辽宁西西门子S7-1200代理商

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1 引言

　　水源热泵空调系统是一种利用自然水源作为冷热源的空调系统，其核心技术是水源热泵技术。所谓水源热泵技术，是利用地球表面浅层水源所吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。河水、湖水、地下水等地球表面浅层水源吸收了太阳辐射的能量，水源的温度十分稳定。在夏季，水源热泵空调系统将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量。在冬季，水源热泵空调系统从水源中提取能量，根据热泵原理，通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常，水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。由于水源热泵空调系统具有高效、节能和环保等优点，近年来得到了越来越多的应用[1][2]。

　　空调系统的控制主要分为继电器控制系统、直接数字式控制器（DDC）系统和可编程序控制器（PLC）系统等级几种。由于故障率高、系统复杂、功耗高等明显的缺点，继电器控制系统已逐渐被淘汰。DDC控制系统虽然在智能化方面有了很大的发展，但由于其本身抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，从而限制了其应用。相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用维护方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构等显著的优点，在智能建筑中得到了广泛的应用。为了提高空调系统的经济性、可靠性和可维护性，目前空调系统都倾向于采用先进、实用、可靠的PLC来进行控制[3]。

　　本文介绍和利时公司HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC在水源热泵空调控制系统中的成功应用，说明了HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC可以很好地实现中央空调智能化控制，达到减少无效能耗、提高能源利用效率和保护空调设备的目的。



　　2 空调系统介绍

　　北京市某单位的办公楼采用水源热泵中央空调系统，总建筑面积8550m2，建筑高度20.5m，其中空调面积约6840m2。地下1层为各种设备房和操作间，地上1层为职工食堂、大厅和会议室，地上2～6层为商业办公用房。



　　室内温度和相对湿度等技术参数的设计要求如表1所示。水源热泵中央空调系统的设计制冷量为860kW，制热量为950kW。空调的主机系统由四台压缩机组成，水源水系统由取水井、渗水井和水处理设备组成。

表1 室内技术参数的设计要求

　　3 控制系统硬件设计

　　该水源热泵中央空调系统主要是根据蒸发器和冷凝器进出水温度的变化来控制4台压缩机的启停，使水温稳定在设定的范围内。4台压缩机分成A和B两组，每组各有2台压缩机。系统的I/O点分配如表2所示，其中开关量输入点6个，模拟量输入点4个，开关量输出点5个，模拟量输出点1个。

表2 系统的I/O点分配表

　　根据输入和输出的要求，该水源热泵中央空调系统的控制器选用和利时公司具有自主知识产权的HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC。考虑到此系统需要一定的备用I/O点，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。模拟量输入模块选用四通道热电阻输入模块LM3312，模拟量输出模块选用两通道模拟量输出模块LM3320。PLC的人机界面选用EView触摸屏。PLC控制系统及相关设备的组成如图1所示，这些配置完全能够满足系统的要求[4][5]。

<img alt="图1" src="https://www.jdzj.com/plc/plcedit/UploadFile/200912189158406.gif" PLC控制系统的组成>
图1 PLC控制系统的组成

　　4 控制系统软件设计

　　控制系统的主要功能是对热泵进行自动启停，显示温度、压力、流量等运行参数，显示压缩机的工作状态，记录设备的运行时间和故障原因，实现对水源热泵中央空调系统的智能控制。从控制系统的主要功能出发，为了增加程序可读性和减少程序代码，PLC程序采用了主程序调用功能块、功能块调用函数的程序结构。PLC程序由1个主程序、11个功能块子程序和1个函数组成，其调用关系如图2所示。程序编译码占用空间为30K。

　　程序设计的思路是，当PLC上电后，一直进行温度、压力、流量等运行参数的检测，这些检测主要在检测程序、故障程序和A/B组故障停机程序中完成。如果相关参数均无异常，则开机功能块子程序运行，启动压缩机。在开机过程中，同时进行温度判断。如果温度达到了设定值，则进入调节功能块子程序，停止开机功能块子程序，完成开机。根据温度的变化，调节功能块子程序控制压缩机的启停。变频器的控制则是通过调用加载程序和降载程序来实现。

　　在这些程序中，为了满足压缩机的使用要求，调节功能块子程序是繁琐的，例如压缩机的启动时间要小于30秒、压缩机每小时的启动次数不要超过5次等。为了平衡压缩机的运行时间，增加空调的使用寿命，传统的程序设计采用先启先停、先停先启、开机过程中启动次序轮换等控制方法，来协调压缩机的运行时间。但是，如果本系统采用这种方法，则仍然存在某一台压缩机运行时间过长的问题。因此决定对传统方法进行改进，采用随机启停的控制方法代替先启先停、先停先启的控制方法，解决了压缩机的运行时间不平衡的问题。

图2 程序调用关系图

　　人机界面选用EView触摸屏，首页如图3所示。输入密码后，点击功能菜单，在弹出的快捷窗口中，可以选择参数查询、运行时间、故障查询、运行状态、参数设定、调节显示、操作界面等子菜单，进行相关的操作和显示。

图3 人机界面首页

　　5 结论

　　采用传统的继电器控制系统来实现热泵的控制，由于机械接触点很多，接线复杂，参数调整不方便，而且机械接触点的工作频率低，容易损坏，可靠性差。采用直接数字式控制器（DDC）虽然可以减少接线，可靠性有所提高，但由于DDC其本身的抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构的局限性，因此，越来越不能满足复杂多变的智能控制要求。

