臺達現場總線產品在中央空調系統的成功應用
摘 要：本文通過案例詳盡論述臺達DeviceNet現場總線產品在中央空調系統的工程設計技術，展示出臺達DeviceNet現場總線產品的系統集成優勢。
關鍵詞：DVPNET主站模塊 DNA02模塊 變頻器 人機界面 PLC
1 引言
商場營業廳等大型公眾室內建筑空調新風系統為人群提供舒適健康購物環境，但同時也會消耗著大量的能源。如何有效地解決這個問題，就需將環境對人的影響進行分析。資料顯示，室內空調計算溫度與耗能量有直接的關系，因此通過合理的設定室內空調的運行參數，既可以滿足人體對環境健康性要求的同時，又可以達到節能的目的，降低空調系統運行時間，節約費用。其中二氧化碳CO2是衡量空氣質量的重要指標，為了在節能的同時提供適宜空氣環境，需對CO2進行監測與調節。本文以某3層商場中央空調系統作為設計案例。
商場中央空調系統主要負責賣場樓層的冷暖供給，其中下層主要為商鋪和車庫，其它樓層為賣場區域。因賣場商品分區擺放，各區域功能不同，造成人流密度分布不均，導致各區域溫度與CO2 濃度差異，同時考慮到超市空調為懸掛式安裝，冷（暖）風分區供給、就地回風，所以本系統采用通過DeviceNet現場總線網絡進行區域控制、局部微調、集中管理的控制策略。商場的特點是不同時間、不同時段人流量差異較大，溫度以及CO2 濃度也伴隨人流量的變化而變化，如人流量在周末、節假日增多，溫度、CO2 濃度也相對較高，平時相對較少。項目設計要求控制系統根據現場環境對溫度、CO2 濃度自動調節。
2 商場中央空調自動化系統
2.1總體結構設計
項目選用臺達機電自動化技術平臺集成實現。根據空調機組分布特點，對于CO2濃度和室內溫度采用區域控制。冷（熱）水和風機采用VWV（變水量空調系統）、VAV（變風量空調系統）混合控制模式，由此達到舒適和節能目的。整個大樓共分為三層，一層3臺AHU（空調機組），二層3臺AHU，三層2臺AHU、1臺PAH，每層都由不同的功能區域組成。所有AHU和PAH（柜式空氣處理機組）由1臺總控制器來負責整體控制。每臺AHU、PAH都有1臺各自獨立的控制箱。整體架構如圖1所示。
圖1 空調自動化系統整體結構
2. 2 總控制器結構
總控制器主要由臺達觸摸屏、PLC以及DVPDNET主站模塊構成。總控制器通過臺達的DeviceNet總線與現場控制器通訊，進行數據交換。觸摸屏通過RS485總線以MODBUS協議與總控制器通訊，監視各臺AHU的運行狀態。現場控制器的溫度與CO2濃度可以通過總控制器的觸摸屏來設定，設定好的數據通過DeviceNet通訊分發給各現場控制器。通過臺達DVPDNET主站模塊對整個網絡進行管理，并通過人機界面顯示各網絡節點的狀態。當網絡上的節點發生異常時，相應的指示燈點亮。實時顯示主站模塊的狀態，當主站模塊發生錯誤時，顯示主站模塊的錯誤代碼。
2.3 現場控制器
現場控制器主要由臺達MODBUS/DeviceNet轉換模塊DNA02、PLC、變頻器、接觸器等部件構成。現場控制器接受總控制器的溫度、CO2濃度設定指令。現場控制器之間還可以通過總控制器實現數據共享，將采集到的溫度、CO2濃度等信號傳送給與該區域相關的其他現場控制器。現場控制器控制AHU、PAH空調機的風機轉速、冷（熱）水閥門開度和新風閥開度來調節室內溫度和CO2濃度。
2. 4 AHU的控制流程
空調機組AHU操作箱可以選擇自動控制或手動控制。自動控制時，現場溫度及CO2濃度由臺達PLC智能控制在允許的設定范圍內；當操作箱出現故障時(如傳感器損壞、出現通訊故障等)，可以選擇將變頻器以固定頻率運行或者工頻運行，以便檢修。
2. 5 對于CO2的濃度和人流量的處理
在賣場中，根據空間區域布置CO2傳感器位置，主要在人員集中密集處采集CO2濃度值。CO2傳感器就近接線于現場控制箱的PLC，此信號經過集中控制器發送給本區域相關的空氣處理機組的控制器，然后由各臺AHU通過調整新風閥門開度來引進新風量，調節室內CO2濃度。新風閥門的開度的大小是通過CO2濃度、室外溫度的目標值依據其權重的大小來進行PID控制的。
2. 6 火警連鎖
系統與安防系統連動，當發生火警時，總控制器上人機出現報警畫面，同時空調機停止工作，水閥、風閥關閉，排煙系統啟動，排出煙霧。本系統提供一個干接點與安防系統連動。
