基于WinCC的地源熱泵監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

陳海霞，林 昕

CHEN Hai-xia, LIN Xin

（三江學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，南京 210012）

0 引言

當(dāng)前，世界能源體系正向低碳、高效、環(huán)保的能源供應(yīng)體系轉(zhuǎn)變，太陽(yáng)能、風(fēng)能和地能等新能源的發(fā)展與利用正越來(lái)越廣泛。隨著地源熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)越來(lái)越多應(yīng)用于建筑空調(diào)采暖的地源熱泵系統(tǒng)工程項(xiàng)目。而伴隨著項(xiàng)目數(shù)量的不斷攀升，一些在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行中潛在問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。尤其是對(duì)于設(shè)計(jì)非常合理的土壤源熱泵系統(tǒng)，在運(yùn)行階段，由于管理運(yùn)行不當(dāng)，也會(huì)造成全年熱失衡或季節(jié)局部土壤熱平衡不利，由此長(zhǎng)期運(yùn)行后，將會(huì)使地下土壤溫度嚴(yán)重偏離初始設(shè)計(jì)溫度，造成熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率逐年下降，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的不當(dāng)耗能甚至完全不節(jié)能。所以，為了保證系統(tǒng)持續(xù)合理地運(yùn)行，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)診斷就尤為重要，也為后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)范管理提供必要的依據(jù)。

本系統(tǒng)利用PLC200采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用了WinCC組態(tài)軟件對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，達(dá)到指導(dǎo)運(yùn)行策略、使系統(tǒng)長(zhǎng)期持續(xù)正常運(yùn)行的目的。

1 WinCC概述

WinCC是Windows Control Center的簡(jiǎn)稱，是西門子和微軟合作開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。WinCC是目前最常用的三大SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）之一。與所有SCADA系統(tǒng)一樣，WinCC是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等功能。目前WinCC已發(fā)展成為歐洲監(jiān)控技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，甚至成為業(yè)界遵循的標(biāo)準(zhǔn)。使用WinCC可以最大程度地提高工廠的可用性和生產(chǎn)效率。

2 地源熱泵系統(tǒng)診斷的原理

2.1 診斷標(biāo)準(zhǔn)的選擇

為了實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)的診斷，必須首先制定保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的合理的標(biāo)準(zhǔn)。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，地下土壤溫度的初始值T1是一個(gè)重要的依據(jù)參數(shù)，它也是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中最可能產(chǎn)生變化的參數(shù)。如果在一個(gè)或幾個(gè)空調(diào)采暖周期（一般一個(gè)空調(diào)采暖周期為1年）后，系統(tǒng)的取熱和放熱嚴(yán)重不平衡，則這個(gè)初始溫度會(huì)有較大的變化，將會(huì)大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。所以，本設(shè)計(jì)選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統(tǒng)是否正常的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 診斷標(biāo)準(zhǔn)的獲得

首先對(duì)地源熱泵系統(tǒng)所控制的建筑物進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和房間功能等條件，計(jì)算出該區(qū)域全年供暖、制冷的負(fù)荷Qmax，根據(jù)該負(fù)荷Qmax，選擇合適的系統(tǒng)配置，即地埋管數(shù)量n以及必要的輔助冷熱源，并動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.3 應(yīng)用診斷標(biāo)準(zhǔn)

采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運(yùn)行方案運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)土壤的溫度，并且將測(cè)得的溫度傳遞給地源熱泵系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，將實(shí)際監(jiān)測(cè)的土壤溫度與土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線的對(duì)應(yīng)值相減，得到偏差值，若該偏差值在警閾值范圍內(nèi)，則繼續(xù)運(yùn)行；否則，動(dòng)態(tài)調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行方案，直到偏差值在警閾值范圍內(nèi)。因?yàn)樵诓煌目照{(diào)采暖周期內(nèi)，考慮到溫度可能有較大差異，所以診斷頻率不能太高，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，每天檢查一次土壤溫度變化的情況即可。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

WinCC是建立監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)的平臺(tái)，PLC及相關(guān)模塊和傳感器等構(gòu)成本系統(tǒng)必要的硬件基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)的軟件技術(shù)基礎(chǔ)。WinCC監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)用于聯(lián)系和管理這些硬件，使相互協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中地下土壤溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供必要的依據(jù)。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

PLC主要完成采集溫度等數(shù)據(jù)的功能，程序不難編寫(xiě)。

由于PLC200不能實(shí)現(xiàn)與WinCC數(shù)據(jù)直接連接，需要通過(guò)第三方OPC軟件PC Access作為橋梁。PC Access是安裝在上位PC機(jī)中，PLC通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)給PC Access，WinCC可以實(shí)時(shí)訪問(wèn)PC Access中的數(shù)據(jù)，PLC同時(shí)接收PC Access發(fā)送的數(shù)據(jù)。

而且，通過(guò)WinCC Web Navigater組件，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的B/S結(jié)構(gòu)，此時(shí)客戶端只能完成瀏覽、查詢和數(shù)據(jù)輸入等基本功能，絕大部分的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和診斷功能都由服務(wù)器承擔(dān)。在此系統(tǒng)中，因?yàn)閿?shù)據(jù)的采集量并不是很大，Web Navigater提供的這種B/S結(jié)構(gòu)正好滿足。

WinCC也集成了Microsoft SQL Server 2000，存儲(chǔ)地源熱泵運(yùn)行的土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線。因?yàn)閷?duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以每小時(shí)采集并存儲(chǔ)一次溫度數(shù)據(jù)即可。

