摘要：詳細(xì)地介紹了單體建筑空調(diào)機(jī)房的控制任務(wù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)選型及配置，空調(diào)機(jī)房的設(shè)備自動控制邏輯。
關(guān)鍵詞：單體建筑空調(diào)機(jī)房；冷熱量計費(fèi)；工業(yè)以太網(wǎng)；現(xiàn)場總線Profibus-DP；S7-200PLC；
Abstractthis paper introduces in detail about the control mission and long-distance monitor system network..configuration and type-choose control system. auto-control. logic of the air-conditioning plant equipment of the unit building air-conditioning plant.
Key words: unit building air-conditioning cold-thermal charging Industrial ethernet network Local bus Profibus-DP S7-200PLC
一、項目簡介:
廣州大學(xué)城是廣東省落實“科教興粵”戰(zhàn)略部署的一項重要工程，同時也是廣州市建設(shè)現(xiàn)代化生態(tài)城市目標(biāo)規(guī)劃中的重要組成部分。廣州大學(xué)城定位為國家一流的大學(xué)園區(qū)，華南地區(qū)高級人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和交流的中心，學(xué)、研、產(chǎn)一體化發(fā)展的城市新區(qū)，面向21世紀(jì)適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)體制和廣州國際化區(qū)域中心城市地位、生態(tài)化和信息化的大學(xué)園區(qū)。廣州大學(xué)城位于廣州市番禺區(qū)小谷圍島及南岸地區(qū)，規(guī)劃范圍約43平方公里，可容納學(xué)生18萬至20萬人，總?cè)丝谶_(dá)40萬人左右（包括村鎮(zhèn)人口）。大學(xué)城的建設(shè)目標(biāo)是在廣州市未來發(fā)展的中心地帶番禺區(qū)小谷圍島及其南岸地區(qū)新建一座集大學(xué)教育、生活及其配套設(shè)施為一體的一流大學(xué)城。
廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)設(shè)計總裝機(jī)容量約11萬冷噸，供冷建筑面積約350萬平方米，各高校末端總共有近300間板換間，冷凍水供回水溫度為3℃/13℃。其自控系統(tǒng)能自動、實時采集系統(tǒng)所有機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、末端負(fù)荷狀態(tài)等參數(shù)，并實施過程控制，使系統(tǒng)為末端用戶提供足夠的冷量，并能跟隨末端負(fù)荷的變化，實現(xiàn)冷站供冷量與末端用戶實際需求負(fù)荷的精確匹配，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低運(yùn)營成本。
廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)是當(dāng)今世界供冷區(qū)域最大的工程之一，蓄冷量可與美國芝加哥市UNICOM區(qū)域供冷系統(tǒng)相媲美。整個系統(tǒng)建有四個冷站，空調(diào)負(fù)荷主要是十所高校的教學(xué)區(qū)和生活區(qū)大樓以及兩個中心商業(yè)區(qū)供冷。整個系統(tǒng)由冷站（制備冷量）、空調(diào)冷凍水管網(wǎng)（輸送冷量）及末端供冷系統(tǒng)（使用冷量）三個子系統(tǒng)組成。自控系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)域供冷系統(tǒng)四個冷站中央空調(diào)系統(tǒng)的自動監(jiān)控，在系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，以滿足末端用戶供冷需求為根本，從末端用戶穩(wěn)定供冷、二級泵管網(wǎng)穩(wěn)定送冷和冷站制冷三個環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，在滿足用戶舒適性要求下，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)運(yùn)行于最佳工況，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
末端供冷系統(tǒng)是整個區(qū)域供冷系統(tǒng)控制的決定因素，它直接反映了空調(diào)負(fù)荷的變化，從而也決定了冷站內(nèi)如何控制冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行的工況。因此，如何控制好末端供冷系統(tǒng)，正確反映空調(diào)負(fù)荷是整個區(qū)域供冷系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)中末端供冷系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司S7-200可編程控制器來完成自動控制過程。
