PLC在冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

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  1 引言

    冰蓄冷中央空調(diào)是將電網(wǎng)夜間谷荷多余電力以冰的冷量形式儲(chǔ)存起來(lái)，在白天用電高峰時(shí)將冰融化提供空調(diào)服務(wù)。由于我國(guó)大部分地區(qū)夜間電價(jià)比白天低得多，所以采用冰儲(chǔ)冷中央空調(diào)能大大減少用戶的運(yùn)行費(fèi)用。

    冰蓄冷中央空調(diào)系統(tǒng)配置的設(shè)備比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)要增加一些，自動(dòng)化程度要求較高，但它能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在滿足建筑物全天空調(diào)要求的條件下將每天所蓄的能量全部用完，最大限度地節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

    2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    控制系統(tǒng)由下位機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)控制工作站）與上位機(jī)（中央管理工作站）組成，下位機(jī)采用可編程序控制器（PLC）與觸摸屏，上位機(jī)采用工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)與打印機(jī)，系統(tǒng)配置必要的附件如通信設(shè)備接口、網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等，實(shí)現(xiàn)蓄冷系統(tǒng)的參數(shù)化與全自動(dòng)智能化運(yùn)行。

    下位機(jī)和觸摸屏在現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行系統(tǒng)控制、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示。上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和打印，它包含下位機(jī)和觸摸屏的所有功能。整個(gè)系統(tǒng)以下位機(jī)的工業(yè)級(jí)可編程序控制器為核心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制?？刂圃O(shè)備與器件包括：傳感檢測(cè)元件、電動(dòng)閥、變頻器等。

    2.1 下位機(jī)系統(tǒng)（區(qū)域工作站）

    2.1.1 TP21觸摸屏

    采用TP27彩色觸摸屏作為操作面板，完全取代常規(guī)的開(kāi)關(guān)按鈕、指示燈等器件，使控制柜面談得更整潔。并且，TP27觸摸屏在現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、系統(tǒng)設(shè)置、模式選擇、參數(shù)設(shè)置、故障記錄、負(fù)荷記錄、時(shí)間日期、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、負(fù)荷曲線與報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能，中文操作界面直觀友好。

    2.1.2 SIEMENS可編程序控制器

    SIMATIC S7-300系列PLC適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化，其強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。

    該產(chǎn)品具有光電隔離，高電磁兼容；具有很高的工業(yè)適用性，允許的環(huán)境溫度達(dá)60℃；具有很強(qiáng)的抗干擾、抗振動(dòng)與抗沖擊性能，因此在嚴(yán)酷的工作環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。

    自由通訊口方式也是S7-300型PLC的一個(gè)很有特色的功能，它使S7-300型PLC可以與任何通訊協(xié)議公開(kāi)的其它設(shè)備、控制器進(jìn)行通訊，即S7- 300型PLC可以由用戶自己定義通訊協(xié)議（例ASCII協(xié)議），波特率為1.5Mbit/s（可調(diào)整）。因此使可通訊的范圍大大增加，使控制系統(tǒng)配置更加靈活、方便。任何具有串行接口的外設(shè)，例如：打印機(jī)或條形碼閱讀器、變頻器、調(diào)制解調(diào)器（Modem）、上位PC機(jī)等都可連接使用。用戶可通過(guò)編程來(lái)編制通訊協(xié)議、交換數(shù)據(jù)（例如：ASCII碼字符），具有RS232接口的設(shè)備也可用PC/PPI電纜連接起來(lái)進(jìn)行自由通訊方式通訊。

    當(dāng)上位機(jī)脫機(jī)時(shí)，在下位機(jī)控制下，整個(gè)系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

    2.2 上位機(jī)系統(tǒng)（中央管理工作站）

    2.2.1 上位機(jī)

    上位機(jī)即圖文控制中心，主要由PC機(jī)和激光打印機(jī)組成，采用SIMATIC WINCC軟件平臺(tái)，采用全中文操作界面，人機(jī)對(duì)話友好。管理人員和操作者，可以通過(guò)觀察PC機(jī)所顯示的各種信息來(lái)了解當(dāng)前和以往整個(gè)冰蓄冷自控系統(tǒng)的運(yùn)行情況和所有參數(shù)，并且通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行設(shè)備管理和執(zhí)行打印任務(wù)。

    2.2.2 WINCC軟件平臺(tái)

    WINCC軟件在自動(dòng)化領(lǐng)域中可用于所有的操作員控制和監(jiān)控任務(wù)?？蓪⑦^(guò)程控制中發(fā)生的事件清楚地顯示出來(lái)，可顯示當(dāng)前狀態(tài)并按順序記錄，所記錄的數(shù)據(jù)可以全部顯示或選擇簡(jiǎn)要形式顯示，可連續(xù)或按要求編輯，并可輸出打印報(bào)表和趨勢(shì)圖。

