基于Modbus協議PLC在中央空調水系統變頻節能中的應用

劉敏層 鄺 濤 何莉鵬 史勵新

(1. 西安建筑科技大學，西安 710055；2. 西安科技大學，西安 710054；3. 河南省電力公司鄭州供電公司，鄭州 450006)

在保證中央空調有較好的運行狀態和較高的運行效率的情況下，筆者提出了在中央空調系統中利用變頻器對冷凍泵、冷卻泵進行節能控制的方法。在傳統的PLC與變頻器通信中，模擬量和數字量都通過導線進行傳輸，這種通信方法編程簡單，但是會使系統接線變得復雜，增加了PLC的控制模塊，并且信號在傳輸過程中容易被干擾。為了提高控制系統的穩定性和精確度，降低系統成本，本系統利用基于Modbus協議的PLC與變頻器進行通信，使監控數據無波動，也使得變頻器中眾多控制信號和運行信號更容易被設置和讀出，但是這樣也增加了編程難度，程序是根據寄存器地址讀取數據，這就要求程序非常準確。文中闡述了整個控制系統的硬件組成和控制程序、組態軟件的開發。實際運行結果表明，該系統可靠性好，有很好的可擴展性[1]。

1 中央空調系統組成①

中央空調系統主要由主機制冷系統、冷卻水循環系統及冷凍水循環系統等組成(圖1)。其中，主機制冷系統是中央空調系統的核心，它由冷凍主機、壓縮機、蒸發器和冷凝器組成。在蒸發器里，制冷劑和冷凍水發生熱量交換將冷凍水溫度降下來；制冷劑在吸收熱量后蒸發，蒸發后的制冷劑進入冷凝器與冷卻水發生熱量交換，最終熱量被冷卻水帶走。冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻管道和冷卻塔組成。冷卻水(出水)吸收了冷凝劑的熱量后由冷卻泵壓入冷卻塔中，再由冷卻塔風機對其進行噴淋冷卻，與空氣進行熱交換，再將降了溫的冷卻水(回水)送回到冷凍機組中，繼續吸收制冷劑放出的熱量。回水溫度低于出水溫度形成冷卻水溫差。冷凍水循環系統由冷凍泵、冷凍管道和風機盤管組成。從冷凍主機流出的冷凍水(出水)，經冷凍泵壓入分水器，冷凍水由分水器流向各樓層用戶房間里的風機盤管，風機盤管與房間里的空氣進行熱交換，降低房間溫度。參與熱交換的冷凍水(回水)升溫后流向集水器，再由集水器流向冷凍主機。這就形成了冷凍水循環系統[2]。

2 Modbus通信協議

Modbus協議是一種可靠而通用的串行通信協議。通過此協議，控制器相互之間、控制器與PC機、終端設備和其他傳感器、控制設備結合形成分布式控制系統。Modbus協議通信一般采用一主多從方式，即一臺主機發送數據請求命令，多臺從機接收消息后，首先驗證消息的正確性，消息正確且與消息中讀取地址一致的從機發送請求數據到主機以響應命令，另外，主機也可以發送命令修改從機數據，實現雙向讀寫。Modbus協議提供ASCII和RTU兩種傳輸模式供設備使用，若要設備間實現通信則必須設置一致的傳輸模式和串口

圖1 中央空調水系統組成

通信方式。為了檢驗傳輸信息的正確性并確保通信的可靠，Modbus協議要求對數據進行校驗，除定義字符格式和奇偶校驗方式外，ASCII傳輸模式采用LRC校驗，RTU傳輸模式采用CRC校驗。RTU模式中，信息開始至少需要有3.5個字符的靜止時間，依據使用的波特率，很容易計算這個靜止的時間(表1)。接著，第一個區的數據為設備地址各個區允許發送的字符均為16進制0～9，A～F[3]。

表1 Modbus RTU報文格式

3 中央空調變頻控制系統實現

3.1 中央空調控制系統架構

中央空調控制系統架構如圖2所示。整個控制系統分為3層：上位機監控，上位機由信捷觸摸屏組成，實現與下位機施耐德PLC的數據通信，利用組態軟件開發中央空調控制系統運行畫面，實時監控運行參數(PLC的另一個Modbus通信口需要其擴展模塊代替)；數據采集與變頻輸出控制，PLC采集來自各傳感器的數據進行處理，將溫度、壓力和各執行機構的狀態信號保存并傳給上位機，同時，PLC通過對采集的數據進行處理，執行規定的控制算法，控制各執行機構；執行層，變頻器、旁通閥接收來自PLC的控制信號來進行相應的操作，確保系統安全、穩定、高效地運行。

圖2 控制系統架構圖

3.2 變頻節能原理

水泵經變頻器變頻調速后，泵的電機轉速將會發生變化，頻率越高電機轉速越快，頻率降低電機轉速變慢。當電機轉速降低時，它從電網吸收的能量將會減少。減少的功耗為：

ΔP=P0[1-(n1/n0)3]

(1)

式中n0——電機工頻下的轉速；

n1——調頻后的轉速；

P0——電機工頻下的功率。

調頻后水泵供水流量減少為：

ΔQ=Q0[1-(n1/n0)]

(2)