3 DeviceNet網絡配置設計
按照表1分別對網絡上的節點進行設置。使用DeviceNet網絡配置工具配置網絡。
表1 網絡節點設置
3.1 DeviceNet從站配置
（1）打開DeviceNetBuilder軟件，軟件界面如下所示。
（2）選擇『設置（S）』功能點『通訊設置』，選擇『系統通道』指令。
（3）在此對計算機與 SV 主機的通訊參數進行設置。如”通訊端口”、”通訊地址”、”通訊速率”、”通訊格式”。設置正確后，點擊『確定』按鈕，返回主界面。
（4）選擇『網絡（N）』菜單點『在線』指令。
（5）彈出下所示窗口：
（6）按『確定』對DeviceNet網絡進行掃描，正常情況下彈出掃描進度條，如下圖所示。按『取消』返回主畫面：
（7）如果上述對話框的進度條一直沒有動作，則說明 PC 和 SV PLC 通訊連接不正常或PC上有其他程序使用串口。掃描結束后，會提示”掃描網絡已完成”。此時，網絡中被掃描到的所有節點的圖標和設備名稱都會顯示在軟件界面上，在此例中DVPDNET的節點地址為01，如下所示：
（8）用鼠標雙擊VFD-F Drives節點，彈出下圖所示窗口：
（9）在此對 VFD-F變頻器的識別參數以及IO信息進行確認。確認配置無誤后，點擊『確定』按鈕。返回主界面。
其它從站（如PLC等）的配置與節點1操作步驟類似，這里不再贅述。
3.2 DVPDNET主站模塊（主站）的配置
（1）雙擊DNET Scanner（節點0）的圖標，彈出” 主站模塊配置…”對話框，可以看到左邊的列表里有當前可用節點VFD-F Drives 230V 50HP，DVP-SS/SA/EH PLC，VFD-F Drives 230V 20HP，DVP-SS/SA/EH PLC，VFD-M Drives 230V 5HP，DVP-SS/SA/EH PLC… …。右邊有一個空的”掃描列表”：
（2）將上圖中左邊列表中的 DeviceNet 從站設備移入主站模塊的掃描列表中。具體步驟為：選中 DeviceNet 從站節點，然后點擊" >"，如下圖所示。按照此步驟，即可將 DeviceNet 從站節點依次移入到主站模塊的掃描列表內：
（5）點擊『是』按鈕，將配置下載至主站模塊，確認PLC處于RUN模式。
DVPDNET-SL主站模塊→DeviceNet從站
DeviceNet從站→DVPDNET-SL主站模塊
3.4保存配置數據
選擇『文件（F）』菜單中『保存(S)』命令，將當前的網絡配置保存。b
4 DeviceNet網絡監視
4.1 實現原理
主站模塊對掃描列表中的節點進行實時監控，并將掃描列表中的每個節點的狀態映射到一個位，使用者可以通過監控D6032~D6035的內容獲取各網絡節點的狀態信息。PLC裝置與網絡節點的對應關系如表2所示。
表2 裝置與網絡節點的對應關系
當掃描列表中的節點正常時，相應的位為OFF狀態，當掃描列表中的節點發生異常時，相應的位為ON狀態。用戶通過監控D6036的內容實時獲取主站模塊的狀態信息。當主站模塊正常工作時，D6036的內容為0；當主站模塊處于初始化時，D6036高字節內容為1，低字節內容為0；當主站模塊發生錯誤時，D6036高字節內容為2，錯誤的詳細信息參考D6036低字節的錯誤代碼 ：
4.2 PLC元件說明
4.3 PLC程序（DeviceNet網絡監控部分）設計
4.4 DeviceNet現場總線控制系統特點
與傳統的控制系統相比，基于現場總線產品的空調系統具有以下特點：
（1）布線簡單，節省安裝費用。DeviceNet通過一根通訊線實現整個網絡各節點之間的通訊，相對于傳統的點對點控制系統，節省大量的電纜，縮短的安裝時間，降低了安裝費用。
（2）可靠性高。DeviceNet通過一根通訊線控制整個網絡。主站模塊對整個網絡實時監控，通過監控主站模塊，能夠迅速的獲知發生故障的節點設備，便于快速排除故障；當網絡上的某一節點發生故障，不會影響其它節點的正常工作。
5 結束語
中央空調系統采用DeviceNet現場總線控制技術，便于安裝和調試，極大提高了控制系統的可靠性和實時性。DeviceNet現場總線適用于電器設備和控制設備的設備級網絡控制。現場總線的顯著優點決定著其廣泛應用將成為未來控制領域的發展趨勢。
