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                   摘要：詳細地介紹了單體建筑空調機房的控制任務及遠程監控系統網絡，控制系統選型及配置，空調機房的設備自動控制邏輯。
關鍵詞：單體建筑空調機房；冷熱量計費；工業以太網；現場總線Profibus-DP；S7-200PLC；

Abstract

this 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:

    廣州大學城是廣東省落實“科教興粵”戰略部署的一項重要工程，同時也是廣州市建設現代化生態城市目標規劃中的重要組成部分。廣州大學城定位為國家一流的大學園區，華南地區高級人才培養、科學研究和交流的中心，學、研、產一體化發展的城市新區，面向21世紀適應市場經濟體制和廣州國際化區域中心城市地位、生態化和信息化的大學園區。廣州大學城位于廣州市番禺區小谷圍島及南岸地區，規劃范圍約43平方公里，可容納學生18萬至20萬人，總人口達40萬人左右（包括村鎮人口）。大學城的建設目標是在廣州市未來發展的中心地帶番禺區小谷圍島及其南岸地區新建一座集大學教育、生活及其配套設施為一體的一流大學城。

    廣州大學城區域供冷系統設計總裝機容量約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℃。其自控系統能自動、實時采集系統所有機電設備的運行狀態、末端負荷狀態等參數，并實施過程控制，使系統為末端用戶提供足夠的冷量，并能跟隨末端負荷的變化，實現冷站供冷量與末端用戶實際需求負荷的精確匹配，從而提高系統的運行效率，降低運營成本。

    廣州大學城區域供冷系統是當今世界供冷區域最大的工程之一，蓄冷量可與美國芝加哥市UNICOM區域供冷系統相媲美。整個系統建有四個冷站，空調負荷主要是十所高校的教學區和生活區大樓以及兩個中心商業區供冷。整個系統由冷站（制備冷量）、空調冷凍水管網（輸送冷量）及末端供冷系統（使用冷量）三個子系統組成。自控系統實現區域供冷系統四個冷站中央空調系統的自動監控，在系統安全可靠運行的前提下，以滿足末端用戶供冷需求為根本，從末端用戶穩定供冷、二級泵管網穩定送冷和冷站制冷三個環節進行控制，在滿足用戶舒適性要求下，對系統進行優化，使系統運行于最佳工況，實現經濟運行。

    末端供冷系統是整個區域供冷系統控制的決定因素，它直接反映了空調負荷的變化，從而也決定了冷站內如何控制冰蓄冷系統運行的工況。因此，如何控制好末端供冷系統，正確反映空調負荷是整個區域供冷系統控制的關鍵。廣州大學城區域供冷系統中末端供冷系統采用德國SIEMENS公司S7-200可編程控制器來完成自動控制過程。

    單體建筑用戶側高溫回水經水泵流過板換，再以低溫水向單體建筑供冷；管網側供水管來自冷站，經板換后再回到冷站，目的是向單體建筑提供冷量。空調管網輸送的冷凍水與各單體建筑內的冷凍水通過板換進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  末端供冷系統圖

二、控制系統構成

1、控制設備選型

    單體建筑空調機房設備少、控制簡單，關鍵是必須具備計費和獨立控制功能。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進行自動控制。其主要有四個方面的優點：

1、 性價比最優

    單體建筑空調機房受控制設備少、控制點數少、工藝簡單，采用低端PLC自由組合I/O模塊，獨立編程控制，靈活便捷，相對DDC系統投資少。西門子PLC在全球有良好的可信度，其低端產品S7-200系列PLC具有精度高、可靠性高、編程靈活、性能優越、價格低廉等優點，且在全球有著極高的市場占有率。

2 能夠獨立編程控制

    在廣州大學城區域供冷系統Profibus-DP網絡中，選擇ET200M分布式I/O，配置有源背板總線，在主站CPU上統一編程，可靠性更高。從站I/O點不影響整個系統運行，各從站間相互獨立。從站不能采用ET200M分布式I/O，而必須采用CPU+I/O模塊。根據工藝要求，末端單體建筑空調機房必須具備獨立冷熱量計費、控制功能。冷熱量計費要求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精度達0.2%。每個機房的設備數量不一致，控制程序不完全相同，在CPU上可以任意編程。因此采用S7-200PLC能夠滿足系統控制要求。

3 通訊功能

    與其它PLC一樣，S7-200配置相應的通訊模塊可以與Profibus-DP網絡通訊，也可以與工業以太網通訊，同時CPU上的編程口支持自由通訊協議，可以與變頻器通訊。廣州大學城末端控制系統采用Profibus-DP網絡。Profibus-DP網絡是西門子公司推出的世界應用最廣泛、最經典的總線方式。最大通訊速率達12Mbps，主站CPU訪問每個從站CPU并監控從站。主站CPU通過工業以太網接受控制室操作員站監控，形成一個完整的監控網絡。

