CN103292477A - 基于plc和mcgs的热泵系统监控方法及其空气源热泵热水系统 - Google Patents

Abstract

一种基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法及其空气源热泵热水系统，涉及利用热泵的流体加热器及其控制方法，热泵热水系统包括热泵机组，水箱，补水泵，循环泵，热水增压泵和配电柜，以及MCGS组态电脑和PLC模块；PLC模块连接到远传水表、液位传感器和温度传感器；PLC模块与MCGS组态电脑连接，联合控制热泵热水系统的水箱水位和水温；MCGS组态电脑连接到电能表，获取热泵热水系统的分时段电能消耗数据；通过MCGS组态电脑监控界面实时监视热泵机组的设备状态，显示告警及维修提示信号，记录热泵机组的设备运行及报警状态。具备耗电量和用水量统计功能，实现空气源热泵热水系统的集中控制和能耗管理，充分体现空气源热泵的节能优势。

Description

基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法及其空气源热泵热水系统

技术领域

本发明涉及一种利用热泵的流体加热器及其控制方法，尤其涉及一种基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法和使用该方法的空气源热泵热水系统。

背景技术

随着空气源热泵热水器发展的日渐成熟，如何控制空气源热泵热水器已成为行业热点。在这日新月异的智能化时代，无论太阳能行业还是空调行业都已趋向于智能化控制，同样在空气源热泵行业智能化控制替代传统控制方法势在必行。

MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统)是一套用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。MCGS支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等国内外众多常用设备；支持温控曲线、计划曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线；支持ODBC接口，可与SQLServer、Oracle、Access等关系型数据库互联；支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联；提供功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结合；完善的网络体系结构，可以支持最新流行的各种通讯方式，包括电话通讯网，宽带通讯网，ISDN通讯网，GPRS通讯网和无线通讯网。

中国实用新型专利“中央空调用智能温湿度控制柜”（中国实用新型专利号ZL201020638333.4，授权公告号CN201903133U）公开了一种中央空调用智能温湿度控制柜，其包括：可编程DDC控制器及其扩展模块、MCGS触摸屏。所述DDC控制器与触摸屏中根据用途不同，装有对应中央空调各种应用类型的程序，所述控制柜内根据需要还设置有与各温湿度传感器、压差开关、压差传感器、风速开关、水阀等末端设备接口。该实用新型为高端、专业的中央空调控制解决方案，能够实现大多数中央空调温湿度控制应用的功能要求，使系统具有构成简便、控制先进、系统稳定、具有上位机远程组网监控功能之特点。

陈广庆等在“基于PLC和MCGS的换热站监控系统”（《制造业自动化》2010年10期）公开了一种运用PLC和MCGS设计的换热站监控系统。该控制系统实行两级监控，底层系统采用PLC监控，实时采集现场数据，上位机监控界面运用组态软件MCGS进行搭建，通过PLC和上位机之间的通讯连接，可以在上位机上实时监控供热工况，并根据现场情况及时调节，系统还实现了报警功能，提高了换热站控制的自动化程度，降低了运行成本，提高了可靠性。

但是，现有的空气源热泵热水机组大多数仍然采用人工手动操作。通过手操器控制存在以下几点不便问题：

1、需要操作管理人员到空气源热泵现场进行对机组的操作，操作界面小，对各主要参数无法一目了然，同时操作繁琐。人工手动操作无权限限制，任何人都可以操作手操器，安全性不高。

2、在数幢楼需要供水的情况下，手操器无法进行集中管理；缺少历史记录功能，无法查找各参数的历史数据。

3、手操器无法根据用水需求进行定时开关机，无法根据每日的用水量，自动调节水箱水位。

上述现有系统虽然提出了中央空调MCGS触摸屏控制，以及基于PLC和MCGS的换热站监控，但均未涉及到空气源热泵热水机组控制，更没有考虑到空气源热泵热水机组的能耗管理，因此这些技术方案即使用于空气源热泵热水机组控制，也不能很好地体现空气源热泵的节能的优势。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法，用于空气源热泵热水系统的监控。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法，用于空气源热泵热水系统的监控，所述的空气源热泵热水系统采用PLC分散控制、电脑集中管理的模式，通过MCGS组态电脑和PLC模块进行监控，所述的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法包括以下步骤：

