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摘要：通過將基于藍普鋒PLC控制的水源熱泵機組與室外環境、末端用戶集成在物聯網上，形成熱泵空調機組管理和調度一體化的監控系統，管理人員可以通過PC端和移動終端實時監測熱泵機組運行狀態、室外環境溫度和濕度、末端用戶的室內溫度和濕度，并依據系統計算分析結果，準確下達系統優化運行的控制指令，以滿足舒適性需求并達到節能的目的。現場項目運行結果表明，采用基于藍普鋒PLC和物聯網技術的水源熱泵監控系統，能夠在保證用戶室內環境舒適的前提下，穩定可靠運行且顯著降低系統的能耗。
行業關鍵字：中央空調、水源熱泵、互聯網機組、空調機組、物聯網、末端用戶
技術關鍵字：可靠性、節能、環境潮濕、通訊、三相電采集
資料提供：本文涉及方案已在用戶現場實施，技術方案先進，運行穩定。歡迎聯系藍普鋒深入探討、交流。
一、行業背景
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，水源熱泵機組系統規模也在逐年增大，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域。
水源熱泵監控系統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、電壓、電流和電量等，控制水泵、風機、壓縮機工作狀態；另一個是對系統運行進行管理調度的系統，例如采集末端用戶室內溫濕度、末端風機運行狀態等數據，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定，冬季機組不會結霜，供熱效果好，而且系統運行穩定可靠、制熱效率高。但是，水源熱泵機組空調系統大部分仍是有人值守，系統不能遠程維護、管理，也不能依據末端室內溫濕度情況，合理的調節機組運行狀態。隨著自動控制技術和物聯網技術的發展，水源熱泵監控系統設備管理運維智能化、物聯網化成為主要發展方向。
二、系統方案簡介
某項目現場是由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。空調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控制工藝成熟穩定且具備成套現場解決方案，集成智能控制算法和節能算法，并可以通過編程靈活調整，滿足不同現場需求。PLC本體自帶多路通訊接口，方便進行聯網通訊。
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，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，且現場環境潮濕，對PLC產品要求苛刻，PLC產品必須長時間穩定可靠。選用藍普鋒PLC經過三防處理后，可以長時間穩定可靠運行；
（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，對供電回路進行監視和保護，實時保護壓縮機、水泵，從采集判斷到執行保護動作周期小于20ms；同時可以記錄三相累計電量，實現保護和采集，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；PLC通過以太網接口（Modbus TCP協議），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；
（6）上位機服務器通過無線和有線通信，采集機組狀態和室內外環境參數，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，通過WEB發布方式，實現網頁和手機端數據瀏覽，方便運營維護人員查看現場數據。
圖1 系統結構示意圖
2.2 方案系統選型
PLC選型如下表所示：
2.3 系統控制策略
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壓縮機運行個數），開啟后續壓縮機→開機結束；
制冷關機過程：關機指令→延時1min【可設】執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
- 手動開關機：通過按下啟動、停止按鈕向控制器發出開關機信號；
- 定時開關機：先設定時間，機組到達設定時間后，自動向控制器發出開關機信號；
- 遠程開關機：通過控制器預留開關量輸入接點，實現開關機。
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壓縮機運行個數），開啟后續壓縮機→開機結束；
制熱關機過程：關機指令→延時1min【可設】執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】，按照溫差區域分布進行調節，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】，按照溫差區域分布進行調節，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，對系統設備進行保護；直接記錄上傳機組能耗。
（5）系統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，降低機組運行能耗。通過WEB發布的方式，管理人員可以進行遠程網頁瀏覽系統運行數據，也可以通過手機APP遠程查看，并可以通過賬號密碼驗證后，遠程調節機組運行參數，對機組進行遠程故障判斷維護。
三、現場PLC圖片
圖2 現場PLC控制柜圖
四、典型現場
（1）海淀區政府辦公樓
（2）新鄉平原新區政府辦公樓
（3）石家莊某典型示范小區
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