台达现场工业自动化产品在HVAC的应用

1 项目背景
        进入90年代以来，随着经济发展和生活水平提高，空调开始进入许多城市的商场、办公室、会议室、旅馆、饭店、车站、影剧院等公共建筑以及居民住宅。许多城市空调用电量已占城市总用电量的30%～40%。在几乎所有的工业化国家中，空调和制冷设备的年耗电量都是第一大户。
        我国是一个人口众多、资源相对不足的国家。目前，我国人均资源占有量不到世界平均水平的一半，人均能源消费量为世界平均水平的55％。中国人均用电量只有1000千瓦时，只相当于世界平均用电水平的一半，远远低于发达国家人均用电2万千瓦时的水平。但在另一方面，每万美元国民生产总值能耗方面则为世界各国之首，为印度的二点二倍，为发达国家的四至六倍；使用能源的设备效率偏低，又造成能源的浪费，能源利用效率不高。冬夏两季，空调建筑的空调耗能占整个建筑耗能的50%以上。采取必要的建筑节能措施，可使空调建筑降低空调的设备运转能耗的25%以上，因此积极采取合适的节能措施，意义重大。
        本文主要论述台达DeviceNet现场总线产品在空调系统的应用原理。系统中，子PLC用于控制变频器状态、采集现场的温度以及湿度信号并作运算处理，主负责管理DeviceNet控制网络，并将信息通过EtherNet传送给上位机作数据分析和处理，整个网络充分展示了台达DeviceNet现场总线产品的系统集成优势。
2   系统特色
        本系统拥有多项优势，具体如图1所示。


图1 系统优势示意图
3   系统简介
        在本应用中，中央空调系统主要负责工厂1～3层的冷气供给，每层分布5个风柜房，其中A、B、C、D风柜房有两台风机，E风柜房有一台风机。由于每个风柜房负责的区域对温湿度的要求不尽相同，所以本系统采用区域控制、局部微调、集中管理的控制策略。
        Master主要由PLC以及DVPDNET扫描模块构成。总控制器通过台达的DeviceNet总线与现场控制器通讯，进行数据交换。工业电脑通过EtherNet以MODBUS TCP协议与7个Master进行通讯，进行监视各AHU的运行状态。现场的目标温度、风门开度、冰水阀开度可以通过PC界面来设定，设定好的数据通过DeviceNet通讯分发给各现场控制器。
        通过DVPDNET扫描模块对整个网络进行管理，并通过人机界面显示各网络节点的状态。当网络上的节点发生异常时，相应的指示灯点亮。实时显示扫描模块的状态，当扫描模块发生错误时，显示扫描模块的错误代码。现场控制器主要由PLC、变频器、温湿度传感器、接触器等部件构成。
4  项目方案
4.1 硬件配置
        硬件配置具体参数如表1所示。
        表1  硬件具体参数示意表

序号	产品型号	数量（台）	说明
1	VFD370F43A	8	37KW变频器
2	VFD185F43A	2	18.5KW变频器
3	VFD150F43A	9	15KW变频器
4	VFD110F43A	6	11KW变频器
5	VFD075F43A	12	7.5KW变频器
6	VFD055F43A	5	5.5KW变频器
7	DVP28SV11R	23	28点PLC主机
8	DVP16SP11R	38	16点数字量扩展
9	DVP04AD-S	38	4AI模拟量扩展
10	DVP04DA-S	36	4AO模拟量扩展
11	DVPDNET-SL	23	主站模块
12	TAP-CN02	23	DeviceNet网络分接盒
13	TAP-CP01	7	DeviceNet电源分接盒
14	TAP-CB01	600m	DeviceNet通讯电缆
15	DVPEN01-SL	7	以太网通讯模块

4.2  设备空间布局

        整个大楼共分为三层，一层8台AHU、5台冰水泵、5台冷却水泵；二层9台AHU，三层9台AHU，楼顶两台冷却风扇，每层都由不同的功能区域组成。设备空间分布图如图2所示。[page]

图2 设备空间分布示意图

4.3  系统结构
        系统结构如图3所示。

图3  系统结构示意图

4.4  AHU控制流程
        AHU操作箱可以选择自动控制或手动控制。自动控制时，现场温度及冰水阀开度由台达PLC智能控制在允许的设定范围内；当操作箱出现故障时(如传感器损坏、出现通讯故障等)，可以选择将变频器以固定频率运行或者工频运行，以便检修。具体操作流程如图4所示。

图4 操作流程示意图

4.5 新风控制
        新风控制类似于过渡季节温度控制。设立空调新风系统主要是为建筑物内的使用人群提供舒适的环境，但在追求舒适的同时也消耗了大量的能源。夏季，人们感到最舒适的气温是19~24℃，冬季是17~22℃。人体感觉舒适的湿度，一般在20%~60%RH。因此在室外温湿度良好的情况下，大量引进新风不仅可以改善空气质量，对空调主机的节能效果也相当显著。但在室外温度高于18℃或者湿度高于50%时不建议引进新风调节。
 

4.6  冷却水循环系统控制
        冷却水循环系统控制如下图所示。

图5 冷却水循环系统控制

4.7 预冷、预热控制
        每天开启空调时，将新风阀门设定为最小新风量运行（10％），回风阀门开启100％，冰水阀开至最大开度，空调机组进行全循环运行，可以减少处理新风能量消耗。[page]

5  网络诊断原理

        扫描模块对扫描列表中的节点进行实时监控，并将扫描列表中的每个节点的状态映射到一个位，使用者可以通过监控D6032～D6035的内容获取各网络节点的状态信息。PLC装置与网络节点的对应关系如表2所示。
        表2  PLC装置与网络节点的对应关系

        当扫描列表中的节点正常时，相应的位为OFF状态，当扫描列表中的节点发生异常时，相应的位为ON状态。用户通过监控D6036的内容实时获取扫描模块的状态信息。当扫描模块正常工作时，D6036的内容为0；当扫描模块处于初始化时，D6036高字节内容为1，低字节内容为0；当扫描模块发生错误时，D6036高字节内容为2，错误的详细信息参考D6036低字节的错误代码 。

6  上位机监控画面
        系统正式上线后，PC端监控画面如6所示。

图6  PC端监控画面示意图

7   项目总结
        与传统的控制系统相比，基于现场总线产品的空调系统具有下述特点。

7.1布线简单，节省安装费用
        DeviceNet通过一根通讯线实现整个网络各节点之间的通讯，相对于传统的点对点控制系统，节省大量的电缆，缩短的安装时间，降低了安装费用。图7为传统控制系统和DeviceNet控制系统对比示意图。

图7 传统控制系统和DeviceNet控制系统对比示意图      

7.2 可靠性高
        DeviceNet通过一根通讯线控制整个网络。主站模块对整个网络实时监控，通过监控主站模块，能够迅速的获知发生故障的节点设备，便于快速排除故障；当网络上的某一节点发生故障，不会影响其它节点的正常工作。

7.3  提高行业竞争力和知名度
        使台达在HVAC行业拥有完整解决方案，由传统的元器件供应商向系统方案提供商转型，提高台达IA产品在HVAC行业的影响力和知名度。图8为台达在HVAC行业的产品示意图。

 

图8 台达在HVAC行业的产品示意图