溴化鋰非電中央空調變頻系統(tǒng)設計

李宇軒+張曉清

【摘 要】 一體化溴化鋰非電中央空調控制系統(tǒng)設計包括中央空調主機控制系統(tǒng)和水輸配控制系統(tǒng)，其中變頻控制部分設計關系到系統(tǒng)可靠運行和節(jié)能運行，以往變頻器頻率調節(jié)多采用端子模擬量調節(jié)，抗干擾能力差，本文針對溴化鋰非電中央空調變頻控制系統(tǒng)可靠性設計，提出了一種通信控制和端子模擬量控制相結合的控制方法，并給出了使用Siemens S7-300系列PLC和施奈德ATV312系列變頻器實現(xiàn)的方法。

【關鍵詞】 Modbus RTU協(xié)議 CRC校驗 串行通信 PLC

【Abstract】 For the reliability of Non-electric central air conditioning control system design， A kind of inverter control system combined communication control and analog control is presented， and also the realization based on Siemens S7-300 Series PLC and Shneider ATV312 series inverter is introduced in detail.

【Key words】 Modbus RTU；CP340；CRC；PLC

溴化鋰非電中央空調主機與水輸配系統(tǒng)組合設計形成了中央空調一體化系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中的變頻部分設計是一體化系統(tǒng)設計的重要內容。一體化系統(tǒng)變頻設計包括主機部分的發(fā)生泵變頻和冷劑泵變頻，水輸配系統(tǒng)中的空調水泵變頻、冷卻風機變頻和冷卻水泵變頻。發(fā)生泵用于控制主機溴化鋰溶液的循環(huán)，通過變頻設計可以使發(fā)生泵能準確控制主機溶液循環(huán)量；冷劑泵控制冷劑二次噴淋，變頻控制可以精確控制冷凍水出水溫度；空調水泵和冷卻水泵用于空調水和冷卻水循環(huán)，部分負荷情況下，變頻運行能達到節(jié)能的目的；冷卻風機控制冷卻水入口溫度，變頻設計可以恒定冷卻水入口溫度，保證機組穩(wěn)定運行。以往變頻系統(tǒng)設計通常采用端子控制，頻率通過4-20mA信號給定，在實際運行過程中模擬量信號很容易受到干擾，變頻器頻率不穩(wěn)定，有時甚至損壞模擬量模塊輸出通道。隨著工業(yè)通信技術進步，基于RS485總線技術的通信控制正在被廣泛應用于多臺變頻器控制系統(tǒng)設計中，并逐步取代模擬量控制。溴化鋰中央空調一體化變頻系統(tǒng)設計必須能滿足中央空調系統(tǒng)連續(xù)可靠性運行要求，本文結合實際給出了一種Modbus RTU通信控制和端子控制相結合的設計方法，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 控制系統(tǒng)結構

一體化變頻控制系統(tǒng)由Modbus RTU通信控制部分和端子模擬量控制部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。通信部分由PLC串行通信模塊CP340和施耐德ATV312變頻器組成，通信系統(tǒng)采用主從通信方式，CP340是通信網絡中的主站，變頻器是通信網絡中的從站，整個通信系統(tǒng)共有5臺變頻器從站。端子模擬量控制部分由Profinet網絡中的子站完成，子站輸入模塊DI-131用于檢測變頻器運行故障，輸出模塊DO-132輸出模塊控制變頻器啟停和變頻器故障復位，同時可以切換通信控制和模擬量控制，模擬量輸出模塊AO-135輸出 4-20mA模擬量信號控制變頻器運行頻率。

1.2 變頻器控制接口設計

控制系統(tǒng)設計要求實際運行時以通信控制為主，通信控制出現(xiàn)異常時必須切換到端子控制，通信恢復后系統(tǒng)必須自動恢復通信控制，并且要求在切換過程中變頻器頻率波動最小。施奈德ATV312系列變頻器提供了遠程通信控制功能和強制本地控制功能，遠程通信控制功能和強制本地控制功能是實現(xiàn)變頻器通信控制和端子控制的關鍵。系統(tǒng)設計時使用的變頻器接口包括Modbus通信控制時的通信控制接口，端子控制時的啟?？刂平涌?、通信轉端子控制的強制接口、模擬量信號輸入接口、故障復位控制接口、故障信號輸出接口。變頻器通信采用RJ45接口，4腳5腳為Modbus RS485數(shù)據線，8腳為公共端，通信信號有CP340模塊給出；在端子控制時，變頻器LI1端子設定為啟停控制端子，同時必須定義為強制轉換端子，信號由ET200S從站的8DO-132輸出繼電器KAS給出。變頻器LI3端子定義為故障復位端子，復位信號同樣由8DO-132模塊的輸出繼電器KAR給出。變頻器內部繼電器R1設置為模擬量運行的故障輸出，故障信號輸出到8DI-131模塊。變頻器端子AI3設置為4-20mA模擬量輸入，輸入信號由PLC模擬量模塊2AO-135給定。

