淺談高層建筑暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 平

（貴陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)院有限公司貴州 貴陽(yáng) 550000）

淺談高層建筑暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 平

（貴陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)院有限公司貴州 貴陽(yáng) 550000）

21世紀(jì)是信息時(shí)代，各種電信技術(shù)推動(dòng)了人類文明的發(fā)展。正是因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，促使家庭實(shí)現(xiàn)了生活方式更加現(xiàn)代化，居住環(huán)境更加舒適、安全。本文在闡述紅外控制和藍(lán)牙控制運(yùn)用在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的分析的技術(shù)上，就基于PLC技術(shù)的暖通空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

高層建筑；暖通空調(diào)；控制系統(tǒng)

引言

智能家居控制系統(tǒng)的功能主要包括通信、設(shè)備自動(dòng)控制、安全防范三個(gè)方面。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用量越來(lái)越大，功能越來(lái)越強(qiáng)，各種標(biāo)準(zhǔn)化傳感器模塊的出現(xiàn)給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了便利。智能家居空調(diào)控制系統(tǒng)除了能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的通過(guò)遙控按鍵控制空調(diào)之外，還加入了藍(lán)牙、溫度傳感器等模塊，可通過(guò)手機(jī)發(fā)射命令直接控制空調(diào)，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及控制原理

智能家居空調(diào)控制系統(tǒng)采用兩種方式控制空調(diào)：①傳統(tǒng)的遙控按鍵方式；②通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙發(fā)射命令。系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)、溫度傳感器、紅外模塊、藍(lán)牙模塊等幾部分組成，其中MSP430單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，負(fù)責(zé)解析按鍵和藍(lán)牙傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)并作出相關(guān)應(yīng)答；溫度傳感器用來(lái)感應(yīng)外界溫度，其設(shè)置的溫度范圍是20～26℃，當(dāng)溫度在此范圍時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定好的程序自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)；當(dāng)溫度不在這個(gè)范圍時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)按鍵或藍(lán)牙來(lái)開(kāi)啟空調(diào)并控制空調(diào)的各種模式，當(dāng)溫度不在這一范圍時(shí)也可設(shè)置自動(dòng)控制模式，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)并根據(jù)外界溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，無(wú)需通過(guò)手動(dòng)開(kāi)啟；紅外模塊根據(jù)單片機(jī)的應(yīng)答發(fā)射信號(hào)來(lái)控制空調(diào)；藍(lán)牙模塊接收手機(jī)發(fā)射的命令并將其傳送給單片機(jī)。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

2　高層建筑暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1紅外控制原理

紅外信號(hào)發(fā)揮作用的基本前提條件是使紅外光在紅外傳感器和空調(diào)之間傳輸信號(hào)，紅外光位于電磁頻道的不可見(jiàn)部分，紅外控制就是利用波長(zhǎng)為0.78～1.4μm之間的近紅外線來(lái)傳送控制信號(hào)的，如圖2所示。

圖2　光譜圖

紅外控制主要由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成。目前大部分家電均采用紅外一體化接收頭來(lái)接收紅外信號(hào)。系統(tǒng)發(fā)送端采用MSP430單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號(hào)；由空調(diào)內(nèi)置的紅外一體化接收頭接收紅外信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并作出相關(guān)應(yīng)答。

2.2藍(lán)牙控制原理

藍(lán)牙是一種低功耗的無(wú)線技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷是將智能移動(dòng)電話與筆記本電腦、掌上電腦以及各種數(shù)字信息的外部設(shè)備用無(wú)線方式連接起來(lái)，取代PC、打印機(jī)、傳真機(jī)和移動(dòng)電話等設(shè)備上的有線接口，進(jìn)而形成一種個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，使得在可達(dá)范圍內(nèi)各種信息化的移動(dòng)便攜設(shè)備都能無(wú)縫地共享資源。藍(lán)牙具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合。藍(lán)牙無(wú)線傳輸通過(guò)RF（2.4GHz）載波進(jìn)行，功耗低，傳輸速度快，可同時(shí)連接多個(gè)系統(tǒng)。采用藍(lán)牙技術(shù)無(wú)需設(shè)置，只要兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備互相進(jìn)入無(wú)線電平所允許的連接范圍內(nèi)，藍(lán)牙協(xié)議就會(huì)自動(dòng)掃描檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)連接，進(jìn)行信息交換。系統(tǒng)所采用的藍(lán)牙設(shè)備分別是藍(lán)牙模塊和手機(jī)，其中藍(lán)牙模塊采用3.4V電源供電，兩者連接后，在一定距離內(nèi)手機(jī)可通過(guò)藍(lán)牙串口軟件向藍(lán)牙模塊發(fā)射信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)解析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制空調(diào)。

