PLC在冰蓄冷中央空调系统控制中的应用-中文翻译

中文文献PLC 在冰蓄冷中央空调系统控制中的应用1 引言 在 PLC 被开发出来的三十年里，它经过不断地发展，已经能结合模拟 I/O，网络通信以及采用新的编程标准如 IEC 61131-3。然而，工程师们只需利用数字 I/O 和少量的模拟I/O 数以及简单的编程技巧就可开发出 80%的工业应用. PLC 已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界 PLC 以及软件市场报告称，1995 年全球 PLC 及其软件的市场经济规模约 50 亿美元5。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC 的功能得到大大的增强由于采用传统的工具可以解决 80%的工业应用，这样就强烈地需要有低成本简单的PLC；从而促进了低成本微型 PLC 的增长，它带有用梯形逻辑编程的数字 I/O。然而，这也在控制技术上造成了不连续性，一方面 80%的应用需要使用简单的低成本控制器，而另一方面其它的 20%应用则超出了传统控制系统所能提供的功能。工程师在开发这些 20%的应用需要有更高的循环速率，高级控制算法，更多模拟功能以及能更好地和企业网络集成。在八十和九十年代，那些要开发“20%应用”的工程师们已考虑在工业控制中使用PC。PC 所提供的软件功能可以执行高级任务，提供丰富的图形化编程和用户环境，并且PC 的 COTS 部件使控制工程师能把不断发展的技术用于其它应用。这些技术包括浮点处理器；高速 I/O 总线，如 PCI 和以太网；固定数据存储器；图形化软件开发工具。而且 PC还能提供无比的灵活性，高效的软件以及高级的低成本硬件。冰蓄冷中央空调是将电网夜间谷荷多余电力以冰的冷量形式储存起来，在白天用电高峰时将冰融化提供空调服务。由于我国大部分地区夜间电价比白天低得多，所以采用冰储冷中央空调能大大减少用户的运行费用。冰蓄冷中央空调系统配置的设备比常规空调系统要增加一些，自动化程度要求较高，但它能自动实现在满足建筑物全天空调要求的条件下将每天所蓄的能量全部用完，最大限度地节省运行费用。具有以下特点：(1)可靠性高。PLC 的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。(2)具有丰富的 I/O 接口模块。 PLC 针对不同的工业现场信号，有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。(3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU、电源、I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。(4)编程简单易学。PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(5)安装简单，维修方便。PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行2 控制系统结构控制系统由下位机（现场控制工作站）与上位机（中央管理工作站）组成，下位机采用可编程序控制器（PLC）与触摸屏，上位机采用工业级计算机与打印机，系统配置必要的附件如通信设备接口、网卡、调制解调器等，实现蓄冷系统的参数化与全自动智能化运行。下位机和触摸屏在现场可以进行系统控制、参数设置和数据显示。上位机进行远程管理和打印，它包含下位机和触摸屏的所有功能。整个系统以下位机的工业级可编程序控制器为核心，实现自动化控制。控制设备与器件包括：传感检测元件、电动阀、变频器等。2.1 下位机系统（区域工作站）2.1.1 TP21 触摸屏采用 TP27 彩色触摸屏作为操作面板，完全取代常规的开关按钮、指示灯等器件，使控制柜面谈得更整洁。并且，TP27 触摸屏在现场可实现状态显示、系统设置、模式选择、参数设置、故障记录、负荷记录、时间日期、实时数据显示、负荷曲线与报表统计等功能，中文操作界面直观友好。2.1.2 SIEMENS 可编程序控制器SIMATIC S7-300 系列 PLC 适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化，其强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。