PLC在区域供冷自控系统中的应用及分析

广州大学城是广东省落实“科教兴粤”战略部署的一项重要工程，同时也是广州市建设现代化生态城市目标规划中的重要组成部分。广州大学城定位为国家一流的大学园区，华南地区高级人才培养、科学研究和交流的中心，学、研、产一体化发展的城市新区，面向21世纪适应市场经济体制和广州国际化区域中心城市地位、生态化和信息化的大学园区。广州大学城位于广州市番禺区小谷围岛及南岸地区，规划范围约43平方公里，可容纳学生18万至20万人，总人口达40万人左右（包括村镇人口）。大学城的建设目标是在广州市未来发展的中心地带番禺区小谷围岛及其南岸地区新建一座集大学教育、生活及其配套设施为一体的一流大学城。

广州大学城区域供冷系统设计总装机容量约11万冷吨，供冷建筑面积约350万平方米，各高校末端总共有近300间板换间，冷冻水供回水温度为3℃/13℃。其自控系统能自动、实时采集系统所有机电设备的运行状态、末端负荷状态等参数，并实施过程控制，使系统为末端用户提供足够的冷量，并能跟随末端负荷的变化，实现冷站供冷量与末端用户实际需求负荷的精确匹配，从而提高系统的运行效率，降低运营成本。

广州大学城区域供冷系统是当今世界供冷区域最大的工程之一，蓄冷量可与美国芝加哥市UNICOM区域供冷系统相媲美。整个系统建有四个冷站，空调负荷主要是十所高校的教学区和生活区大楼以及两个中心商业区供冷。整个系统由冷站（制备冷量）、空调冷冻水管网（输送冷量）及末端供冷系统（使用冷量）三个子系统组成。自控系统实现区域供冷系统四个冷站中央空调系统的自动监控，在系统安全可靠运行的前提下，以满足末端用户供冷需求为根本，从末端用户稳定供冷、二级泵管网稳定送冷和冷站制冷三个环节进行控制，在满足用户舒适性要求下，对系统进行优化，使系统运行于最佳工况，实现经济运行。

单体建筑用户侧高温回水经水泵流过板换，再以低温水向单体建筑供冷；管网侧供水管来自冷站，经板换后再回到冷站，目的是向单体建筑提供冷量。空调管网输送的冷冻水与各单体建筑内的冷冻水通过板换进行热交换来完成能量传递过程。具体的工艺流程如下图所示。

图1 末端供冷系统图

单体建筑空调机房设备少、控制简单，关键是必须具备计费和独立控制功能。因此，从性价比及控制要求上我们选择了德国西门子S7-200系列PLC进行自动控制。其主要有四个方面的优点：

1、 性价比最优

单体建筑空调机房受控制设备少、控制点数少、工艺简单，采用低端PLC自由组合I/O模块，独立编程控制，灵活便捷，相对DDC系统投资少。西门子PLC在全球有良好的可信度，其低端产品S7-200系列PLC具有精度高、可靠性高、编程灵活、性能优越、价格低廉等优点，且在全球有着极高的市场占有率。

2 能够独立编程控制

在广州大学城区域供冷系统Profibus-DP网络中，选择ET200M分布式I/O，配置有源背板总线，在主站CPU上统一编程，可靠性更高。从站I/O点不影响整个系统运行，各从站间相互独立。从站不能采用ET200M分布式I/O，而必须采用CPU+I/O模块。根据工艺要求，末端单体建筑空调机房必须具备独立冷热量计费、控制功能。冷热量计费要求PLC采样精度高。S7-200PLC扫描周期十几毫秒，对温度的分辨率为1/2¹²℃，对流量的分辨率为1/2¹⁵m³/h，高精度配置可以使计费精度达0.2%。每个机房的设备数量不一致，控制程序不完全相同，在CPU上可以任意编程。因此采用S7-200PLC能够满足系统控制要求。

3 通讯功能

与其它PLC一样，S7-200配置相应的通讯模块可以与Profibus-DP网络通讯，也可以与工业以太网通讯，同时CPU上的编程口支持自由通讯协议，可以与变频器通讯。广州大学城末端控制系统采用Profibus-DP网络。Profibus-DP网络是西门子公司推出的世界应用最广泛、最经典的总线方式。最大通讯速率达12Mbps，主站CPU访问每个从站CPU并监控从站。主站CPU通过工业以太网接受控制室操作员站监控，形成一个完整的监控网络。

