高 亮 張國鈞

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

由于環(huán)境污染日益嚴(yán)重以及能源的過度消耗，使得地源熱泵技術(shù)越來越受到人們的重視。該技術(shù)日趨成熟，最近幾年在我國得到了廣泛的應(yīng)用。地源熱泵中央空調(diào)是集制冷與供暖于一體的系統(tǒng)，它在冬季的采暖能量主要來源于地下土壤所蘊(yùn)含的能量;夏季制冷時從負(fù)載側(cè)吸收的熱量也較多被釋放到地下土壤中[1]?，F(xiàn)代地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)不再依靠調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)的制冷與供暖，而是通過對水泵的變頻控制來達(dá)到匹配負(fù)載的目的，從而有效地節(jié)省能源，提高地?zé)崮艿睦寐省?/p>

地源熱泵中央空調(diào)控制系統(tǒng)可分為多個分控制系統(tǒng)，各分控制系統(tǒng)采用CC-Link現(xiàn)場總線互聯(lián)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)連通與集中管理。

1 系統(tǒng)組成及控制要求

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)由熱泵機(jī)組系統(tǒng)、地源側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)、一次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)、二次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)、調(diào)峰采暖水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻塔水循環(huán)系統(tǒng)和定壓補(bǔ)水系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block diagram of ground source heat pump air-conditioning system

二次側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)是指用戶側(cè)的水循環(huán)系統(tǒng)，包括夏天的冷凍水和冬天的采暖循環(huán)水。在夏季，用戶側(cè)水系統(tǒng)作為冷凍水系統(tǒng)通過機(jī)組蒸發(fā)器降溫;在冬季，通過循環(huán)水管道閥門切換，用戶側(cè)水系統(tǒng)作為冷卻水系統(tǒng)通過冷凝器加熱升溫[2]。一次側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)用于促進(jìn)熱泵機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)換熱，而地源側(cè)循環(huán)水系統(tǒng)用于加速空調(diào)系統(tǒng)與地下水之間的能量交換。一次側(cè)循環(huán)泵和調(diào)峰采暖循環(huán)泵為軟啟動器控制，而地源側(cè)循環(huán)泵、二次側(cè)循環(huán)泵采用變頻調(diào)速控制。熱泵機(jī)組、負(fù)載側(cè)循環(huán)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量及運(yùn)行速率通過二次側(cè)供回水壓差及溫差加以調(diào)節(jié)。

為使二次側(cè)供回水達(dá)到流量平衡，系統(tǒng)通過供回水旁通管來調(diào)節(jié)水量。系統(tǒng)需要進(jìn)行本地及遠(yuǎn)程控制。本地控制時只需操作控制柜上的觸摸屏，而遠(yuǎn)程控制則是在集控室進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)如泵的運(yùn)行數(shù)量、頻率、流量和溫度等需要實時監(jiān)控，這些數(shù)據(jù)需要在觸摸屏和上位機(jī)的組態(tài)畫面中加以反映。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制方案

在地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)中，負(fù)載一次泵為定流量系統(tǒng)，二次泵采用壓差控制變流量運(yùn)行。系統(tǒng)負(fù)載側(cè)一級泵及熱泵機(jī)組根據(jù)實際負(fù)荷采用數(shù)量控制：一次泵運(yùn)行臺數(shù)根據(jù)負(fù)載側(cè)二次泵系統(tǒng)運(yùn)行情況及旁通管流量、流向來確定;主機(jī)運(yùn)行臺數(shù)根據(jù)負(fù)載用戶側(cè)回水溫度確定;地源側(cè)水泵根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)量控制[3]。二次側(cè)采用壓差變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓差變流量控制是指采用變頻器改變泵的流量，保持空調(diào)系統(tǒng)供回水干管壓差的穩(wěn)定。這種控制方式充分發(fā)揮了水泵效率。采用這種控制方式的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定[4]。壓差變流量控制原理圖如圖2所示。對于溫差環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會在溫差變化較大的情況下相應(yīng)改變熱泵機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量。