S100：验证用户管理权限，根据用户操作级别进入监控系统；

S120：通过MCGS组态电脑监控界面设置机组控制参数，所述的机组控制参数包括供水温度设定值，回水温度设定值，水箱水位设定值，以及定时开关机时间；

S140：MCGS组态电脑将机组控制参数发送给PLC模块；

S160：MCGS组态电脑根据热泵机组的分时段用水量历史数据，动态修正水箱水位设定值；

S200：通过PLC模块实时获取机组运行参数，所述的机组运行参数包括供水温度、回水温度、环境温度、水箱水温和水箱水位；

S220：根据所述的机组控制参数和机组运行参数，通过PLC模块控制热泵机组的运行状态；

S240：通过PLC模块控制热水增压泵150的启停，调节热水增压泵150的转速，实现变频热水给水；

S260：通过PLC模块根据分时段的用水量控制水箱水位，根据实际需要的用水量按最优节能策略启停热泵机组，所述的最优节能策略是在保证分时段用水量的条件下，尽量利用低谷电能制取热水；

S300：通过PLC模块采集热水系统的开关量信号，自动累计运行时间，通过电能表和远传水表采集热泵机组用电量和用水量；

S320：将实时获取的机组运行参数、热泵机组用电量和用水量，存储在机组运行数据库中，实现机组运行数据的采集和存储；

S340：通过MCGS组态电脑监控界面实时监视热泵机组的设备状态，如有故障，显示告警及维修提示信号，并且记录热泵机组的设备运行及报警状态。

本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的一种更好的技术方案，其特征在于还包括以下步骤：

S400：查询机组运行历史数据，通过MCGS组态电脑监控界显示机组运行参数、热泵机组用电量和用水量，以及热泵机组的设备运行及报警状态，通过历史曲线和实时曲线体现热泵机组的工作状态。

本发明的另一个目的是提供一种使用本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的空气源热泵热水系统，采用PLC分散控制、电脑集中管理的模式，解决空气源热泵热水机组的集中控制和能耗管理的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种使用本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的空气源热泵热水系统，包括至少两套热泵机组，水箱，补水泵，循环泵，热水增压泵和配电柜，其特征在于：

所述的空气源热泵热水系统还包括网络化监控装置；所述的网络化监控装置包括设置在集中控制室的MCGS组态电脑、设置在热泵热水系统现场的PLC模块，连接在热泵机组补水管路的远传水表，以及设置在所述空气源热泵热水系统中的液位传感器和温度传感器；

所述的MCGS组态电脑通过数据总线转换接口，与所述的PLC模块建立双向数据连接，将机组控制参数发送给PLC模块；

所述的PLC模块通过连接在水表接口模块的远传水表，获取系统用水量，传送给所述的MCGS组态电脑；

所述的PLC模块通过连接在液位接口模块的液位传感器，获取与水箱的水位高度成正比的水位信号，传送给所述的MCGS组态电脑；

所述的PLC模块通过连接在温度传感器接口模块的温度传感器，获取热泵热水系统的实时温度，传送给所述的MCGS组态电脑；

所述的PLC模块连接到所述的补水泵和循环泵，根据所述MCGS组态电脑下发的机组控制参数，控制热泵热水系统的水箱水位和供水温度。

本发明的空气源热泵热水系统的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的热水增压泵为变频增压泵；所述的PLC模块连接到变频器，依据水管出口压力控制热水增压泵的启停，通过变频器调节热水增压泵的转速，实现变频热水给水。

本发明的空气源热泵热水系统的一种更好的技术方案，其特征在于所述的配电柜中设有电能表，所述的MCGS组态电脑通过MODBUS/RTU总线连接到所述的电能表，获取热泵热水系统的分时段电能消耗数据。

