溴化锂非电中央空调变频系统设计

李宇轩+张晓清

【摘 要】 一体化溴化锂非电中央空调控制系统设计包括中央空调主机控制系统和水输配控制系统，其中变频控制部分设计关系到系统可靠运行和节能运行，以往变频器频率调节多采用端子模拟量调节，抗干扰能力差，本文针对溴化锂非电中央空调变频控制系统可靠性设计，提出了一种通信控制和端子模拟量控制相结合的控制方法，并给出了使用Siemens S7-300系列PLC和施奈德ATV312系列变频器实现的方法。

【关键词】 Modbus RTU协议 CRC校验 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

溴化锂非电中央空调主机与水输配系统组合设计形成了中央空调一体化系统，控制系统中的变频部分设计是一体化系统设计的重要内容。一体化系统变频设计包括主机部分的发生泵变频和冷剂泵变频，水输配系统中的空调水泵变频、冷却风机变频和冷却水泵变频。发生泵用于控制主机溴化锂溶液的循环，通过变频设计可以使发生泵能准确控制主机溶液循环量；冷剂泵控制冷剂二次喷淋，变频控制可以精确控制冷冻水出水温度；空调水泵和冷却水泵用于空调水和冷却水循环，部分负荷情况下，变频运行能达到节能的目的；冷却风机控制冷却水入口温度，变频设计可以恒定冷却水入口温度，保证机组稳定运行。以往变频系统设计通常采用端子控制，频率通过4-20mA信号给定，在实际运行过程中模拟量信号很容易受到干扰，变频器频率不稳定，有时甚至损坏模拟量模块输出通道。随着工业通信技术进步，基于RS485总线技术的通信控制正在被广泛应用于多台变频器控制系统设计中，并逐步取代模拟量控制。溴化锂中央空调一体化变频系统设计必须能满足中央空调系统连续可靠性运行要求，本文结合实际给出了一种Modbus RTU通信控制和端子控制相结合的设计方法，大大提高了系统运行的可靠性。

1 控制系统硬件设计

1.1 控制系统结构

一体化变频控制系统由Modbus RTU通信控制部分和端子模拟量控制部分组成，系统结构如图1所示。通信部分由PLC串行通信模块CP340和施耐德ATV312变频器组成，通信系统采用主从通信方式，CP340是通信网络中的主站，变频器是通信网络中的从站，整个通信系统共有5台变频器从站。端子模拟量控制部分由Profinet网络中的子站完成，子站输入模块DI-131用于检测变频器运行故障，输出模块DO-132输出模块控制变频器启停和变频器故障复位，同时可以切换通信控制和模拟量控制，模拟量输出模块AO-135输出 4-20mA模拟量信号控制变频器运行频率。

1.2 变频器控制接口设计

控制系统设计要求实际运行时以通信控制为主，通信控制出现异常时必须切换到端子控制，通信恢复后系统必须自动恢复通信控制，并且要求在切换过程中变频器频率波动最小。施奈德ATV312系列变频器提供了远程通信控制功能和强制本地控制功能，远程通信控制功能和强制本地控制功能是实现变频器通信控制和端子控制的关键。系统设计时使用的变频器接口包括Modbus通信控制时的通信控制接口，端子控制时的启停控制接口、通信转端子控制的强制接口、模拟量信号输入接口、故障复位控制接口、故障信号输出接口。变频器通信采用RJ45接口，4脚5脚为Modbus RS485数据线，8脚为公共端，通信信号有CP340模块给出；在端子控制时，变频器LI1端子设定为启停控制端子，同时必须定义为强制转换端子，信号由ET200S从站的8DO-132输出继电器KAS给出。变频器LI3端子定义为故障复位端子，复位信号同样由8DO-132模块的输出继电器KAR给出。变频器内部继电器R1设置为模拟量运行的故障输出，故障信号输出到8DI-131模块。变频器端子AI3设置为4-20mA模拟量输入，输入信号由PLC模拟量模块2AO-135给定。

在控制系统设计时考虑到应用的可靠性，变频器参数必须在运行前手动设定。变频器IO菜单中Tcc设置为两线控制，模拟量最小值参数CrL3设置为4mA，模拟量最大值参数CrH3设置为20mA，输出继电器R1设置为故障输出。变频器使用AI3作为模拟量输入端，CtL菜单参数Fr1参数设为AI3，tFC设置为Fr1。通信菜单COM中，Add为变频器通信站号，Tbr为通信速率，设置为9600，tFO为通信格式，设为8N1，TTO为变频器超时检测，防止变频器失去控制时仍继续运行，设置时间为20秒，FLO为强制本机模式，设置为LI1，和两线制起停控制共用，即变频器切换到端子控制时，强制本机控制和起停控制同时生效。变频器设计接口原理如图2所示。

1.3 CP340模块通信设置

CP340是Siemens公司经济型的串口通信模块，支持RS485/RS422通信，可以实现多站点间的主从通信，因此采用支持RS485通信的CP340模块可以方便的实现Modbus RTU串行协议。在本系统设计中参数设置为通信接口模式选择RS485，2线制，半双工通信；协议采用ASCII通信协议，以字符传送时间间隔作为信息帧结束标志，延时时间为4ms；通信格式中通信速率9600bps，8位数据位，1位停止位，无校验；传送过程无数据流控制，数据缓冲区大小设置为250，接收开始缓冲区清零。