圖2 壓差變流量控制原理圖Fig.2 Principle of differential pressure variable flow control

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計原則

一次側(cè)循環(huán)泵運(yùn)行時需全速運(yùn)行，軟啟動器即可滿足要求。根據(jù)控制和節(jié)能的要求，二次側(cè)和地源側(cè)循環(huán)泵采用三菱F740變頻器進(jìn)行控制。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的每個分系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)較少，小型PLC產(chǎn)品滿足這一需求。三菱FX系列PLC具有可靠性高和使用較簡單等特性，在設(shè)計控制電路圖時，需要用中間繼電器對輸入接口和輸出接口與外部電路進(jìn)行隔離，防止PLC模塊損壞。溫度的檢測采用熱電偶型溫度傳感器模塊FX2N-4AD-PT，信號線可以直接接在模塊端子上，從而避免了隔離端子接線。對于流量、壓差等模擬量信號，采用FX2N-4AD模塊采集，電動調(diào)節(jié)閥等模擬量控制設(shè)備的信號由FX2N-4DA給定。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 CC-Link 現(xiàn)場總線簡介

現(xiàn)場總線技術(shù)實際上是一種全數(shù)字、串行、雙向通信的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。與傳統(tǒng)的集散控制技術(shù)相比，該技術(shù)在系統(tǒng)的可靠性、開放性、通信模式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟件功能等方面具有極其顯著的優(yōu)越性，在工業(yè)控制和樓宇控制領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

當(dāng)CC-Link現(xiàn)場總線應(yīng)用在小型FX PLC組成的控制網(wǎng)絡(luò)時，可使用FX2N-16CCL-M做主站通信模塊、FX2N-32CCL做從站模塊，各站之間通過CC-Link專用現(xiàn)場總線屏蔽雙絞線進(jìn)行連接。主站與從站之間采用主從輪詢方式通信，主站對總線有控制權(quán)，從站只是主站的一個響應(yīng)。主從站交換數(shù)據(jù)的過程是周期性的。CC-Link現(xiàn)場總線的通信速率很高，完全滿足中央空調(diào)控制系統(tǒng)的實時性要求[5]。

2.3.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

按照地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的組成及現(xiàn)場工藝要求，將系統(tǒng)分為4個分系統(tǒng)：一次側(cè)循環(huán)泵控制系統(tǒng)、地源側(cè)循環(huán)泵控制系統(tǒng)、二次側(cè)循環(huán)泵控制系統(tǒng)、熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)。調(diào)峰采暖及冷卻塔循環(huán)泵被應(yīng)用于二次側(cè)循環(huán)泵控制系統(tǒng)。每個分系統(tǒng)作為一個遠(yuǎn)程設(shè)備站，控制其對應(yīng)的子系統(tǒng)[6]。熱泵機(jī)組本身帶有控制系統(tǒng)，只要為其配置通信板卡，即可與主站相連接進(jìn)行通信。地源熱泵中央空調(diào)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡化圖如圖3所示。

圖3 地源熱泵中央空調(diào)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)簡化圖Fig.3 Simplified diagram of ground source heat pump central air conditioning field bus control system

二次側(cè)循環(huán)泵控制站系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)為168點(diǎn)，地源側(cè)水泵控制站點(diǎn)數(shù)為160點(diǎn)，一次側(cè)循環(huán)泵控制站點(diǎn)數(shù)為96點(diǎn)且熱泵機(jī)組控制站的點(diǎn)數(shù)為120點(diǎn);而FX2N型PLC作為控制系統(tǒng)的主控單元時，系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)最多為256點(diǎn)。對于本系統(tǒng)的4個從站而言，其控制點(diǎn)數(shù)都沒有超過這個限制。在將FX PLC作為CC-Link系統(tǒng)主站且每個從站只占用一個邏輯站地址的前提下，主站模塊可以連接7個遠(yuǎn)程I/O站與8個遠(yuǎn)程設(shè)備站，完全滿足本系統(tǒng)對從站站數(shù)的要求。系統(tǒng)中每個從站同主站進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)量較大，所以為每個從站分配兩個站地址較為合適，這樣8個設(shè)備站地址全部占滿。系統(tǒng)的每個子站都可以獨(dú)立運(yùn)行而不受主站的影響，這樣就構(gòu)成了主從控制系統(tǒng)。

