運用PLC和組態(tài)技術(shù)開發(fā)中央空調(diào)實訓(xùn)控制系統(tǒng)

杜燕敏

摘 要：本文主要論述PLC、組態(tài)技術(shù)、變頻器等在中央空調(diào)控制技術(shù)中的應(yīng)用。為了更好地讓學(xué)生全面掌握智能控制對中央空調(diào)節(jié)能調(diào)節(jié)的應(yīng)用，引入新組態(tài)軟件設(shè)計一種模擬教學(xué)環(huán)境，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到良好教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)實訓(xùn)控制系統(tǒng) PLC 組態(tài)王軟件 溫度傳感器

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，新的高科技技術(shù)不斷應(yīng)用到各個方面，智能控制技術(shù)也已經(jīng)完全融入到中央空調(diào)控制系統(tǒng)中。為了更好地適應(yīng)社會對電子和制冷專業(yè)技術(shù)人員的要求，并創(chuàng)造一個生動直觀的模擬教學(xué)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，我們在原有舊繼電器控制的中央空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入PLC、組態(tài)王和變頻器控制技術(shù)對舊系統(tǒng)進(jìn)行了改造，經(jīng)過一年多的教學(xué)試用，教學(xué)水平得到一定的提高，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動手能力得到加強(qiáng)，收到良好的教學(xué)效果。

一、中央空調(diào)的主要系統(tǒng)組成

1.中央空調(diào)主要系統(tǒng)的構(gòu)成

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍機(jī)組、冷卻水塔、冷卻風(fēng)機(jī)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等構(gòu)成。

2.中央電氣控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)所需的主要硬件有工控屏、變頻器、冷水泵機(jī)組、傳感器、PLC及擴(kuò)展模塊等，其組成框圖如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)電氣組成

（1）工控屏及溫度傳感器。工控觸摸屏是一個HMI（人機(jī)對話界面），在中央空調(diào)系統(tǒng)中做監(jiān)控和操作使用，即監(jiān)控和演示中央空調(diào)系統(tǒng)運行情況，實時控制，并設(shè)置觸摸按鈕代替現(xiàn)實中的按鈕進(jìn)行操作使用。觸摸屏包含HMI硬件和相應(yīng)的專用畫面組態(tài)軟件，連接到PLC。而組態(tài)軟件是運行于PC硬件平臺、Windows操作系統(tǒng)下的一個通用工具軟件產(chǎn)品，和PC機(jī)或工控機(jī)一起可以組成人機(jī)對話界面的控制。傳感器作為PLC輸入控制端子的一部分，對中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行輸入信息的采集。在中央控制系統(tǒng)中，通過溫度傳感器將實時檢測到的溫度這一物理量轉(zhuǎn)換成電信號，提供給控制器，以實現(xiàn)溫度的自動控制，這里主要討論用于室溫的檢測。

（2）PLC及擴(kuò)展模塊。三菱FX2N PLC系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件由豐富的PLC模塊和擴(kuò)展模塊組成，它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。它是整個中央空調(diào)控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)選用的PLC是屬于模塊式的，它主要包含CPU模塊、I/O模塊等，PLC一端接傳感器，另一端接執(zhí)行器，從傳感器得到的數(shù)據(jù)經(jīng)PLC讀、運算等處理下達(dá)給執(zhí)行器，執(zhí)行器動作。FX2N-4AD-PT特殊功能模塊在系統(tǒng)中的作用是將溫度傳感器檢測到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入PLC中，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲于緩沖存儲器（BFM）中。

（3）變頻器和冷泵機(jī)組。變頻器和冷泵機(jī)組作為中央空調(diào)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成系統(tǒng)對內(nèi)外溫度量交換輸送。溫度控制環(huán)節(jié)是變頻器對冷水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，變頻器根據(jù)傳感器送來的控制信號改變冷水泵的運行頻率，從而完成對溫度變化的控制。利用傳感器直接對系統(tǒng)中的各種信號進(jìn)行采集，并通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在運行過程中，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會進(jìn)行報警。系統(tǒng)采用手動或變頻固定方式運行，因為如果電動機(jī)的功率較大，不允許直接啟動時，需采用軟啟動器進(jìn)行降壓啟動。當(dāng)系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，而冷水泵系統(tǒng)又不能中斷時，手動啟動就成為系統(tǒng)不可缺少的組成部分。

二、中央空調(diào)控制系統(tǒng)電氣控制設(shè)計

1.中央空調(diào)控制系統(tǒng)主電路

中央空調(diào)的電氣控制系統(tǒng)主電路分別由PLC、冷水機(jī)組電動機(jī)、冷凍水泵電動機(jī)、冷卻水泵電動機(jī)、冷卻塔電動機(jī)、送風(fēng)電動機(jī)、冷凝機(jī)組電動機(jī)、冷風(fēng)電動機(jī)組成。兩臺西門子MM430變頻器分別控制冷凍水泵電動機(jī)、冷卻水泵電動機(jī)。

