基于S7-200PLC與變頻器的中央空調網絡控制系統設計

易 銘

（佛山職業技術學院 機電工程系，佛山 528137 ）

0 引言

現場總線是一種用于智能化現場設備和自動化系統的開放式、數字式、雙向串行、多結點的通信技術，是自動化技術發展方向的其中一個熱點。PROFIBUS總線技術是目前國際上通用的現場總線標準之一，具有總線技術的先進特點，特別是對現場環境具有很強的適應性，因而應用十分普遍[1]。中央空調系統電能消耗非常大，有的甚至能達到建筑物總電能消耗50%。本文構建了一種基于S7-200PLC與變頻器的中央空調網絡控制系統，采用PROFIBUS總線技術進行網絡控制，技術先進，節能效果顯著。

1 系統工作原理

系統主要由主機和水循環系統構成，水循環系統又包括冷卻水循環系統和冷凍水循環系統。其典型結構如圖1所示。

圖1 中央空調系統典型結構

首先，通過壓縮機將從蒸發器流過來的低壓制冷劑蒸汽壓縮成為高壓蒸汽，高壓蒸汽隨后進入冷凝器中并與冷卻水進行熱交換，制冷劑蒸汽釋放出大量的熱能，溫度下降并逐漸冷凝成高壓液體。一方面這部分高壓液態制冷劑在通過熱力膨脹閥時，壓力迅速下降，成為低壓液態制冷劑，同時也伴隨有一部分氣化，這種低壓氣液混合物流入到蒸發器，在蒸發器中，制冷劑與冷凍水進行充分的熱交換，制冷劑因不斷吸收冷凍水的熱量開始沸騰氣化，最后經過回氣管重新回到主機壓縮機，而從蒸發器流出的低溫低壓冷凍水則經由冷凍泵加壓進入冷凍水循環管道，在與室內空間進行充分的熱交換后重新回到主機蒸發器。另一方面，冷凝器中的冷卻水吸收熱能后溫度升高并且通過冷卻泵被壓入冷卻水塔中，經過熱量交換后通過冷卻回水系統被送回到主機冷凝器。新一輪的制冷循環啟動，周而復始。

在整個中央空調控制系統中，中央空調的外部熱交換過程主要通過冷卻水和冷凍水兩個循環系統來完成，循環水系統的出水溫度與回水溫度的差值，反映了與系統熱交換的程度。因此，利用出水溫度與回水溫度的差值來控制循環水的流量，從而控制制冷劑與冷凍水或制冷劑與冷卻水的熱交換的速度，是一種比較合理的控制方法。通常中央空調系統中水泵電機的耗電量可以占到總耗電量的30%～40%，但水泵電機不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，節能空間十分巨大。在中央空調系統設計中引入變頻技術，通過變頻器自動調節水泵轉速，控制熱交換速度，對中央空調系統進行節能改造是降低成本、減少污染、增加效益的一條有效途徑。

2 網絡控制系統設計

某中央空調系統由于生產設備制冷的需要使用了兩臺設備制冷機組，選取額定功率為45kW的設備冷凍水循環泵兩臺，一臺工作一臺備用；另外由于環境制冷的需要使用兩臺空調制冷機組，選取額定功率55kW的空調冷凍水循環泵三臺，兩臺工作一臺備用；同時采用軟啟動方式控制4臺井水泵。控制系統核心部件采用西門子S7-200PLC，冷凍水循環泵由MicroMaster430（MM430）變頻器控制，通過PROFIBUS總線技術構建新型的數字化和網絡化的新型中央空調節能自動化控制系統，由PLC和變頻器配合實現自動恒溫差控制。其具體控制要求如下：

