太阳能-土壤源复合热泵监控系统的设计

李明洋，胡连营，刘洪刚，邵正日

（辽宁省能源研究所，营口 115003）

与单一的土壤源热泵、太阳能热泵等系统相比，太阳能与土壤源热泵相结合的系统具有热源匹配性好、系统组合灵活、功能多样化及运行效率较高等优点，因而逐渐得到重视[1-3]。为了充分利用太阳能与土壤源的互补特性，本文课题组设计构建了一套太阳能-土壤源复合热泵系统。该系统可以通过太阳能跨季蓄热来恢复土壤源的温度场，而且强化了热泵的制热运行性能[4-5]。但由于系统涉及到比较复杂的运行调控和状态记录，必须根据其工艺原理与监控要求开发设计一套功能完备的监控系统。这对于实验研究和长期观察具有非常重要的意义。

1 工艺原理与监控要求

太阳能-土壤源复合热泵系统建立在辽宁省能源研究所研发附属楼，兼具示范使用和实验研究2种功能。可提供采暖热源和生活热水，同时也可进行太阳能与土壤源复合的相关实验。系统主要包括太阳能集热、地埋管换热、热泵循环转换及末端用能4个部分。

热泵机组设置2台，1#热泵前后端通过板换与集热水箱连接，主要完成跨季蓄热和冬季采暖；2#热泵后端通过板换与恒温水箱连接，主要完成四季生活热水的补热，并且也可以作为1#热泵系统采暖的补充或备用。

综合考虑季节功能和互补特性等因素，太阳能-土壤源复合热泵系统设定了3种运行模式：冬季模式、非冬季模式和调试模式[4]。冬季模式中设置了自动运行的采暖系列工况。正常天气情况下，由1#热泵系统根据集热水箱温度情况运行其中一种工况。并且随着集热水箱温度的变化，工况自动进行逐级往复转换。严寒天气情况下，当1#热泵系统不能满足采暖负荷时，则由2#热泵补充采暖。非冬季模式中设置了自动运行的太阳能蓄热和热泵制冷等工况。调试模式没有季节限制，主要用于系统初期调试和维修调试，也可以用于进行单个工况的实验。

复杂的工况运行转换要求监控系统能够满以下功能：

（1）直观地显示现场传感器检测的温度、流量、功率等参数值和各个泵、阀的状态。

（2）运行工况的手动切换和运行工况的自动切换，自动控制泵、阀的启停。

（3）在设备故障或异常时以及在温度、流量等信号参数达到警戒值时报警。

（4）实现各种数据的实时及历史趋势显示，实现数据的长时间保存和条件查询，并且将数据导出到Excel便于进行数据分析，为实际应用积累经验数据。

（5）实现现场无人值守，通过工程师站计算机可以进行远程监控。

2 监控系统的结构设计

监控系统主要分为监控层和现场操作层2部分。监控层设有1台服务器，通过RS-485/USB的通讯方式和现场PLC连接，利用组态王软件对设备进行组态。现场层主要是和PLC、数据采集模块连接现场控制设备，如PT100热电阻，水泵，电动阀等。监控系统结构如图1所示。

图1 监控系统拓扑结构图Fig.1 Structure diagram of monitoring system Topology

传感器采集所需控制的信号参数，利用PLC或模块处理，将信号放大、模数转换、数字信号处理、冷端补偿、线性化处理，送入CPU或模块中计算，输出信号去控制系统各部件（水泵、阀门等），来实现复合热泵系统各工况自动运行，并与组态软件通信实现可视化操作和数据的实时记录功能。传感器采集观察和记录的信号参数，通过研华模块直接送入服务器上的组态软件。

3 监控系统的硬件设计

3.1 下位机的选型

监控系统主要以PLC为核心，下位机采用西门子S7-200系列PLC，CPU模块选用224 CPU，本机带24个输入点/24个输出点并集成有RS-485通讯接口，在S7-200的自由端口通讯模式下，可以与任何通讯协议公开的设备、控制器进行通讯。并且扩展能力灵活，最大可连接7个扩展模块。可以实现水泵和电动阀等设备的自动运行和故障信号的采集。

