(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

能源問題已成為近年來的熱點問題并且成為人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，如何高效安全并且環(huán)保地使用能源已成為人們積極探索的課題。較之于傳統(tǒng)的中央空調(diào)，地源熱泵中央空調(diào)在節(jié)能方面有明顯的優(yōu)勢。如通常情況下，使用地源熱泵中央空調(diào)消耗1 kW的電能，用戶能獲得4～5 kW的能量，因此最近幾年其在我國得到了廣泛的應(yīng)用[1]。系統(tǒng)通過改變供回水的溫度差值來實現(xiàn)基于外界環(huán)境溫度補償?shù)淖儨夭羁刂疲员愀玫毓?jié)約能源[2]。本控制系統(tǒng)采用三菱FX系列PLC專用的N∶N網(wǎng)絡(luò)總線實現(xiàn)各個分系統(tǒng)之間的通信，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)機房集控中心與園區(qū)總集控中心之間的連通，實現(xiàn)整個園區(qū)的集中管控。

1 系統(tǒng)組成及控制要求

地源熱泵中央空調(diào)控制系統(tǒng)由能量采集、能量提升和能量釋放3部分組成[3]。

能量采集部分采集大地土壤所蘊藏的豐富的能量，它主要由地源側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)組成。地源側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)用于加速空調(diào)系統(tǒng)與地下水系統(tǒng)之間的能量交換。

能量提升部分將采集的能量經(jīng)過提升交換傳遞到空調(diào)空間，它包括熱泵機組系統(tǒng)、一次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)、換熱器機組、冷卻塔機組。熱泵機組系統(tǒng)用于使能量從地源側(cè)轉(zhuǎn)移到空調(diào)一次側(cè)。一次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)用于促進熱泵機組的循環(huán)水系統(tǒng)換熱。換熱器機組和冷卻塔機組分別在在冬季和夏季使用，當(dāng)二次側(cè)溫度達不到使用要求時，對二次側(cè)的水進行加熱或者降溫。

能量釋放部分是地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在建筑物內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)部分，它包括二次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)及空調(diào)末端的風(fēng)機盤管。本系統(tǒng)主要為熱交換站部分，所以對空調(diào)末端不做分析。二次側(cè)水循環(huán)控制系統(tǒng)即用戶側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)，包括夏季的冷凍水和冬季的采暖循環(huán)水。自動定壓補水裝置作為一個獨立部分，用于在一次側(cè)與地源側(cè)管內(nèi)缺水時對其進行補水操作。

通過以上分析，將整個系統(tǒng)分為5個子系統(tǒng)；換熱器、冷卻塔和自動定壓補水裝置合為1個子系統(tǒng)，實現(xiàn)集散控制[4]。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 控制總方案設(shè)計

在地源熱泵中央空調(diào)控制系統(tǒng)中，一次側(cè)采用溫差變流量控制，將溫度傳感器測得的溫差傳遞給PLC，由PLC發(fā)送指令給軟啟動器來控制一次側(cè)水泵的運行數(shù)量[5-6]。同時，系統(tǒng)通過供回水溫差來改變一次側(cè)、地源側(cè)及熱泵機組的運行數(shù)量。

二次側(cè)采用恒壓差控制。即利用變頻器、差壓變送器組成的閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，通過差壓變送器對供回水管路上的壓力差值進行探測，然后將此差值傳遞給PLC中的PID進行計算。PID將此壓差值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并傳遞給變頻器，以此來改變二次側(cè)水泵運行的頻率及數(shù)量。通常情況下，當(dāng)供水或回水流量達不到設(shè)定要求時，使用旁通管來調(diào)節(jié)水量，使得二次側(cè)供回水達到流量平衡。系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)機控制，并能在每臺控制柜的觸摸屏上進行顯示，同時進行本地控制。

2.2 一次側(cè)變溫差設(shè)計

在一次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)中，水泵容量通常是根據(jù)最大設(shè)計熱負荷進行設(shè)計的，運行過程中并沒有考慮四季變化和天氣變化等帶來的環(huán)境溫度的改變，因此有許多不必要的能源消耗。為了使節(jié)能效果更加明顯，本系統(tǒng)設(shè)計了根據(jù)外界溫度變化而改變溫差的控制方式，即基于外界環(huán)境溫度補償?shù)淖儨夭羁刂啤?/p>

以空調(diào)采暖供回水溫度為例。傳統(tǒng)的溫控閥控制供回水溫度采用恒溫差控制，即無論環(huán)境溫度如何變化，始終使供水溫度為55 ℃，回水溫度為45 ℃，溫差Δt=55-45=10 K。而本系統(tǒng)采用基于環(huán)境溫度補償?shù)淖儨夭羁刂?也就是說根據(jù)室外環(huán)境溫度的變化，自動調(diào)整出水溫度。當(dāng)外界環(huán)境溫度高時，采用大溫差控制，即減小供熱量；當(dāng)外界環(huán)境溫度低時，采用小溫差控制，即增大供熱量。這樣的控制方式克服了室外環(huán)境溫度變化造成的室內(nèi)溫度波動，進而達到節(jié)省能源、使環(huán)境溫度更加舒適的目的。例如，當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時，規(guī)定出水溫度為55 ℃，隨著環(huán)境溫度的增加，出水溫度也跟著線性增加；當(dāng)環(huán)境溫度為5 ℃時，規(guī)定出水溫度為45 ℃。在這樣的控制要求作用下，Δt=(55+45)/2-45=5 K。此外，若需要更高要求的舒適性控制，出水溫度可以根據(jù)用戶需求自行設(shè)定，不需要嚴格按照線性方式變化。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于一次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)采用變溫差變流量控制,水泵全部是工頻運行，因此需要使用軟啟動器進行啟動，軟啟動器選用西門子3RW40型。二次側(cè)采用恒壓差控制，需要使用變頻器進行調(diào)速。由于ABB標(biāo)準(zhǔn)傳動產(chǎn)品易于選擇、安裝、調(diào)試和使用，而且提供許多內(nèi)置特性，因此選用ABB公司的ACS510-01型水泵專用變頻器。另外，根據(jù)現(xiàn)場控制要求即各個系統(tǒng)的控制點數(shù)配置，選用三菱第三代微型可編程控制器，選用FX3U繼電器輸出型PLC作為主控制器。溫度檢測部分使用FX3U- 4AD-PT，它是4通道PT型熱電阻溫度輸入模塊。其他模擬量采集均使用FX2N- 4AD 4通道模擬量輸入模塊[7]。