關鍵詞：DVPNET主站模塊 DNA02模塊 變頻器 人機界面 PLC
1 引言
商場營業廳等大型公眾室內建筑空調新風系統為人群提供舒適健康購物環境，但同時也會消耗著大量的能源。如何有效地解決這個問題，就需將環境對人的影響進行分析。資料顯示，室內空調計算溫度與耗能量有直接的關系，因此通過合理的設定室內空調的運行參數，既可以滿足人體對環境健康性要求的同時，又可以達到節能的目的，降低空調系統運行時間，節約費用。其中二氧化碳CO2是衡量空氣質量的重要指標，為了在節能的同時提供適宜空氣環境，需對CO2進行監測與調節。本文以某3層商場中央空調系統作為設計案例。
商場中央空調系統主要負責賣場樓層的冷暖供給，其中下層主要為商鋪和車庫，其它樓層為賣場區域。因賣場商品分區擺放，各區域功能不同，造成人流密度分布不均，導致各區域溫度與CO2 濃度差異，同時考慮到超市空調為懸掛式安裝，冷（暖）風分區供給、就地回風，所以本系統采用通過DeviceNet現場總線網絡進行區域控制、局部微調、集中管理的控制策略。商場的特點是不同時間、不同時段人流量差異較大，溫度以及CO2 濃度也伴隨人流量的變化而變化，如人流量在周末、節假日增多，溫度、CO2 濃度也相對較高，平時相對較少。項目設計要求控制系統根據現場環境對溫度、CO2 濃度自動調節。
2 商場中央空調自動化系統
2.1總體結構設計
項目選用臺達機電自動化技術平臺集成實現。根據空調機組分布特點，對于CO2濃度和室內溫度采用區域控制。冷（熱）水和風機采用VWV（變水量空調系統）、VAV（變風量空調系統）混合控制模式，由此達到舒適和節能目的。整個大樓共分為三層，一層3臺AHU（空調機組），二層3臺AHU，三層2臺AHU、1臺PAH，每層都由不同的功能區域組成。所有AHU和PAH（柜式空氣處理機組）由1臺總控制器來負責整體控制。每臺AHU、PAH都有1臺各自獨立的控制箱。整體架構如圖1所示。
圖1 空調自動化系統整體結構
2. 2 總控制器結構
總控制器主要由臺達觸摸屏、PLC以及DVPDNET主站模塊構成。總控制器通過臺達的DeviceNet總線與現場控制器通訊，進行數據交換。觸摸屏通過RS485總線以MODBUS協議與總控制器通訊，監視各臺AHU的運行狀態。現場控制器的溫度與CO2濃度可以通過總控制器的觸摸屏來設定，設定好的數據通過DeviceNet通訊分發給各現場控制器。通過臺達DVPDNET主站模塊對整個網絡進行管理，并通過人機界面顯示各網絡節點的狀態。當網絡上的節點發生異常時，相應的指示燈點亮。實時顯示主站模塊的狀態，當主站模塊發生錯誤時，顯示主站模塊的錯誤代碼。
現場控制器主要由臺達MODBUS/DeviceNet轉換模塊DNA02、PLC、變頻器、接觸器等部件構成。現場控制器接受總控制器的溫度、CO2濃度設定指令。現場控制器之間還可以通過總控制器實現數據共享，將采集到的溫度、CO2濃度等信號傳送給與該區域相關的其他現場控制器。現場控制器控制AHU、PAH空調機的風機轉速、冷（熱）水閥門開度和新風閥開度來調節室內溫度和CO2濃度。
2. 4 AHU的控制流程
空調機組AHU操作箱可以選擇自動控制或手動控制。自動控制時，現場溫度及CO2濃度由臺達PLC智能控制在允許的設定范圍內；當操作箱出現故障時(如傳感器損壞、出現通訊故障等)，可以選擇將變頻器以固定頻率運行或者工頻運行，以便檢修。
2. 5 對于CO2的濃度和人流量的處理
在賣場中，根據空間區域布置CO2傳感器位置，主要在人員集中密集處采集CO2濃度值。CO2傳感器就近接線于現場控制箱的PLC，此信號經過集中控制器發送給本區域相關的空氣處理機組的控制器，然后由各臺AHU通過調整新風閥門開度來引進新風量，調節室內CO2濃度。新風閥門的開度的大小是通過CO2濃度、室外溫度的目標值依據其權重的大小來進行PID控制的。
2. 6 火警連鎖
系統與安防系統連動，當發生火警時，總控制器上人機出現報警畫面，同時空調機停止工作，水閥、風閥關閉，排煙系統啟動，排出煙霧。本系統提供一個干接點與安防系統連動。
3 DeviceNet網絡配置設計
