以PLC為基礎(chǔ)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

何志鋒

摘 要：主要分析了傳統(tǒng)中央空調(diào)的冷凍泵和冷卻泵不能實(shí)行自我調(diào)節(jié)負(fù)載而造成的能源浪費(fèi)問題，使用更有效的PID控制算法和變頻技術(shù)，重新設(shè)計(jì)了由變頻器、PLC和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等器件組成的溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使水泵的輸出流量能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足節(jié)約能源的要求。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；S7-1200PLC；變頻器；PID

中圖分類號(hào)：TB657.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.020

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，工程建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，規(guī)模也越來(lái)越大，因此，中央空調(diào)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)不合理等原因，系統(tǒng)能耗一直處在過(guò)高的狀態(tài)，不利于電網(wǎng)和機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行，而如何降低其運(yùn)行能耗則成為了現(xiàn)階段急需解決的問題。

1 S7-1200PLC的特點(diǎn)

S7-1200PLC是西門子公司替代S7-200PLC的產(chǎn)品。該控制器將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路、內(nèi)置PROFINET接口、高速運(yùn)動(dòng)控制I/O、板載模擬量輸入組合到一個(gè)設(shè)計(jì)緊湊的外殼中，從而形成功能強(qiáng)大的控制器。控制器使用靈活、功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活，具有功能強(qiáng)大的指令集，這些優(yōu)勢(shì)使它成為了自動(dòng)化應(yīng)用中的完美方案。同時(shí)，這些優(yōu)勢(shì)決定了S7-1200PLC具有強(qiáng)大的分布式網(wǎng)絡(luò)控制、計(jì)數(shù)、測(cè)量、PID閉環(huán)控制和運(yùn)動(dòng)控制等功能，特別是它的以太網(wǎng)通信功能，是西門子S7系列其他產(chǎn)品所沒有的，它的存在順應(yīng)了工業(yè)信息化和高度自動(dòng)化的發(fā)展要求。

2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制回路

根據(jù)節(jié)能的需要，中央空調(diào)冷凍水變流量控制回路設(shè)計(jì)如圖1所示。

某小型超市的中央空調(diào)控制系統(tǒng)是以溫差來(lái)調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它可以完成控制冷凍泵的流量、流速的任務(wù)，從而達(dá)到控制房間溫度和其他參數(shù)的目的。

2.2 控制系統(tǒng)的組成

溫度的設(shè)定是由上位機(jī)根據(jù)工作要求通過(guò)CSM1277以太網(wǎng)交換機(jī)給出的。其中，溫度調(diào)節(jié)器采用的是S7-1200PLC（CPU1214C，1個(gè)）；執(zhí)行元件是由1個(gè)西門子MM440變頻器、3臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)、2臺(tái)冷凍機(jī)主機(jī)、6臺(tái)冷凍水水泵（3用3備用，每臺(tái)功率為22 kW）和盤管組成的；進(jìn)出水的溫度是由2個(gè)PT100溫度傳感器檢測(cè)的；西門子SM1231模擬量輸入、輸出模塊完成盤管后端溫度模擬量的A/D轉(zhuǎn)換，SM1234模擬量輸入、輸出模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，并將PLC根據(jù)溫差確定的頻率值傳送至MM440變頻器，從而控制異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速；RS-485串行口主要用以在組態(tài)中的精簡(jiǎn)面板顯示變頻器的工作狀態(tài)。上位機(jī)主要有兩個(gè)作用，即設(shè)定空調(diào)的工作溫度，監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)。

2.3 中央空調(diào)變頻原理

在中央空調(diào)水系統(tǒng)中，最主要的運(yùn)行設(shè)備是水泵。由水泵學(xué)比例定律可知，對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見，當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多。因此，控制水泵的轉(zhuǎn)速可以有效地控制水泵的消耗功率，這就是中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的理論基礎(chǔ)。要控制水泵的轉(zhuǎn)速就必須控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為：

式（1）中：n為電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；n0為電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；s為步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；f為電動(dòng)機(jī)電源的頻率；p為電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁對(duì)數(shù)。

由式（1）可知，改變參數(shù)f，s中的任意一個(gè)，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。因此，可以通過(guò)改變?cè)撾娫吹念l率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

