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摘要：通過將基于藍(lán)普鋒PLC控制的水源熱泵機(jī)組與室外環(huán)境、末端用戶集成在物聯(lián)網(wǎng)上，形成熱泵空調(diào)機(jī)組管理和調(diào)度一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可以通過PC端和移動(dòng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、室外環(huán)境溫度和濕度、末端用戶的室內(nèi)溫度和濕度，并依據(jù)系統(tǒng)計(jì)算分析結(jié)果，準(zhǔn)確下達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的控制指令，以滿足舒適性需求并達(dá)到節(jié)能的目的。現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)果表明，采用基于藍(lán)普鋒PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)，能夠在保證用戶室內(nèi)環(huán)境舒適的前提下，穩(wěn)定可靠運(yùn)行且顯著降低系統(tǒng)的能耗。
行業(yè)關(guān)鍵字：中央空調(diào)、水源熱泵、互聯(lián)網(wǎng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、物聯(lián)網(wǎng)、末端用戶
技術(shù)關(guān)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(chǎng)實(shí)施，技術(shù)方案先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定。歡迎聯(lián)系藍(lán)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(diào)已經(jīng)成為生活的必需品，其中大型商用中央空調(diào)（如大型水源熱泵）已經(jīng)成為各大型住宅、商場(chǎng)、賓館、辦公樓、學(xué)校等建筑物必備的基礎(chǔ)配套設(shè)施。由于建筑物體量逐漸趨于龐大，水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)規(guī)模也在逐年增大，設(shè)備的管理、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度也越來(lái)越復(fù)雜，而且系統(tǒng)的能耗也在不斷上升。
水源熱泵機(jī)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(nèi)的熱量通過機(jī)組轉(zhuǎn)移到水源中；在冬季則從相對(duì)恒定溫度的水源中提取熱能，通過機(jī)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(fēng)道或者冷熱水管道連接多個(gè)末端設(shè)備，將水源熱泵機(jī)組產(chǎn)生的冷熱源送至建筑物中各個(gè)區(qū)域。
水源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是基于PLC控制的水源熱泵機(jī)組，例如通過PLC采集熱泵機(jī)組的供回水溫度、壓力，水泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流和電量等，控制水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)工作狀態(tài)；另一個(gè)是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行管理調(diào)度的系統(tǒng)，例如采集末端用戶室內(nèi)溫濕度、末端風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，計(jì)算分析后用于調(diào)整熱泵機(jī)組和末端設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。
水源熱泵機(jī)組的冷熱源相對(duì)穩(wěn)定，冬季機(jī)組不會(huì)結(jié)霜，供熱效果好，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、制熱效率高。但是，水源熱泵機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)大部分仍是有人值守，系統(tǒng)不能遠(yuǎn)程維護(hù)、管理，也不能依據(jù)末端室內(nèi)溫濕度情況，合理的調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備管理運(yùn)維智能化、物聯(lián)網(wǎng)化成為主要發(fā)展方向。
二、系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介
某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)是由1棟辦公樓和2棟宿舍樓組成，采用水源熱泵機(jī)組進(jìn)行供暖和制冷，供熱末端為暖氣片，制冷末端為風(fēng)機(jī)盤管。空調(diào)機(jī)組為渦旋式六壓機(jī)水源熱泵機(jī)組，單臺(tái)空調(diào)機(jī)組最大容量可以達(dá)到1400kW，井水泵和回水泵各2臺(tái)，循環(huán)泵2臺(tái)。機(jī)組供暖時(shí)，要求辦公樓和宿舍樓內(nèi)室溫達(dá)到20℃以上；機(jī)組制冷時(shí)，要求辦公室和宿舍樓內(nèi)室溫低于25℃。
