基于触摸屏的地源热泵监控系统设计及应用

黄越洋，张贵宇，石元博，冯　瑶

（1.辽宁石油化工大学 信息科学与工程学院，抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学 计算机与通信工程学院，抚顺 113001）

基于触摸屏的地源热泵监控系统设计及应用

黄越洋1，张贵宇1，石元博2，冯瑶2

（1.辽宁石油化工大学 信息科学与工程学院，抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学 计算机与通信工程学院，抚顺 113001）

在能源紧缺和环境污染的大环境下，对新型供热制冷系统的应用与研究显得尤为重要。以地源热泵计算机监控系统为背景，同时摒弃了传统依靠计算机对地源热泵进行监控的单一方式，在了解传统系统的原理、控制方案后，提出用触摸屏对地源热泵系统进行监控的设计。利用PLC和触摸屏结合的方式监控整个系统。通过系统的实际运行，达到了节能的目的，具有巨大的社会意义和应用价值。

地源热泵；触摸屏；PLC；MCGS组态

0　引言

地源热泵的概念于1912年在瑞士被最早提出，20世纪末的能源危机使得人们开始关注地源热泵，地源热泵技术在此迅速发展，并应用于实际工程［1］。地源热泵是水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来为水源热泵的冷热源，冬季利用地源热泵机组将地下土壤的热量从地下土壤中转移上来，供给室内采暖，此时地能为“热源”。夏季将地下土壤的冷量转移到建筑物内，把室内热量取出来，释放到地下水，此时地能为“冷源”。所以地源热泵实质上是一种热量转移的装置。地源热泵具有高效、节能、环保、运行稳定可靠等优点，它属于利用可再生能源技术，近年来得到了越来越广泛的应用［2］。

地源热泵系统中供热制冷的控制方式有很多种，因为PLC具有功能丰富、使用方便、工作可靠、经济合算等优点而广泛应用于各种工业控制场合［3］。所以利用PLC控制可保证系统稳定运行。本文将PLC和触摸屏结合使用可以节省很多按钮，转换开关，中间间继电器，时间继电器等硬元件［4］，并且通过组态软件将整个系统的现场数据集中在触摸屏上显示，方便观察，自动记录。

1　系统结构设计

本系统主要包括计算机、触摸屏、PLC、及地源热泵机组，PC上位机通过网络访问触摸屏监控软件或直接操作触摸屏实现对PLC下位机的控制。根据控制方案所需，利用MCGS嵌入版工控组态软件对地源热泵监控系统界面进行组态，将程序下装到触摸屏中即可对系统进行监控，选用深圳矩形科技型号为N80M21MAD的PLC作为下位机，对系统进行控制。系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

2　系统设计与实现

系统软件主要功能是根据温度、压力、水流量等设定的运行参数，通过对PLC编程，让程序在规定的运行时间内运行，对地源热泵中控制阀进行开闭控制，以达到无人值守目的。这些参数的设定可以通过触摸屏来实现。

2.1PLC控制程序设计

PLC程序实现数据处理、逻辑判断与控制执行等功能。本系统控制方案设计核心为：系统工作模式设计，系统工作模式分为冬季采暖、夏季空调和过渡季补热，同时设计数据监测系统和超限保护系统保证系统平稳、安全运行［5］，系统控制方案如图2所示。

图2　系统控制方案图

冬季采暖模式：进入冬季采暖模式后打开相应阀门，然后依次启动地埋管循环泵与空调侧循环泵，待水流、压力开关显示正常后，启动地源热泵机组，当温度低于设定值开启地源热泵制热模式，打开太阳能采暖一次泵与太阳能采暖二次泵，太阳能为系统补热，流程图如图3所示。

图3　冬季模式流程图

夏季制冷模式：共分为四种子模式，分别用符号①②③④表示。子模式①②不开启热泵机组，空调系统循环水通过地埋管换冷板式换热器与地埋管系统交换热量，由此降低楼内温度；子模式③④室内对空调要求较高时，热泵机组开启，为室内空调末端提供冷冻水。其中子模式②④井群1为室内制冷，③④井群2用作太阳能补热，并启动地埋管补热循环泵。