3.2 監(jiān)控模塊和實(shí)現(xiàn)功能

由用戶登錄模塊、界面顯示和控制模塊、工藝圖顯示模塊、報(bào)警模塊、歷史趨勢(shì)模塊、報(bào)表打印模塊組成。

3.2.1 用戶登錄模塊

該模塊設(shè)置不同用戶的權(quán)限，沒(méi)有權(quán)限的用戶不能操作該系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)起始?xì)g迎畫(huà)面，用戶點(diǎn)擊“系統(tǒng)登錄”按鈕，彈出一個(gè)對(duì)話框。用戶正確輸入用戶名和密碼方可操作此系統(tǒng)。

3.2.2 輸入接口模塊

此模塊負(fù)責(zé)接收通過(guò)PC Access傳送過(guò)來(lái)的來(lái)自下位工控機(jī)的參數(shù)，將其傳遞到工藝圖顯示模塊和數(shù)據(jù)列表模塊，同時(shí)將溫度等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備查詢。

3.2.3 工藝圖顯示模塊

將該系統(tǒng)的控制工藝原理圖顯示在系統(tǒng)界面上，對(duì)地下各采樣點(diǎn)的土壤溫度、水路壓力態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，并在該畫(huà)面上實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)值和相關(guān)狀態(tài)，使用戶能夠總體把握系統(tǒng)工況。

3.2.4 數(shù)據(jù)趨勢(shì)

在WinCC中，利用變量記錄系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度等過(guò)程值的歸檔和存儲(chǔ)。根據(jù)需要，可以用趨勢(shì)圖（WinCC Online Trend Control）或表格（WinCC Online Table Control）形式在運(yùn)行系統(tǒng)中顯示出歸檔數(shù)據(jù)。要組態(tài)過(guò)程值的歸檔，首先打開(kāi)“變量歸檔”組件，選擇歸檔的頻率，這里組態(tài)定時(shí)器為1h，意為每小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)；然后創(chuàng)建過(guò)程值的歸檔并選擇要?dú)w檔的變量。在圖形編輯器中，使用趨勢(shì)圖顯示實(shí)時(shí)歸檔數(shù)據(jù)。

如圖2所示為某天同一系統(tǒng)中兩個(gè)不同深度的巖土體溫度測(cè)試曲線，上面曲線是-20m處的溫度變化，下面曲線為-2m處的溫度變化。從圖中可以看出，在24小時(shí)內(nèi)，-20m溫度變化不大，而-2m相對(duì)有一定的變化。

所以，警閾值的取值要十分慎重，若過(guò)大，則系統(tǒng)將不能及時(shí)診斷到土壤過(guò)度放熱或過(guò)度吸熱的情況；反之，系統(tǒng)診斷太精細(xì)，會(huì)頻繁出現(xiàn)報(bào)警情況，而這種報(bào)警對(duì)于全年的熱失衡沒(méi)有多少意義。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)研究，警閾值選取0.2℃，此時(shí)可以以地下20m—30m的溫度作為診斷參數(shù)比較合適。

圖2 不同深度的巖土體溫度測(cè)試曲線

3.2.5 診斷模塊

該模塊是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)每天定時(shí)將監(jiān)測(cè)到的地下土壤溫度與標(biāo)準(zhǔn)的土壤溫度變化曲線（數(shù)據(jù)已存儲(chǔ)在Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中）進(jìn)行比對(duì)相減，判斷△T是否在警閾值規(guī)定的上下限范圍內(nèi)（選取0.2℃）。如果超過(guò)該值，則有報(bào)警，報(bào)警燈將變成紅色，并在窗口中以文字方式顯示報(bào)警參數(shù)的信息。

為了能訪問(wèn)歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)，可以采用ADO/OLE DB方式。OLE DB是一種快速訪問(wèn)不同數(shù)據(jù)的開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，它與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接是通過(guò)WinCC OLE DB provider建立的。此時(shí)，在WinCC站上，需要安裝WinCC Basic Systern 和WinCC option Connectivity Pack。

查詢過(guò)程值（標(biāo)準(zhǔn)土壤溫度曲線）語(yǔ)法如下：

以上T1為數(shù)據(jù)庫(kù)中的Value ID，隨后是起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，此時(shí)查詢的是2009年溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線中2月7日的從12點(diǎn)到12點(diǎn)30分的數(shù)據(jù)。

3.2.6 報(bào)表打印模塊

設(shè)定好查詢條件并點(diǎn)擊查詢按鈕后，即可得到查詢結(jié)果。此時(shí)，點(diǎn)擊“打印報(bào)表”按鈕，報(bào)表結(jié)果直接在打印機(jī)上輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)為地源熱泵系統(tǒng)提供一個(gè)安全、可靠的運(yùn)行控制策略。根據(jù)土壤溫度的變化情況決定地埋管和輔助冷/熱源和切換，給運(yùn)行管理人員提供一個(gè)有效而方便的參照，同時(shí)為解決土壤溫度變化場(chǎng)的變化而引起的系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、效率低，以及生態(tài)環(huán)境的變化等問(wèn)題起到一定的預(yù)防作用，指導(dǎo)地源熱泵系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

可對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，增加地源熱泵末端的溫度監(jiān)測(cè)、用戶端循環(huán)水的流量變頻控制和系統(tǒng)主機(jī)的控制等功能，成為一個(gè)功能齊全的系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)。

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