執(zhí)行卸載程序依次關閉壓縮機，壓縮機全部關閉后→關閉四通閥→延時3min【可設】執(zhí)行關閉井水泵和空調水泵程序→關機結束。

（2）制熱模式開機控制

1）手動開關機：通過按下啟動、停止按鈕向控制器發(fā)出開關機信號；

2）定時開關機：先設定時間，機組到達設定時間后，自動向控制器發(fā)出開關機信號；

3）遠程開關機：通過控制器預留開關量輸入接點，實現(xiàn)開關機。

制熱開機過程：開機指令→冷凍水泵開啟→延時1min【可設】，開啟冷卻水泵→檢測冷凍水及冷卻水水流開關→檢測冷卻水出水溫度（冷卻水出水溫度≤冷卻出水設定溫度-2），滿足開機條件后，而且無其他故障保護，打開四通閥，開啟第一臺壓縮機→延時1min【可設】執(zhí)行加卸載程序（根據制熱設定溫度與冷卻水出水溫度差值調節(jié)壓縮機運行個數），開啟后續(xù)壓縮機→開機結束；

制熱關機過程：關機指令→延時1min【可設】執(zhí)行卸載程序依次關閉壓縮機，壓縮機全部關閉后→關閉四通閥→延時3min【可設】執(zhí)行關閉井水泵和空調水泵程序→關機結束。

（3）水溫加卸載控制

1）制冷模式加卸載控制

加卸載控制采用模糊控制原則，根據冷凍出水溫度與冷凍設定溫度進行比較，溫度檢測周期為3分鐘【可設】，按照溫差區(qū)域分布進行調節(jié)，可以分為：加載、保持、卸載、待機；

2）制熱模式加卸載控制

加卸載控制采用模糊控制原則，根據冷卻出水溫度與冷卻出水設定溫度進行比較，溫度檢測周期為3分鐘【可設】，按照溫差區(qū)域分布進行調節(jié)，可以分為：加載、保持、卸載、待機；

（4）電參數采集和保護控制

RPC2731采集系統(tǒng)工作三相電參數，可以直接采集3路單相0~300V電壓，3路單相0~5A電流（超過5A需增加互感器）。PLC可以根據壓縮機運行個數，判斷電流是否超過最大值，存在過載、短路等故障；根據三相電壓是否超過設定值，判斷是否存在過壓、缺相、低壓等故障，對系統(tǒng)設備進行保護；直接記錄上傳機組能耗。

（5）系統(tǒng)調度和末端數據采集控制

上位機服務器通過無線通信方式采集末端房間內溫濕度和室外環(huán)境溫濕度，經過智能計算分析后，對機組運行目標溫度和工作模式進行調節(jié)，降低機組運行能耗。通過WEB發(fā)布的方式，管理人員可以進行遠程網頁瀏覽系統(tǒng)運行數據，也可以通過手機APP遠程查看，并可以通過賬號密碼驗證后，遠程調節(jié)機組運行參數，對機組進行遠程故障判斷維護。

三、現(xiàn)場PLC圖片

圖2  現(xiàn)場PLC控制柜圖

四、典型現(xiàn)場

（1）海淀區(qū)政府辦公樓

（2）新鄉(xiāng)平原新區(qū)政府辦公樓

（3）石家莊某典型示范小區(qū)