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臺達現場工業自動化產品在HVAC的應用
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1 項目背景
進入90年代以來，隨著經濟發展和生活水平提高，空調開始進入許多城市的商場、辦公室、會議室、旅館、飯店、車站、影劇院等公共建筑以及居民住宅。許多城市空調用電量已占城市總用電量的30%～40%。在幾乎所有的工業化國家中，空調和制冷設備的年耗電量都是第一大戶。
我國是一個人口眾多、資源相對不足的國家。目前，我國人均資源占有量不到世界平均水平的一半，人均能源消費量為世界平均水平的55％。中國人均用電量只有1000千瓦時，只相當于世界平均用電水平的一半，遠遠低于發達國家人均用電2萬千瓦時的水平。但在另一方面，每萬美元國民生產總值能耗方面則為世界各國之首，為印度的二點二倍，為發達國家的四至六倍；使用能源的設備效率偏低，又造成能源的浪費，能源利用效率不高。冬夏兩季，空調建筑的空調耗能占整個建筑耗能的50%以上。采取必要的建筑節能措施，可使空調建筑降低空調的設備運轉能耗的25%以上，因此積極采取合適的節能措施，意義重大。
本文主要論述臺達DeviceNet現場總線產品在空調系統的應用原理。系統中，子PLC用于控制變頻器狀態、采集現場的溫度以及濕度信號并作運算處理，主負責管理DeviceNet控制網絡，并將信息通過EtherNet傳送給上位機作數據分析和處理，整個網絡充分展示了臺達DeviceNet現場總線產品的系統集成優勢。
2 系統特色
本系統擁有多項優勢，具體如圖1所示。
圖1 系統優勢示意圖
3 系統簡介
在本應用中，中央空調系統主要負責工廠1～3層的冷氣供給，每層分布5個風柜房，其中A、B、C、D風柜房有兩臺風機，E風柜房有一臺風機。由于每個風柜房負責的區域對溫濕度的要求不盡相同，所以本系統采用區域控制、局部微調、集中管理的控制策略。
Master主要由PLC以及DVPDNET掃描模塊構成?？偪刂破魍ㄟ^臺達的DeviceNet總線與現場控制器通訊，進行數據交換。工業電腦通過EtherNet以MODBUS TCP協議與7個Master進行通訊，進行監視各AHU的運行狀態?，F場的目標溫度、風門開度、冰水閥開度可以通過PC界面來設定，設定好的數據通過DeviceNet通訊分發給各現場控制器。
通過DVPDNET掃描模塊對整個網絡進行管理，并通過人機界面顯示各網絡節點的狀態。當網絡上的節點發生異常時，相應的指示燈點亮。實時顯示掃描模塊的狀態，當掃描模塊發生錯誤時，顯示掃描模塊的錯誤代碼?，F場控制器主要由PLC、變頻器、溫濕度傳感器、接觸器等部件構成。
4 項目方案
4.1 硬件配置
硬件配置具體參數如表1所示。
表1 硬件具體參數示意表
4.2 設備空間布局
整個大樓共分為三層，一層8臺AHU、5臺冰水泵、5臺冷卻水泵；二層9臺AHU，三層9臺AHU，樓頂兩臺冷卻風扇，每層都由不同的功能區域組成。設備空間分布圖如圖2所示。
圖2 設備空間分布示意圖
4.3 系統結構
系統結構如圖3所示。
圖3 系統結構示意圖
4.4 AHU控制流程
AHU操作箱可以選擇自動控制或手動控制。自動控制時，現場溫度及冰水閥開度由臺達PLC智能控制在允許的設定范圍內；當操作箱出現故障時(如傳感器損壞、出現通訊故障等)，可以選擇將變頻器以固定頻率運行或者工頻運行，以便檢修。具體操作流程如圖4所示。