本发明的有益效果是：

1、本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法，以及使用上述热泵系统监控方法的空气源热泵热水系统，采用PLC分散控制、电脑集中管理的网络化监控装置，实现基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法，具备对耗电量和用水量的能耗累计的统计功能，可以解决空气源热泵热水系统的集中控制和能耗管理的问题，充分体现空气源热泵的节能优势。

2、本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法及其空气源热泵热水系统，可以根据每日的用水量，自动调节水箱水位，该系统还可以实现热泵机组的最优节能策略控制，在保证分时段用水量的条件下，尽量利用低谷电能制取热水。

附图说明

图1是使用本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的空气源热泵热水系统示意图；

图2是本发明的空气源热泵热水系统的网络化监控装置的原理图；

图3是网络化监控装置的PLC模块外部接口电路图；

图4是网络化监控装置的电能表外部接口电路图；

图5是网络化监控装置的远传水表接口电路图。

以上图中的各部件的标号：100-空气源热泵热水系统，111～118-热泵机组1～8，120-水箱，130-补水泵，140-循环泵，150-热水增压泵，151-变频器，160-回水阀，170-泄水阀，190-配电柜，200-网络化监控装置，210-MCGS组态电脑，220-PLC模块，221-温度传感器接口模块，222-水表接口模块，223-液位接口模块，230-电能表，240-远传水表。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

网络化监控装置200由上位机、机组主板、电气执行设备和传感器等组成，上位机负责对整个系统实时监控，机组主板通过传感器连接到热泵热水系统，完成现场数据采集和输送等工作，实现系统的多级控制，使控制功能更强大。图1是使用本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的空气源热泵热水系统的一个实施例，空气源热泵热水系统100包括至少两套热泵机组，水箱120，补水泵130，循环泵140，热水增压泵150和配电柜190，以及用于实现基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的网络化监控装置200。在图1所示的实施例中，空气源热泵热水系统100包括8套热泵机组，图中使用附图标号111～118分别表示为机组1～机组8。

网络化监控装置200的一个实施例如图2所示，包括设置在集中控制室的MCGS组态电脑210、设置在热泵热水系统现场的PLC模块220，连接在热泵机组补水管路的远传水表240，以及设置在热泵热水系统100中的液位传感器和温度传感器；根据图1和图2所示的实施例，本发明中上位机为配置昆仑通态的MCGS通用版的计算机，简称为MCGS组态电脑210。本实施例的机组主板由三菱FX3U系列PLC控制器和接口模块组成，置于配电柜190中，本发明中称为PLC模块220；如图2所示，网络化监控装置200，通过PLC模块220，实现系统与MCGS组态电脑210的通讯以及外围设备的控制。PLC模块220与外围接口模块的接线图如图3所示。

所述的MCGS组态电脑210通过数据总线转换接口，与所述的PLC模块220建立双向数据连接，将机组控制参数发送给PLC模块220；所述数据总线转换接口的一个实施例是RS232转USB模块，PLC模块220的RS232接口通过RS232转USB模块连接到MCGS组态电脑210的USB接口。

PLC模块220通过连接在水表接口模块222的远传水表240，获取系统用水量，并且传送给MCGS组态电脑210；本实施例采用FX3U-485-BD或FX3U-485ADP模块作为水表接口模块222，远传水表240利用12V开关电源供电，采集每天的用水量数据传送至MCGS主界面，对用水量进行监控。通过统计每日的用水量，按照每日用水量，自动控制水箱里水位的高低，做到用多少热水就加热多少热水，以达到进一步节能的效果。远传水表240的接线图如图4所示。

PLC模块220通过连接在液位接口模块223的液位传感器，获取与水箱120的水位高度成正比的水位信号，并且传送给MCGS组态电脑210；本实施例采用FX2N-2AD型模拟输入模块作为液位接口模块223，采用压力变送器作为液位传感器，将压力变送器的4-20ma模拟输入信号转换成与水位高度成正比的12位数字值，传送到PLC控制器，实现根据水箱水位高度控制系统的补水操作。

