基于WinCC的地源热泵监测与诊断系统

陈海霞，林 昕

CHEN Hai-xia, LIN Xin

（三江学院 电气与自动化工程学院，南京 210012）

0 引言

当前，世界能源体系正向低碳、高效、环保的能源供应体系转变，太阳能、风能和地能等新能源的发展与利用正越来越广泛。随着地源热泵技术的不断发展与广泛应用，出现越来越多应用于建筑空调采暖的地源热泵系统工程项目。而伴随着项目数量的不断攀升，一些在系统的设计、施工、运行中潜在问题也逐渐暴露出来。尤其是对于设计非常合理的土壤源热泵系统，在运行阶段，由于管理运行不当，也会造成全年热失衡或季节局部土壤热平衡不利，由此长期运行后，将会使地下土壤温度严重偏离初始设计温度，造成热泵系统的运行效率逐年下降，最终导致系统的不当耗能甚至完全不节能。所以，为了保证系统持续合理地运行，对地源热泵系统的运行监测和实时诊断就尤为重要，也为后期的优化设计和运行规范管理提供必要的依据。

本系统利用PLC200采集现场的实时数据，采用了WinCC组态软件对地源热泵系统进行监测和分析，对系统运行情况进行实时诊断，达到指导运行策略、使系统长期持续正常运行的目的。

1 WinCC概述

WinCC是Windows Control Center的简称，是西门子和微软合作开发的监控系统软件。WinCC是目前最常用的三大SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）之一。与所有SCADA系统一样，WinCC是以计算机为基础的生产过程与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。目前WinCC已发展成为欧洲监控技术的领导者，甚至成为业界遵循的标准。使用WinCC可以最大程度地提高工厂的可用性和生产效率。

2 地源热泵系统诊断的原理

2.1 诊断标准的选择

为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。

在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值T1是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中最可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以，本设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。

2.2 诊断标准的获得

首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷Qmax，根据该负荷Qmax，选择合适的系统配置，即地埋管数量n以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。

2.3 应用诊断标准

采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。在监测系统中，将实际监测的土壤温度与土壤温度标准曲线的对应值相减，得到偏差值，若该偏差值在警阈值范围内，则继续运行；否则，动态调整地源热泵系统的运行方案，直到偏差值在警阈值范围内。因为在不同的空调采暖周期内，考虑到温度可能有较大差异，所以诊断频率不能太高，经过实验，每天检查一次土壤温度变化的情况即可。

3 系统设计

3.1 总体设计

WinCC是建立监测和诊断系统的平台，PLC及相关模块和传感器等构成本系统必要的硬件基础，网络通信技术是构建监控系统的软件技术基础。WinCC监控技术和网络通信技术用于联系和管理这些硬件，使相互协调工作，从而实现系统中地下土壤温度的实时监测和诊断，为系统的运行提供必要的依据。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

PLC主要完成采集温度等数据的功能，程序不难编写。

由于PLC200不能实现与WinCC数据直接连接，需要通过第三方OPC软件PC Access作为桥梁。PC Access是安装在上位PC机中，PLC通过以太网发送数据给PC Access，WinCC可以实时访问PC Access中的数据，PLC同时接收PC Access发送的数据。

而且，通过WinCC Web Navigater组件，可以实现系统的B/S结构，此时客户端只能完成浏览、查询和数据输入等基本功能，绝大部分的数据存储和诊断功能都由服务器承担。在此系统中，因为数据的采集量并不是很大，Web Navigater提供的这种B/S结构正好满足。

WinCC也集成了Microsoft SQL Server 2000，存储地源热泵运行的土壤温度标准曲线。因为对于系统的实时性要求不是很高，所以每小时采集并存储一次温度数据即可。

3.2 监控模块和实现功能

由用户登录模块、界面显示和控制模块、工艺图显示模块、报警模块、历史趋势模块、报表打印模块组成。

3.2.1 用户登录模块

该模块设置不同用户的权限，没有权限的用户不能操作该系统。监测系统启动时，出现起始欢迎画面，用户点击“系统登录”按钮，弹出一个对话框。用户正确输入用户名和密码方可操作此系统。

3.2.2 输入接口模块

此模块负责接收通过PC Access传送过来的来自下位工控机的参数，将其传递到工艺图显示模块和数据列表模块，同时将温度等数据存储在SQL数据库中，以备查询。

3.2.3 工艺图显示模块

将该系统的控制工艺原理图显示在系统界面上，对地下各采样点的土壤温度、水路压力态等参数进行监视，并在该画面上实时显示各参数值和相关状态，使用户能够总体把握系统工况。

3.2.4 数据趋势

在WinCC中，利用变量记录系统可以实现对温度等过程值的归档和存储。根据需要，可以用趋势图（WinCC Online Trend Control）或表格（WinCC Online Table Control）形式在运行系统中显示出归档数据。要组态过程值的归档，首先打开“变量归档”组件，选择归档的频率，这里组态定时器为1h，意为每小时采集一次数据；然后创建过程值的归档并选择要归档的变量。在图形编辑器中，使用趋势图显示实时归档数据。

如图2所示为某天同一系统中两个不同深度的岩土体温度测试曲线，上面曲线是-20m处的温度变化，下面曲线为-2m处的温度变化。从图中可以看出，在24小时内，-20m温度变化不大，而-2m相对有一定的变化。

所以，警阈值的取值要十分慎重，若过大，则系统将不能及时诊断到土壤过度放热或过度吸热的情况；反之，系统诊断太精细，会频繁出现报警情况，而这种报警对于全年的热失衡没有多少意义。经过实验反复研究，警阈值选取0.2℃，此时可以以地下20m—30m的温度作为诊断参数比较合适。

图2 不同深度的岩土体温度测试曲线

3.2.5 诊断模块

该模块是系统的核心部分，负责每天定时将监测到的地下土壤温度与标准的土壤温度变化曲线（数据已存储在Microsoft SQL Server 2000数据库中）进行比对相减，判断△T是否在警阈值规定的上下限范围内（选取0.2℃）。如果超过该值，则有报警，报警灯将变成红色，并在窗口中以文字方式显示报警参数的信息。

为了能访问归档数据库，可以采用ADO/OLE DB方式。OLE DB是一种快速访问不同数据的开放性标准，它与数据库的连接是通过WinCC OLE DB provider建立的。此时，在WinCC站上，需要安装WinCC Basic Systern 和WinCC option Connectivity Pack。

查询过程值（标准土壤温度曲线）语法如下：

以上T1为数据库中的Value ID，随后是起始时间和结束时间，此时查询的是2009年温度标准曲线中2月7日的从12点到12点30分的数据。

3.2.6 报表打印模块

设定好查询条件并点击查询按钮后，即可得到查询结果。此时，点击“打印报表”按钮，报表结果直接在打印机上输出。

4 结束语

本系统为地源热泵系统提供一个安全、可靠的运行控制策略。根据土壤温度的变化情况决定地埋管和辅助冷/热源和切换，给运行管理人员提供一个有效而方便的参照，同时为解决土壤温度变化场的变化而引起的系统运行不稳定、效率低，以及生态环境的变化等问题起到一定的预防作用，指导地源热泵系统安全、稳定、高效地运行。

可对本系统进行扩展，增加地源热泵末端的温度监测、用户端循环水的流量变频控制和系统主机的控制等功能，成为一个功能齐全的系统监控平台。

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