2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
選擇藍(lán)普鋒PLC可編程控制器產(chǎn)品控制水源熱泵機(jī)組，通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面顯示。藍(lán)普鋒PLC廣泛應(yīng)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(chǎng)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(diào)整，滿足不同現(xiàn)場(chǎng)需求。PLC本體自帶多路通訊接口，方便進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊。
控制解決方案設(shè)計(jì)如下：
（1）信號(hào)輸入輸出：通過輸入點(diǎn)（源型漏型均支持，接線方便）采集機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如水泵、壓縮機(jī)、水溫、壓力等；通過繼電器輸出控制機(jī)組設(shè)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(jì)算過熱度；通過熱電阻采集通道采集冷卻進(jìn)出水、冷凍進(jìn)出水等水溫，用于制冷制熱運(yùn)行過程判斷；
（2）空調(diào)機(jī)組一般放置于地下室，且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境潮濕，對(duì)PLC產(chǎn)品要求苛刻，PLC產(chǎn)品必須長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠。選用藍(lán)普鋒PLC經(jīng)過三防處理后，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行；
（3）空調(diào)機(jī)組三相電故障判斷一般是通過相序保護(hù)器對(duì)缺相、過壓等進(jìn)行判斷，PLC通過輸入采集無(wú)源干接點(diǎn)故障信號(hào)，為了防止干擾信號(hào)，一般會(huì)加100ms以上的程序判斷延時(shí)。三相電量一般是通過三相電表進(jìn)行記錄，PLC通過RS485通訊讀取累計(jì)電量。
選用藍(lán)普鋒RPC2731三相電參數(shù)采集擴(kuò)展模塊，可以直接采集機(jī)組工作電壓、電流、電量等參數(shù)，對(duì)供電回路進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)，實(shí)時(shí)保護(hù)壓縮機(jī)、水泵，從采集判斷到執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作周期小于20ms；同時(shí)可以記錄三相累計(jì)電量，實(shí)現(xiàn)保護(hù)和采集，降低設(shè)備成本；
（4）PLC通過RS232接口連接觸摸屏，顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)；PLC通過以太網(wǎng)接口（Modbus TCP協(xié)議），連接至辦公樓內(nèi)中心服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、存儲(chǔ)、分析、決策；藍(lán)普鋒PLC本體自帶3路串口，1路網(wǎng)口，方便進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)；
（5） 辦公樓和宿舍樓內(nèi)房間內(nèi)均安裝無(wú)線低功耗溫濕度傳感器（電池供電，可以工作三年），無(wú)線采集器采集多個(gè)范圍內(nèi)溫濕度傳感器，通過GPRS DTU連接至服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)，經(jīng)過分析，結(jié)合室外溫濕度數(shù)據(jù)，對(duì)房間溫度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；
（6）上位機(jī)服務(wù)器通過無(wú)線和有線通信，采集機(jī)組狀態(tài)和室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行綜合分析、調(diào)度。服務(wù)器可以通過PC端實(shí)時(shí)顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，通過WEB發(fā)布方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)端數(shù)據(jù)瀏覽，方便運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員查看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)組運(yùn)行控制策略如下：
（1）制冷模式開關(guān)機(jī)控制
1）手動(dòng)開關(guān)機(jī)：通過按下啟動(dòng)、停止按鈕向控制器發(fā)出開關(guān)機(jī)信號(hào)；
2）定時(shí)開關(guān)機(jī)：先設(shè)定時(shí)間，機(jī)組到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，自動(dòng)向控制器發(fā)出開關(guān)機(jī)信號(hào)；
3）遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)：通過控制器預(yù)留開關(guān)量輸入接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)。