圖4 操作流程示意圖
4.5 新風控制
新風控制類似于過渡季節溫度控制。設立空調新風系統主要是為建筑物內的使用人群提供舒適的環境，但在追求舒適的同時也消耗了大量的能源。夏季，人們感到最舒適的氣溫是19~24℃，冬季是17~22℃。人體感覺舒適的濕度，一般在20%~60%RH。因此在室外溫濕度良好的情況下，大量引進新風不僅可以改善空氣質量，對空調主機的節能效果也相當顯著。但在室外溫度高于18℃或者濕度高于50%時不建議引進新風調節。
4.6 冷卻水循環系統控制
冷卻水循環系統控制如下圖所示。
圖5 冷卻水循環系統控制
4.7 預冷、預熱控制
每天開啟空調時，將新風閥門設定為最小新風量運行（10％），回風閥門開啟100％，冰水閥開至最大開度，空調機組進行全循環運行，可以減少處理新風能量消耗。
5 網絡診斷原理
掃描模塊對掃描列表中的節點進行實時監控，并將掃描列表中的每個節點的狀態映射到一個位，使用者可以通過監控D6032～D6035的內容獲取各網絡節點的狀態信息。PLC裝置與網絡節點的對應關系如表2所示。
表2 PLC裝置與網絡節點的對應關系
當掃描列表中的節點正常時，相應的位為OFF狀態，當掃描列表中的節點發生異常時，相應的位為ON狀態。用戶通過監控D6036的內容實時獲取掃描模塊的狀態信息。當掃描模塊正常工作時，D6036的內容為0；當掃描模塊處于初始化時，D6036高字節內容為1，低字節內容為0；當掃描模塊發生錯誤時，D6036高字節內容為2，錯誤的詳細信息參考D6036低字節的錯誤代碼 。
6 上位機監控畫面
系統正式上線后，PC端監控畫面如6所示。
圖6 PC端監控畫面示意圖
7 項目總結
與傳統的控制系統相比，基于現場總線產品的空調系統具有下述特點。
7.1 布線簡單，節省安裝費用
DeviceNet通過一根通訊線實現整個網絡各節點之間的通訊，相對于傳統的點對點控制系統，節省大量的電纜，縮短的安裝時間，降低了安裝費用。圖7為傳統控制系統和DeviceNet控制系統對比示意圖。
圖7 傳統控制系統和DeviceNet控制系統對比示意圖
7.2 可靠性高
DeviceNet通過一根通訊線控制整個網絡。主站模塊對整個網絡實時監控，通過監控主站模塊，能夠迅速的獲知發生故障的節點設備，便于快速排除故障；當網絡上的某一節點發生故障，不會影響其它節點的正常工作。
7.3 提高行業競爭力和知名度
使臺達在HVAC行業擁有完整解決方案，由傳統的元器件供應商向系統方案提供商轉型，提高臺達IA產品在HVAC行業的影響力和知名度。圖8為臺達在HVAC行業的產品示意圖。
圖8 臺達在HVAC行業的產品示意圖
進入90年代以來，隨著經濟發展和生活水平提高，空調開始進入許多城市的商場、辦公室、會議室、旅館、飯店、車站、影劇院等公共建筑以及居民住宅。許多城市空調用電量已占城市總用電量的30%～40%。在幾乎所有的工業化國家中，空調和制冷設備的年耗電量都是第一大戶。
我國是一個人口眾多、資源相對不足的國家。目前，我國人均資源占有量不到世界平均水平的一半，人均能源消費量為世界平均水平的55％。中國人均用電量只有1000千瓦時，只相當于世界平均用電水平的一半，遠遠低于發達國家人均用電2萬千瓦時的水平。但在另一方面，每萬美元國民生產總值能耗方面則為世界各國之首，為印度的二點二倍，為發達國家的四至六倍；使用能源的設備效率偏低，又造成能源的浪費，能源利用效率不高。冬夏兩季，空調建筑的空調耗能占整個建筑耗能的50%以上。采取必要的建筑節能措施，可使空調建筑降低空調的設備運轉能耗的25%以上，因此積極采取合適的節能措施，意義重大。
