空气源热泵远程监控系统设计与实现

王广保, 徐友良, 夏继军

(滁州职业技术学院 传媒与设计学院，安徽 滁州 239000)

引 言

空气源热泵是应用热力学第一定律，通过对工质做功实现热量从冷源向热源传输的供热系统，其应用具有安全、高效、节能、适用范围广等特点[1]。传统的空气源热泵机组主要是采用本地监控方式，这种系统监控技术比较落后，没有完整的历史数据存储和分析功能。运用大数据、物联网及移动通讯技术，开发一套分布式机组运行实时数据监控系统，既可对空气源热泵机组的运行、故障、节能等进行实时监测，又可对采集的数据进行存储、分析，形成自动控制、故障提醒、节能建议、便捷维护等指令，实现热泵机组的运行管理模式现代化[2]。

1 热泵改造系统工作原理

热泵改造系统工作原理如图1所示。实施远程监控的设备有超低温空气源热泵机组(RSB-1)、循环水泵(LB-R-1)(LB-R-2)、蓄热水箱(XRSX-1)、电磁阀(DF1、DF2、M)等。超低温空气源热泵机组(RSB-1)采用绿色无污染的冷媒，吸取空气中的热量，通过压缩机做功，生产出生活热水。循环水泵(LB-R-1)把机组出水口热水输送到蓄热水箱，蓄热水箱(XRSX-1)采用聚氨酯发泡保温，配有6KW电辅助加热设备，当水箱内的水温达到设定温度值时，机组进入待机状态，系统自动关闭循环水泵(LB-R-1)及阀门(DF1、DF2)，使热能以高温热水的形式储存在蓄热水箱中。循环水泵(LB-R-2)工作状态下，系统把热水输送到终端用户分水器，再由各终端用户的温度智能控制器根据室内温度变化情况控制电磁阀的启停达到用户设定温度值。从终端用户分水器出来的水经集水器回水管道回流至蓄热水箱。集水器回水管道上的温度低至设定低温值时，系统自动开启阀门(DF1、DF2)及循环水泵(LB-R-1)，热泵机组进入工作状态。低电价时段，系统自动开启蓄热水箱电辅助加热模式，低电价时段结束，系统自动关闭电辅助加热。蓄热水箱(XRSX-1)水位下降到设定低位时，自来水进水口自动补水。

2 热泵远程监控硬件系统

本系统采用分布式架构，软、硬件均采用模块化设计，如图2所示。系统主要由三个部分组成。(1)智能监控器。智能监控器集成了数据采集模块、设备控制模块，可通过485总线与3G/4G模块通讯。数据采集模块具有数据采集功能，能够采集机组温度、压力、开关量、故障以及现场智能电表数据、环境温度、室内有效温度等数据。设备控制模块接收服务器端和终端用户APP远程参数设定和设备控制指令，自动启停循环水泵和电磁阀等。3G/4G通讯模块将数据采集模块采集的数据以3G/4G通讯方式上传至服务器，实现服务器和现场控制模块之间的通讯。(2)服务器。服务器对采集的数据进行大数据分类存储，由专家管理系统进行云计算，生成控制、建议、服务、强制等各种类型的指令，分发到设备控制模块、用户手机APP、维修人员手机APP等。(3)企业运营管理和维护及用户的末端设备等。

图1 热泵改造系统工作原理图

图2 系统物理架构图

对智能监控器的设计制造有以下要求：(1)便于通讯。采用标准的485接口，Modbus RTU协议，可以与提供相同接口及通讯协议厂家的控制器进行通讯。(2)易于安装。设计尽量小巧，力求接线方便，可安装在电控柜内任何合适位置。(3)嵌入式模式。数据采集模块仅从原设备控制器中读取相应数据，不参与原主板内部控制程序，不影响原设备运行，具有独立的程序处理系统，对热泵机组等原控制系统无影响。

3 热泵远程监控软件系统

3.1 软件系统架构

系统开发了3套软件：智能控制器数据采集与处理软件；服务器端软件，包括服务器数据库应用软件和专家管理系统软件；客户端手机APP软件，包括厂商售后服务人员手机端APP软件和终端用户手机APP软件。

