臺達(dá)現(xiàn)場工業(yè)自動化產(chǎn)品在HVAC的應(yīng)用

1 項目背景
        進(jìn)入90年代以來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和生活水平提高，空調(diào)開始進(jìn)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(diào)用電量已占城市總用電量的30%～40%。在幾乎所有的工業(yè)化國家中，空調(diào)和制冷設(shè)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(dāng)于世界平均用電水平的一半，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)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(chǎn)總值能耗方面則為世界各國之首，為印度的二點二倍，為發(fā)達(dá)國家的四至六倍；使用能源的設(shè)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(diào)建筑的空調(diào)耗能占整個建筑耗能的50%以上。采取必要的建筑節(jié)能措施，可使空調(diào)建筑降低空調(diào)的設(shè)備運轉(zhuǎn)能耗的25%以上，因此積極采取合適的節(jié)能措施，意義重大。
        本文主要論述臺達(dá)DeviceNet現(xiàn)場總線產(chǎn)品在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用原理。系統(tǒng)中，子PLC用于控制變頻器狀態(tài)、采集現(xiàn)場的溫度以及濕度信號并作運算處理，主負(fù)責(zé)管理DeviceNet控制網(wǎng)絡(luò)，并將信息通過EtherNet傳送給上位機作數(shù)據(jù)分析和處理，整個網(wǎng)絡(luò)充分展示了臺達(dá)DeviceNet現(xiàn)場總線產(chǎn)品的系統(tǒng)集成優(yōu)勢。

2   系統(tǒng)特色
        本系統(tǒng)擁有多項優(yōu)勢，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)優(yōu)勢示意圖

3   系統(tǒng)簡介
        在本應(yīng)用中，中央空調(diào)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)工廠1～3層的冷氣供給，每層分布5個風(fēng)柜房，其中A、B、C、D風(fēng)柜房有兩臺風(fēng)機，E風(fēng)柜房有一臺風(fēng)機。由于每個風(fēng)柜房負(fù)責(zé)的區(qū)域?qū)貪穸鹊囊蟛槐M相同，所以本系統(tǒng)采用區(qū)域控制、局部微調(diào)、集中管理的控制策略。

        Master主要由PLC以及DVPDNET掃描模塊構(gòu)成。總控制器通過臺達(dá)的DeviceNet總線與現(xiàn)場控制器通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。工業(yè)電腦通過EtherNet以MODBUS TCP協(xié)議與7個Master進(jìn)行通訊，進(jìn)行監(jiān)視各AHU的運行狀態(tài)?，F(xiàn)場的目標(biāo)溫度、風(fēng)門開度、冰水閥開度可以通過PC界面來設(shè)定，設(shè)定好的數(shù)據(jù)通過DeviceNet通訊分發(fā)給各現(xiàn)場控制器。

        通過DVPDNET掃描模塊對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，并通過人機界面顯示各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點發(fā)生異常時，相應(yīng)的指示燈點亮。實時顯示掃描模塊的狀態(tài)，當(dāng)掃描模塊發(fā)生錯誤時，顯示掃描模塊的錯誤代碼。現(xiàn)場控制器主要由PLC、變頻器、溫濕度傳感器、接觸器等部件構(gòu)成。

4  項目方案
4.1 硬件配置
        硬件配置具體參數(shù)如表1所示。
        表1  硬件具體參數(shù)示意表

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4.2  設(shè)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(fēng)扇，每層都由不同的功能區(qū)域組成。設(shè)備空間分布圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備空間分布示意圖

4.3  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)場溫度及冰水閥開度由臺達(dá)PLC智能控制在允許的設(shè)定范圍內(nèi)；當(dāng)操作箱出現(xiàn)故障時(如傳感器損壞、出現(xiàn)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(fēng)控制
        新風(fēng)控制類似于過渡季節(jié)溫度控制。設(shè)立空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)主要是為建筑物內(nèi)的使用人群提供舒適的環(huán)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(jìn)新風(fēng)不僅可以改善空氣質(zhì)量，對空調(diào)主機的節(jié)能效果也相當(dāng)顯著。但在室外溫度高于18℃或者濕度高于50%時不建議引進(jìn)新風(fēng)調(diào)節(jié)。

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4.6  冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制
        冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制如下圖所示。

圖5 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制

4.7 預(yù)冷、預(yù)熱控制
        每天開啟空調(diào)時，將新風(fēng)閥門設(shè)定為最小新風(fēng)量運行（10％），回風(fēng)閥門開啟100％，冰水閥開至最大開度，空調(diào)機組進(jìn)行全循環(huán)運行，可以減少處理新風(fēng)能量消耗。

5  網(wǎng)絡(luò)診斷原理

        掃描模塊對掃描列表中的節(jié)點進(jìn)行實時監(jiān)控，并將掃描列表中的每個節(jié)點的狀態(tài)映射到一個位，使用者可以通過監(jiān)控D6032～D6035的內(nèi)容獲取各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的狀態(tài)信息。PLC裝置與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。
        表2  PLC裝置與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的對應(yīng)關(guān)系

        當(dāng)掃描列表中的節(jié)點正常時，相應(yīng)的位為OFF狀態(tài)，當(dāng)掃描列表中的節(jié)點發(fā)生異常時，相應(yīng)的位為ON狀態(tài)。用戶通過監(jiān)控D6036的內(nèi)容實時獲取掃描模塊的狀態(tài)信息。當(dāng)掃描模塊正常工作時，D6036的內(nèi)容為0；當(dāng)掃描模塊處于初始化時，D6036高字節(jié)內(nèi)容為1，低字節(jié)內(nèi)容為0；當(dāng)掃描模塊發(fā)生錯誤時，D6036高字節(jié)內(nèi)容為2，錯誤的詳細(xì)信息參考D6036低字節(jié)的錯誤代碼 。

6  上位機監(jiān)控畫面
        系統(tǒng)正式上線后，PC端監(jiān)控畫面如6所示。

圖6  PC端監(jiān)控畫面示意圖

7   項目總結(jié)
        與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，基于現(xiàn)場總線產(chǎn)品的空調(diào)系統(tǒng)具有下述特點。

7.1布線簡單，節(jié)省安裝費用
        DeviceNet通過一根通訊線實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的通訊，相對于傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)，節(jié)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(tǒng)控制系統(tǒng)和DeviceNet控制系統(tǒng)對比示意圖。

圖7 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和DeviceNet控制系統(tǒng)對比示意圖      

7.2 可靠性高
        DeviceNet通過一根通訊線控制整個網(wǎng)絡(luò)。主站模塊對整個網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控，通過監(jiān)控主站模塊，能夠迅速的獲知發(fā)生故障的節(jié)點設(shè)備，便于快速排除故障；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的某一節(jié)點發(fā)生故障，不會影響其它節(jié)點的正常工作。

7.3  提高行業(yè)競爭力和知名度
        使臺達(dá)在HVAC行業(yè)擁有完整解決方案，由傳統(tǒng)的元器件供應(yīng)商向系統(tǒng)方案提供商轉(zhuǎn)型，提高臺達(dá)IA產(chǎn)品在HVAC行業(yè)的影響力和知名度。圖8為臺達(dá)在HVAC行業(yè)的產(chǎn)品示意圖。

圖8 臺達(dá)在HVAC行業(yè)的產(chǎn)品示意圖