一、項目簡(jiǎn)介:

　　廣州大學(xué)城是廣東省落實(shí)“科教興粵”戰略部署的一項重要工程，同時(shí)也是廣州市建設現代化生態(tài)城市目標規劃中的重要組成部分。廣州大學(xué)城定位為國家一流的大學(xué)園區，華南地區高級人才培養、科學(xué)研究和交流的中心，學(xué)、研、產(chǎn)一體化發(fā)展的城市新區，面向21世紀適應市場(chǎng)經(jīng)濟體制和廣州國際化區域中心城市地位、生態(tài)化和信息化的大學(xué)園區。廣州大學(xué)城位于廣州市番禺區小谷圍島及南岸地區，規劃范圍約43平方公里，可容納學(xué)生18萬(wàn)至20萬(wàn)人，總人口達40萬(wàn)人左右（包括村鎮人口）。大學(xué)城的建設目標是在廣州市未來(lái)發(fā)展的中心地帶番禺區小谷圍島及其南岸地區新建一座集大學(xué)教育、生活及其配套設施為一體的一流大學(xué)城。

　　廣州大學(xué)城區域供冷系統設計總裝機容量約11萬(wàn)冷噸，供冷建筑面積約350萬(wàn)平方米，各高校末端總共有近300間板換間，冷凍水供回水溫度為3℃/13℃。其自控系統能自動(dòng)、實(shí)時(shí)采集系統所有機電設備的運行狀態(tài)、末端負荷狀態(tài)等參數，并實(shí)施過(guò)程控制，使系統為末端用戶(hù)提供足夠的冷量，并能跟隨末端負荷的變化，實(shí)現冷站供冷量與末端用戶(hù)實(shí)際需求負荷的精確匹配，從而提高系統的運行效率，降低運營(yíng)成本。

　　廣州大學(xué)城區域供冷系統是當今世界供冷區域最大的工程之一，蓄冷量可與美國芝加哥市UNICOM區域供冷系統相媲美。整個(gè)系統建有四個(gè)冷站，空調負荷主要是十所高校的教學(xué)區和生活區大樓以及兩個(gè)中心商業(yè)區供冷。整個(gè)系統由冷站（制備冷量）、空調冷凍水管網(wǎng)（輸送冷量）及末端供冷系統（使用冷量）三個(gè)子系統組成。自控系統實(shí)現區域供冷系統四個(gè)冷站中央空調系統的自動(dòng)監控，在系統安全可靠運行的前提下，以滿(mǎn)足末端用戶(hù)供冷需求為根本，從末端用戶(hù)穩定供冷、二級泵管網(wǎng)穩定送冷和冷站制冷三個(gè)環(huán)節進(jìn)行控制，在滿(mǎn)足用戶(hù)舒適性要求下，對系統進(jìn)行優(yōu)化，使系統運行于最佳工況，實(shí)現經(jīng)濟運行。

　　末端供冷系統是整個(gè)區域供冷系統控制的決定因素，它直接反映了空調負荷的變化，從而也決定了冷站內如何控制冰蓄冷系統運行的工況。因此，如何控制好末端供冷系統，正確反映空調負荷是整個(gè)區域供冷系統控制的關(guān)鍵。廣州大學(xué)城區域供冷系統中末端供冷系統采用德國SIEMENS公司S7-200可編程控制器來(lái)完成自動(dòng)控制過(guò)程。

　　單體建筑用戶(hù)側高溫回水經(jīng)水泵流過(guò)板換，再以低溫水向單體建筑供冷；管網(wǎng)側供水管來(lái)自冷站，經(jīng)板換后再回到冷站，目的是向單體建筑提供冷量?？照{管網(wǎng)輸送的冷凍水與各單體建筑內的冷凍水通過(guò)板換進(jìn)行熱交換來(lái)完成能量傳遞過(guò)程。具體的工藝流程如下圖所示。

 圖1  末端供冷系統圖

　　二、控制系統構成
 
　　1、控制設備選型

　　單體建筑空調機房設備少、控制簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是必須具備計費和獨立控制功能。因此，從性?xún)r(jià)比及控制要求上我們選擇了德國西門(mén)子S7-200系列PLC進(jìn)行自動(dòng)控制。其主要有四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

　　1、 性?xún)r(jià)比最優(yōu)