3.2 软件功能需求

(1)智能控制器软件。数据采集软件能实时采集用户用电量数据、室内环境温度数据、机组实时运行参数、故障数据、售后服务响应速度数据等。设备控制软件能根据程序和指令自动切换机组运行模式，设置机组运行参数、控制现场泵、电磁阀的启停等。(2)服务器端软件。服务器数据库应用软件要实现系统配置、用户管理、数据采集和数据存储等功能，专家管理系统软件能提供数据转发接口、数据查询接口、故障查询接口和客户端APP远程控制接口等。服务器端软件能实现数据挖掘和大数据计算服务功能，对采集的智能电表数据进行综合分析，结合分时电价，对用户实时用电量以及环境温度等进行统计和计算，给出节能化的控制建议。对空气源热泵用户用电量，设备故障出现率及售后服务响应速度等数据进行收集、整理和建档，以此建立能源大数据库、信誉度评判大数据库和用户实际节能数据库。(3)客户端手机APP软件。用户通过手机APP可设定热泵机组运行参数，查询服务器相关数据，当设备发生故障时，用户通过手机APP能实时收到故障报警信息，可在手机APP上点击报修。厂商售后服务人员手机APP能实时收到故障报警信息和用户报修信息，实时掌握故障情况。维修人员可通过设备定位功能，快捷到达设备现场进行售后服务。软件系统能实现多用户联网远程监控，每个热泵用户作为一个子站通过互联网接入系统，如图3所示。

图3 系统软件架构图

3.3 软件非功能需求

(1)交互界面友好。开发的交互界面要直观、易懂、数据完善、功能齐全、子菜单数据归类清晰明了。(2)运行平台适应性好。开发的运行平台要能在Windows、MAC以及智能手机Android、iOS系统下稳定运行。(3)可扩展性。软件主体设计预留智能家居等管理接口。

4 系统开发技术

4.1 现场数据采集技术

选用自主开发的智能监控器及PLC采集热泵机组运行数据、故障信息，电表数据和室外环境温度、管道进出水温度、蓄水箱温度、房间温度及按钮控制输入等相关参数。

4.2 数据上传及与服务器通讯技术

智能监控器采集热泵机组运行数据后，采用485总线、MODBUS协议与3G/4G模块进行现场实时数据传输，3G/4G模块将数据传递至远程云服务器。3G/4G模块采用UDP协议与远程云服务器进行数据传输。当服务器接收到数据后，进行项目识别、归类、分组、数据存储、计算，并生成各类指令。

服务器专家管理系统软件根据初始设定的参数，远程自动监控热泵机组等现场设备运行。当现场设备出现故障时，专家管理系统软件能够及时通过实时数据分析，判断出机组等设备具体故障位置，发出提醒指令到相应子站对应客户端或APP端。云计算主要是分析当前工作方式是否以节能或节省方式运行，同样是通过客户端或APP进行反馈到最终客户端去选择。UDP控件端口定义为8600，监听各子站3G/4G模块发送的注册信息并回复。UDP控件接收子站HeartBeat心跳包，并获取子站ID号、动态IP地址及端口号；添加子站动态IP及端口到列表。服务器根据取得各子站的动态IP及端口，提供给UDP控件向子站采集数据。通讯协议选用MODBUS RTU，MODBUS协议详细定义了校验码、数据序列等。MODBUS协议在一根通讯线上使用主从应答式通讯，意味着在一根单独的通讯线上信号沿着相反的两个方向传输。服务器的信号寻址到一台唯一的终端设备，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给服务器。MODBUS协议只允许在智能模块或PLC与终端设备之间通讯，而不允许终端设备相互之间的通讯，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达服务器的查询信号[3]。UDP控件监听各子站发回的运行数据报文并解释。服务器通过UDP控件向子站发送控制信息。UDP控件配置见图4。