2.4 PID調(diào)節(jié)

PID調(diào)節(jié)不需要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，因此，它被廣泛應(yīng)用。PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）的偏差e（t）的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量。PID調(diào)節(jié)規(guī)律為：

式（2）中：e（t）=r（t）-c（t）. 其中，KP為控制器的比例數(shù)，取值20%～60%；TI為積分時(shí)間常數(shù)，取值180～600 s；e（t）為控制器的輸入信號(hào)；TD為微分時(shí)間常數(shù)，取值3～180 s。這些取值都是經(jīng)驗(yàn)性的，而且各參數(shù)的預(yù)置也是相輔相成的。

PID參數(shù)的工程整定方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。3種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)是都要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式整定控制器參數(shù)。工程上，一般采用的是臨界比例法。

在整定參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作細(xì)調(diào)——當(dāng)被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩時(shí)，應(yīng)先加大積分時(shí)間I，如果仍有振蕩，則可以適當(dāng)減小比例增益P. 當(dāng)被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)時(shí)，應(yīng)先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，則可以適當(dāng)縮短積分時(shí)間I，同時(shí)，還可加大微分時(shí)間D.

中央空調(diào)冷凍水溫度PID控制采用S7-1200PLC工藝對(duì)象模塊中的PID來(lái)實(shí)現(xiàn)。其組態(tài)畫面簡(jiǎn)單、明了，如圖2所示，比S7-200PLC組態(tài)畫面更加友好，參數(shù)和狀態(tài)的組態(tài)都很方便。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是按照C/S結(jié)構(gòu)完成的，其中，OPC服務(wù)器的開發(fā)是最關(guān)鍵的。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)軟件的主要任務(wù)是設(shè)定和監(jiān)視中央空調(diào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)客戶端和OPC服務(wù)器等軟件，并采用C#開發(fā)，其軟件開發(fā)的接口一般選與西門子PLC相匹配的OPCSiemens

DAAutOmation類。該軟件還有與照明、配電、消防等系統(tǒng)的通訊接口，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控這些設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整耗電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，定時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步作能源分析和管理提供原始數(shù)據(jù)。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的主要任務(wù)是控制空調(diào)系統(tǒng)中的各設(shè)備，具體可將其分為冷凍機(jī)房變頻控制系統(tǒng)和空調(diào)機(jī)房控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。空調(diào)機(jī)房的PLC程序設(shè)計(jì)又可分為AHU單元PLC控制和水循環(huán)PLC控制的設(shè)計(jì)。PLC主程序流程如圖3所示。

4 上位機(jī)與下位機(jī)軟件接口的實(shí)現(xiàn)

在空調(diào)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)PC和下位機(jī)S7-1200PLC是通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò)硬件接口實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的，上位機(jī)和下位機(jī)軟件通信采用OPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。OPC標(biāo)準(zhǔn)為Windows應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制設(shè)備程序之間建立了橋梁。由于COM與語(yǔ)言、操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，所以，在實(shí)現(xiàn)接口時(shí)，不需要特定的語(yǔ)言和操作系統(tǒng)，只要按照COM規(guī)范開發(fā)即可。DCOM是COM的擴(kuò)展，COM支持在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)甚至Internet上不同計(jì)算機(jī)的對(duì)象之間的通訊，它提供了定制接口和自動(dòng)化接口。

在工程實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，可利用Net平臺(tái)將OPC技術(shù)與以太網(wǎng)技術(shù)融合起來(lái)，有效地解決了上位機(jī)和下位機(jī)因軟件接口不同而導(dǎo)致的不能通信的問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制系統(tǒng)的信息化和自動(dòng)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

由上文可知，改造和調(diào)試原來(lái)的中央空調(diào)系統(tǒng)后，空調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后，該空調(diào)每日耗電量下降了約32.6%，節(jié)能效果十分突出，空調(diào)系統(tǒng)的信息化水平和自動(dòng)化水平得到了明顯的提高，而且還同時(shí)縮短了項(xiàng)目周期，為企業(yè)節(jié)約了成本，創(chuàng)造了更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王小科，李繼業(yè).C#開發(fā)寶典[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

〔編輯：白潔〕