4 擴展功能

    S7-200PLC最多可以帶8個擴展模塊，可以擴充控制點。配CP231模塊可以與工業以太網通訊，同時CPU上的編程口支持自由通訊協議，可以與變頻器通訊。

2、系統硬件配置及網絡結構

控制系統硬件配置

末端控制PLC：S7-200（CPU224、EM231 RTD、EM235、EM277）

冷站內的操作站：工控機（PⅣ2.4G  21’純平彩顯）

以太網卡：CP1613

交換機：OSM-ITP62

主站CPU：CPU414-2DP（圖中S7-412-2DP即表示CPU412-2DP，其從站只有40個）

以太網接口：CP443-1

擴展DP接口：CP443-5（擴展型）

光電鏈路器：OLM/G11-1300（主站PLC出口）、OLM/G12-1300

系統監控網絡結構

    控制級采用TCP/IP協議，工業以太網，網絡波特率為10/100Mbps，采用光纖進行通訊，現場級采用現場總線Profibus-DP，總線傳輸介質為通訊電纜和光纜，網絡波特率為19.2Kbps。拓樸結構如下：

     二、三、四冷站各設一套主站PLC（CPU414-2DP），上圖為廣州大學城四號冷站末端控制系統的網絡結構圖，二、三號冷站的網絡結構與上圖相似，只是Profibus-DP網段數量和從站數量不一樣。以四號冷站末端控制系統方案進行分析，根據各單體的位置，按近原則組網，采用光纜介質和Profibus專用電纜介質，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網絡的組建，具體方案如下：
    各冷站PLC、操作員站以及其它控制器和服務器工作在工業以太網上，服務器讀寫三個冷站的主站PLC。作為收費系統和監控各單體建筑機房的人機界面，各冷站的操作員站只讀寫對應主站PLC 。

    根據西門子高端產品通訊技術參數，一個CPU414-2DP可以有至少4個最多10個Profibus-DP網段，一個DP網段最多不超過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，但實際組網時會考慮到CPU的過程映象I/O點數量的最大允許值和CPU通訊的I/O點數量以及設計余量來分配網段的從站數量。根據一條Profibus-DP總線要求和地域分布以及設計余量來分配一條Profibus-DP總線的從站數量，從而實現主站PLC（S7-400）對各單體建筑空調機房的監控。利用CPU224處理模擬量功能較強、精度較高的特點，通過擴展模擬量AI/AO模塊，完成溫度、流量、壓差和調節閥門的控制；通過擴展數字量DI/DO模塊，完成單體建筑空調機房水泵、壓差開關、電動蝶閥等設備的監控。

三、控制系統功能

    整個區域供冷末端系統約300個單體建筑空調機房，每個單體建筑機房要求獨立計費、獨立運行。因此，末端系統控制的關鍵是做好各單體建筑空調機房內設備如：變頻水泵、調節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場的Profibus-DP總線和工業以太網對末端系統進行遠程監視和控制管理。

具體的控制任務如下：

1、    對每一棟單體建筑進行數據采集、計量、控制，現場不能修改參數，只能顯示監視數據。

2、    板換二次側供水溫度T3控制在6.5℃，水泵變頻控制。

3、    控制室具有數據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據按每棟進行查詢。

4、    當大樓欠費時可以通過控制室進行遠程控制，將對應的冷源自動關閉，方便物業管理。

 系統應能提供穩定、可靠的設備監控功能，同時，系統應具有很好的兼容性、可擴展性。

控制程序結構與流程：

    按空調工藝特點和要求及冷熱量計費要求編制的控制程序保證了空調供冷過程可順利地進行，并對機房運行各裝置提供了有效的監控和保護，保證了系統正常的計費。根據系統要求空調供冷要分遙控/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節閥門方可供冷，以滿足控制器故障時供冷需要。遠程控制室可以全自動控制設備、監視設備狀態。主控站S7-400 CPU任務較多，但主要是讀寫各從站的監控參數，通過合理設計程序結構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機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交換數據參數一樣，可用循環程序來調用同一類子程序（FC功能塊）的辦法來完成各單體建筑空調機房的監控，主控站CPU與各從站交換的數據分別放在3個DB數據塊中，在調用各功能塊之前打開各自的數據塊，完成參數的傳遞。

四、項目運行情況

    廣州大學城末端供冷系統自動化程度高，數據采集量大，控制站數量較多，因此我們對系統的可靠性要求比較高，自2006年9月的投入使用，實現了高度集成自動化控制和科學化能源管理。廣州大學城區域供冷系統采用SIEMENS 可編程控制器很好的完成了空調供冷和計費的自動控制任務，采用Profibus-DP工業現場總線網絡和工業以太網實現了各冷站控制室對各個單體建筑空調機房的分布式集中控制，符合大型區域供冷自控系統的數字化和網絡化的發展方向。