　　單體建筑空調機房受控制設備少、控制點(diǎn)數少、工藝簡(jiǎn)單，采用低端PLC自由組合I/O模塊，獨立編程控制，靈活便捷，相對DDC系統投資少。西門(mén)子PLC在全球有良好的可信度，其低端產(chǎn)品S7-200系列PLC具有精度高、可靠性高、編程靈活、性能優(yōu)越、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，且在全球有著(zhù)極高的市場(chǎng)占有率。

　　2 能夠獨立編程控制

　　在廣州大學(xué)城區域供冷系統Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )中，選擇ET200M分布式I/O，配置有源背板總線(xiàn)，在主站CPU上統一編程，可靠性更高。從站I/O點(diǎn)不影響整個(gè)系統運行，各從站間相互獨立。從站不能采用ET200M分布式I/O，而必須采用CPU+I/O模塊。根據工藝要求，末端單體建筑空調機房必須具備獨立冷熱量計費、控制功能。冷熱量計費要求PLC采樣精度高。S7-200PLC掃描周期十幾毫秒，對溫度的分辨率為1/212℃，對流量的分辨率為1/215m3/h，高精度配置可以使計費精度達0.2%。每個(gè)機房的設備數量不一致，控制程序不完全相同，在CPU上可以任意編程。因此采用S7-200PLC能夠滿(mǎn)足系統控制要求。

　　3 通訊功能

　　與其它PLC一樣，S7-200配置相應的通訊模塊可以與Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )通訊，也可以與工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時(shí)CPU上的編程口支持自由通訊協(xié)議，可以與變頻器通訊。廣州大學(xué)城末端控制系統采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )是西門(mén)子公司推出的世界應用最廣泛、最經(jīng)典的總線(xiàn)方式。最大通訊速率達12Mbps，主站CPU訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)從站CPU并監控從站。主站CPU通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接受控制室操作員站監控，形成一個(gè)完整的監控網(wǎng)絡(luò )。

　　4 擴展功能

　　S7-200PLC最多可以帶8個(gè)擴展模塊，可以擴充控制點(diǎn)。配CP231模塊可以與工業(yè)以太網(wǎng)通訊，同時(shí)CPU上的編程口支持自由通訊協(xié)議，可以與變頻器通訊。

　　2、系統硬件配置及網(wǎng)絡(luò )結構

　　控制系統硬件配置

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

　　冷站內的操作站：工控機（PⅣ2.4G  21’純平彩顯）

　　以太網(wǎng)卡：CP1613

　　交換機：OSM-ITP62

　　主站CPU：CPU414-2DP（圖中S7-412-2DP即表示CPU412-2DP，其從站只有40個(gè)）

　　以太網(wǎng)接口：CP443-1

　　擴展DP接口：CP443-5（擴展型）

　　光電鏈路器：OLM/G11-1300（主站PLC出口）、OLM/G12-1300

　　系統監控網(wǎng)絡(luò )結構

　　控制級采用TCP/IP協(xié)議，工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò )波特率為10/100Mbps，采用光纖進(jìn)行通訊，現場(chǎng)級采用現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus-DP，總線(xiàn)傳輸介質(zhì)為通訊電纜和光纜，網(wǎng)絡(luò )波特率為19.2Kbps。拓樸結構如下：
 

　　二、三、四冷站各設一套主站PLC（CPU414-2DP），上圖為廣州大學(xué)城四號冷站末端控制系統的網(wǎng)絡(luò )結構圖，二、三號冷站的網(wǎng)絡(luò )結構與上圖相似，只是Profibus-DP網(wǎng)段數量和從站數量不一樣。以四號冷站末端控制系統方案進(jìn)行分析，根據各單體的位置，按近原則組網(wǎng)，采用光纜介質(zhì)和Profibus專(zhuān)用電纜介質(zhì)，選用S7-400 CPU414-2 DP可編程控制器作主站，S7-200PLC作從站來(lái)完成整個(gè)控制系統網(wǎng)絡(luò )的組建，具體方案如下：

　　各冷站PLC、操作員站以及其它控制器和服務(wù)器工作在工業(yè)以太網(wǎng)上，服務(wù)器讀寫(xiě)三個(gè)冷站的主站PLC。作為收費系統和監控各單體建筑機房的人機界面，各冷站的操作員站只讀寫(xiě)對應主站PLC 。

