基于PROFIBUS总线的中央空调控制系统研究.doc

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Proved by practice.Keywords: Air-conditioning system PROFIBUS-DP Inverter Program design0 引言现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现，是自动化技术发展的热点之一，PROFIBUS总线技术因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了非常广泛的应用，它包括PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三个兼容组成部分，PROFIBUS-DP一般用于车间设备级的高速数据通信，主站通过标准的DP电缆与分散的现场设备进行通信，对整个DP网络进行管理和控制，此外它还提供强大的网络以及参数配置、故障诊断和报警处理等非循环通信1。 某中央空调控制系统由3部分组成：设备冷冻水恒压供水控制系统、空调冷冻水系统循环泵变频调速控制系统和井水泵软起动控制系统。中央空调系统采用3台设备制冷机组用于生产设备制冷，设备冷冻水循环泵共2台，额定功率30kW，一备一用。另采用2台空调制冷机组用于环境制冷，空调冷冻水循环泵3台，额定功率37kW，二用一备；同时还有4台井水泵，由软启动控制。系统以西门子S7-200PLC作为核心控制部件，采用变频器控制中央空调冷冻水循环泵，通过PROFIBUS总线构成中央空调系统节能控制系统；1 系统组成系统采用研华工控机作上位机，通过CP5611接口卡与PROFIBUS-DP相连，这样IPC（工控机）与现场总线就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整控制网络。系统选用一台S7-200PLC作为核心控制部件，控制井水泵的软起动、设备冷冻水恒压供水和空调冷冻水的变频调速。其中，PLC选用CPU224，电源模块一块，数字量输入主要有循环泵手/自动运行方式的切换，循环水泵和井水泵的手动启/停操作和井水流量反馈。数字输出点用于两个冷冻水系统故障报警和井水流量报警。系统共选用2台西门子MicroMaster430系列变频器，一台额定功率30kW，用于控制设备冷冻水循环泵，另一台额定功率37kW，用于控制空调冷冻水循环泵。MicroMaster430系列变频器是风机类和水泵类的专用变频器，它拥有内置PID调节器，可以提高供水压力的控制精度，改善系统的动态响应。软起动器选用SIRIUS 3RW40系列一台，额定功率75kW，用于软起动井水泵。选用Transmit（全仕）G-2508系列PID双路温差控制器，用于设定温差，并将PID处理后的420mA模拟信号送至变频器；同时选用压力变送器一个，用于检测设备冷冻水的管网压力，并将压力信号反馈给变频器；选用温度变送器两个，用于检测蒸发器两端的温度，并将温度信号送至PID温差控制器2,3。S7-200PLC通过读取或改写变频器的状态，控制软起动器的运行，从而达到控制和监视设备运行状态的目的。系统采用总线式拓扑结构，两台变频器通过总线接插件接入总线，系统结构如图1所示，本文重点分析设备冷冻水恒压供水控制系统。图1 控制系统结构图2 设备冷冻水恒压供水控制设备冷冻水循环系统是一个密闭的系统，由1#，2#循环泵供水（见图2，中央空调控制系统的主电路），供水压力要求在4.00.5Mbar。正常情况下，一台循环泵工频全速运转时，出水压力可达7.5Mbar，具有很大的裕量，为避免电能的浪费，将设备冷冻水循环系统设计为恒压供水系统。设备冷冻水循环控制系统有手动/自动两种工作方式。在手动方式下，工作人员可以根据实际情况现场决定起/停水泵的变频运行，自动方式控制过程如下：将控制面板上设备冷冻水泵的手动/自动开关，打到“自动”档，由井水泵的运行给出PLC设备冷冻水泵的起动信号，PLC控制KM11吸合，并与变频器通信，由变频器1F起动1#循环泵。压力变送器检测设备冷冻水管网压力，转化为420mA的模拟信号反馈至变频器1F，变频器1F通过内置的PID，将检测压力与压力给定值进行比较优化计算，输出运行频率调节1#循环泵的转速。当压力变送器检测到的管网压力低于给定压力时，变频器输出频率上升，增加1#泵的转速，提高管网压力；反之，则频率下降，降低1#水泵的转速。为避免在水泵切换时，管网压力变化过大，应采取必要的起/停时间协调措施，以尽量保证水压的稳定，并在切换过程中，对压力检测信号进行一定延时的“屏蔽”，防止变频器在较高的压力信号下不起动。切换过程为：当设定的循环周期已到时，屏蔽压力检测信号。将正在运行的水泵的频率升至50Hz后切换为工频运行，之后将备用泵变频起动（备用泵与运行泵不固定），在频率升至30Hz时，切除工频泵，并取消对压力信号的屏蔽，恢复正常运行，如此循环。在水泵切换时，为了防止KM11与KM12、KM21与KM22、KM11与KM22 误动作同时吸合发生故障，须将它们电气互锁和程序互锁。当工作泵发生故障时，则立即停止工作泵，将备用泵投入变频运行，并输出声光报警，提示工作人员及时检修，当变频器发生故障时则停止水泵运行立即输出报警。 