PLC模块220通过连接在温度传感器接口模块221的温度传感器，获取热泵热水系统的实时温度，传送给MCGS组态电脑210，所述的实时温度包括供水温度、环境温度、水箱温度和回水温度；根据图2所示的实施例，采用FX2N-4AD-PT模拟量的特殊功能模块作为温度传感器接口模块221，将来自四个PT100温度传感器的输入信号放大，并转换成12位的可读数据，传送给PLC控制器，并且以得到的实时温度数据作为PLC的输入量，与动作条件比较，输出机组水泵的开启指令。

PLC模块220连接到补水泵130和循环泵140，根据MCGS组态电脑210下发的机组控制参数，控制热泵热水系统100的水箱水位和供水温度，参见图3。

根据图1所示的空气源热泵热水系统的实施例，热水增压泵150为变频增压泵；PLC模块220连接到变频器151，依据水管出口压力控制热水增压泵150的启停，通过变频器151调节热水增压泵150的转速，实现变频热水给水，参见图3。

在图1和图2所示本发明的空气源热泵热水系统的实施例中，配电柜190中设有电能表230，电能表230优选为配置MODBUS/RTU总线的复费率电表，MCGS组态电脑210通过MODBUS/RTU总线连接到电能表230，获取热泵热水系统100的分时段电能消耗数据，可以依据用电负荷状态和相应时段的供水量需求，调整机组的间歇运行工况，执行避开用电高峰的分时段启停控制。本实施例利用MODBUS/RTU通讯协议读取复费率电表的实时用电量数据，经过485转换器，将采集到的实时用电量传送到通用版MCGS中并在主界面显示，同时通过通用版MCGS的数据查询，计算显示每天不同时段的用电量，以便日后进行数据分析。电能表230的接线图如图5所示。

本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法，用于空气源热泵热水系统100的监控，空气源热泵热水系统100采用PLC分散控制、电脑集中管理的模式，通过MCGS组态电脑210和PLC模块220进行监控，所述的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法包括以下步骤：

S100：验证用户管理权限，根据用户操作级别进入监控系统；

S120：通过MCGS组态电脑监控界面设置机组控制参数，所述的机组控制参数包括供水温度设定值，回水温度设定值，水箱水位设定值，以及定时开关机时间；通过设置定时开关机时间，可以根据用水量和峰谷电价，分时段设定定时开关机组，还可以通过设置主备用设备间切换的时间，实现主备设备间的定时切换。

S140：MCGS组态电脑将机组控制参数发送给PLC模块；

S160：MCGS组态电脑根据热泵机组的分时段用水量历史数据，动态修正水箱水位设定值；

S200：通过PLC模块实时获取机组运行参数，所述的机组运行参数包括供水温度、回水温度、环境温度、水箱水温和水箱水位；

S220：根据所述的机组控制参数和机组运行参数，通过PLC模块控制热泵机组的运行状态；

S240：通过PLC模块控制热水增压泵150的启停，调节热水增压泵150的转速，实现变频热水给水；

S260：通过PLC模块根据分时段的用水量控制水箱水位，根据实际需要的用水量按最优节能策略启停热泵机组，所述的最优节能策略是在保证分时段用水量的条件下，尽量利用低谷电能制取热水；

S300：通过PLC模块采集热水系统的开关量信号，自动累计运行时间，通过电能表和远传水表采集热泵机组用电量和用水量；

S320：将实时获取的机组运行参数、热泵机组用电量和用水量，存储在机组运行数据库中，实现机组运行数据的采集和存储；

S340：通过MCGS组态电脑监控界面实时监视热泵机组的设备状态，如有故障，显示告警及维修提示信号，并且记录热泵机组的设备运行及报警状态。

根据本发明的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的另一个实施例，还包括以下步骤：

S400：查询机组运行历史数据，通过MCGS组态电脑监控界显示机组运行参数、热泵机组用电量和用水量，以及热泵机组的设备运行及报警状态，通过历史曲线和实时曲线体现热泵机组的工作状态。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法，用于空气源热泵热水系统的监控，所述的空气源热泵热水系统采用PLC分散控制、电脑集中管理的模式，通过MCGS组态电脑和PLC模块进行监控，所述的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法包括以下步骤：