按照表1分別對網絡上的節點進行設置。使用DeviceNet網絡配置工具配置網絡。
表1 網絡節點設置
| 模塊名稱 | 節點地址 | 通訊速率 |
| DVPDNET-SL主站模塊 | 00 | 500K bps |
| DNA02 | 01 | 500K bps |
| DNA02 | 02 | 500K bps |
| … … | … … | … … |
| DNA02 | 09 | 500K bps |
3.1 DeviceNet從站配置
（1）打開DeviceNetBuilder軟件，軟件界面如下所示。
（2）選擇『設置（S）』功能點『通訊設置』，選擇『系統通道』指令。
（3）在此對計算機與 SV 主機的通訊參數進行設置。如”通訊端口”、”通訊地址”、”通訊速率”、”通訊格式”。設置正確后，點擊『確定』按鈕，返回主界面。
（4）選擇『網絡（N）』菜單點『在線』指令。
（5）彈出下所示窗口：
（6）按『確定』對DeviceNet網絡進行掃描，正常情況下彈出掃描進度條，如下圖所示。按『取消』返回主畫面：
（7）如果上述對話框的進度條一直沒有動作，則說明 PC 和 SV PLC 通訊連接不正常或PC上有其他程序使用串口。掃描結束后，會提示”掃描網絡已完成”。此時，網絡中被掃描到的所有節點的圖標和設備名稱都會顯示在軟件界面上，在此例中DVPDNET的節點地址為01，如下所示：
（8）用鼠標雙擊VFD-F Drives節點，彈出下圖所示窗口：
（9）在此對 VFD-F變頻器的識別參數以及IO信息進行確認。確認配置無誤后，點擊『確定』按鈕。返回主界面。
其它從站（如PLC等）的配置與節點1操作步驟類似，這里不再贅述。
3.2 DVPDNET主站模塊（主站）的配置
（1）雙擊DNET Scanner（節點0）的圖標，彈出” 主站模塊配置…”對話框，可以看到左邊的列表里有當前可用節點VFD-F Drives 230V 50HP，DVP-SS/SA/EH PLC，VFD-F Drives 230V 20HP，DVP-SS/SA/EH PLC，VFD-M Drives 230V 5HP，DVP-SS/SA/EH PLC… …。右邊有一個空的”掃描列表”：
（2）將上圖中左邊列表中的 DeviceNet 從站設備移入主站模塊的掃描列表中。具體步驟為：選中 DeviceNet 從站節點，然后點擊" >"，如下圖所示。按照此步驟，即可將 DeviceNet 從站節點依次移入到主站模塊的掃描列表內：
（5）點擊『是』按鈕，將配置下載至主站模塊，確認PLC處于RUN模式。
DVPDNET-SL主站模塊→DeviceNet從站
| DVPDNET-SL主站模塊寄存器 | 從站設備元件裝置 | ||
| D6287 | → | VFD-F Drives 230V 50HP變頻器 | VFD-F變頻器命令字 |
| D6288 | VFD-F變頻器頻率字 | ||
| D6289 | PLC | D500（溫度設定信號） | |
| D6290 | VFD-F Drives 230V 20HP變頻器 | VFD-F變頻器命令字 | |
| D6291 | VFD-F變頻器頻率字 | ||
| D6292 | PLC | D500（溫度設定信號） | |
| D6293 | D501（CO2濃度設定信號） | ||
| …… | …… | …… | |
| …… | …… | …… | |
| D6314 | VFD-F Drives 230V 20HP 變頻器 | VFD-F變頻器命令字 | |
| D6315 | VFD-F變頻器頻率字 | ||
| D6316 | PLC | D500（溫度設定信號） | |
DeviceNet從站→DVPDNET-SL主站模塊
| DVPDNET-SL主站模塊寄存器 | 從站設備元件裝置 | ||
| D6037 | ← | VFD-FDrives 230V 50HP變頻器 | VFD-F變頻器狀態字 |
| D6038 | VFD-F變頻器設置頻率 | ||
| D6039 | PLC | D408（現場溫度信號） | |
| D6040 | VFD-F Drives 230V 20HP變頻器 | VFD-F變頻器狀態字 | |