單體建筑用戶側(cè)高溫回水經(jīng)水泵流過板換，再以低溫水向單體建筑供冷；管網(wǎng)側(cè)供水管來自冷站，經(jīng)板換后再回到冷站，目的是向單體建筑提供冷量?？照{(diào)管網(wǎng)輸送的冷凍水與各單體建筑內(nèi)的冷凍水通過板換進(jìn)行熱交換來完成能量傳遞過程。具體的工藝流程如下圖所示。
圖1 末端供冷系統(tǒng)圖
二、控制系統(tǒng)構(gòu)成
1、控制設(shè)備選型
單體建筑空調(diào)機(jī)房設(shè)備少、控制簡單，關(guān)鍵是必須具備計費(fèi)和獨(dú)立控制功能。因此，從性價比及控制要求上我們選擇了德國西門子S7-200系列PLC進(jìn)行自動控制。其主要有四個方面的優(yōu)點(diǎn)：
1、 性價比最優(yōu)
單體建筑空調(diào)機(jī)房受控制設(shè)備少、控制點(diǎn)數(shù)少、工藝簡單，采用低端PLC自由組合I/O模塊，獨(dú)立編程控制，靈活便捷，相對DDC系統(tǒng)投資少。西門子PLC在全球有良好的可信度，其低端產(chǎn)品S7-200系列PLC具有精度高、可靠性高、編程靈活、性能優(yōu)越、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，且在全球有著極高的市場占有率。
2 能夠獨(dú)立編程控制
在廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中，選擇ET200M分布式I/O，配置有源背板總線，在主站CPU上統(tǒng)一編程，可靠性更高。從站I/O點(diǎn)不影響整個系統(tǒng)運(yùn)行，各從站間相互獨(dú)立。從站不能采用ET200M分布式I/O，而必須采用CPU+I/O模塊。根據(jù)工藝要求，末端單體建筑空調(diào)機(jī)房必須具備獨(dú)立冷熱量計費(fèi)、控制功能。冷熱量計費(fèi)要求PLC采樣精度高。S7-200PLC掃描周期十幾毫秒，對溫度的分辨率為1/212℃，對流量的分辨率為1/215m3/h，高精度配置可以使計費(fèi)精度達(dá)0.2%。每個機(jī)房的設(shè)備數(shù)量不一致，控制程序不完全相同，在CPU上可以任意編程。因此采用S7-200PLC能夠滿足系統(tǒng)控制要求。
3 通訊功能
與其它PLC一樣，S7-200配置相應(yīng)的通訊模塊可以與Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通訊，也可以與工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時CPU上的編程口支持自由通訊協(xié)議，可以與變頻器通訊。廣州大學(xué)城末端控制系統(tǒng)采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)是西門子公司推出的世界應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)典的總線方式。最大通訊速率達(dá)12Mbps，主站CPU訪問每個從站CPU并監(jiān)控從站。主站CPU通過工業(yè)以太網(wǎng)接受控制室操作員站監(jiān)控，形成一個完整的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
4 擴(kuò)展功能
S7-200PLC最多可以帶8個擴(kuò)展模塊，可以擴(kuò)充控制點(diǎn)。配CP231模塊可以與工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時CPU上的編程口支持自由通訊協(xié)議，可以與變頻器通訊。
2、系統(tǒng)硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)硬件配置
末端控制PLC：S7-200（CPU224、EM231 RTD、EM235、EM277）
冷站內(nèi)的操作站：工控機(jī)（PⅣ2.4G 21’純平彩顯）
以太網(wǎng)卡：CP1613
交換機(jī)：OSM-ITP62
主站CPU：CPU414-2DP（圖中S7-412-2DP即表示CPU412-2DP，其從站只有40個）以太網(wǎng)接口：CP443-1
擴(kuò)展DP接口：CP443-5（擴(kuò)展型）
光電鏈路器：OLM/G11-1300（主站PLC出口）、OLM/G12-1300
系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
控制級采用TCP/IP協(xié)議，工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)波特率為10/100Mbps，采用光纖進(jìn)行通訊，現(xiàn)場級采用現(xiàn)場總線Profibus-DP，總線傳輸介質(zhì)為通訊電纜和光纜，網(wǎng)絡(luò)波特率為19.2Kbps。拓樸結(jié)構(gòu)如下：
二、三、四冷站各設(shè)一套主站PLC（CPU414-2DP），上圖為廣州大學(xué)城四號冷站末端控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，二、三號冷站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與上圖相似，只是Profibus-DP網(wǎng)段數(shù)量和從站數(shù)量不一樣。以四號冷站末端控制系統(tǒng)方案進(jìn)行分析，根據(jù)各單體的位置，按近原則組網(wǎng)，采用光纜介質(zhì)和Profibus專用電纜介質(zhì)，選用S7-400 CPU414-2 DP可編程控制器作主站，S7-200PLC作從站來完成整個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建，具體方案如下：