制冷開機(jī)過程：開機(jī)指令→空調(diào)水泵開啟→延時(shí)1min【可設(shè)】，開啟井水泵→檢測(cè)冷凍水及冷卻水水流開關(guān)→檢測(cè)冷凍水出水溫度（冷凍水出水溫度≥冷凍出水設(shè)定溫度+2），滿足開機(jī)條件后，而且無(wú)其他故障保護(hù)，關(guān)閉四通閥，開啟第一臺(tái)壓縮機(jī)→延時(shí)1min【可設(shè)】執(zhí)行加卸載程序（根據(jù)制冷設(shè)定溫度與冷凍水出水溫度差值調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行個(gè)數(shù)），開啟后續(xù)壓縮機(jī)→開機(jī)結(jié)束；
制冷關(guān)機(jī)過程：關(guān)機(jī)指令→延時(shí)1min【可設(shè)】執(zhí)行卸載程序依次關(guān)閉壓縮機(jī)，壓縮機(jī)全部關(guān)閉后→關(guān)閉四通閥→延時(shí)3min【可設(shè)】執(zhí)行關(guān)閉井水泵和空調(diào)水泵程序→關(guān)機(jī)結(jié)束。
（2）制熱模式開機(jī)控制
- 手動(dòng)開關(guān)機(jī)：通過按下啟動(dòng)、停止按鈕向控制器發(fā)出開關(guān)機(jī)信號(hào)；
- 定時(shí)開關(guān)機(jī)：先設(shè)定時(shí)間，機(jī)組到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，自動(dòng)向控制器發(fā)出開關(guān)機(jī)信號(hào)；
- 遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)：通過控制器預(yù)留開關(guān)量輸入接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)。
制熱開機(jī)過程：開機(jī)指令→冷凍水泵開啟→延時(shí)1min【可設(shè)】，開啟冷卻水泵→檢測(cè)冷凍水及冷卻水水流開關(guān)→檢測(cè)冷卻水出水溫度（冷卻水出水溫度≤冷卻出水設(shè)定溫度-2），滿足開機(jī)條件后，而且無(wú)其他故障保護(hù)，打開四通閥，開啟第一臺(tái)壓縮機(jī)→延時(shí)1min【可設(shè)】執(zhí)行加卸載程序（根據(jù)制熱設(shè)定溫度與冷卻水出水溫度差值調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行個(gè)數(shù)），開啟后續(xù)壓縮機(jī)→開機(jī)結(jié)束；
制熱關(guān)機(jī)過程：關(guān)機(jī)指令→延時(shí)1min【可設(shè)】執(zhí)行卸載程序依次關(guān)閉壓縮機(jī)，壓縮機(jī)全部關(guān)閉后→關(guān)閉四通閥→延時(shí)3min【可設(shè)】執(zhí)行關(guān)閉井水泵和空調(diào)水泵程序→關(guān)機(jī)結(jié)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(jù)冷凍出水溫度與冷凍設(shè)定溫度進(jìn)行比較，溫度檢測(cè)周期為3分鐘【可設(shè)】，按照溫差區(qū)域分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以分為：加載、保持、卸載、待機(jī)；
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(jù)冷卻出水溫度與冷卻出水設(shè)定溫度進(jìn)行比較，溫度檢測(cè)周期為3分鐘【可設(shè)】，按照溫差區(qū)域分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以分為：加載、保持、卸載、待機(jī)；
（4）電參數(shù)采集和保護(hù)控制
RPC2731采集系統(tǒng)工作三相電參數(shù)，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(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行個(gè)數(shù)，判斷電流是否超過最大值，存在過載、短路等故障；根據(jù)三相電壓是否超過設(shè)定值，判斷是否存在過壓、缺相、低壓等故障，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)；直接記錄上傳機(jī)組能耗。
（5）系統(tǒng)調(diào)度和末端數(shù)據(jù)采集控制
上位機(jī)服務(wù)器通過無(wú)線通信方式采集末端房間內(nèi)溫濕度和室外環(huán)境溫濕度，經(jīng)過智能計(jì)算分析后，對(duì)機(jī)組運(yùn)行目標(biāo)溫度和工作模式進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低機(jī)組運(yùn)行能耗。通過WEB發(fā)布的方式，管理人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)瀏覽系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看，并可以通過賬號(hào)密碼驗(yàn)證后，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程故障判斷維護(hù)。
三、現(xiàn)場(chǎng)PLC圖片
圖2 現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜圖
四、典型現(xiàn)場(chǎng)
（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)
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