PLC的扩展模块选用了EM231扩展模块和EM223扩展模块。EM231模块提供4路模拟量输入通道，状态转换控制需要的温度选用Pt100热电阻来测量，把信号送入EM231模块；数字量的输入输出使用CPU模块上的I/O接口和扩展模块EM223。EM223模块提供4路数字量输入/输出通道，实现现场温度、流量、功率等信息的实时采集。

3.2 数据采集模块

监控系统采用ADAM4015来接收不涉及控制的PT100热电阻信号，ADAM4015适用于不同热电阻信号，误差＜±0.1%。采用ADAM4017来接收流量、功率及辐照度等传感器输出的4～20 mA信号，ADAM4017是16位A/D 8通道的模拟量输入模块，可以采集电压、电流等模拟量输入信号，它为所有通道都提供了可编程的输入范围，误差＜±0.1%。

ADAM4015和ADAM4017采集到的数据需要记录下来，采用服务器来记录，这就需要模块和服务器之间通讯，所以采用了ADAM-4520模块，将RS-232信号转换为隔离RS-422或RS-485信号。ADAM-4520支持标准的PC硬件组建工业级的远距离通信系统，不需要对PC硬件或软件做任何修改。

3.3 上位机的配置

上位机选用了联想ThinkServer塔式服务器，并配备了双硬盘RAID 1系统。操作系统选用的是Windows Server 2003 Enterprise Edition，支持高性能服务器。只要服务器中任何一对镜像盘中至少有一块磁盘可以使用，系统都可以正常运行，具备很好的磁盘冗余能力。

4 监控系统的软件设计

4.1 上位机软件的设计

上位机采用组态王KingView6.53作为监控组态软件。它可以实现计算机实时控制和监控，为实施数据采集、过程监控提供了基础平台和开发环境[6]。

4.1.1 数据库的建立

数据库是组态王的最核心部分，是连接上位机与下位机的桥梁。在数据库中存放的是变量的当前值，变量包括系统变量和用户定义的变量。本系统定义了I/O实型、I/O整型、I/O离散型3种变量。把一般温度信号定义为I/O实型变量，系统时间和报警信息定义为I/O整型变量，输出的控制信号定义为I/O离散型变量。

4.1.2 动画连接设计

动画就是在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来；或者由软件使用者通过图形对象改变数据变量的值[6]。本系统主要动画设计是管道流动，根据实际工况状态在画面上正确显示管道流动方向。调用的是水泵的运行信号，当水泵运行时，组态王收到运行信号，激活管道流动选项，管道产生流动效果。

4.1.3 组态王远程监控设计

通过组态王的Web发布功能，实现了远程访问和监控功能。以本地数据库作为远程监控程序的核心，组态界面和I/0驱动程序通过数据库点参数实现数据的交换。采用B/S（浏览器/服务器）结构，客户端利用浏览器的形式访问数据管理服务器，通过工程师站计算机可以进行远程监控，实现现场无人值守。

4.2 组态画面结构的设计

根据太阳能-土壤源复合热泵系统的运行需要，利用组态王的工程管理器、工程浏览器，数据库以及全局脚本等功能，组态监控系统的人机界面。如图2所示，每个模式根据不同季节和不同的使用要求进行交替运行。每个模式分别包括动态流程和参数设置界面，并可进入监控系统的趋势曲线和数据报表界面。