    WINCC 能夠在控制過(guò)程中危急情況的初發(fā)階段進(jìn)行報(bào)告，發(fā)出的信號(hào)既可以在屏幕上顯示出來(lái)，也可以用聲音表現(xiàn)出來(lái)。它支持用在線幫助和操作指南來(lái)消除故障。某一 WINCC工作站可專門用于過(guò)程控制以使那些重要的過(guò)程信息不被屏蔽。軟件輔助操作策略保證過(guò)程不被非法訪問(wèn)，并提供用于工業(yè)環(huán)境中的無(wú)錯(cuò)操作。

    WINCC 是MICRSOFT WINDOWS98或WINDOWS NT4.0操作系統(tǒng)下，在PC機(jī)上運(yùn)行的面向?qū)ο蟮囊涣?2位應(yīng)用軟件，通過(guò)OLE和ODBC視窗標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，作為理想的通訊伙伴進(jìn)入WINDOWS世界，因此WINCC可容易地結(jié)合到全公司的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。

    3 冰蓄冷系統(tǒng)的控制

    3.1 控制目的、范圍及主要受控設(shè)備

    蓄冷控制系統(tǒng)控制目的：通過(guò)對(duì)制冷主機(jī)、儲(chǔ)冰裝置、板式熱交換器、系統(tǒng)水泵、冷卻塔、系統(tǒng)管路調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，調(diào)整儲(chǔ)冰系統(tǒng)各應(yīng)用工況的運(yùn)行模式，在最經(jīng)濟(jì)的情況下給末端提供一穩(wěn)定的供水溫度。同時(shí)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，提高系統(tǒng)的管理效率和降低管理勞動(dòng)強(qiáng)度。

    控制范圍包括整個(gè)冰蓄冷系統(tǒng)的參數(shù)狀態(tài)顯示、設(shè)備狀態(tài)及控制，主要控制設(shè)備有：雙工況主機(jī)、電動(dòng)閥、冷卻塔、冷卻水泵、蓄冰裝置、初級(jí)乙二醇泵、板式換熱器、次級(jí)乙二醇泵等。

    3.2 控制功能

    控制功能包括整個(gè)冰蓄冷系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所需的功能。

    3.2.1 工況轉(zhuǎn)換功能

    根據(jù)季節(jié)和機(jī)器運(yùn)行情況，自控系統(tǒng)具備以下工況轉(zhuǎn)換功能：

    a） 雙工況主機(jī)制冰同時(shí)供冷模式；b） 雙工況主機(jī)單獨(dú)制冰模式；c） 主機(jī)與蓄冰裝置聯(lián)合供冷模式；d） 融冰單獨(dú)供冷模式；e） 主機(jī)單獨(dú)供冷模式。

    3.2.2 工況的啟停、顯示和故障報(bào)警功能

    控制系統(tǒng)按編排的時(shí)間順序，結(jié)合負(fù)荷預(yù)測(cè)軟件，控制制冷主機(jī)及外圍設(shè)備的啟停數(shù)量及監(jiān)視各設(shè)備之工作狀況與運(yùn)行參數(shù)，如：

    - 制冷主機(jī)啟停、狀態(tài)及故障報(bào)警；-制冷主機(jī)運(yùn)行參數(shù)；-制冷主機(jī)缺水保護(hù)；-制冷主機(jī)供/回水溫度、壓力遙測(cè)和顯示；-冷凍水泵啟停、狀態(tài)及故障報(bào)警；- 乙二醇泵啟停、狀態(tài)及故障報(bào)警；-冷卻水泵啟停、狀態(tài)及故障報(bào)警；-壓差旁通管的壓差測(cè)量與顯示；-冷卻塔風(fēng)機(jī)啟停、狀態(tài)及故障報(bào)警；

    -冷卻塔供/回水溫度控制與顯示；-供/回水溫度、壓差遙測(cè)控制與顯示；-板式換熱器側(cè)進(jìn)出口溫度控制與顯示；-蓄冰裝置進(jìn)、出口溫度遙測(cè)控制與顯示；-冷凍水回水流量控制與顯示；-電動(dòng)閥開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)與閥位控制與顯示；-室外溫濕度遙測(cè)控制與顯示；-蓄冰量測(cè)量與顯示；-末端冷負(fù)荷控制。

    3.2.3 數(shù)據(jù)的記錄和打印功能

    控制系統(tǒng)對(duì)一些需要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行整年趨勢(shì)記錄，控制系統(tǒng)可將整年的負(fù)荷情況（包括每天的最大負(fù)荷和全日總負(fù)荷）和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間以表格和圖表記錄下來(lái)，供使用者使用。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)和計(jì)算的數(shù)據(jù)均能自動(dòng)定時(shí)打印。