2.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

根據(jù)地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的組成及現(xiàn)場控制要求，將整個系統(tǒng)分為5個子系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由于5個子系統(tǒng)都屬于小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)且在同一控制室內(nèi)，所以對系統(tǒng)通信距離無特別要求?？紤]到控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性，選擇N∶N網(wǎng)絡(luò)作為本系統(tǒng)的控制總線。N∶N網(wǎng)絡(luò)是在最多8臺FX PLC之間通過RS- 485通信連接，并通過共享軟件實現(xiàn)小規(guī)模系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈接以及機械之間的信息交換[8]。由于本系統(tǒng)有5個分控制系統(tǒng)，即5個控制站點，當(dāng)使用N∶N網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)時，其中一個站點不僅要實現(xiàn)子系統(tǒng)的控制，還要充當(dāng)系統(tǒng)主站的角色，因此，鑒于地源側(cè)水循環(huán)控制系統(tǒng)控制方案簡單、程序較少，選擇地源側(cè)水循環(huán)控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)主站，其他4個站作為系統(tǒng)從站。5臺PLC通過安裝在基本單元上的擴展板FX3U- 485-BD連接成N∶N網(wǎng)絡(luò)。該擴展板的最大通信距離為50 m，完全滿足系統(tǒng)要求。

2.4.2 通信程序設(shè)計

N∶N網(wǎng)絡(luò)采用廣播方式進行通信。網(wǎng)絡(luò)中每一站點都有一個鏈接存儲區(qū)，這個指定的存儲區(qū)由特殊輔助繼電器和數(shù)據(jù)寄存器組成。各 PLC站點向自己站點的鏈接存儲區(qū)發(fā)布數(shù)據(jù)，每個站點都可以看到該數(shù)據(jù)。即各站點的數(shù)據(jù)可供通過 PLC 鏈接起來的所有PLC 共享，且所有站點的數(shù)據(jù)都能同時完成更新。其他站點可以在共享的數(shù)據(jù)鏈接存儲區(qū)按需提取數(shù)據(jù)。通過在程序中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

網(wǎng)絡(luò)從站設(shè)置程序不需要像主站一樣設(shè)置多個參數(shù)，而只需設(shè)定從站站地址即可通信。

2.5 人機交互系統(tǒng)設(shè)計

人機界面產(chǎn)品是為了解決PLC的人機交互問題而產(chǎn)生的。在自動化系統(tǒng)之間，PLC與HMI站之間均可以交換數(shù)據(jù)。在此系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)工作人員對各個子站的監(jiān)控及操作，給每個子站配備了一個觸摸屏。觸摸屏選用臺達DOP-B系列，觸摸屏與PLC之間直接通過標(biāo)準(zhǔn)串行通信口RS- 422進行通信[9]。

2.6 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)中，上位機監(jiān)控軟件使用亞控科技生產(chǎn)的組態(tài)王，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機軟硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)[10]。在此系統(tǒng)中，利用組態(tài)王可以實現(xiàn)對畫面、數(shù)據(jù)和動畫3方面的監(jiān)控，如系統(tǒng)狀態(tài)圖、報警輸出、趨勢曲線、報表輸出等。

上位機通過與主站進行通信，可以監(jiān)控系統(tǒng)中的任何一個站，既可以對其工作狀況進行監(jiān)視，又可以對被控設(shè)備進行控制。

另外，為了能夠全面地、實時地監(jiān)控地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和其他監(jiān)控對象(包括整個園區(qū)的門禁系統(tǒng)、停車場的安全監(jiān)控、園區(qū)消防監(jiān)控等)，同時盡可能地減少勞動力的投入、節(jié)約成本，系統(tǒng)采用FX3U-ENET-L以太網(wǎng)通信模塊和交換機實現(xiàn)上位機和PLC主站之間的通信。系統(tǒng)利用以太網(wǎng)將地源熱泵中央空調(diào)控制系統(tǒng)的監(jiān)控與園區(qū)其他監(jiān)控對象相結(jié)合，實現(xiàn)在監(jiān)控終端對整個園區(qū)概況的宏觀調(diào)控，便于及早發(fā)現(xiàn)問題。

3 結(jié)束語

通過對地源熱泵中央空調(diào)恒溫差控制系統(tǒng)的改造，可以使能源的利用率得到顯著提高。在現(xiàn)代工程中，PLC、計算機和現(xiàn)場總線的結(jié)合是自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。它們的結(jié)合使得控制系統(tǒng)的實時性和集中控制能力得以提高，便于工作人員隨時隨地進行控制操作，有利于及早發(fā)現(xiàn)控制過程中可能出現(xiàn)的問題，同時可以減少管理成本，使經(jīng)濟效益最大化。

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