该产品具有光电隔离，高电磁兼容；具有很高的工业适用性，允许的环境温度达 60；具有很强的抗干扰、抗振动与抗冲击性能，因此在严酷的工作环境中得到了广泛的应用。自由通讯口方式也是 S7-300 型 PLC 的一个很有特色的功能，它使 S7-300 型 PLC 可以与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯，即 S7- 300 型 PLC 可以由用户自己定义通讯协议（例 ASCII 协议） ，波特率为 1.5Mbit/s（可调整） 。因此使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置更加灵活、方便。任何具有串行接口的外设，例如：打印机或条形码阅读器、变频器、调制解调器（Modem） 、上位 PC 机等都可连接使用。用户可通过编程来编制通讯协议、交换数据（例如：ASCII 码字符） ，具有 RS232 接口的设备也可用 PC/PPI电缆连接起来进行自由通讯方式通讯。1.芯片和芯片插座集成电路是把复杂电路刻蚀到微小的半导体硅芯片上，故常称做芯片，双列直插式芯片是用塑料封装且两侧带有间隔为 0 1 英寸的引脚，这些引脚可以插在焊接电路板上或面包板上，封装内部有很细的线把这些引脚与芯片连接。2.引脚的数目引脚是用数字从一个缺口或一个圆孔开始逆时针编号的，如一个 8 脚和一个 14 脚的芯片的引脚编号，对所有的尺寸芯片都是这样编号的。3.芯片插座芯片焊接时受热容易坏掉，它们短短的引脚也不能用散热片保护，我们用新片插座来保护，严格上应该称为双列直插插座，可以先把插座焊接到电路板上，再把芯片插入插座。只有当需要焊接时才用芯片插座，用面包板搭电路时不用插座。实际产品的电路中通常不用插座而是把芯片直接焊接在电路板上的，因为实际产品是用机器焊接的，焊接速度很快（不会损坏芯片） 。你不要这样做，因为可能会损坏芯片，而且在调试时要移去芯片，而焊住的芯片要取下且不损坏芯片是很难的。4.从插座上拔出芯片如果你要取下一个芯片，你可以用一个小平口螺丝刀轻轻地把芯片从插座中拔出。仔细地在两端把平口螺丝刀插入芯片与插座之间，轻轻地翘起芯片，注意要分别在两端口起翘，否则会把引脚弄弯甚至折断。5.集型（晶体管）集成电路和 MOS 集成电路历史上，双集型集成电路曾比 MOS 集成电路更普及，尤其是对小规模集成逻辑电路而言。主要有两个 ，一个是最初双晶体管（即三极管）要比 MOS 更可靠，其次是三极管速度比 MOS 管快。但随着 MOS 管的可靠性的改进以及集成电路变的越来月复杂，使得MOS 逻辑电路的体积小及损耗功率小的这两个优点显得更重要了，双极型逻辑电路的使用也减少了，然而双极型晶体管集成电路技术在高频逻辑电路中仍有用。当上位机脱机时，在下位机控制下，整个系统能正常运行。2.2 上位机系统（中央管理工作站）2.2.1 上位机上位机即图文控制中心，主要由 PC 机和激光打印机组成，采用 SIMATIC WINCC 软件平台，采用全中文操作界面，人机对话友好。管理人员和操作者，可以通过观察 PC 机所显示的各种信息来了解当前和以往整个冰蓄冷自控系统的运行情况和所有参数，并且通过鼠标进行设备管理和执行打印任务。2.2.2 WINCC 软件平台WINCC 软件在自动化领域中可用于所有的操作员控制和监控任务。可将过程控制中发生的事件清楚地显示出来，可显示当前状态并按顺序记录，所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示，可连续或按要求编辑，并可输出打印报表和趋势图。WINCC 能够在控制过程中危急情况的初发阶段进行报告，发出的信号既可以在屏幕上显示出来，也可以用声音表现出来。它支持用在线帮助和操作指南来消除故障。某一 WINCC 工作站可专门用于过程控制以使那些重要的过程信息不被屏蔽。软件辅助操作策略保证过程不被非法访问，并提供用于工业环境中的无错操作。WINCC 是 MICRSOFT WINDOWS98 或 WINDOWS NT4.0 操作系统下，在 PC 机上运行的面向对象的一流 32 位应用软件，通过 OLE 和 ODBC 视窗标准机制，作为理想的通讯伙伴进入 WINDOWS 世界，因此 WINCC 可容易地结合到全公司的数据处理系统中。 