高效蓄能热泵热水机互联网监控系统

　　摘要
　　本文介绍了1种由互联网PC机作为上位机远程监控系统，西门子的S7-200系列PLC组成下位机的热泵热水机现场控制系统。该系统可以帮助用户即时、深入、全方位地了解现有热泵热水机的相关参数和运行状况，任何可以上互联网的地方都能便利、高效、实时而且安全的监控和操作设备。
　　关键字：节能 热泵热水机 远程监控
　　 引言
　　随着人们生活水平的提高，对生活热水也提出了更高的要求。高效蓄能热泵热水机作为目前市场上概念最新、最节能、最安全和清洁无污染的新一代热水制造设备。在额定工况下，空气源热泵型热水机组的制热性能系数高达4以上，也就是说，消耗1份电能可以从大气吸收3份的热量，比直接用电热锅炉节约运行成本3/4，正是由于高效节能，利用低品位的可再生能源技术促进了空气源高效蓄能热泵事业的发展。
　　目前国内各厂家生产的大部分产品，侧重于机组自身的自动控制。为了提高对设备的维护和保养，确保空气源热泵热水机组安全、稳定、可靠的运行，除了机组自身完善的自动控制、必要的保护控制外，建立1套运用计算机和可编程序控制器进行自动控制和远程监控的热泵自动化系统，已是客户的迫切愿望。
　　本控制系统要研究的就是由互联网PC机作为上位机远程监视系统，西门子的S7-200系列PLC组成下位机的现场控制系统。
　　 1 系统的硬件结构
　　1.1 控制系统的总体结构
　　本控制系统是由1台互联网PC机作为上位机远程监视系统
　　采用单片机的特点是编程语言丰富，能方便地解析和实现复杂的数学模型运算，价格也较低；但其输入输出信号接口可能与工业设备的检测及执行元件的信号接口不匹配，大大增加了系统配置的复杂性；且防尘、防震性能不能完全满足复杂环境的要求，严酷环境下的可靠性与稳定性较差，严重影响产品的寿命和控制器本身的寿命。综合以上性能，下位机我们选用性能优良的可编程控制器(PLC)作为现场控制主机。PLC作为通用的工控设备，可针对具体的设备，用户要求而编制软件，具有多种控制方式，特别是可以设计出适合现场条件的控制策略，从而达到优化、节能的目的；适应于工业环境，可靠性高、寿命长；并可根据用户要求提供 多种显示方式和操作方式，配置组态灵活；可以构成集散系统，具有与互联网管理网络相连接的能力。此方案大大节约了系统的维护和管理费用，性价比极佳。
　　可编程控制器把传感器采集的有关参量如温度、水量等转换为数字信号，并把这些数据暂存于PLC中，然后与给定值进行比较，经一定的控制算法后，给出相应的控制信号进行调控，同时经过串行通信接口将数据送至互联网上位机PC。上位机主要完成数据管理，对数据进行实时显示、编辑、监控等，对机组的开关机必须有相应权限才可进行操作。
　　1.2 控制系统的主要组成
　　1.2.1可编程序控制器
　　本系统下位机以西门子的S7-200系列PLC为核心。SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能和价格比，我们这里选用CPU224，其本身具有14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量或35路模拟量I/O点。13 K字节程序和数据存储空间。6个独立的30 KHZ高速计数器，2路独立的20 KHZ高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
　　1.2.2 EM223 4输入/4输出模块
　　数字量扩展模块为了使用除了本机集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供了途径。用户可分别对PLC及任何扩展模块的混合体进行组态以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用。很容易地扩展I/O点数，当应用范围扩大，需要更多输入/输出点数时，PLC可以增加扩展模块，即可以增加I/O点数。
　　1.2.3 EM231模拟量扩展模块
　　EM231模拟量模块提供了多路模拟量信号的输入接口。用户可以通过DIP开关来选择信号的类型。所有输入设置为相同的模拟量输入量程。DIP组态开关位于模块的下部，为使DIP开关设置起作用，用户需要给PLC和/或用户24 V电源断电再通电。
　　1.2.4 PT100变送器
　　温度由温度传感器测量，选用WZPK-230PT100变送器，模拟输出可选标准电压或电流信号。