S100：验证用户管理权限，根据用户操作级别进入监控系统；

S120：通过MCGS组态电脑监控界面设置机组控制参数，所述的机组控制参数包括供水温度设定值，回水温度设定值，水箱水位设定值，以及定时开关机时间；

S140：MCGS组态电脑将机组控制参数发送给PLC模块；

S160：MCGS组态电脑根据热泵机组的分时段用水量历史数据，动态修正水箱水位设定值；

S200：通过PLC模块实时获取机组运行参数，所述的机组运行参数包括供水温度、回水温度、环境温度、水箱水温和水箱水位；

S220：根据所述的机组控制参数和机组运行参数，通过PLC模块控制热泵机组的运行状态；

S240：通过PLC模块控制热水增压泵150的启停，调节热水增压泵150的转速，实现变频热水给水；

S260：通过PLC模块根据分时段的用水量控制水箱水位，根据实际需要的用水量按最优节能策略启停热泵机组，所述的最优节能策略是在保证分时段用水量的条件下，尽量利用低谷电能制取热水。

S300：通过PLC模块采集热水系统的开关量信号，自动累计运行时间，通过电能表和远传水表采集热泵机组用电量和用水量；

S320：将实时获取的机组运行参数、热泵机组用电量和用水量，存储在机组运行数据库中，实现机组运行数据的采集和存储；

S340：通过MCGS组态电脑监控界面实时监视热泵机组的设备状态，如有故障，显示告警及维修提示信号，并且记录热泵机组的设备运行及报警状态。

2.根据权利要求1所述的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法，其特征在于还包括以下步骤：

S400：查询机组运行历史数据，通过MCGS组态电脑监控界显示机组运行参数、热泵机组用电量和用水量，以及热泵机组的设备运行及报警状态，通过历史曲线和实时曲线体现热泵机组的工作状态。

3.一种使用权利要求1所述的基于PLC和MCGS的热泵系统监控方法的空气源热泵热水系统，包括至少两套热泵机组，水箱，补水泵，循环泵，热水增压泵和配电柜，其特征在于：

所述的空气源热泵热水系统还包括网络化监控装置；所述的网络化监控装置包括设置在集中控制室的MCGS组态电脑、设置在热泵热水系统现场的PLC模块，连接在热泵机组补水管路的远传水表，以及设置在所述空气源热泵热水系统中的液位传感器和温度传感器；

所述的MCGS组态电脑通过数据总线转换接口，与所述的PLC模块建立双向数据连接，将机组控制参数发送给PLC模块；

所述的PLC模块通过连接在水表接口模块的远传水表，获取系统用水量，传送给所述的MCGS组态电脑；

所述的PLC模块通过连接在液位接口模块的液位传感器，获取与水箱的水位高度成正比的水位信号，传送给所述的MCGS组态电脑；

所述的PLC模块通过连接在温度传感器接口模块的温度传感器，获取热泵热水系统的实时温度，传送给所述的MCGS组态电脑；

所述的PLC模块连接到所述的补水泵和循环泵，根据所述MCGS组态电脑下发的机组控制参数，控制热泵热水系统的水箱水位和供水温度。

4.根据权利要求3所述的空气源热泵热水系统，其特征在于所述的热水增压泵为变频增压泵；所述的PLC模块连接到变频器，依据水管出口压力控制热水增压泵的启停，通过变频器调节热水增压泵的转速，实现变频热水给水。

5.根据权利要求3或4所述的空气源热泵热水系统，其特征在于所述的配电柜中设有电能表，所述的MCGS组态电脑通过MODBUS/RTU总线连接到所述的电能表，获取热泵热水系统的分时段电能消耗数据。

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