　　根據西門(mén)子高端產(chǎn)品通訊技術(shù)參數，一個(gè)CPU414-2DP可以有至少4個(gè)最多10個(gè)Profibus-DP網(wǎng)段，一個(gè)DP網(wǎng)段最多不超過(guò)96個(gè)從站，一個(gè)OLM可以作一條Profibus-DP總線(xiàn)，該總線(xiàn)最多不超過(guò)32個(gè)從站，但實(shí)際組網(wǎng)時(shí)會(huì )考慮到CPU的過(guò)程映象I/O點(diǎn)數量的最大允許值和CPU通訊的I/O點(diǎn)數量以及設計余量來(lái)分配網(wǎng)段的從站數量。根據一條Profibus-DP總線(xiàn)要求和地域分布以及設計余量來(lái)分配一條Profibus-DP總線(xiàn)的從站數量，從而實(shí)現主站PLC（S7-400）對各單體建筑空調機房的監控。利用CPU224處理模擬量功能較強、精度較高的特點(diǎn)，通過(guò)擴展模擬量AI/AO模塊，完成溫度、流量、壓差和調節閥門(mén)的控制；通過(guò)擴展數字量DI/DO模塊，完成單體建筑空調機房水泵、壓差開(kāi)關(guān)、電動(dòng)蝶閥等設備的監控。

　　三、控制系統功能

　　整個(gè)區域供冷末端系統約300個(gè)單體建筑空調機房，每個(gè)單體建筑機房要求獨立計費、獨立運行。因此，末端系統控制的關(guān)鍵是做好各單體建筑空調機房?jì)仍O備如：變頻水泵、調節閥門(mén)等的自動(dòng)控制和冷熱量的計量。管理人員可以在各冷站的控制室通過(guò)現場(chǎng)的Profibus-DP總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)對末端系統進(jìn)行遠程監視和控制管理。

　　具體的控制任務(wù)如下：

　　1、    對每一棟單體建筑進(jìn)行數據采集、計量、控制，現場(chǎng)不能修改參數，只能顯示監視數據。

　　2、    板換二次側供水溫度T3控制在6.5℃，水泵變頻控制。

　　3、    控制室具有數據查詢(xún)包括日用量和月用量查詢(xún)和用戶(hù)資料查詢(xún)，可以顯示選定某段時(shí)間的數據按每棟進(jìn)行查詢(xún)。

　　4、    當大樓欠費時(shí)可以通過(guò)控制室進(jìn)行遠程控制，將對應的冷源自動(dòng)關(guān)閉，方便物業(yè)管理。

　　系統應能提供穩定、可靠的設備監控功能，同時(shí)，系統應具有很好的兼容性、可擴展性。

　　控制程序結構與流程：

　　按空調工藝特點(diǎn)和要求及冷熱量計費要求編制的控制程序保證了空調供冷過(guò)程可順利地進(jìn)行，并對機房運行各裝置提供了有效的監控和保護，保證了系統正常的計費。根據系統要求空調供冷要分遙控/本控兩種方式。在本控操作時(shí)，通過(guò)電源柜可以啟動(dòng)水泵，但必須手動(dòng)打開(kāi)電動(dòng)調節閥門(mén)方可供冷，以滿(mǎn)足控制器故障時(shí)供冷需要。遠程控制室可以全自動(dòng)控制設備、監視設備狀態(tài)。主控站S7-400 CPU任務(wù)較多，但主要是讀寫(xiě)各從站的監控參數，通過(guò)合理設計程序結構能大大減少程序的掃描時(shí)間，提高CPU的工作效率。雖然各單體建筑空調機房的邏輯控制不完全一樣，但可以分為三類(lèi)，每類(lèi)的邏輯控制完全一樣，主控站S7-400 CPU與從站S7-200 CPU交換數據參數一樣，可用循環(huán)程序來(lái)調用同一類(lèi)子程序（FC功能塊）的辦法來(lái)完成各單體建筑空調機房的監控，主控站CPU與各從站交換的數據分別放在3個(gè)DB數據塊中，在調用各功能塊之前打開(kāi)各自的數據塊，完成參數的傳遞。

　　四、項目運行情況

　　廣州大學(xué)城末端供冷系統自動(dòng)化程度高，數據采集量大，控制站數量較多，因此我們對系統的可靠性要求比較高，自2006年9月的投入使用，實(shí)現了高度集成自動(dòng)化控制和科學(xué)化能源管理。廣州大學(xué)城區域供冷系統采用SIEMENS 可編程控制器很好的完成了空調供冷和計費的自動(dòng)控制任務(wù)，采用Profibus-DP工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現了各冷站控制室對各個(gè)單體建筑空調機房的分布式集中控制，符合大型區域供冷自控系統的數字化和網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展方向。