各冷站PLC、操作員站以及其它控制器和服務(wù)器工作在工業(yè)以太網(wǎng)上，服務(wù)器讀寫三個冷站的主站PLC。作為收費(fèi)系統(tǒng)和監(jiān)控各單體建筑機(jī)房的人機(jī)界面，各冷站的操作員站只讀寫對應(yīng)主站PLC 。
根據(jù)西門子高端產(chǎn)品通訊技術(shù)參數(shù)，一個CPU414-2DP可以有至少4個最多10個Profibus-DP網(wǎng)段，一個DP網(wǎng)段最多不超過96個從站，一個OLM可以作一條Profibus-DP總線，該總線最多不超過32個從站，但實際組網(wǎng)時會考慮到CPU的過程映象I/O點(diǎn)數(shù)量的最大允許值和CPU通訊的I/O點(diǎn)數(shù)量以及設(shè)計余量來分配網(wǎng)段的從站數(shù)量。根據(jù)一條Profibus-DP總線要求和地域分布以及設(shè)計余量來分配一條Profibus-DP總線的從站數(shù)量，從而實現(xiàn)主站PLC（S7-400）對各單體建筑空調(diào)機(jī)房的監(jiān)控。利用CPU224處理模擬量功能較強(qiáng)、精度較高的特點(diǎn)，通過擴(kuò)展模擬量AI/AO模塊，完成溫度、流量、壓差和調(diào)節(jié)閥門的控制；通過擴(kuò)展數(shù)字量DI/DO模塊，完成單體建筑空調(diào)機(jī)房水泵、壓差開關(guān)、電動蝶閥等設(shè)備的監(jiān)控。
三、控制系統(tǒng)功能
整個區(qū)域供冷末端系統(tǒng)約300個單體建筑空調(diào)機(jī)房，每個單體建筑機(jī)房要求獨(dú)立計費(fèi)、獨(dú)立運(yùn)行。因此，末端系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是做好各單體建筑空調(diào)機(jī)房內(nèi)設(shè)備如：變頻水泵、調(diào)節(jié)閥門等的自動控制和冷熱量的計量。管理人員可以在各冷站的控制室通過現(xiàn)場的Profibus-DP總線和工業(yè)以太網(wǎng)對末端系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制管理。
具體的控制任務(wù)如下：
1、對每一棟單體建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計量、控制，現(xiàn)場不能修改參數(shù)，只能顯示監(jiān)視數(shù)據(jù)。
2、板換二次側(cè)供水溫度T3控制在6.5℃，水泵變頻控制。
3、控制室具有數(shù)據(jù)查詢包括日用量和月用量查詢和用戶資料查詢，可以顯示選定某段時間的數(shù)據(jù)按每棟進(jìn)行查詢。
4、當(dāng)大樓欠費(fèi)時可以通過控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，將對應(yīng)的冷源自動關(guān)閉，方便物業(yè)管理。
系統(tǒng)應(yīng)能提供穩(wěn)定、可靠的設(shè)備監(jiān)控功能，同時，系統(tǒng)應(yīng)具有很好的兼容性、可擴(kuò)展性。
控制程序結(jié)構(gòu)與流程：
按空調(diào)工藝特點(diǎn)和要求及冷熱量計費(fèi)要求編制的控制程序保證了空調(diào)供冷過程可順利地進(jìn)行，并對機(jī)房運(yùn)行各裝置提供了有效的監(jiān)控和保護(hù)，保證了系統(tǒng)正常的計費(fèi)。根據(jù)系統(tǒng)要求空調(diào)供冷要分遙控/本控兩種方式。在本控操作時，通過電源柜可以啟動水泵，但必須手動打開電動調(diào)節(jié)閥門方可供冷，以滿足控制器故障時供冷需要。遠(yuǎn)程控制室可以全自動控制設(shè)備、監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)。主控站S7-400 CPU任務(wù)較多，但主要是讀寫各從站的監(jiān)控參數(shù)，通過合理設(shè)計程序結(jié)構(gòu)能大大減少程序的掃描時間，提高CPU的工作效率。雖然各單體建筑空調(diào)機(jī)房的邏輯控制不完全一樣，但可以分為三類，每類的邏輯控制完全一樣，主控站S7-400 CPU與從站S7-200 CPU交換數(shù)據(jù)參數(shù)一樣，可用循環(huán)程序來調(diào)用同一類子程序（FC功能塊）的辦法來完成各單體建筑空調(diào)機(jī)房的監(jiān)控，主控站CPU與各從站交換的數(shù)據(jù)分別放在3個DB數(shù)據(jù)塊中，在調(diào)用各功能塊之前打開各自的數(shù)據(jù)塊，完成參數(shù)的傳遞。
四、項目運(yùn)行情況
廣州大學(xué)城末端供冷系統(tǒng)自動化程度高，數(shù)據(jù)采集量大，控制站數(shù)量較多，因此我們對系統(tǒng)的可靠性要求比較高，自2006年9月的投入使用，實現(xiàn)了高度集成自動化控制和科學(xué)化能源管理。廣州大學(xué)城區(qū)域供冷系統(tǒng)采用SIEMENS 可編程控制器很好的完成了空調(diào)供冷和計費(fèi)的自動控制任務(wù)，采用Profibus-DP工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)了各冷站控制室對各個單體建筑空調(diào)機(jī)房的分布式集中控制，符合大型區(qū)域供冷自控系統(tǒng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。