4 扩展功能

S7-200PLC最多可以带8个扩展模块，可以扩充控制点。配CP231模块可以与工业以太网通讯，同时CPU上的编程口支持自由通讯协议，可以与变频器通讯。

控制系统硬件配置

末端控制PLC：S7-200（CPU224、EM231 RTD、EM235、EM277）

冷站内的操作站：工控机（PⅣ2.4G 21’纯平彩显）

以太网卡：CP1613

交换机：OSM-ITP62

主站CPU：CPU414-2DP（图中S7-412-2DP即表示CPU412-2DP，其从站只有40个）

以太网接口：CP443-1

扩展DP接口：CP443-5（扩展型）

光电链路器：OLM/G11-1300（主站PLC出口）、OLM/G12-1300

系统监控网络结构

控制级采用TCP/IP协议，工业以太网，网络波特率为10/100Mbps，采用光纤进行通讯，现场级采用现场总线Profibus-DP，总线传输介质为通讯电缆和光缆，网络波特率为19.2Kbps。拓朴结构如下：

二、三、四冷站各设一套主站PLC（CPU414-2DP），上图为广州大学城四号冷站末端控制系统的网络结构图，二、三号冷站的网络结构与上图相似，只是Profibus-DP网段数量和从站数量不一样。以四号冷站末端控制系统方案进行分析，根据各单体的位置，按近原则组网，采用光缆介质和Profibus专用电缆介质，选用S7-400 CPU414-2 DP可编程控制器作主站，S7-200PLC作从站来完成整个控制系统网络的组建，具体方案如下：
各冷站PLC、操作员站以及其它控制器和服务器工作在工业以太网上，服务器读写三个冷站的主站PLC。作为收费系统和监控各单体建筑机房的人机界面，各冷站的操作员站只读写对应主站PLC 。

根据西门子高端产品通讯技术参数，一个CPU414-2DP可以有至少4个最多10个Profibus-DP网段，一个DP网段最多不超过96个从站，一个OLM可以作一条Profibus-DP总线，该总线最多不超过32个从站，但实际组网时会考虑到CPU的过程映象I/O点数量的最大允许值和CPU通讯的I/O点数量以及设计余量来分配网段的从站数量。根据一条Profibus-DP总线要求和地域分布以及设计余量来分配一条Profibus-DP总线的从站数量，从而实现主站PLC（S7-400）对各单体建筑空调机房的监控。利用CPU224处理模拟量功能较强、精度较高的特点，通过扩展模拟量AI/AO模块，完成温度、流量、压差和调节阀门的控制；通过扩展数字量DI/DO模块，完成单体建筑空调机房水泵、压差开关、电动蝶阀等设备的监控。

整个区域供冷末端系统约300个单体建筑空调机房，每个单体建筑机房要求独立计费、独立运行。因此，末端系统控制的关键是做好各单体建筑空调机房内设备如：变频水泵、调节阀门等的自动控制和冷热量的计量。管理人员可以在各冷站的控制室通过现场的Profibus-DP总线和工业以太网对末端系统进行远程监视和控制管理。

具体的控制任务如下：

1、 对每一栋单体建筑进行数据采集、计量、控制，现场不能修改参数，只能显示监视数据。

2、 板换二次侧供水温度T3控制在6.5℃，水泵变频控制。

3、 控制室具有数据查询包括日用量和月用量查询和用户资料查询，可以显示选定某段时间的数据按每栋进行查询。

4、 当大楼欠费时可以通过控制室进行远程控制，将对应的冷源自动关闭，方便物业管理。

系统应能提供稳定、可靠的设备监控功能，同时，系统应具有很好的兼容性、可扩展性。

控制程序结构与流程：

按空调工艺特点和要求及冷热量计费要求编制的控制程序保证了空调供冷过程可顺利地进行，并对机房运行各装置提供了有效的监控和保护，保证了系统正常的计费。根据系统要求空调供冷要分遥控/本控两种方式。在本控操作时，通过电源柜可以启动水泵，但必须手动打开电动调节阀门方可供冷，以满足控制器故障时供冷需要。远程控制室可以全自动控制设备、监视设备状态。主控站S7-400 CPU任务较多，但主要是读写各从站的监控参数，通过合理设计程序结构能大大减少程序的扫描时间，提高CPU的工作效率。虽然各单体建筑空调机房的逻辑控制不完全一样，但可以分为三类，每类的逻辑控制完全一样，主控站S7-400 CPU与从站S7-200 CPU交换数据参数一样，可用循环程序来调用同一类子程序（FC功能块）的办法来完成各单体建筑空调机房的监控，主控站CPU与各从站交换的数据分别放在3个DB数据块中，在调用各功能块之前打开各自的数据块，完成参数的传递。

广州大学城末端供冷系统自动化程度高，数据采集量大，控制站数量较多，因此我们对系统的可靠性要求比较高，自2006年9月的投入使用，实现了高度集成自动化控制和科学化能源管理。广州大学城区域供冷系统采用SIEMENS 可编程控制器很好的完成了空调供冷和计费的自动控制任务，采用Profibus-DP工业现场总线网络和工业以太网实现了各冷站控制室对各个单体建筑空调机房的分布式集中控制，符合大型区域供冷自控系统的数字化和网络化的发展方向。