　　采用PLC来控制热泵系统，不仅可以通过编程实现复杂的逻辑控制，而且可以在很大程度上简化硬件接线，提高控制系统可靠性，用户操作界面友好，信息集程度高，便于实现智能控制。因此，在热泵空调领域，PLC控制系统取代DDC控制系统是必然趋势

控制方案

　　由于自来水生产工艺主要具有以下特点：
■ 各生产工艺段相对独立，单体设备多；
■ 采集的数据量大且种类多，但上下游相关联的生产参数少；
■自来水生产具有连续性、性和不间断性；
■各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。

　　根据以上特点，本系统选用OMRON的中小型PLC对各工艺段或设备分散控制，通过OMRON Protocol和Controller bbbb组成网络，各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进行后续处理。全厂控制网络如图2所示。

图2：全厂控制网络图

　　监控系统的硬件配置为：上位机选用高可靠性的微型计算机，扩展了Controller bbbb 支持卡3G8F7 CLK211-E, 配置有8套中型PLC OMRON C200HG，1套OMRON CS1H，8套小型PLC OMRON CQM1，8套CPM2A ，全部中型PLC和上位机通过Controller bbbb线缆通信单元CLK21和操作站上扩展的通信单元3G8F7-CLK21-E组成Omron Controller bbbb网络，小型PLC通过OMRON Protocol与相关功能间的中型PLC相联。OMRON公司的Controller bbbb网络是OMRON主要的FA（工厂自动化）级别的网络，是一种使用令牌总线通信的网络，网络中的每个节点都可作为主站进行数据的发送和接收。

　　通过设置数据链接，节点间可以自动交换预置区域内数据。该网络中控制通信的节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关的任务。这种总线型拓扑结构具有大的灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。由于采用了分布式控制技术，可确保Controller bbbb网络不会因某个站点故障而崩溃，提高了系统的稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为Controller bbbb网络的通信介质，整个网络由网桥分成两段，主要是为了满足其对通讯距离的要求，同时可适应以后扩展的需要。由于各节点距离较大，传输速率设为500kbps，可满足系统实时性要求。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要的生产设备分散控制，同时利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，提高了可靠性，是一种经济可行的方案。

　　在取水及送水工艺段上，主要设备都为多台大型离心水泵和10kV高压直流电机，因此每一高压配电柜选用一台Sepam2000 （施耐德生产，专用于配电柜控制的小型PLC） 进行数据采集和控制，通过RS485接口连成网络，由控制室的OMRON C200HG中型 PLC利用OMRON Protocol协议与它们通讯，对其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量的数据采集电缆，而且当某台PLC发生故障时可以方便断开而不影响其他设备的正常生产。对于沉淀池排泥车的控制，由于排泥车在长达近百米的沉淀池上前后移动，因此其控制所用小型PLC利用电台与控制室间的C200HG通过RS232接口进行1：N通讯，电台型号为MDS-SCADA-24810，为直接数字调制解调电台，工作频率范围在2.4G～2.4835GHz，支持标准的异步通讯协议，工作稳定可靠，协议同样采用OMRON Protocol，软件用OMRON-CX-Protocol编制。二期滤池选用多个小型PLC（OMRON CQM1H）分散控制，可以较好地解决因控制设备故障而造成全部滤池停产的问题。 

程序结构

　　本系统全部设备的控制都由PLC来完成，PLC程序利用OMRON-CX-Programmer软件编制。在各工艺段及单体设备其控制程序亦相对独立，部分相同的工艺采用子程序模式，因此程序结构比较简单，调试和维修方便。

人机界面

　　该系统人机界面以组态软件iFix3.0为平台开发，由若干个画面组成：总画面（水厂水处理工艺）、各系统工艺图、报警窗口等。为增加画面的可读性和可观赏性，主要画面均采用立体图形式（用3ds、flash等软件绘制），在画面的相关位置显示该设备的所有主要运行参数。设备的控制通过点击该设备进入，shift+鼠标左键可打开该设备的帮助文件，包括设备档案、运行规程等。iFix与OMRON PLC的通讯由OMRON的FinsGateway和Inbbblution 的驱动程序OMF或OMR完成，这是整个系统正常运行的关键。

■ 总画面：表现的是整个水厂的水处理工艺（立体图形式），从取水、投药、投氯、絮凝沉淀、过滤到供水。在相关位置显示水处理的各主要控制参数以及重要设备的主要控制参数，可以点击进入各分站。
■ 各系统工艺图：主要有取水工艺图、投矾工艺图、投氯工艺图、絮凝池、排泥车、滤池、送水工艺图、高低压配电图等。除配电图外，均采用立体图形式，画面直观醒目，而且能够表达比平面图更丰富的信息。
■ 报警窗口：所有报警显示的同时，喇叭会一直响到确认为至。也可以按需要分类显示。
■ 设备控制参数设定：参数设定时会检查输入参数是否正确（错误参数不能输入）、参数有无正确下载至PLC，如果出错会报告操作人员。
■ 生产报表：分生产情况（设备运行参数）、生产统计两种报表。老系统没有生产情况报表，生产统计报表也不能正确生成。针对这种情况，我们全面修改了PLC程序，并且为节省存储空间和查询方便起见，将平时的生产数据都存放在历史数据库里，在需要时可即时生成报表。
■ 历史曲线：可查询全厂所有主要运行参数的历史情况。为便于设备运行情况分析，可以在同一画面下同时显示设备的历史运行情况与当前的运行情况以作对比。
■ 为防止设备控制出错，所有设备分别有中控（中控室上位机控制）、现控（现场车间上位机控制）、自动、就地（设备不受PLC控制）4种控制方式，可以随需要随时转换。
■全厂的所有工作站都可看到全厂的运行情况。