| D6041 | VFD-F變頻器設置頻率 | ||
| D6042 | PLC | D500（現場溫度信號） | |
| D6043 | D501（現場CO2濃度信號） | ||
| …… | …… | …… | |
| …… | …… | …… | |
| D6064 | VFD-F Drives 230V 20HP 變頻器 | VFD-F變頻器狀態字 | |
| D6065 | VFD-F變頻器設置頻率 | ||
| D6066 | PLC | D408（現場溫度信號） | |
3.4保存配置數據
選擇『文件（F）』菜單中『保存(S)』命令，將當前的網絡配置保存。b
4 DeviceNet網絡監視
4.1 實現原理
主站模塊對掃描列表中的節點進行實時監控，并將掃描列表中的每個節點的狀態映射到一個位，使用者可以通過監控D6032~D6035的內容獲取各網絡節點的狀態信息。PLC裝置與網絡節點的對應關系如表2所示。
表2 裝置與網絡節點的對應關系
|
PLC元件 |
對應網絡節點 | ||||||
|
b15 |
b14 |
b13 |
… … |
b2 |
b1 |
b0 | |
|
D6032 |
節點15 |
節點14 |
節點13 |
… … |
節點2 |
節點1 |
節點0 |
|
D6033 |
節點31 |
節點30 |
節點29 |
… … |
節點18 |
節點17 |
節點16 |
|
D6034 |
節點47 |
節點46 |
節點45 |
… … |
節點34 |
節點33 |
節點32 |
|
D6035 |
節點63 |
節點62 |
節點61 |
… … |
節點50 |
節點49 |
節點48 |
當掃描列表中的節點正常時，相應的位為OFF狀態，當掃描列表中的節點發生異常時，相應的位為ON狀態。用戶通過監控D6036的內容實時獲取主站模塊的狀態信息。當主站模塊正常工作時，D6036的內容為0；當主站模塊處于初始化時，D6036高字節內容為1，低字節內容為0；當主站模塊發生錯誤時，D6036高字節內容為2，錯誤的詳細信息參考D6036低字節的錯誤代碼 ：
|
PLC元件 |
說明 | |||||||||||||||
|
b15 |
b14 |
b13 |
b12 |
b11 |
b10 |
b9 |
b8 |
b7 |
b6 |
b5 |
b4 |
b3 |
b2 |
b1 |
b0 | |
|
D6036 |
主站模塊狀態 （0：正常，1：初始化，2：錯誤） |
主站模塊錯誤代碼
| ||||||||||||||
4.2 PLC元件說明
|
PLC元件 |
元件說明 |
|
M0~M63 |
節點0~節點63狀態指示 |
|
C0~C63 |
節點0~節點63錯誤計數器 |
|
M100 |
當M100=ON時，主站處于正常狀態 |
|
M101 |
當M101=ON時，主站處于初始化狀態 |
|
M102 |
當M102=ON時，主站處于錯誤狀態 |
|
D10 |
主站的錯誤次數 |
|
D11 |
主站的錯誤代碼 |
4.3 PLC程序（DeviceNet網絡監控部分）設計
4.4 DeviceNet現場總線控制系統特點
與傳統的控制系統相比，基于現場總線產品的空調系統具有以下特點：
（1）布線簡單，節省安裝費用。DeviceNet通過一根通訊線實現整個網絡各節點之間的通訊，相對于傳統的點對點控制系統，節省大量的電纜，縮短的安裝時間，降低了安裝費用。
（2）可靠性高。DeviceNet通過一根通訊線控制整個網絡。主站模塊對整個網絡實時監控，通過監控主站模塊，能夠迅速的獲知發生故障的節點設備，便于快速排除故障；當網絡上的某一節點發生故障，不會影響其它節點的正常工作。
5 結束語
中央空調系統采用DeviceNet現場總線控制技術，便于安裝和調試，極大提高了控制系統的可靠性和實時性。DeviceNet現場總線適用于電器設備和控制設備的設備級網絡控制。現場總線的顯著優點決定著其廣泛應用將成為未來控制領域的發展趨勢。
本文標簽：臺達現場總線產品在中央空調系統的成功應用
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