图2 监控系统画面结构Fig.2 Structure diagram of monitoring system interface

由于需要显示的设备、管道及参数较多，每个模式的动态流程界面都分成3个画面，即分别由太阳能集热系统流程图、地埋管换热系统流程图和热泵循环系统流程图造成，可以根据需要自由切换查看。太阳能集热系统流程图主要显示太阳能集热系统的水泵、电动阀和管道当前状态，同时显示主要实时参数结果，如太阳能辐射量、环境温度、风速、太阳能集热器进出口温度、恒温水箱温度、集热水箱温度及集热循环流量等。地埋管换热系统流程图主要显示地埋管换热器的当前状态和地下测温点实时参数结果。复合热泵循环系统流程图主要显示热泵循环系统的水泵、电动阀和管道当前状态，同时显示主要实时参数结果和实时计算结果；实时参数结果包括热泵两侧循环流量、热泵输入功率及相应测点的温度等；实时计算结果包括热泵吸热量、热泵制热量、机组COP及系统COP。如图3所示为冬季复合热泵循环系统流程图。

4.3 下位机程序的设计

下位机PLC向上位机传输数据及状态信号，并接受上位机传输过来的数据及状态信号，通过对应地址模块进行处理和输出，完成控制各个阀门和水泵的开关停止。

图3 冬季复合热泵循环系统流程图Fig.3 Flow chart of winter compound heat circulation system

下位机PLC软件设计主要采用西门子STEP 7 MicroWIN SP6编程环境，梯形图编程语言，模块化编程。根据控制系统各部分完成的功能不同，把程序划分成不同的功能模块。梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，直观易懂，特别适用于开关量逻辑控制[7]。

4.3.1 PLC程序流程设计

PLC的工作方式采用不断循环的顺序扫描工作方式。扫描顺序为从上到下，从左到右。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。本系统PLC控制程序主要分为主程序和子程序2个部分，主程序完成系统的初始化和信号采集与检测以及各模块子程序的调用，冬季模式子程序主要包括土壤源热泵采暖模块、复合源热泵采暖模块、太阳能热泵采暖模块和太阳能辅助热泵采暖模块等，非冬季模式子程序主要包括太阳能跨季蓄热模块、土壤源直接制冷模块和土壤源热泵制冷模块。PLC程序流程图如图4所示。

图4 PLC程序流程图Fig.4 Flow chart of PLC program

4.3.2 采暖系列工况程序转换流程设计

根据具体工艺情况，PLC程序定义了状态字和条件字。状态字是指各工况子程序模块的名称代码，条件字是指逻辑比较的触点。这样各工况之间可以实现快速转换，完全自动运行，且运行过程中不会出现工况混乱。如图5所示为冬季模式的采暖系列工况程序转换 流 程 图 ，S1～S13为状态字，C1～C4 为条件字，当状态字和条件字一一对应时运行当前工况。

图5 采暖系列工况程序转换流程图Fig.5 Flow chart of heating series working condition program transformation

5 结语

本文利用西门子公司的S7-200 PLC和组态王KingView6.53软件开发了太阳能-土壤源复合热泵监控系统。经过近两年的实际运行和科研实验表明，该系统能够实时、准确地将现场传感器的信息采集到上位机，并可根据运行的需要自动控制现场的设备，例如电动阀的开关、泵的启停等。该系统人机界面友好，自动化程度高，数据处理能力强，为太阳能-土壤源复合热泵系统的实验研究和长期观察提供了可靠的保证。

[1]杨卫波，倪美琴，施明恒，等.太阳能-地源热泵系统运行特性的试验研究[J].流体机械，2009，37（12）：52-57.

[2]张文雍.严寒地区太阳能-土壤耦合热泵季节性土壤蓄热特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[3]杨泉，杨洪兴，吕建.太阳能辅助地源热泵系统运行模式研究[J].可再生能源，2013，31（12）：7-10.

[4]胡连营，刘洪刚，邵正日，等.太阳能-土壤源复合热泵系统的构建分析[J].节能，2013，32（11）：43-47.

[5]胡连营，邵正日，李明洋.太阳能与土壤源互补特性的实验研究[J].建筑节能，2014，42（4）：20-25.

[6] 组态王KINGVIEW6.53使用手册[Z].北京亚控科技发展有限公司，2006.

[7]S7-200 PLC系统使用手册[Z].西门子自动化公司，2004.