CC-Link现场总线技术对建筑空调控制系统节能改造

一、概况
        本文以杭州某大型医院门诊大楼为例，介绍建筑空调系统节能控制系统改造实施方案。该医院门诊大楼原设有楼宇控制系统，主要控制对象是暖通空调设备,由于各种原因系统功能开通率不高，冷热源系统的变频器只做手动调节，节能效果不佳。我们针对楼宇控制系统的特点采用了基于最新的CC-Link现场总线技术，运用三菱最新的Q系列可编程控制器（PLC）为主站控制器，由FX3U和FX1N可编程控制为现场子站控制器组成的联网控制系统来对系统逐步改造的方案，本期工程首先对冷热源部分包括空调水泵的变频控制、冷却塔水阀控制及楼层设备控制中存在故障的控制部分进行改造。主站的监控采用组态王软件，全中文界面，功能强大，具有通过INTERNET网实现远程监控功能。
二、系统软硬件介绍
        2.1 CC-Link现场总线简介
        CC-Link是CONTROL&COMMUNICATION LINK的简称，它通过普通三芯屏蔽线，提供156KBPS至10MBPS的通讯速率（视系统通讯距离而定），最大通讯距离可达1200M（156KBPS速率）。CC-Link网络上可挂的各种模块（包括开关量I/O和模拟量I/O）以及子站控制器，最多64个远程设备站，可方便地组成各种类型的集散控制系统，并可大大简化控制线路的布线，并可根据需要随时扩展系统功能。
        CC-Link网络的主要特点：
        在同行业中速度较快的总线网络 
        由于其拥有在同行业中最快的通信速度，所以当何处需要高速应答时，它可以支持传感器输入及容许智能化设备进行大量数据的传送。此外，还可以选择系统适用的最佳的通信速度和总距离。

        完善了的RAS（可靠性、实用性、可维护性）功能 
        具备自动在线恢复功能，待机主控功能，切断从站功能，确认链接状态功能及测试和诊断功能，因此可以构成具有高度可靠性的网络。
        完全支持和具有高度安全性的多厂商网络 
        公开的技术，并与包括日本国内和国外的许多设备厂商建立了合作关系，因此具有广泛的兼容性。2005年6月，批准成为中国国家标准，并被推荐为应用于建筑设备监控系统的控制总线之一。
        2.2 三菱可编程控制器简介
        中央站PLC控制器: Q系列PLC是由CPU模块、电源模块和主基板单元组成，具有自动CC-Link启动功能，本次采用的Q00JPLC具有：
        1、最多8192个软元件
        2、最多4096个I/O
        3、多达14K步的程序容量
        4、可以加7个扩展基板
        5、配合GPPW软件可以进行在线编程及监控
        系统子站PLC控制器: 三菱FX3U系列可编程控制器具有体积小，内置16K步的RAM和时钟，是FX系列中性能最高的机型，可通过RS485通讯口通过专用指令控制多达32台变频器；FX1N是性价比较高的机型, 内置8K步的RAM和时钟。它们都拥有模拟量控制、系统通讯的各种特殊用途组件，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。该系列PLC具有较强的通讯功能,可通过FX2n-CCL通讯模块直接挂在CC-Link网络上，组成集散控制系统，通过CC-Link网络可与主站交换数据，通过主站PC机对整个系统进行集中管理监视和控制。[page]

三、系统软件
        我们采用北京亚控自动化软件有限公司开发的组态王（Kingview）。该软件是最优秀的国产组态软件之一，目前的版本是6.52。
四、改造内容
        4.1冷热源部分
        建筑空调系统是现代大型建筑物和不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行天数恨少，有的只有十多天，大部分时间都在70%负载以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，造成电能的大量浪费。如果采用根据空调负荷自动调节水泵转速的方式来调节流量，就可以从根本上节约电能，同时也可保证空调的使用效果。
        该医院门诊大楼中央空调系统冷热源部分改造前的主要设备和控制方式：主机800冷吨冷气主机2台，空调循环泵3台，配用功率75KW；冷却水泵3台，配用功率75KW。热水泵30KW3台，配用功率30KW。空调末端为空调箱、新风机和风机盘管，为变流量系统，供回站设旁通调节阀平衡水流量。冬季通过阀门切换，空调循环泵水流通过板式蒸汽/水热交换器为大楼末端提供热水。原系统空调循环泵定频运行或手动调节变频器，节能效果并不理想。
        水泵是一种平方转矩负载，其转速 n 与流量 Q, 扬程 H 及泵的轴功率 N 的关系如下式所示：
        Q1=Q2(n1/n2) H1=H2(n12/n22)  N1=N2(n13/n23)     (1-1)
        上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比, 泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P(kw) 可按下式计算:
        P=ρQH/ηcηF×10-2                 (1-2)
        式中： P：电动机的轴功率（KW）   Q：流量（m3/s）     ρ：液体的密度（Kg/m-2） 
        ηc:传动装置效率           ηF：泵的效率       H：全扬程（m）