當(dāng)變頻器掛接在CC-Link總線上時，需要采用一個通信擴(kuò)展板F2-A7NC，此時變頻器作為一個遠(yuǎn)程設(shè)備站而存在，且每個變頻器占用一個遠(yuǎn)程設(shè)備站地址[7]。因此，采用一個主站模塊無法達(dá)到系統(tǒng)的要求，需再為變頻器配置2個主站通信模塊。

2.3.3 人機(jī)交互系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

系統(tǒng)共有4個子站，每個子站配備一臺觸摸屏用于本地操作。用戶能及時觀察系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)。觸摸屏選用臺達(dá)DOP-B系列，它具有強(qiáng)大的通信功能及豐富的界面圖庫。4臺觸摸屏從屬于相應(yīng)的子站，故它們與PLC之間直接通過RS-422通信會比采用Modbus ASCII 485通信[8]的一機(jī)多屏技術(shù)簡單。當(dāng)從站較多時，Modbus ASCII 485通信還會有較長的時間延遲，不利于系統(tǒng)的實時控制。Modbus ASCII 485通信網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

圖4 觸摸屏Modbus ASCII 485通信網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Touch screen Modbus ASCII 485 communication network

2.4 上位機(jī)通信系統(tǒng)

上位機(jī)組態(tài)軟件采用亞控公司的組態(tài)王，它是專門為過程控制和現(xiàn)場監(jiān)控開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和友好的用戶界面，并提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫、在線幫助、診斷、安全保護(hù)等功能。利用組態(tài)王軟件可以制作現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控畫面，如系統(tǒng)狀態(tài)圖、工藝報警、模擬量趨勢、報表輸出等，可直觀、動態(tài)地顯示出現(xiàn)場重要參數(shù)的數(shù)值，實現(xiàn)人機(jī)信息交互[9]。上位機(jī)與控制現(xiàn)場的PLC通信時采用RS-232/422通信，需要配備SC-09通信電纜，此時上位機(jī)可操作相應(yīng)的按鈕，通過總線與PLC主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。FX3U PLC作為CC-Link主站，采用廣播-輪詢的方式將各種數(shù)據(jù)發(fā)送至總線，并接收所需要的參數(shù)信息，從而完成上位機(jī)與PLC的通信連接，實現(xiàn)對PLC的編程與管理功能[10]。

CC-Link總線技術(shù)具有可靠性、有效性和可維護(hù)性等特點(diǎn)。當(dāng)給主站配備FX3U-485ADP-MB的通信模塊后，地源熱泵中央空調(diào)控制系統(tǒng)便可以很好地與樓宇自動化系統(tǒng)融合。

3 結(jié)束語

將各種總線技術(shù)引入到地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)中已成為空調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。利用總線技術(shù)分布式的特點(diǎn)，盡量將節(jié)點(diǎn)分散布置在靠近現(xiàn)場設(shè)備的位置，以減少布線工作量，提高傳輸?shù)目煽啃?，這樣有利于調(diào)試和維護(hù)。現(xiàn)場總線技術(shù)提供了設(shè)備級診斷功能，這是硬接線I/O接口很難實現(xiàn)的。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于總線控制方式的特點(diǎn)，可以減小系統(tǒng)故障風(fēng)險，避免當(dāng)系統(tǒng)中某一設(shè)備出現(xiàn)故障而影響到整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中其他設(shè)備的運(yùn)行。通過現(xiàn)場總線技術(shù)，使得不同的底層系統(tǒng)都可以與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)融合在一起，實現(xiàn)統(tǒng)一管理的目的。

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