图4 idUDPRTU控件配置

4.3 客户端与服务器之间通讯技术

客户端APP与服务器之间通讯采用DELPHI XE10提供DataSnap技术。基于微软COM/DCOM技术的DataSnap只支持Windows系统而不支持跨平台。DELPHI2009推出后，DataSnap的多层架构不再基于微软的COM，移除了COM依赖就等于摆脱了Windows的束缚，实现了跨平台。在新版快速应用开发(RAD)中的DataSnap技术，使用TCP/IP以更加开放的交互方式生成远程服务对象和客户端连接，能够很好适应本系统软件开发环境。DataSnap作为一套综合而强大的中间件，主要特点是能够快速创建DataSnap应用及服务和快速部署，且执行效率高。DELPHI XE10提供的DataSnap具备通过TCP/IP通信传输数据的多项标准，能基于TCP/IP协议，通过HTTP及HTTPS进行数据交互。HTTPS协议是在HTTP基础上增加TLS/SSL协议，通过数字证书、加密算法、非对称密钥等技术构建的可进行加密传输、身份认证的网络协议，通过加密传输实现互联网传输安全保护。此外为提升网络传输效率，客户端APP中的业务逻辑数据选用REST服务广播、传递消息。例如，在DataSnap中定义了供客户端及APP调用的远程控制和水箱控制等函数(API)，支持JSON格式和数据流格式数据传输。

如远程控制API：

procedure TServerMethods1.AppRemoteCtrl(StationId,PlcId,MdId:Byte;D1,D2:Word);

begin

FormMain.CtrlStation:=StationId;

FormMain.CtrlPlc:=PlcId;

FormMain.CtrlMd:=MdId;

FormMain.isControlIng:=True;

case PlcId of

0:

Begin

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls1[MdId].MdControlAOut.RunStop:=D1+$4000;

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls1[MdId].MdControlAOut.SetTemp:=D2;

end;

1:

begin

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls2[MdId].MdControlAOut.RunStop:=D1+$4000;

FormMain.StationsInfo[StationId].MdControls2[MdId].MdControlAOut.SetTemp:=D2;

end;

end;

FormMain.TimerMain.Enabled:=False;

FormMain.TimerCtrl.Enabled:=True;

end;

生成的JSON数据如下：

{

"FormMain":{

"CtrlStation":"100001",

"CtrlPlc":"100001",

"CtrlMd":"100001",

"isControlIng":true,

.....

}

}

JSON(JavaScript Object Notation)作为一种轻量级的数据交换格式，是一种独立于编程语言的文本格式，既易于开发人员阅读，也易于计算机解析与生成，能够提高开发效率与网络传输效率。

4.4 服务器端软件架构

云端服务器使用基于服务的分层结构，其中数据库层用于数据存储；业务逻辑层负责数据的收集与分析；服务层API为外部提供基于REST的访问接口；客户端则通过API Gateway(API网关)访问并获取数据，其结构如图5所示。

业务逻辑层采用DeltaV 数字自动化系统对海量数据进行分析与统计。数据的存储采用成熟的大型数据库系统软件，并根据数据用途的不同分为分数据云存储库、专家云计算库。数据云存储库分为历史数据库和动作执行数据库。专家云数据库分为独立云计算数据库和指令执行数据库。数据表(table)包括：子站信息表(Station)、末端配置表(md)、运行数据表(RunDatas)、运行异常表(Rb_Error)、操作计录表(Options)、维护人员信息表(Df_User)。数据库开发软件界面见图6。

图5 服务器端软件架构

图6 数据表(table)开发软件

运行数据表(RunDatas)用于定时保存每个终端运行数据，每30分钟保存一次，字段包括：ID、用户名(子站)、末端名(位置)、时间、温度。

4.5 热泵机组运行历史数据查询技术

在客户端进入查询界面后，输入用户名、末端位置、开始日期、结束日期，点击查询按钮，在表格中显示查询数据。点击曲线按钮直观显示一天中温度变化曲线。如图7所示。

5 软件开发及使用

开发的客户端手机APP软件，需要通过用户名+密码登录访问服务器，厂商客户端APP与服务器间用TCP通讯方式、自定义通讯协议及端口。服务器端应用软件与厂商及用户交流信息，发送保运信息，指导用户高效使用热泵。终端用户以APP方式提醒厂商或设备维护人员及时维护主机或末端设备。

6 结论

通过测试，开发的空气源热泵机组远程监控系统，实现了功能性和非功能性需求，大数据可分类保存半年。系统的稳定性、灵活性、扩展性、可维护性、操作便捷性和交互界面友好性等方面达到了设计要求。

图7 一天中温度曲线

查询数据可以导出为.xls格式，做进一步统计分析。