1）按設計要求每次運行兩臺，一臺備用，10天輪換一次。

2）出回水溫差超出上限溫度時，一臺水泵全速運行，另一臺變頻運行；出回水溫差小于下限溫度時，一臺水泵變頻低速運行，另一臺停機。

系統采用西門子變頻器MM430兩臺，額定功率45kW的一臺用于控制設備冷凍水循環泵變頻系統，額定功率55kW的另一臺用于控制空調冷凍水循環泵變頻系統。作為水泵類和風機類的專用變頻器，MM430系列變頻器通過內置的PID調節器可以實現對供水壓力的精確控制和系統的動態響應。選用額定功率90kW的SIRIUS 3RW40系列一臺用于井水泵的軟起動器，選用TransmitG-2508系列的雙路溫差控制器來實現對溫差設定的控制，經PID處理后獲得的標準模擬信號電流信號4～20mA，送至MM430變頻器；選用一個壓力變送器，用來實時監測冷凍水管網壓力，并將壓力數據同步傳送給冷凍水變頻器，實現對水流速度的控制。選用四個溫度變送器，用來實時監測主機冷凝器出水和回水處的溫度、蒸發器出水處和回水處的溫度，并將相應的溫度信號傳送至PID溫差控制器進行計算，系統根據計算出來的出回水溫差，自動調節變頻器的工作頻率，進行出回水的恒溫差控制，達到空調系統節能運行的目的[2,3]。

S7-200PLC通過PROFIBUS-DP總線讀取或改寫MM430變頻器的運行數據，實時監控空調循環水泵變頻系統的運行狀態，實現對循環水泵的無級自動調速，控制井水泵軟起動器的運行，系統的運轉效率得到大幅度的提升。系統整體結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖

3 變頻器MM430參數設置與控制系統主要程序設計

3.1 變頻器MM430參數設置

本系統中，變頻器MM430通過總線接插件的方式接入PROFIBUS-DP總線，S7-200PLC利用其總線訪問權，讀取或改寫MM430變頻器的狀態；PROFIBUS-DP和USS協議屬于主/從通訊，PLC作為主站，MM430驅動器作為從站。PROFIBUSDP通訊的數據結構可以是PPO類型1或者是PPO類型3，也可以按自己的需要選用I/O數量，PPO類型實質上就是用來發送報文中的控制字、設定值和接收報文的狀態字、實際值等過程數據，通常由主站確定。通訊報文的過程數據區PZD主要用來監測和控制變頻器系統，參數數據PKW主要用于PLC讀/寫變頻器的參數[4]。由于過程數據處理總是優先于參數數據處理，從而保證了最新數據的有效傳送。兩臺變頻器都是遠程控制，通信協議相同，因此兩臺MM430變頻器的通信參數設置類似，如表1所示。

表1 2臺MM430 變頻器的通信參數設置

3.2 控制系統主要程序設計

中央空調控制系統程序首先要構建關鍵程序模塊，然后再對每個模塊的制約與驅動關系進行梳理優化，編制合理完善的程序。關鍵程序模塊主要是主程序塊、初始化程序塊、通訊程序塊、溫度采樣程序塊、冷凍水恒壓控制程序塊、空調冷凍水循環泵變頻調速控制程序塊等部分。本文重點分析溫度采樣程序、初始化程序與通訊程序。