本文主要論述臺達DeviceNet現場總線產品在空調系統的應用原理。系統中，子PLC用于控制變頻器狀態、采集現場的溫度以及濕度信號并作運算處理，主負責管理DeviceNet控制網絡，并將信息通過EtherNet傳送給上位機作數據分析和處理，整個網絡充分展示了臺達DeviceNet現場總線產品的系統集成優勢。
2 系統特色
本系統擁有多項優勢，具體如圖1所示。
圖1 系統優勢示意圖
3 系統簡介
在本應用中，中央空調系統主要負責工廠1～3層的冷氣供給，每層分布5個風柜房，其中A、B、C、D風柜房有兩臺風機，E風柜房有一臺風機。由于每個風柜房負責的區域對溫濕度的要求不盡相同，所以本系統采用區域控制、局部微調、集中管理的控制策略。
Master主要由PLC以及DVPDNET掃描模塊構成?？偪刂破魍ㄟ^臺達的DeviceNet總線與現場控制器通訊，進行數據交換。工業電腦通過EtherNet以MODBUS TCP協議與7個Master進行通訊，進行監視各AHU的運行狀態?，F場的目標溫度、風門開度、冰水閥開度可以通過PC界面來設定，設定好的數據通過DeviceNet通訊分發給各現場控制器。
通過DVPDNET掃描模塊對整個網絡進行管理，并通過人機界面顯示各網絡節點的狀態。當網絡上的節點發生異常時，相應的指示燈點亮。實時顯示掃描模塊的狀態，當掃描模塊發生錯誤時，顯示掃描模塊的錯誤代碼?，F場控制器主要由PLC、變頻器、溫濕度傳感器、接觸器等部件構成。
4 項目方案
4.1 硬件配置
硬件配置具體參數如表1所示。
表1 硬件具體參數示意表
|
序號
|
產品型號
|
數量（臺）
|
說明
|
|
1
|
VFD370F43A
|
8
|
37KW變頻器
|
|
2
|
VFD185F43A
|
2
|
18.5KW變頻器
|
|
3
|
VFD150F43A
|
9
|
15KW變頻器
|
|
4
|
VFD110F43A
|
6
|
11KW變頻器
|
|
5
|
VFD075F43A
|
12
|
7.5KW變頻器
|
|
6
|
VFD055F43A
|
5
|
5.5KW變頻器
|
|
7
|
DVP28SV11R
|
23
|
28點PLC主機
|
|
8
|
DVP16SP11R
|
38
|
16點數字量擴展
|
|
9
|
DVP04AD-S
|
38
|
4AI模擬量擴展
|
|
10
|
DVP04DA-S
|
36
|
4AO模擬量擴展
|
|
11
|
DVPDNET-SL
|
23
|
主站模塊
|
|
12
|
TAP-CN02
|
23
|
DeviceNet網絡分接盒
|
|
13
|
TAP-CP01
|
7
|
DeviceNet電源分接盒
|
|
14
|
TAP-CB01
|
600m
|
DeviceNet通訊電纜
|
|
15
|
DVPEN01-SL
|
7
|
以太網通訊模塊
|
4.2 設備空間布局
整個大樓共分為三層，一層8臺AHU、5臺冰水泵、5臺冷卻水泵；二層9臺AHU，三層9臺AHU，樓頂兩臺冷卻風扇，每層都由不同的功能區域組成。設備空間分布圖如圖2所示。
圖2 設備空間分布示意圖
4.3 系統結構
系統結構如圖3所示。
圖3 系統結構示意圖
4.4 AHU控制流程