春秋季过渡季节：启动太阳能采暖一次循环泵和地埋管补热循环泵，太阳能系统为系统补热。

2.2触摸屏监控界面设计

触摸屏监控界面软件采用Viieo.DeSigner设计。它是一款功能强大的触摸屏人机界面设计软件，可使用此软件为人机界面设备创建操作员面板并配置［6］。

操作参数本系统采用的触摸屏为北京昆仑通态TPC1061Ti。 TPC1061Ti，是以先进的Cortex-A8 CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。利用MCGS嵌入版组态软件对监控界面进行组态。

如图4所示，为温度压力监测组态界面，左侧12个温度传感器，监测所在位置温度，右侧监测分集水器的两端压力。上位机通过接收到的数据进行系统保护，其中包括温度超限保护和差压超限保护。同样在温度压力监测组态过程中我们需要对每一个输入构件都进行操作属性进行设置，全部对应到实时数据库中已经设置好的对象。

图4　温度压力监控界面

3　通信调试

3.1智能仪表的调试

对仪表进行接线和配电，按数据类型进行调试。数据类型：模拟量、数字量、Modbus协议。对于模拟量调试来说，设置PLC相应的模拟量接收模式，使用Vladder软件编写参数转化梯形图，设置PLC“RUN”模式，利用软件自带的线圈状态信息功能观察数据。对于数字量调试来说，使用Vladder软件对节点进行强制赋值1/0，观察PLC上的指示灯亮暗，正确亮灯、设备启动说明设备通讯良好（如图中01=1；02=0；03=1）。Modbus协议，电脑通过串口软件给模块发送对应测试HEX指令，指令正确发送后，接收到返回数据说明设备通讯正常，反之错误。调试结果如图5所示。

图5　调试结果

3.2触摸屏与PLC调试与通信

PC上位机、触摸屏与PLC的通信方式采用工业以太网Modbus TCP/IP方式，其具有协议开放，与不同厂商设备兼容，能实现远程访问、远程诊断、网络速度快、实时性强、系统安全性高、成本低等特点。在ViieoDeSigner中添加驱动程序并进行配置，使通信设置与设备相匹配，并将用户应用程序下载到触摸屏，即可实现触摸屏与PLC和PC上位机问的以太网通信。无需编写复杂的通信程序，只需设置各设备的IP、子网掩码和网关［7］。

4　结论

随着科技与经济的发展，传统的锅炉供热和空调制冷模式已经无法满足当今社会的可持续发展要求。而地源热泵技术的兴起，弥补了传统供热制冷系统的缺陷，所以地源热泵的研究意义重大。本文通过对系统结构的设计、数据采集仪表选择、触摸屏型号选择、控制设备选择、仪表设备接线、下位机梯形图编程、利用MCGS进行上位机界面组态、触摸屏与PLC通信等实现了对地源热泵的自控控制功能，显著提高了系统的稳定性。

［1］ 赵桂章.地源热泵的发展现状及新方法研究［J］.山西建筑，2013，7（3）:124-125.

［2］ 齐游洋，辛立民.浅谈地源热泵技术［J］.四川建材，2015，10（5）:41.

［3］ 刘露萍，触摸屏在PLC工业控制中的应用［J］.职教创新专业课程，2010，（6）:72.

［4］ 刘瑞祥.PLC和HMI在地源热泵系统自控设计中的应用［J］.中国地源热泵行业高层论坛论文集，2013，（5）:25-28.

［5］ 杨卫波，施明恒.混合地源热泵系统（HGSHPS）的研究［J］.建筑热能通风空调，2006，25（03）:20-26.

［6］ 蒋晓峰，施伟锋.基于触摸屏和PLC的船舶电站监控系统设计［J］.电力自动化设备，2011，31（1）:122-125.

［7］ Designer施耐德电气用户指南［EB/0L］.2009［2010-05-09］.

Ground source heat pump based on touch screen monitoring system design and application

HUANG Yue-yang1，ZHANG Gui-yu1，SHI Yuan-bo2，FENG Yao2

TP277

A

1009-0134（2016）09-0024-03

2016-07-15

辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2014150）；辽宁省博士启动基金项目（201501104）

黄越洋（1981 -），女，辽宁昌图人，讲师，博士研究生，研究方向为工业过程先进控制和无线传感器网络定位。