在控制系統(tǒng)設計時考慮到應用的可靠性，變頻器參數(shù)必須在運行前手動設定。變頻器IO菜單中Tcc設置為兩線控制，模擬量最小值參數(shù)CrL3設置為4mA，模擬量最大值參數(shù)CrH3設置為20mA，輸出繼電器R1設置為故障輸出。變頻器使用AI3作為模擬量輸入端，CtL菜單參數(shù)Fr1參數(shù)設為AI3，tFC設置為Fr1。通信菜單COM中，Add為變頻器通信站號，Tbr為通信速率，設置為9600，tFO為通信格式，設為8N1，TTO為變頻器超時檢測，防止變頻器失去控制時仍繼續(xù)運行，設置時間為20秒，F(xiàn)LO為強制本機模式，設置為LI1，和兩線制起?？刂乒灿?，即變頻器切換到端子控制時，強制本機控制和起?？刂仆瑫r生效。變頻器設計接口原理如圖2所示。

1.3 CP340模塊通信設置

CP340是Siemens公司經濟型的串口通信模塊，支持RS485/RS422通信，可以實現(xiàn)多站點間的主從通信，因此采用支持RS485通信的CP340模塊可以方便的實現(xiàn)Modbus RTU串行協(xié)議。在本系統(tǒng)設計中參數(shù)設置為通信接口模式選擇RS485，2線制，半雙工通信；協(xié)議采用ASCII通信協(xié)議，以字符傳送時間間隔作為信息幀結束標志，延時時間為4ms；通信格式中通信速率9600bps，8位數(shù)據位，1位停止位，無校驗；傳送過程無數(shù)據流控制，數(shù)據緩沖區(qū)大小設置為250，接收開始緩沖區(qū)清零。

2 控制系統(tǒng)軟件設計

2.1變頻器Modbus RTU通信控制邏輯

ATV312變頻器Modbus通信可以實現(xiàn)參數(shù)配置、運行參數(shù)修改、運行控制和狀態(tài)監(jiān)視功能。ATV312變頻器用于通信控制的內部寄存器包括狀態(tài)寄存器ETA和命令寄存器CMD。狀態(tài)寄存器ETA主要用于顯示變頻器當前狀態(tài)，包括上電初始化、參數(shù)配置、變頻器鎖定、變頻器允許運行、變頻器故障以及變頻器正反轉等狀態(tài)；命令寄存器CMD通信過程用于上位機命令的存儲，變頻器根據寄存器CMD的代碼決定下一步如何運行。在實際變頻器通信設計時，上位機必須時刻檢測狀態(tài)寄存器ETA狀態(tài)值，并根據狀態(tài)代碼決定發(fā)送到命令寄存器CMD命令代碼。

2.2 PLC通信程序設計

ATV312變頻器通信控制狀態(tài)寄存器ETA的Modbus地址為W8603，命令寄存器CMD的Modbus地址為W8601。ATV312變頻器Modbus通信支持0x03功能碼和0x10功能碼，變頻器通信控制運行時，PLC首先使用0x03功能碼讀狀態(tài)寄存器ETA狀態(tài)，再根據ETA不同狀態(tài)使用功能碼0x10向變頻器發(fā)送命令進行變頻器控制。PLC通信程序設計包括通信主功能塊FB500、發(fā)送接收通信過程功能塊FB501、Modbus命令封裝功能FC500、命令CRC校驗功能FC501。程序執(zhí)行時循環(huán)組織塊OB1調用通信主功能塊FB500，F(xiàn)B500首先調用Modbus命令封裝功能FC500和CRC校驗功能FC501封裝通信命令，然后調用發(fā)送接收通信過程功能塊FB501，F(xiàn)B501調用發(fā)送數(shù)據功能塊FB2和數(shù)據接收功能塊FB3完成數(shù)據通信過程。如圖3所示。

通信主功能塊FB500控制通信程序流程，實現(xiàn)通信參數(shù)的初始化、控制發(fā)送接收過程和通信異常處理等功能。通信過程分三個階段，即讀狀態(tài)寄存器ETA階段，發(fā)送控制命令階段和讀變頻器運行數(shù)據階段。變頻器啟?？刂茣r，程序首先讀狀態(tài)寄存器，此過程必須將系統(tǒng)中的所有變頻器狀態(tài)都讀上來，并存儲到對應的數(shù)據塊中；第二階段是根據寄存器狀態(tài)進行變頻器復位控制和啟停控制；第三階段是當變頻器執(zhí)行完控制過程命令后讀取變頻器運行數(shù)據，用來反饋變頻器運行狀態(tài)。程序在處理變頻器通信異常和變頻器故障時采取不同的方法，通信異常時程序自動切換到端子控制，變頻器故障時程序根據ETA狀態(tài)對變頻器進行復位，直到將變頻器復位到啟動前狀態(tài)。圖4是主模塊通信控制流程。