式中Q0——工頻下水泵流量。

由式(1)、(2)可以看出，流量的減少與轉速減少成正比，但功耗的減少與轉速減少的三次方成正比。所以在降低轉速的時候，流量減少較少，但功率減少很大。根據計算，當轉速降低10個單位時，流量改變10個單位，功率減少27.1個單位[4，5]。

3.3 水泵變頻控制

3.3.1冷凍泵變頻控制

對冷凍水循環系統的控制主要是通過控制冷凍泵實現的。此系統有3臺37kW冷凍泵， 每臺泵由各自變頻器帶動。運行期間兩用一備，并根據需要改變兩臺泵的運行速率。冷凍泵的控制一般分為供回水溫度控制和供回水壓差控制。該系統采用壓差控制(壓差信號受環境干擾小，反應快)。當空調負荷改變時，相應管路上閥門開度的變化會引起管道上壓差的改變，控制器檢測到這一變化后按照預先設定值計算出偏差送給PID，PID算出一個值給變頻器，控制冷凍泵的運行頻率，從而通過改變冷凍泵的流量、揚程等來適應空調負荷的變化(圖3)[6]。壓差傳感器送回來的是4～20mA的電流信號，壓差越大負荷越小，根據壓差的變化確定變頻器在30～45Hz運行。

圖3 泵控制原理圖

3.3.2冷卻泵變頻控制

冷卻泵由3臺30kW的水泵組成(兩用一備)，每臺泵由各自的變頻器帶動。冷凍泵的控制方式有兩種，一種是手動控制，手動控制是操作員根據現場情況給變頻器手動輸入一個頻率；另一種是自動控制，冷卻泵根據冷卻水的出回水溫差作為控制依據。溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷凍泵的轉速，增大冷卻水的循環速度；溫差小則降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環速度。變頻器根據PLC送過來的控制信號來改變運行頻率的大小，頻率變化范圍為30～45Hz之間。

3.4 制冷主機和冷卻塔控制

本控制系統中，由于制冷主機在運行后不能對其進行頻繁操作并且其本身也集成了很多自動化控制功能，因此上位機對制冷主機的操作只限于故障監控。

冷卻塔的控制分為遠程和就地控制，遠程控制就是在上位機上對其進行操作和數據監控。就地控制是指在冷卻塔現場控制箱中進行操作，其中就地控制優先于遠程控制。3座冷卻塔(兩用一備)運行有操作員根據實際情況進行分配，例如，在冷卻水的進回水溫度小于一定范圍是可只運行一臺冷卻塔機組，以節省電能。

3.5 系統組態軟件的設計

整個中央空調控制系統組態是在信捷的TouchWin編輯工具下完成上位機軟件開發的，提供了簡易、直觀的用戶操作界面，實現遠程監視中央空調系統主要設備的運行狀態、遠程控制現場設備，并具備完善的故障報警、實時數據監控、歷史數據查詢與打印以及在線修改PLC控制器中的PID參數等功能，監控界面如圖4所示[7]。

圖4 中央空調控制系統監控界面

調節器參數整定的目的就是按照已定的控制指標，求得控制系統最佳的調節性能PLC中PID控制。PLC中PID參數的整定直接影響到控制效果，合適的PID參數整定可以提高自控投用率，增加裝置操作的平穩性。冷凍泵PID是通過壓差來控制輸出的，根據壓力閉環控制系統，一般選擇PI控制，P的取值范圍為1～10，I的取值范圍為0.1～1.0，D=0.0，根據系統和環境的不同，這些都需要在現場調試時進行修正。本系統通過現場試湊最終系統在P=6，I=0.4，D=0.0。冷卻泵PID是溫度閉環控制，一般用PID控制，由于溫度控制系統的大滯后性，一般P可在10以上，I的取值范圍為3.0～10.0，D=1.0左右。本系統最后調整為P=18，I=7.0，D=0.6。PID參數的調整需要經驗和理論相結合才能達到控制要求。

中央空調變頻控制系統以施耐德Twido系列PLC作為控制核心，通過其自帶的RS485借口，使用Modbus協議實現對內嵌有RS485接口的ABB ACS510型變頻器進行控制。Modbus硬件接口采用電氣接口2線制RS485，使用屏蔽雙絞線將6臺變頻器菊鏈在一起。統一設定標準RTU數據格式、通信參數(數據位8，偶校驗，停止位1位，波特率9 600)。6臺變頻器地址為1#冷凍：1；2#冷凍：2；3#冷凍：3；1#冷卻：4；2#冷卻：5；3#冷卻：6。變頻器通信參數和PLC通信參數設置必須一致。表2列出了PLC需要對變頻器進行操作部分參數的Modbus地址，PLC通過自帶的Modbus數據讀寫指令向變頻器接收發送數據。

表2 ABB變頻器參數與Modbus對應地址

4 結束語

綜上所述，中央空調系統采用觸摸屏、PLC及變頻器等設備，提高了其自動化程度，在保證系統高效、穩定運行狀態下，充分發揮了變頻器調速節能的能力，根據負荷變化改變供給能量不僅節約了電能，而且延長了管網和閥門的使用壽命。另外，本系統還可以與DCS系統兼容，方便進行系統改進。該系統在西安高新區某酒店投入使用以來，運行穩定、故障率低，而且操作簡便直觀、方便管理、節能效果明顯。