CC-Link總線在地源熱泵空調控制系統中的應用

高 亮 張國鈞

(太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

由于環境污染日益嚴重以及能源的過度消耗，使得地源熱泵技術越來越受到人們的重視。該技術日趨成熟，最近幾年在我國得到了廣泛的應用。地源熱泵中央空調是集制冷與供暖于一體的系統，它在冬季的采暖能量主要來源于地下土壤所蘊含的能量;夏季制冷時從負載側吸收的熱量也較多被釋放到地下土壤中[1]。現代地源熱泵中央空調系統不再依靠調節閥門開度來調節負載側的制冷與供暖，而是通過對水泵的變頻控制來達到匹配負載的目的，從而有效地節省能源，提高地熱能的利用率。

地源熱泵中央空調控制系統可分為多個分控制系統，各分控制系統采用CC-Link現場總線互聯，從而實現數據連通與集中管理。

1 系統組成及控制要求

地源熱泵中央空調系統由熱泵機組系統、地源側水循環系統、一次側水循環系統、二次側水循環系統、調峰采暖水循環系統、冷卻塔水循環系統和定壓補水系統等組成。系統方框圖如圖1所示。

圖1 地源熱泵空調系統方框圖Fig.1 Block diagram of ground source heat pump air-conditioning system

二次側水循環系統是指用戶側的水循環系統，包括夏天的冷凍水和冬天的采暖循環水。在夏季，用戶側水系統作為冷凍水系統通過機組蒸發器降溫;在冬季，通過循環水管道閥門切換，用戶側水系統作為冷卻水系統通過冷凝器加熱升溫[2]。一次側循環水系統用于促進熱泵機組的循環水系統換熱，而地源側循環水系統用于加速空調系統與地下水之間的能量交換。一次側循環泵和調峰采暖循環泵為軟啟動器控制，而地源側循環泵、二次側循環泵采用變頻調速控制。熱泵機組、負載側循環泵的運轉數量及運行速率通過二次側供回水壓差及溫差加以調節。

為使二次側供回水達到流量平衡，系統通過供回水旁通管來調節水量。系統需要進行本地及遠程控制。本地控制時只需操作控制柜上的觸摸屏，而遠程控制則是在集控室進行控制。當系統運行時，系統中的各種數據如泵的運行數量、頻率、流量和溫度等需要實時監控，這些數據需要在觸摸屏和上位機的組態畫面中加以反映。

2 控制系統方案設計

2.1 系統控制方案

在地源熱泵中央空調系統中，負載一次泵為定流量系統，二次泵采用壓差控制變流量運行。系統負載側一級泵及熱泵機組根據實際負荷采用數量控制：一次泵運行臺數根據負載側二次泵系統運行情況及旁通管流量、流向來確定;主機運行臺數根據負載用戶側回水溫度確定;地源側水泵根據系統運行情況進行數量控制[3]。二次側采用壓差變送器、PID調節器和變頻器組成閉環控制系統。壓差變流量控制是指采用變頻器改變泵的流量，保持空調系統供回水干管壓差的穩定。這種控制方式充分發揮了水泵效率。采用這種控制方式的空調系統運行穩定[4]。壓差變流量控制原理圖如圖2所示。對于溫差環節，系統會在溫差變化較大的情況下相應改變熱泵機組的運行數量。

圖2 壓差變流量控制原理圖Fig.2 Principle of differential pressure variable flow control

2.2 系統硬件設計原則

一次側循環泵運行時需全速運行，軟啟動器即可滿足要求。根據控制和節能的要求，二次側和地源側循環泵采用三菱F740變頻器進行控制。地源熱泵中央空調系統的每個分系統的控制點數較少，小型PLC產品滿足這一需求。三菱FX系列PLC具有可靠性高和使用較簡單等特性，在設計控制電路圖時，需要用中間繼電器對輸入接口和輸出接口與外部電路進行隔離，防止PLC模塊損壞。溫度的檢測采用熱電偶型溫度傳感器模塊FX2N-4AD-PT，信號線可以直接接在模塊端子上，從而避免了隔離端子接線。對于流量、壓差等模擬量信號，采用FX2N-4AD模塊采集，電動調節閥等模擬量控制設備的信號由FX2N-4DA給定。

2.3 系統網絡結構設計

2.3.1 CC-Link 現場總線簡介

現場總線技術實際上是一種全數字、串行、雙向通信的網絡控制技術。與傳統的集散控制技術相比，該技術在系統的可靠性、開放性、通信模式、拓撲結構、軟件功能等方面具有極其顯著的優越性，在工業控制和樓宇控制領域得到成功應用。