1）溫度采樣程序：

LD SM0.1

MOVB 100，MW0

LD SM0.0

MOVW AIW10，VW10 //4-20mA電流形式的數字量轉換成0-100°溫度（實數形式）。

-I VW10，6400

ITD VW10，VD20

DTR VD20，VD20

/R VD20，256.0

MOVR VD20，MD20 //通道AIW10的值保存到MD20中

LD SM0.0

MOVW AIW12，VW10 //4-20mA電流形式的數字量轉換成0-100°溫度（實數形式）。

-I VW10，6400

ITD VW10，VD20

DTR VD20，VD20

/R VD20，256.0

MOVR VD20，MD24 //通道AIW12的值保存到MD24中

//通道AIW14的值保存到MD28中

//通道AIW16的值保存到MD32中

LD SM0.0

+R MD40， MD20

+R MD44， MD24

+R MD48， MD28

+R MD52， MD32

LD SM0.0

DECB MW0

LDB= MW0 , 0

/R MD40,100

/R MD44,100

/R MD48,100

/R MD52,100

MOVR MD40， MD60 //通道 AIW10 采樣100次的平均值溫度保存到MD60中

MOVR MD44， MD64 //通道 AIW12 采樣100次的平均值溫度保存到MD64中

MOVR MD48， MD68 //通道 AIW14 采樣100次的平均值溫度保存到MD68中

MOVR MD52， MD72 //通道 AIW16 采樣100次的平均值溫度保存到MD72中

MOVR 0，MD40

MOVR 0，MD44

MOVR 0，MD48

MOVR 0，MD522

MOVB 0，MW0

2）初始化程序在初始化程序中完成CPU226輸入、輸出緩沖區的設置。

Network1

LD SM0.0

AB= SMB224，2 //判斷是否在數據交換狀態

MOVD &VB2，VD2000 // 輸出緩沖區從VB2開始偏移

ITD SMW226，AC1+D

AC1，VD2000 //獲取起始輸出指針絕對地址

Network2

LD SM0.0

AB= SMB224，2

MOVD VD2000，VD2004

BTI SMB228，AC1

ITD AC1，AC1

+D AC1，VD2004 //獲取起始輸入指針絕對地址

……

Network4

LD SM0.1

MOVB 200，SMB34 //設置 200ms的定時中斷

ATCH Comm_int，10 // 在中斷中完成PROFIBUS通信

ENI

3）通訊程序PRORIBUS-DP采用主/從通訊工作方式，通過S7-200PLC的通訊接口模塊EM277以DP從站形式接入DP網絡，當導入通訊模塊的GSD文件后設置好地址。系統運行時，主站通過DP網絡按順序訪問每個從站，從站不僅接收從主站來的數據，而且將輸入數據返回給主站。主站和從站在數據交換模式中，EM277模塊既可寫入主站輸出的數據；同時響應最新的輸入數據，并把最新的數據提供給DP主站。本程序設計的主從站通訊的同步計數器#temp， 保證了主站與從站之間數據傳輸的可靠性，部分通訊程序如下所示：

Network2

LD SM0.0

AB= SMB224，2

BMB ＊ VD2000，commandCounter，VB2008

MOVB Ack_Counter，#temp // 比較同步計數器

INCB #tempLDB ＜ ＞ #temp，commandCounter//判斷是否同步

INCW CounterCRETILDB= commandBeginner，64 // 是命令幀開始字嗎？

AB= commandAddress，4 //串聯條件是從站的地址號嗎？

AB= commandEnd，13 //串聯條件是命令幀結束字嗎？

MOVW +0，Counter // 通訊不同步計數器置0復位

INCB Ack_ Counter

MOVB commandCommand，Command //把命令幀中的命令字復制到全局變量

MOVB commandParal，Motion_Paral

……

4 結束語

PROFIBUS是歐洲工業界得到最廣泛應用的一個現場總線標準，也是過程控制的發展方向，其開放性允許眾多廠商開發各自的符合PROFIBUS協議的產品，因此采用這種總線技術的中央空調網絡控制系統，實用性強，靈活性好。PROFIBUS屬于現場級、單元級的SIMITAC網絡，在現場完全可以完成計算任務和基本過程控制以及報警等控制要求，從而提高信號傳輸的可靠性。在中央空調控制系統中引入PLC與變頻器技術，通過對系統主機冷凝器與蒸發器出回水的恒溫差控制，自動調節變頻器的工作頻率，實現對循環水泵的無級自動調速，冷凍水、冷卻水循環系統本身可節能30%～60%，促進主機間接節能5%～10%，經濟效益顯著，具有現實和推廣意義。

[1] 劉美俊. 西門子S7-300/400PLC應用技術與實例[M]. 北京: 電子工業出版社, 2009.

[2] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 1999.

[3] 柴瑞娟, 等. 西門子PLC編程技術及工程應用[M]. 北京:機械工業出版社, 2007.

[4] 劉星橋, 等. 基于PROFIBUS現場總線的裝箱機械手控制系統[J]. 電氣傳動, 2005. 35(9): 58-61.