發(fā)送接收通信過程功能塊FB501主要完成數(shù)據接收和發(fā)送，當FB500封裝完命令后調用FB501進行數(shù)據通信。首先FB501程序根據輸入參數(shù)解析出要發(fā)送命令的DB號，然后解析出命令的首地址，調用數(shù)據發(fā)送功能塊FB3完成數(shù)據發(fā)送，并延時調用數(shù)據接收功能塊FB2完成數(shù)據接收。程序在命令發(fā)送完成后進行了接收超時檢測處理，并在數(shù)據接收完成后向通信主功能塊發(fā)送接收完成標志，啟動下一次循環(huán)過程。下面是FB501功能塊的部分程序。

//調用Modbus命令

A #bCommunicating_Enable

FP M 27.0

= #bSend_Enable

R #bCommunication_Forward

L P##pCommand_Address

LAR1

L W [AR1，P#0.0]

T #nDB_NO

L D [AR1，P#2.0]

SRD 3

T #nDBB_NO

//發(fā)送命令

CALL #fbVFD_Send （FB3）

REQ ：=#bSend_Enable

R ：=

LADDR ：=#nCP340_Address

DB_NO ：=#nDB_NO

DBB_NO：=#nDBB_NO

LEN ：=#nCommand_Length

DONE ：=#bSend_Done

ERROR ：=#bSndAbnomal

STATUS：=#wSend_Status

//超時檢測

A #bSend_Done

FP M 27.1

S #bSend_Finished

A #bSend_Finished

L S5T#1S500MS

SD T 100

//接收延時

A #bSend_Finished

L S5T#100MS

SD T 101

A T 101

= #bReceive_Enable

L 501

T #nDB_NO

L 318

T #nDBB_NO

//數(shù)據接收

CALL #fbVFD_Receive （FB2）

EN_R ：=#bReceive_Enable

R ：=

LADDR ：=#nCP340_Address

DB_NO ：=#nDB_NO

DBB_NO：=#nDBB_NO

NDR ：=#bReceive_Done

ERROR ：=#bRevAbnomal

LEN ：=#nReceive_Length

STATUS：=#wReceive_Status

//通信處理

O #bReceive_Done

O #bRevAbnomal

O T 100

= #bCommunicating_Disable

A #bCommunicating_Disable

AN #bCommunicating_Enable

O #bReceive_Done

O #bRevAbnomal

R #bSend_Finished

R T 100

A #bSend_Finished

FN M 27.2

S #bCommunication_Forward

//啟動下一次命令

A #bCommunication_Forward

AN #bSend_Finished

L S5T#1S

SD T 102

A T 102

= #bCommunication_End

R #bCommunication_Forward

//超時報警

A T 100

= #bRevTimeout

2.3 切換通信控制和端子控制

控制系統(tǒng)上電運行時，變頻器以通信控制為主，當系統(tǒng)檢測到PLC與變頻器之間通信異常時，系統(tǒng)通過程序切換到端子控制，在端子控制運行時同時，系統(tǒng)不斷檢測通信狀態(tài)，一旦通信恢復正常，系統(tǒng)立即回通信控制狀態(tài)。變頻器通信故障是通過發(fā)送功能塊、接收功能塊和通信超時檢測進行判斷的，當系統(tǒng)報通信故障并持續(xù)一定的時間后，PLC輸出模塊閉合KAS繼電器，強制變頻器為端子控制狀態(tài)，此時頻率信號通過4-20mA模擬量輸出模塊給出；變頻器在端子控制時，PLC仍然不斷地試圖通過通信連接變頻器，當檢測到通信正常后系統(tǒng)會立即切換到通信控制狀態(tài)，此時繼電器KAS斷開，模擬量信號停止輸出。

3 結語

采用通信控制和端子控制的變頻系統(tǒng)實際運行中，通信異常判斷檢測時間必須小于變頻器設定的通信超時時間，否則變頻器會由于運行頻率不能保持而自動停止運行。當變頻器處于端子控制時，只要檢測通信穩(wěn)定下來即可切回通信控制。如果系統(tǒng)在變頻器停止運行前仍不能恢復通信控制，變頻器停止運行時必須首先將將模擬量信號減小到4mA以下，直到變頻器運行頻率降為零時，才可斷開繼電器KAS。采用通信控制和端子模擬量控制的變頻器控制系統(tǒng)設計，在溴化鋰中央空調系統(tǒng)中得到了很好的應用，保證了空調系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。

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