2.中央空調(diào)中的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)采用的是三菱PLC型號FX2N-48MR，是屬于模塊式的，它主要包含CPU模塊、I/O模塊等。溫度傳感器的作用是實時地將所檢測到的溫度這一物理量轉(zhuǎn)換成電信號，提供給控制器，以實現(xiàn)溫度的自動控制，主要用于室溫的檢測。FX2N-4AD-PT特殊功能模塊，是將溫度傳感器檢測到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入PLC中，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲于緩沖存儲器（BFM）中。通過PLC的TO（P）指令進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的控制，F(xiàn)ROM指令進(jìn)行數(shù)字量的讀入即可。在這個控制系統(tǒng)中，溫度點的檢測使用帶開關(guān)量輸出的溫度傳感器來完成，把溫度信號用溫度傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬量，使這個中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)變成一個模擬量控制系統(tǒng)。對于一個模擬量控制系統(tǒng)，選用FX2N-48MR基本單元與FX2N-4AD-PT模擬量輸入單元，方便地實現(xiàn)了模擬控制環(huán)境要求。

3.中央空調(diào)控制系統(tǒng)PLC的I/O分配表

表

系統(tǒng)的輸入信號 系統(tǒng)的輸出信號

名稱 功能 編號 功能 編號

SB1 自動模式 X0 自動運行指示燈 Y0

SB2 自動啟動按鈕 X1 手動運行指示燈 Y1

SB3 增溫按鈕 X2 故障指示燈 Y2

SB4 減溫按鈕 X3 冷風(fēng)機(jī) Y3

SB5 停止按鈕 X4 冷凝機(jī) Y4

SB5 手動模式 X5 冷卻泵變頻器 Y5

SB6 停止按鈕 X6 冷凍泵變頻器 Y6

SB7 冷風(fēng)機(jī)啟動 X7 冷水機(jī)組 Y7

SB8 冷凝機(jī)啟動 X10 冷卻塔電動機(jī) Y10

SB9 冷卻泵變頻器啟動 X11 送風(fēng)電動機(jī) Y11

SB10 冷凍泵變頻器啟動 X12

SB11 冷水機(jī)組啟動 X13

SB12 冷卻塔電動機(jī)啟動 X14

SB13 送風(fēng)電動機(jī)啟動 X15

4.中央空調(diào)控制系PLC部分梯形圖（圖2）

圖2

該制冷系統(tǒng)使用兩臺電動機(jī)型空氣壓縮機(jī)組，當(dāng)用戶按下啟動按鈕后系統(tǒng)已默認(rèn)的最低溫度16℃開始運行，用戶可以通過溫度增減按鈕設(shè)定所需溫度（最高設(shè)定溫度為28℃）。此時溫度傳感器開始檢測室內(nèi)溫度并將檢測到的溫度通過FX2N-4AD-PT特殊功能模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入PLC中，當(dāng)檢測到的溫度在低于設(shè)定溫度時不啟動機(jī)組，在溫度高于設(shè)定溫度時啟動一臺空氣壓縮機(jī)，2秒后啟動另一臺空氣壓縮機(jī)。當(dāng)溫度降低到設(shè)定溫度時停止其中一臺空氣壓縮機(jī)組，要求先啟動的一臺空氣壓縮機(jī)停止運行；當(dāng)溫度降到14℃時另一臺空氣壓縮機(jī)也停止運行；當(dāng)溫度低于9℃時，系統(tǒng)發(fā)出超低溫報警，3秒后系統(tǒng)自動停止運行。當(dāng)用戶按下停止按鈕后系統(tǒng)立刻停止運行。

三、組態(tài)軟件遠(yuǎn)程控制設(shè)計

中央空調(diào)控制系統(tǒng)分別由操作站和觸摸屏來分別控制，分為本地和遠(yuǎn)程兩種控制模式，其切換方式是在電柜的面板上設(shè)計一組切換開關(guān)，可以用來切換本地和遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)的控制方式分為自動和手動：在自動時，系統(tǒng)按程序及用戶設(shè)定的參數(shù)自動運行，相關(guān)參數(shù)設(shè)定輸入框在自動時會自動顯示在相關(guān)系統(tǒng)畫面上；在手動時，所有的設(shè)備可單獨開停控制，水閥、風(fēng)閥手動設(shè)定開度，設(shè)定輸入框會顯示在相關(guān)系統(tǒng)畫面上。自動和手動的切換方式在本地和遠(yuǎn)程兩種控制模式系統(tǒng)中分別都有相應(yīng)的切換按鈕。

圖3 設(shè)定用戶設(shè)定數(shù)值對話框

圖4 中央空調(diào)實訓(xùn)系統(tǒng)總控制畫面

如圖3、圖4所示，通過組態(tài)王軟件可以監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，還可以隨時修改設(shè)備運行各種參數(shù)，方便技術(shù)維護(hù)，保證設(shè)備正常運行，還可以利用組態(tài)王軟件動畫模擬仿真設(shè)備運行狀況。

參考文獻(xiàn)：

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[3]洪志郁.例說PLC[M].北京：人民郵電出版社，2006.

（作者單位：肇慶市技師學(xué)院）