3　基于PLC技術(shù)的暖通空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1控制回路

根據(jù)節(jié)能的需要，暖通空調(diào)冷凍水變流量控制回路設(shè)計(jì)如圖3所示。某小型超市的暖通空調(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。

3.2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22kW）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)。

圖3　暖通空調(diào)冷凍水變流量控制回路設(shè)計(jì)

3.3暖通空調(diào)變頻原理

在暖通空調(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(jiàn)，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，這就是暖通空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的理論基礎(chǔ)。

3.3.1集中制冷加熱站冷凍水系統(tǒng)控制邏輯

首先采集流量和壓差信號(hào)，計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際的冷量，然后將系統(tǒng)實(shí)際的冷量與正在運(yùn)行的冷水機(jī)組的額定制冷量的80%進(jìn)行比較，如果系統(tǒng)實(shí)際的冷量大于正在運(yùn)行的冷水機(jī)組的額定制冷量的80%，再判斷冷凍水的出水溫度是否大于設(shè)定的上限溫度，如果冷凍水的出水溫度大于設(shè)定的上限溫度，且持續(xù)時(shí)間也大于設(shè)定的時(shí)間，則自動(dòng)增加一臺(tái)冷水機(jī)組，待運(yùn)行一段時(shí)間后，再根據(jù)以上條件判斷，如條件滿足則自動(dòng)增加第二臺(tái)冷水機(jī)組，直至冷量滿足負(fù)荷要求為止。冷水機(jī)組減機(jī)控制與加機(jī)控制類似，通過(guò)減少冷水機(jī)組的數(shù)量達(dá)到冷量滿足符合要求為止。

3.3.2空調(diào)系統(tǒng)控制邏輯

根據(jù)發(fā)電機(jī)層左側(cè)和安裝場(chǎng)側(cè)溫度傳感器測(cè)量的溫度送入PLC控制器與給定值比較，根據(jù)±T偏差，由PLC按PID規(guī)律調(diào)節(jié)“組合式空調(diào)器三通水閥開(kāi)度”，以達(dá)到控制冷凍（加熱）水量，使房間溫度保持在T≤25℃，T≥18℃。設(shè)定溫度值與發(fā)電機(jī)層左側(cè)和安裝場(chǎng)側(cè)溫度傳感器測(cè)量的溫度進(jìn)行比較計(jì)算偏差，然后通過(guò)PID運(yùn)算輸出AO去控制組合式空調(diào)器三通水閥開(kāi)度。

3.3.3降溫通風(fēng)控制邏輯

降溫通風(fēng)風(fēng)機(jī)根據(jù)預(yù)先編寫的時(shí)間表自動(dòng)控制啟停，該廠設(shè)定的時(shí)間表為：運(yùn)行4h→停止4h→運(yùn)行4h。

4　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(kāi)發(fā)是最關(guān)鍵的。

4.1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)視暖通空調(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(kāi)發(fā)，其軟件開(kāi)發(fā)的接口一般選與西門子PLC相匹配的OPCSiemens-DAAutOmation類。上位機(jī)監(jiān)控軟件具有如下功能：①控制功能。根據(jù)由調(diào)度人員人工輸入的指令控制PLC完成各個(gè)設(shè)備的啟停操作。②安全保護(hù)功能。系統(tǒng)設(shè)定不同的操作等級(jí)，具有不同的操作權(quán)限，減少誤操作和破壞性操作。③事故追憶功能。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)故障和不良操作等事故時(shí)，系統(tǒng)將事故發(fā)生時(shí)刻前后一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所采集到的所有參數(shù)保存下來(lái)，以供事故分析。④模擬顯示功能。通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬畫面顯示通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備動(dòng)作過(guò)程、水閥開(kāi)度、當(dāng)前各個(gè)地點(diǎn)溫濕度、冷凍水管的流量、報(bào)警信號(hào)及電機(jī)運(yùn)行電壓、電流等所有可以顯示的參數(shù)和圖形。⑤數(shù)據(jù)檢索和報(bào)表功能?？梢詸z索和以報(bào)表形式顯示、打印自診斷結(jié)果、設(shè)備狀況、報(bào)警信息、流量、水量、冷凍機(jī)組開(kāi)啟次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)、操作人員及有關(guān)電氣量等。⑥報(bào)警功能。出現(xiàn)事故、故障時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

4.2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)?？照{(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)。

5　結(jié)束語(yǔ)

總之，改造和調(diào)試原來(lái)的暖通空調(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。

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