图2 控制系统主电路图3 变频器参数设置与系统程序设计3.1 变频器参数设置本系统中，S7-200PLC具有总线访问权，可以读取或改写变频器的状态，两台变频器采用总线接插件连入总线；PROFIBUS-DP通讯的数据结构可以是PPO类型1或者是PPO类型3，其含义实际上就是发送的数据总是过程数据(发送报文中的控制字(STW)、设定值(HSW)和接收报文的状态字(ZSW)、实际值(HIW)。通讯报文的PZD区(过程数据区)是为控制和监测变频器而设计的。在主站和从站中收到的PZD总是以最高的优先级加以处理。处理PZD的优先级高于处理PKW的优先级，而且总是传送接口上当前最新的有效数据。数据的结构和PPO的类型通常由主站确定。由用户程序实现USS协议与两台MM430变频器通信，在硬件连接完毕后，需要对两台MM430变频器的通信参数进行设置，如表1所示。3.2 系统程序设计中央空调控制系统程序采用模块化的编写方式，主要分为初始化程序、主程序、中断通讯程序、恒压供水控制程序、循环泵变频调速控制程序、井水泵软起动控制程序等部分，模块化的控制程序便于系统的调试与扩展4，下面为部分初始化程序与PLC通讯程序。表1 2台MM430 变频器的通信参数变频器1F变频器2F参数设置意义P0003=2P0003=2访问级别为扩展级P700=5P700=5远程控制P1000=5P1000=5允许发送主设定值P2010=6P2010=6波特率 =9600P2011=1P2011=2从站地址P2012=2P2012=2USS PZD长度P2013=127P2013=127USS PKW长度P2014=0P2014=0USS 停止传输时间1 初始化程序在初始化程序中完成CPU224输入、输出缓冲区的设置。Network1LD SM0.0LDB= SMB224，2 /是否在数据交换状态MOVD VB0，VD1000 / 输出缓冲区从VB0开始偏移ITD SMW226，AC0+D AC0，VD1000 /得到起始输出指针绝对地址Network2LD SM0.0LDB= SMB224，2MOVD VD1000，VD1004BTI SMB228，AC0ITD AC0，AC0+D AC0，VD1004 /得到起始输入指针绝对地址Network4LD SM0.0MOVB 100，VB113MOVB VB113，SMB34 / 设置定时中断0的时间间隔为100msATCH Comm_int，10 / 中断服务中完成PROFIBUS通信ENI2 通讯程序PRORIBUS-DP采用主一从方式工作，当系统运行时，主站按顺序访问每个从站，EM277（S7-200PLC的通讯接口模块）通过DP主站组态，以接收从主站来的数据，并将输入数据返给主站.在数据交换模式中，主站将输出数据写入到EM277模块;同时，EM277模块响应最新的输入数据，向DP主站提供最新的数据，为了保证数据传输的可靠性，本程序设置了一个主从站通讯的同步计数器#temp，从输出缓存器中接受主站数据的通讯程序如下:Network2 LD SM0.0LDB= SMB224，2 BMB VD1000，commandCounter，VB1008MOVB Ack_Counter，#temp / 比较同步计数器INCB #tempLDB #temp，commandCounter / 同步判断INCW CounterCRETILDB= commandAddress，4 / 是从站的地址号吗？LDB= commandBeginner，64 / 是命令帧开始字吗？LDB= commandEnd，13 / 是命令帧结束字吗？MOVW +0，Counter / 通讯不同步次数复位INCB Ack_ CounterMOVB commandCommand，Command /把命令帧中的命令字复制到全局变量，供程序使用MOVB commandParal，Motion_Paral4 结束语 PROFIBUS现场总线是一种数字通信网络技术，采用这种总线技术设计的中央空调控制系统，可根据实际要求进行扩充，这种控制网络改变了传统的控制方式，使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布到现场完成，提高了信号传输的可靠性，也大大简化了系统结构，同时系统的自动化程度大大提高。经过一年多的运行，数据显示，本系统故障发生次数大幅下降，截流能量的损耗大幅度降低，具有显著的节能效果，同时延长了水泵的寿命，提高了系统运行的稳定性，降低了生产成本，提高了生产效率，本系统具有较大的推广价值。参考文献1 刘美俊 西门子S7-300/400PLC应用技术与实例M 北京 电子工业出版社 2009年2 王锦松. 刘宇 现场总线控制系统的集成技术J 工业自动化2007（3）：21 233 赵德安等 一类基于PLC和Profibus-DP总线的张力自适应控制系统J 信息与控制 2002 31（2）：122126。4 SIMATIC STEP7 V5.4 Configuring Hardware and Communication Connections ManualSimatic. Ladder logic f