    3.2.4 手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能

    控制系統(tǒng)配置靈活的手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。

    3.2.5 優(yōu)化控制功能

    根據(jù)室外溫度、天氣預(yù)報(bào)、天氣走勢(shì)、歷史記錄等數(shù)據(jù)自動(dòng)選擇主機(jī)優(yōu)先或融冰優(yōu)先。在滿足末端負(fù)荷的前提下，每天使用完儲(chǔ)存的冷量，盡量少地運(yùn)行主機(jī)。充分發(fā)揮冰儲(chǔ)冷系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

    3.2.6 全自動(dòng)運(yùn)行功能

    系統(tǒng)可脫離上位機(jī)工作，根據(jù)時(shí)間表自動(dòng)進(jìn)行制冰和控制系統(tǒng)運(yùn)行、工況轉(zhuǎn)換、對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行自動(dòng)診斷，并向遠(yuǎn)方報(bào)警。觸摸屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、流程、各節(jié)點(diǎn)參數(shù)、運(yùn)行記錄、報(bào)警記錄等。

    3.2.7 節(jié)假日設(shè)定功能

    系統(tǒng)可根據(jù)時(shí)間表自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)也可預(yù)先設(shè)置節(jié)假日，控制儲(chǔ)冰量和儲(chǔ)冰時(shí)間，使系統(tǒng)在節(jié)假日時(shí)對(duì)不需要供應(yīng)空調(diào)的場(chǎng)所停止供冷。

    3.2.8 下位機(jī)操作功能

    下位機(jī)彩色觸摸屏操作界面見(jiàn)圖1.

    下位機(jī)操作功能如下：

    a） 人機(jī)對(duì)話。操作人員可通過(guò)觸摸面板進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，操作界面完全中文化，具有提示、幫助、參數(shù)設(shè)置、密匙設(shè)置、故障查詢、歷史記錄等功能。

    b） 系統(tǒng)設(shè)置。包括操作口令設(shè)置、運(yùn)行設(shè)置、運(yùn)行時(shí)間表設(shè)置、記錄溢出處理、自動(dòng)/手動(dòng)/測(cè)試選擇、節(jié)假日設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（包括各節(jié)點(diǎn)溫度、壓力，各介質(zhì)的流量，儲(chǔ)冰量，制冰速率，融冰速率，閥門開(kāi)度，末端負(fù)荷等。）

    c） 故障記錄、運(yùn)行記錄、歷史記錄等。

    3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

    控制系統(tǒng)通過(guò)電話線或?qū)拵ЬW(wǎng)，與專家系統(tǒng)連接，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控、參數(shù)修改、數(shù)據(jù)采集等，使系統(tǒng)不斷完善和軟件版本升級(jí)，讓用戶得到更好的服務(wù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的是用戶可以通過(guò)PSTN（公共交換傳輸網(wǎng)）對(duì)冷凍站進(jìn)行異地遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程適時(shí)監(jiān)控和在線維護(hù)等，從而大大減輕工程人員的工作強(qiáng)度，降低工程成本。

    3.4 系統(tǒng)擴(kuò)展控制

    控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面友好，PLC和觸摸屏均可擴(kuò)展，內(nèi)容可擴(kuò)展、參數(shù)也可修改，通過(guò)485通訊接口或通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)BAS與冰儲(chǔ)冷自控系統(tǒng)一體化，節(jié)約投資、方便管理。系統(tǒng)集中控制，減少了動(dòng)力柜占地面積，又使動(dòng)力柜型號(hào)統(tǒng)一、式樣相同、大小一致。系統(tǒng)擴(kuò)展控制如下：

    a） 污水泵自動(dòng)控制； b） 風(fēng)、排風(fēng)控制；c） 活水泵穩(wěn)壓控制；d） 防水泵定時(shí)運(yùn)行、檢測(cè)、報(bào)警； e） 淋水泵穩(wěn)壓控制； f） 筑物夜間輪廓照明自動(dòng)控制；g） 低配計(jì)量、開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、報(bào)警。

    4 結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)PLC在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的推廣運(yùn)用，驗(yàn)證了PLC系統(tǒng)的可靠性特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行和有效節(jié)能，同時(shí)也為樓宇設(shè)備控制系統(tǒng)的控制器選型提供了新的思路。相信在不久的將來(lái)，越來(lái)越多的PLC系統(tǒng)在冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)用中日趨成熟，在樓宇設(shè)備控制系統(tǒng)中也將會(huì)大顯身手。