當CC-Link現場總線應用在小型FX PLC組成的控制網絡時，可使用FX2N-16CCL-M做主站通信模塊、FX2N-32CCL做從站模塊，各站之間通過CC-Link專用現場總線屏蔽雙絞線進行連接。主站與從站之間采用主從輪詢方式通信，主站對總線有控制權，從站只是主站的一個響應。主從站交換數據的過程是周期性的。CC-Link現場總線的通信速率很高，完全滿足中央空調控制系統的實時性要求[5]。

2.3.2 控制系統網絡構建

按照地源熱泵中央空調系統的組成及現場工藝要求，將系統分為4個分系統：一次側循環泵控制系統、地源側循環泵控制系統、二次側循環泵控制系統、熱泵機組控制系統。調峰采暖及冷卻塔循環泵被應用于二次側循環泵控制系統。每個分系統作為一個遠程設備站，控制其對應的子系統[6]。熱泵機組本身帶有控制系統，只要為其配置通信板卡，即可與主站相連接進行通信。地源熱泵中央空調現場總線控制系統簡化圖如圖3所示。

圖3 地源熱泵中央空調現場總線控制系統簡化圖Fig.3 Simplified diagram of ground source heat pump central air conditioning field bus control system

二次側循環泵控制站系統點數為168點，地源側水泵控制站點數為160點，一次側循環泵控制站點數為96點且熱泵機組控制站的點數為120點;而FX2N型PLC作為控制系統的主控單元時，系統控制點數最多為256點。對于本系統的4個從站而言，其控制點數都沒有超過這個限制。在將FX PLC作為CC-Link系統主站且每個從站只占用一個邏輯站地址的前提下，主站模塊可以連接7個遠程I/O站與8個遠程設備站，完全滿足本系統對從站站數的要求。系統中每個從站同主站進行通信的數據量較大，所以為每個從站分配兩個站地址較為合適，這樣8個設備站地址全部占滿。系統的每個子站都可以獨立運行而不受主站的影響，這樣就構成了主從控制系統。

當變頻器掛接在CC-Link總線上時，需要采用一個通信擴展板F2-A7NC，此時變頻器作為一個遠程設備站而存在，且每個變頻器占用一個遠程設備站地址[7]。因此，采用一個主站模塊無法達到系統的要求，需再為變頻器配置2個主站通信模塊。

2.3.3 人機交互系統網絡構建

系統共有4個子站，每個子站配備一臺觸摸屏用于本地操作。用戶能及時觀察系統的各項數據。觸摸屏選用臺達DOP-B系列，它具有強大的通信功能及豐富的界面圖庫。4臺觸摸屏從屬于相應的子站，故它們與PLC之間直接通過RS-422通信會比采用Modbus ASCII 485通信[8]的一機多屏技術簡單。當從站較多時，Modbus ASCII 485通信還會有較長的時間延遲，不利于系統的實時控制。Modbus ASCII 485通信網絡圖如圖4所示。

圖4 觸摸屏Modbus ASCII 485通信網絡圖Fig.4 Touch screen Modbus ASCII 485 communication network

2.4 上位機通信系統

上位機組態軟件采用亞控公司的組態王，它是專門為過程控制和現場監控開發的監控系統軟件。它具有強大的數據處理能力和友好的用戶界面，并提供了強大的數據庫、在線幫助、診斷、安全保護等功能。利用組態王軟件可以制作現場設備監控畫面，如系統狀態圖、工藝報警、模擬量趨勢、報表輸出等，可直觀、動態地顯示出現場重要參數的數值，實現人機信息交互[9]。上位機與控制現場的PLC通信時采用RS-232/422通信，需要配備SC-09通信電纜，此時上位機可操作相應的按鈕，通過總線與PLC主站進行數據交互。FX3U PLC作為CC-Link主站，采用廣播-輪詢的方式將各種數據發送至總線，并接收所需要的參數信息，從而完成上位機與PLC的通信連接，實現對PLC的編程與管理功能[10]。

CC-Link總線技術具有可靠性、有效性和可維護性等特點。當給主站配備FX3U-485ADP-MB的通信模塊后，地源熱泵中央空調控制系統便可以很好地與樓宇自動化系統融合。

3 結束語

將各種總線技術引入到地源熱泵中央空調系統中已成為空調控制系統發展的必然趨勢。利用總線技術分布式的特點，盡量將節點分散布置在靠近現場設備的位置，以減少布線工作量，提高傳輸的可靠性，這樣有利于調試和維護。現場總線技術提供了設備級診斷功能，這是硬接線I/O接口很難實現的。在系統運行過程中，由于總線控制方式的特點，可以減小系統故障風險，避免當系統中某一設備出現故障而影響到整個網絡系統中其他設備的運行。通過現場總線技術，使得不同的底層系統都可以與上位機監控系統融合在一起，實現統一管理的目的。

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