        调节流量的方法如图二所示，曲线1是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为A点：流量QA，扬程HA；由（1-2）式可知电动机轴功率与面积OQAAHA成正比。今欲将流量从QA调节到QB只需将水泵电机转速由N2调节到N4，电动机轴功率由面积OQAAHA降为面积OQBCHC，节能效果明显。
        经实地勘察，本着节省投资，并使改造后的能与原有的系统随时方便切换，采用基于三菱FX3U系列PLC控制器、变频器和外围传感器等组成的智能控制系统，自动控制的空调循环、冷却水泵的变频运行，主要功能有：
        （1）按空调负荷变化来对空调泵进行变频控制，设定的温差、压差（流量）值可人工设定或按不同时段自动调整，以满足不同时间段大楼对空调的需求。在夏季制冷工况下，系统还需自动保证离心制冷机的允许最低流量，确保系统安全运行。
        （2）夏季制冷工况时根据空调负荷自动地在机组允许的冷却水量范围内调节冷却水泵的流量，达到冷却水泵节能目的。

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        （3）该大楼的冷却塔采用了低噪音无风机形式，为保证冷却效果，需保证冷却塔出水压力在一定范围，使水流以一定流速喷出雾化充分获得较好的冷却效果，冷却塔出水阀需与冷却水泵的自动联动控制故，即根据冷却水出水压力控制出水阀门开启个的个数实现。
        （4）考虑到系统运行的可靠性，采用人工干预下的台数控制功能，即系统可实时监测空调负荷，并计算出当前空调系统的负荷情况，提示需开启空调机组的台数。
        （5）对被控制的设备提供电气保护（过电压、过电流、过载）保护、冷冻水低流量保护、冷冻水低温保护、冷却水高水温保护功能。
        （6）本子系统的监控数据及控制指令通过CC-Link与主站 QPLC通信，并采用通用组态软件组态王6.52对空调系统的各水泵、风机、主机的主要工艺参数的监控。
        4.2空调末端部分
        由于空调末端设备如空调机新风机等的数量较多且分布范围大，其能耗也占有比较大的比例，故本次改造方案是首先对大楼节能和管理要求较高的部分的控制功能进行改造，在现场设置性价比很高的FX1N PLC控制器对末端设备进行控制，该控制器也连接在CC-Link网络上，可通过主站控制软件界面监测和操作。
        改造完成后对空调末端设备实现下列控制功能：
        空调末端：
        1、 实时监控楼层的空调机新风机和风机盘管的运行状态
        2、 设备控制开关为时间程序控制，或监控站人工控制。
        3、 根据室温采用PID算法控制空调机水阀开度，保证温度恒定，达到节能舒适的功能。
        4、 监视空调机滤网滤网是否淤堵，及时提醒清洗。
        5、 时间程序可根据季节设定并累计空调机的累计运行时间。
        6、 为管理提供可靠依据。还可实现夜间换风和防冻等功能。
 
        4.3系统框图：

五、结论
        系统改造后，经精心调试，完全达到各项控制功能的要求，由于采用了工业控制的通用设备，系统的实时性较以往有了大幅提高且稳定可靠，投资和维护费用低，备件充裕，可确保系统长期可靠使用。特别是冷热源系统部分的控制程序经多次测试和优化，不但操作简便且节能效果明显，平均可达20%左右；同时末端设备控制更加方便。在举国关注节能减排的形势下，该控制系统值得在推广。