AHU操作箱可以選擇自動控制或手動控制。自動控制時，現場溫度及冰水閥開度由臺達PLC智能控制在允許的設定范圍內；當操作箱出現故障時(如傳感器損壞、出現通訊故障等)，可以選擇將變頻器以固定頻率運行或者工頻運行，以便檢修。具體操作流程如圖4所示。
圖4 操作流程示意圖
4.5 新風控制
新風控制類似于過渡季節溫度控制。設立空調新風系統主要是為建筑物內的使用人群提供舒適的環境，但在追求舒適的同時也消耗了大量的能源。夏季，人們感到最舒適的氣溫是19~24℃，冬季是17~22℃。人體感覺舒適的濕度，一般在20%~60%RH。因此在室外溫濕度良好的情況下，大量引進新風不僅可以改善空氣質量，對空調主機的節能效果也相當顯著。但在室外溫度高于18℃或者濕度高于50%時不建議引進新風調節。
4.6 冷卻水循環系統控制
冷卻水循環系統控制如下圖所示。
圖5 冷卻水循環系統控制
4.7 預冷、預熱控制
每天開啟空調時，將新風閥門設定為最小新風量運行（10％），回風閥門開啟100％，冰水閥開至最大開度，空調機組進行全循環運行，可以減少處理新風能量消耗。
5 網絡診斷原理
掃描模塊對掃描列表中的節點進行實時監控，并將掃描列表中的每個節點的狀態映射到一個位，使用者可以通過監控D6032～D6035的內容獲取各網絡節點的狀態信息。PLC裝置與網絡節點的對應關系如表2所示。
表2 PLC裝置與網絡節點的對應關系
|
PLC元件
|
對應網絡節點
|
||||||
|
b15
|
b14
|
b13
|
… …
|
b2
|
b1
|
b0
|
|
|
D6032
|
節點15
|
節點14
|
節點13
|
… …
|
節點2
|
節點1
|
節點0
|
|
PLC元件
|
說明
|
|||||||||||||||
|
b15
|
b14
|
b13
|
b12
|
b11
|
b10
|
b9
|
b8
|
b7
|
b6
|
b5
|
b4
|
b3
|
b2
|
b1
|
b0
|
|
|
D6036
|
掃描模塊狀態
（0：正常，1：初始化，2：錯誤）
|
掃描模塊錯誤代碼
|
||||||||||||||
當掃描列表中的節點正常時，相應的位為OFF狀態，當掃描列表中的節點發生異常時，相應的位為ON狀態。用戶通過監控D6036的內容實時獲取掃描模塊的狀態信息。當掃描模塊正常工作時，D6036的內容為0；當掃描模塊處于初始化時，D6036高字節內容為1，低字節內容為0；當掃描模塊發生錯誤時，D6036高字節內容為2，錯誤的詳細信息參考D6036低字節的錯誤代碼 。
6 上位機監控畫面
系統正式上線后，PC端監控畫面如6所示。
圖6 PC端監控畫面示意圖
7 項目總結
與傳統的控制系統相比，基于現場總線產品的空調系統具有下述特點。
7.1 布線簡單，節省安裝費用
DeviceNet通過一根通訊線實現整個網絡各節點之間的通訊，相對于傳統的點對點控制系統，節省大量的電纜，縮短的安裝時間，降低了安裝費用。圖7為傳統控制系統和DeviceNet控制系統對比示意圖。
圖7 傳統控制系統和DeviceNet控制系統對比示意圖
7.2 可靠性高
DeviceNet通過一根通訊線控制整個網絡。主站模塊對整個網絡實時監控，通過監控主站模塊，能夠迅速的獲知發生故障的節點設備，便于快速排除故障；當網絡上的某一節點發生故障，不會影響其它節點的正常工作。
7.3 提高行業競爭力和知名度
使臺達在HVAC行業擁有完整解決方案，由傳統的元器件供應商向系統方案提供商轉型，提高臺達IA產品在HVAC行業的影響力和知名度。圖8為臺達在HVAC行業的產品示意圖。
圖8 臺達在HVAC行業的產品示意圖