3 冰蓄冷系统的控制3.1 控制目的、范围及主要受控设备蓄冷控制系统控制目的：通过对制冷主机、储冰装置、板式热交换器、系统水泵、冷却塔、系统管路调节阀进行控制，调整储冰系统各应用工况的运行模式，在最经济的情况下给末端提供一稳定的供水温度。同时，提高系统的自动化水平，提高系统的管理效率和降低管理劳动强度。控制范围包括整个冰蓄冷系统的参数状态显示、设备状态及控制，主要控制设备有：双工况主机、电动阀、冷却塔、冷却水泵、蓄冰装置、初级乙二醇泵、板式换热器、次级乙二醇泵等。3.2 控制功能控制功能包括整个冰蓄冷系统稳定、经济运行所需的功能。3.2.1 工况转换功能根据季节和机器运行情况，自控系统具备以下工况转换功能：1. 双工况主机制冰同时供冷模式；2. 双工况主机单独制冰模式； 3. 主机与蓄冰装置联合供冷模式；4. 融冰单独供冷模式；5.主机单独供冷模式。3.2.2 工况的启停、显示和故障报警功能 控制系统按编排的时间顺序，结合负荷预测软件，控制制冷主机及外围设备的启停数量及监视各设备之工作状况与运行参数，如：制冷主机启停、状态及故障报警；制冷主机运行参数；制冷主机缺水保护；制冷主机供/回水温度、压力遥测和显示；冷冻水泵启停、状态及故障报警； 乙二醇泵启停、状态及故障报警；冷却水泵启停、状态及故障报警；-压差旁通管的压差测量与显示；冷却塔风机启停、状态及故障报警；冷却塔供/回水温度控制与显示；供/回水温度、压差遥测控制与显示；板式换热器侧进出口温度控制与显示；蓄冰装置进、出口温度遥测控制与显示；冷冻水回水流量控制与显示；电动阀开关、调节与阀位控制与显示；室外温湿度遥测控制与显示；蓄冰量测量与显示；末端冷负荷控制。3.2.3 数据的记录和打印功能控制系统对一些需要的监测点进行整年趋势记录，控制系统可将整年的负荷情况（包括每天的最大负荷和全日总负荷）和设备运转时间以表格和图表记录下来，供使用者使用。所有监测点和计算的数据均能自动定时打印。3.2.4 手动/自动转换功能控制系统配置灵活的手动/自动转换功能。3.2.5 优化控制功能根据室外温度、天气预报、天气走势、历史记录等数据自动选择主机优先或融冰优先。在满足末端负荷的前提下，每天使用完储存的冷量，尽量少地运行主机。充分发挥冰储冷系统优势，节约运行费用。3.2.6 全自动运行功能系统可脱离上位机工作，根据时间表自动进行制冰和控制系统运行、工况转换、对系统故障进行自动诊断，并向远方报警。触摸屏显示系统运行状态、流程、各节点参数、运行记录、报警记录等。3.2.7 节假日设定功能系统可根据时间表自动运行，同时也可预先设置节假日，控制储冰量和储冰时间，使系统在节假日时对不需要供应空调的场所停止供冷。3.2.8 下位机操作功能下位机操作功能如下：1.人机对话。操作人员可通过触摸面板进行人机对话，操作界面完全中文化，具有提示、帮助、参数设置、密匙设置、故障查询、历史记录等功能。2 .系统设置。包括操作口令设置、运行设置、运行时间表设置、记录溢出处理、自动/手动/测试选择、节假日设置、系统参数设置（包括各节点温度、压力，各介质的流量，储冰量，制冰速率，融冰速率，阀门开度，末端负荷等。 ）3. 故障记录、运行记录、历史记录等。3.3 远程监控控制系统通过电话线或宽带网，与专家系统连接，对系统进行运行监控、参数修改、数据采集等，使系统不断完善和软件版本升级，让用户得到更好的服务。远程监控的目的是用户可以通过 PSTN（公共交换传输网）对冷冻站进行异地远程监控。同时也可以实现远程调试、远程适时监控和在线维护等，从而大大减轻工程人员的工作强度，降低工程成本。3.4 系统扩展控制控制系统设计界面友好，PLC 和触摸屏均可扩展，内容可扩展、参数也可修改，通过485 通讯接口或通信协议实现 BAS 与冰储冷自控系统一体化，节约投资、方便管理。系统集中控制，减少了动力柜占地面积，又使动力柜型号统一、式样相同、大小一致。系统扩展控制如下：1.污水泵自动控制； 2.风、排风控制;3.活水泵稳压控制；4. 防水泵定时运行、检测、报警； 5.淋水泵稳压控制； 6 .筑物夜间轮廓照明自动控制 7.低配计量、开关状态检测、报警。4 结语通过 PLC 在冰蓄冷空调系统的推广运用，验证了 PLC 系统的可靠性特点，保证了系统的安全运行和有效节能，同时也为楼宇设备控制系统的控制器选型提供了新的思路。相信在不久的将来，越来越多的 PLC 系统在冰蓄冷空调系统的运用中日趋成熟，在楼宇设备控制系统中也将会大显身手。