2 控制系统软件设计

2.1变频器Modbus RTU通信控制逻辑

ATV312变频器Modbus通信可以实现参数配置、运行参数修改、运行控制和状态监视功能。ATV312变频器用于通信控制的内部寄存器包括状态寄存器ETA和命令寄存器CMD。状态寄存器ETA主要用于显示变频器当前状态，包括上电初始化、参数配置、变频器锁定、变频器允许运行、变频器故障以及变频器正反转等状态；命令寄存器CMD通信过程用于上位机命令的存储，变频器根据寄存器CMD的代码决定下一步如何运行。在实际变频器通信设计时，上位机必须时刻检测状态寄存器ETA状态值，并根据状态代码决定发送到命令寄存器CMD命令代码。

2.2 PLC通信程序设计

ATV312变频器通信控制状态寄存器ETA的Modbus地址为W8603，命令寄存器CMD的Modbus地址为W8601。ATV312变频器Modbus通信支持0x03功能码和0x10功能码，变频器通信控制运行时，PLC首先使用0x03功能码读状态寄存器ETA状态，再根据ETA不同状态使用功能码0x10向变频器发送命令进行变频器控制。PLC通信程序设计包括通信主功能块FB500、发送接收通信过程功能块FB501、Modbus命令封装功能FC500、命令CRC校验功能FC501。程序执行时循环组织块OB1调用通信主功能块FB500，FB500首先调用Modbus命令封装功能FC500和CRC校验功能FC501封装通信命令，然后调用发送接收通信过程功能块FB501，FB501调用发送数据功能块FB2和数据接收功能块FB3完成数据通信过程。如图3所示。

通信主功能块FB500控制通信程序流程，实现通信参数的初始化、控制发送接收过程和通信异常处理等功能。通信过程分三个阶段，即读状态寄存器ETA阶段，发送控制命令阶段和读变频器运行数据阶段。变频器启停控制时，程序首先读状态寄存器，此过程必须将系统中的所有变频器状态都读上来，并存储到对应的数据块中；第二阶段是根据寄存器状态进行变频器复位控制和启停控制；第三阶段是当变频器执行完控制过程命令后读取变频器运行数据，用来反馈变频器运行状态。程序在处理变频器通信异常和变频器故障时采取不同的方法，通信异常时程序自动切换到端子控制，变频器故障时程序根据ETA状态对变频器进行复位，直到将变频器复位到启动前状态。图4是主模块通信控制流程。

发送接收通信过程功能块FB501主要完成数据接收和发送，当FB500封装完命令后调用FB501进行数据通信。首先FB501程序根据输入参数解析出要发送命令的DB号，然后解析出命令的首地址，调用数据发送功能块FB3完成数据发送，并延时调用数据接收功能块FB2完成数据接收。程序在命令发送完成后进行了接收超时检测处理，并在数据接收完成后向通信主功能块发送接收完成标志，启动下一次循环过程。下面是FB501功能块的部分程序。

//调用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

//发送命令

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

//超时检测

A #bSend_Done

FP M 27.1

S #bSend_Finished

A #bSend_Finished

L S5T#1S500MS

SD T 100

//接收延时

A #bSend_Finished

L S5T#100MS

SD T 101

A T 101

= #bReceive_Enable

L 501

T #nDB_NO

L 318

T #nDBB_NO

//数据接收

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

//通信处理

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

//启动下一次命令

A #bCommunication_Forward

AN #bSend_Finished

L S5T#1S

SD T 102

A T 102

= #bCommunication_End

R #bCommunication_Forward

//超时报警

A T 100

= #bRevTimeout

2.3 切换通信控制和端子控制

控制系统上电运行时，变频器以通信控制为主，当系统检测到PLC与变频器之间通信异常时，系统通过程序切换到端子控制，在端子控制运行时同时，系统不断检测通信状态，一旦通信恢复正常，系统立即回通信控制状态。变频器通信故障是通过发送功能块、接收功能块和通信超时检测进行判断的，当系统报通信故障并持续一定的时间后，PLC输出模块闭合KAS继电器，强制变频器为端子控制状态，此时频率信号通过4-20mA模拟量输出模块给出；变频器在端子控制时，PLC仍然不断地试图通过通信连接变频器，当检测到通信正常后系统会立即切换到通信控制状态，此时继电器KAS断开，模拟量信号停止输出。

3 结语

采用通信控制和端子控制的变频系统实际运行中，通信异常判断检测时间必须小于变频器设定的通信超时时间，否则变频器会由于运行频率不能保持而自动停止运行。当变频器处于端子控制时，只要检测通信稳定下来即可切回通信控制。如果系统在变频器停止运行前仍不能恢复通信控制，变频器停止运行时必须首先将将模拟量信号减小到4mA以下，直到变频器运行频率降为零时，才可断开继电器KAS。采用通信控制和端子模拟量控制的变频器控制系统设计，在溴化锂中央空调系统中得到了很好的应用，保证了空调系统的平稳运行。

参考文献：

[1]甘朝辉.Siemens CP340模块实现Modbus RTU协议的研究[J].工业控制计算机，2005（2）.

[2]周国祥.基于MODBUS总线的变频调速系统设计与实现[J].工业控制，2007（12）.

[3]西门子公司.CP340/341/440/441通信及编程.