　　1.2.5 CP243-1工业以太网通信处理器
　　利用CP243-1通信处理器可将S7-200连接到工业以太网中。S7-200通过以太网与其他S7-200交换数据。CP243-1允许通过STEP7 MICRO/WIN32对S7-200进行远程组态、编程和诊断，并通过以太网访问S7-200的程序。CP243-1还支持1台S7-200通过以太网与其他S7-300或S70400进行通信，并可以与基于OPC的服务器进行通信。
　　 2. 系统的控制要求
　　2.1 上位机的控制要求
　　（1） 上位机对下位机的监控，要求在任何1台能登陆互联网的主机上，通过帐号和密码等权限后可以对下位机进行监控和操作。只有超级管理员才可对系统参数进行操作，普通用户只能查看和开关机操作。
　　（2）每套系统都有独立的1个子菜单系统，进入选定系统后，主界面上要求显示机组启停状态、各传感器当前温度点，水流量总数，输入输出点的开断情况（实名标注）；
　　（3）当辅助电加热和化霜电加热开启时，在主界面上有相应标志闪烁提示，需要了解详细情况时，可进入相应子菜单进行查询同时要求能对电加热进行强制启用；
　　（4）当出现故障保护时，在主界面上有相应标志闪烁和语音提示，需要了解详细情况时，可进入相应子菜单进行查询；
　　（5） 进入参数设置子菜单时，可以查询并设置下位机的参数，其中用户状态设置、温度传感器补偿参数设置、系统运行温度参数设置、系统故障保护值参数设置、系统保护时间值参数设置和系统化霜参数设置，可进入相应子菜单进行设置。
　　（6） 可以对各输入输出点进行强制开关，单独设置1个子菜单；
　　（7） 当网络出现断开或维修情况时，可以在现场用TD200进行操作；
　　（8）设置1个复位键，故障修复后可对系统进行复位操作。
　　2.2下位机的控制要求
　　（1）当机组接收到网络开机指令、定时开机或就地开机操作时，控制器能根据就地控制器的自动控制流程进行开机操作；
　　（2）当机组接收到网络关机指令、定时关机或就地关机操作时，控制器能根据就地控制器的自动控制流程进行关机操作；
　　（3）当机组操作开机操作后，根据蓄热水箱和加热水箱的水位情况，自动进行送水和补水操作；
　　（4）在制热工作中，控制器根据系统回水温度与设定温度的比较来控制压缩机的启停；
　　（5）在机组处于开机状态时，辅助电加热在环境温度比较低的情况下自动工作或者在用户有需要的情况下可通过网络远程进行强制启动操作；
　　（6）在机组处于开机状态时，在环境温度低于设定条件情况下开启化霜电加热以增加换热能力；
　　（7）在机组处于制热工作的情况下，检测可能会出现的故障情况，并作出相应的处理，以确保在互联网远程控制的情况下亦能有效保护机组；
　　（8）在制热工作时，室外机因为温度过低而会出现结霜，这样会影响制热工作。就地控制器为化霜设计了很多参数，以满足不同条件下的化霜工作过程；
　　（9）控制器设多种定时运行模式：单次定时、循环定时、单定时和双定时。定时时间由互联网远程设定，进入定时时间前必须首先启用定时运行。
　　 3 监控系统的实现
　　本系统人机界面采用就地文本手操器和互联网远程监控系统两种方式（图2）。互联网远程监控在工业过程控制系统中，要求有如下功能：
　　（1）友好的人机界面，上位机对下位机的监控，要求能在任何一台可登陆互联网的主机上，通过帐号和密码登录后可以对下位机进行监控。只有超级管理员才可对系统参数进行操作，普通用户只能查看和开关机操作；
　　（2）系统报警画面，可实时监控机组出现的故障内容；
　　（3）控制器I/O状态画面，可实时监控机组各保护部件通断状态，对故障内容分析提供帮助；
　　（4）系统保护时间参数设置画面、系统化霜参数设置画面和系统运行参数设置画面，可实时修改机组各种参数，使机组可以在最佳状态下运行；
　　（5）系统温度显示及补偿设置，可实时采集机组各温度模拟量数据，并可修正温度数据；
　　（6）数据存储功能，包括数据查询、数据管理和数据显示等。

　　 4 结论
　　本项目的研究主要是针对中央热水系统空气源热泵热水机组的工业控制，为了安全、稳定、可靠的运行，除了对机组的各部件合理设计和布局外，对整个系统运行的自动控制、必要的保护控制和过程实时监控的研究。由于互联网的普及，通过互联网实现的远程监控系统，将更加方便快捷的掌握机组的实时运行情况，从而有效的保证中央热水系统的正常供应。