基于CC-Link現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)樓宇控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

一、概況

本文以杭州某大型醫(yī)院門診大樓為例，介紹建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)改造實施方案。該醫(yī)院門診大樓原設(shè)有樓宇控制系統(tǒng)，主要控制對象是暖通空調(diào)設(shè)備，由于各種原因系統(tǒng)功能開通率不高，冷熱源系統(tǒng)的變頻器只做手動調(diào)節(jié)，節(jié)能效果不佳。我們針對樓宇控制系統(tǒng)的特點采用了基于最新的CC-Link現(xiàn)場總線技術(shù)，運用三菱最新的Q系列可編程控制器（PLC）為主站控制器，由FX3U和FX1N可編程控制為現(xiàn)場子站控制器組成的聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)來對系統(tǒng)逐步改造的方案，本期工程首先對冷熱源部分包括空調(diào)水泵的變頻控制、冷卻塔水閥控制及樓層設(shè)備控制中存在故障的控制部分進行改造。主站的監(jiān)控采用組態(tài)王軟件，全中文界面，功能強大，具有通過INTERNET網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

二、系統(tǒng)軟硬件介紹

2.1 CC-Link現(xiàn)場總線簡介

CC-Link是CONTROL&COMMUNICATION LINK的簡稱，它通過普通三芯屏蔽線，提供156KBPS至10MBPS的通訊速率（視系統(tǒng)通訊距離而定），最大通訊距離可達1200M（156KBPS速率）。CC-Link網(wǎng)絡(luò)上可掛的各種模塊（包括開關(guān)量I/O和模擬量I/O）以及子站控制器，最多64個遠程設(shè)備站，可方便地組成各種類型的集散控制系統(tǒng)，并可大大簡化控制線路的布線，并可根據(jù)需要隨時擴展系統(tǒng)功能。

CC-Link網(wǎng)絡(luò)的主要特點：

在同行業(yè)中速度較快的總線網(wǎng)絡(luò)

由于其擁有在同行業(yè)中最快的通信速度，所以當(dāng)何處需要高速應(yīng)答時，它可以支持傳感器輸入及容許智能化設(shè)備進行大量數(shù)據(jù)的傳送。此外，還可以選擇系統(tǒng)適用的最佳的通信速度和總距離。

完善了的RAS（可靠性、實用性、可維護性）功能

具備自動在線恢復(fù)功能，待機主控功能，切斷從站功能，確認鏈接狀態(tài)功能及測試和診斷功能，因此可以構(gòu)成具有高度可靠性的網(wǎng)絡(luò)。

完全支持和具有高度安全性的多廠商網(wǎng)絡(luò)

公開的技術(shù)，并與包括日本國內(nèi)和國外的許多設(shè)備廠商建立了合作關(guān)系，因此具有廣泛的兼容性。2005年6月，批準成為中國國家標準，并被推薦為應(yīng)用于建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的控制總線之一。

2.2 三菱可編程控制器簡介

中央站PLC控制器： Q系列PLC是由CPU模塊、電源模塊和主基板單元組成，具有自動CC-Link啟動功能，本次采用的Q00JPLC具有：

1、最多8192個軟元件

2、最多4096個I/O

3、多達14K步的程序容量

4、可以加7個擴展基板

5、配合GPPW軟件可以進行在線編程及監(jiān)控

系統(tǒng)子站PLC控制器： 三菱FX3U系列可編程控制器具有體積小，內(nèi)置16K步的RAM和時鐘，是FX系列中性能最高的機型，可通過RS485通訊口通過專用指令控制多達32臺變頻器；FX1N是性價比較高的機型， 內(nèi)置8K步的RAM和時鐘。它們都擁有模擬量控制、系統(tǒng)通訊的各種特殊用途組件，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。該系列PLC具有較強的通訊功能，可通過FX2n-CCL通訊模塊直接掛在CC-Link網(wǎng)絡(luò)上，組成集散控制系統(tǒng)，通過CC-Link網(wǎng)絡(luò)可與主站交換數(shù)據(jù)，通過主站PC機對整個系統(tǒng)進行集中管理監(jiān)視和控制。［page］

三、系統(tǒng)軟件

我們采用北京亞控自動化軟件有限公司開發(fā)的組態(tài)王（Kingview）。該軟件是最優(yōu)秀的國產(chǎn)組態(tài)軟件之一，目前的版本是6.52。

四、改造內(nèi)容

4.1冷熱源部分

建筑空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物和不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負載并增加一定余量設(shè)計，而實際上在一年中，滿負載下運行天數(shù)恨少，有的只有十多天，大部分時間都在70%負載以下運行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機的負荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調(diào)節(jié)負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調(diào)節(jié)負載，造成電能的大量浪費。如果采用根據(jù)空調(diào)負荷自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)流量，就可以從根本上節(jié)約電能，同時也可保證空調(diào)的使用效果。

該醫(yī)院門診大樓中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源部分改造前的主要設(shè)備和控制方式：主機800冷噸冷氣主機2臺，空調(diào)循環(huán)泵3臺，配用功率75KW；冷卻水泵3臺，配用功率75KW。熱水泵30KW3臺，配用功率30KW?？照{(diào)末端為空調(diào)箱、新風(fēng)機和風(fēng)機盤管，為變流量系統(tǒng)，供回站設(shè)旁通調(diào)節(jié)閥平衡水流量。冬季通過閥門切換，空調(diào)循環(huán)泵水流通過板式蒸汽/水熱交換器為大樓末端提供熱水。原系統(tǒng)空調(diào)循環(huán)泵定頻運行或手動調(diào)節(jié)變頻器，節(jié)能效果并不理想。

水泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速 n 與流量 Q， 揚程 H 及泵的軸功率 N 的關(guān)系如下式所示：

Q1=Q2（n1/n2） H1=H2（n12/n22） N1=N2（n13/n23） （1-1）

上式表明，泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比， 泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電動機驅(qū)動泵時，電動機的軸功率P（kw） 可按下式計算：

P=ρQH/ηcηF×10-2 （1-2）

式中： P：電動機的軸功率（KW） Q：流量（m3/s） ρ：液體的密度（Kg/m-2）

ηc：傳動裝置效率 ηF：泵的效率 H：全揚程（m）

調(diào)節(jié)流量的方法如圖二所示，曲線1是閥門全部打開時，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2是額定轉(zhuǎn)速時，泵的揚程特性。這時供水系統(tǒng)的工作點為A點：流量QA，揚程HA；由（1-2）式可知電動機軸功率與面積OQAAHA成正比。今欲將流量從QA調(diào)節(jié)到QB只需將水泵電機轉(zhuǎn)速由N2調(diào)節(jié)到N4，電動機軸功率由面積OQAAHA降為面積OQBCHC，節(jié)能效果明顯。

經(jīng)實地勘察，本著節(jié)省投資，并使改造后的能與原有的系統(tǒng)隨時方便切換，采用基于三菱FX3U系列PLC控制器、變頻器和外圍傳感器等組成的智能控制系統(tǒng)，自動控制的空調(diào)循環(huán)、冷卻水泵的變頻運行，主要功能有：

（1）按空調(diào)負荷變化來對空調(diào)泵進行變頻控制，設(shè)定的溫差、壓差（流量）值可人工設(shè)定或按不同時段自動調(diào)整，以滿足不同時間段大樓對空調(diào)的需求。在夏季制冷工況下，系統(tǒng)還需自動保證離心制冷機的允許最低流量，確保系統(tǒng)安全運行。

（2）夏季制冷工況時根據(jù)空調(diào)負荷自動地在機組允許的冷卻水量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冷卻水泵的流量，達到冷卻水泵節(jié)能目的。

（3）該大樓的冷卻塔采用了低噪音無風(fēng)機形式，為保證冷卻效果，需保證冷卻塔出水壓力在一定范圍，使水流以一定流速噴出霧化充分獲得較好的冷卻效果，冷卻塔出水閥需與冷卻水泵的自動聯(lián)動控制故，即根據(jù)冷卻水出水壓力控制出水閥門開啟個的個數(shù)實現(xiàn)。

（4）考慮到系統(tǒng)運行的可靠性，采用人工干預(yù)下的臺數(shù)控制功能，即系統(tǒng)可實時監(jiān)測空調(diào)負荷，并計算出當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)的負荷情況，提示需開啟空調(diào)機組的臺數(shù)。

（5）對被控制的設(shè)備提供電氣保護（過電壓、過電流、過載）保護、冷凍水低流量保護、冷凍水低溫保護、冷卻水高水溫保護功能。

（6）本子系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)及控制指令通過CC-Link與主站 QPLC通信，并采用通用組態(tài)軟件組態(tài)王6.52對空調(diào)系統(tǒng)的各水泵、風(fēng)機、主機的主要工藝參數(shù)的監(jiān)控。

4.2空調(diào)末端部分

由于空調(diào)末端設(shè)備如空調(diào)機新風(fēng)機等的數(shù)量較多且分布范圍大，其能耗也占有比較大的比例，故本次改造方案是首先對大樓節(jié)能和管理要求較高的部分的控制功能進行改造，在現(xiàn)場設(shè)置性價比很高的FX1N PLC控制器對末端設(shè)備進行控制，該控制器也連接在CC-Link網(wǎng)絡(luò)上，可通過主站控制軟件界面監(jiān)測和操作。

改造完成后對空調(diào)末端設(shè)備實現(xiàn)下列控制功能：

空調(diào)末端：

1、 實時監(jiān)控樓層的空調(diào)機新風(fēng)機和風(fēng)機盤管的運行狀態(tài)

2、 設(shè)備控制開關(guān)為時間程序控制，或監(jiān)控站人工控制。

3、 根據(jù)室溫采用PID算法控制空調(diào)機水閥開度，保證溫度恒定，達到節(jié)能舒適的功能。

4、 監(jiān)視空調(diào)機濾網(wǎng)濾網(wǎng)是否淤堵，及時提醒清洗。

5、 時間程序可根據(jù)季節(jié)設(shè)定并累計空調(diào)機的累計運行時間。

6、 為管理提供可靠依據(jù)。還可實現(xiàn)夜間換風(fēng)和防凍等功能。

4.3系統(tǒng)框圖：

五、結(jié)論

系統(tǒng)改造后，經(jīng)精心調(diào)試，完全達到各項控制功能的要求，由于采用了工業(yè)控制的通用設(shè)備，系統(tǒng)的實時性較以往有了大幅提高且穩(wěn)定可靠，投資和維護費用低，備件充裕，可確保系統(tǒng)長期可靠使用。特別是冷熱源系統(tǒng)部分的控制程序經(jīng)多次測試和優(yōu)化，不但操作簡便且節(jié)能效果明顯，平均可達20%左右；同時末端設(shè)備控制更加方便。在舉國關(guān)注節(jié)能減排的形勢下，該控制系統(tǒng)值得在推廣。

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