S7—1200PLC在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用

廣東珠海 519000

摘要：采取合適的技術(shù)對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行有效的改造，能明顯降低中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗，對(duì)建筑的安全使用和環(huán)境保護(hù)均有重要意義。本文以某中央空調(diào)改造為例，分析了傳統(tǒng)中央空調(diào)存在的能源浪費(fèi)問(wèn)題，采用科學(xué)合理的PID控制算法和變頻技術(shù)，設(shè)計(jì)出溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)了降低能耗的目的。

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

引言

傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在浪費(fèi)能源的情況，不利于中央空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電網(wǎng)設(shè)備的安全。為了降低能耗和保證建筑的使用性能，如何對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行有效改造，使其能夠高效運(yùn)行，同時(shí)能夠恒溫控制，成為了人們關(guān)心的問(wèn)題。下面就結(jié)合實(shí)例對(duì)此進(jìn)行討論分析。

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以及板載模擬量輸入組合到一個(gè)設(shè)計(jì)緊湊的外殼中以形成功能強(qiáng)大的控制器?？刂破魇褂渺`活、功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些優(yōu)勢(shì)的組合使它成為自動(dòng)化應(yīng)用中的完美解決方案，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系列其它產(chǎn)品所沒有的，順應(yīng)了工業(yè)信息化和高度自動(dòng)化中的發(fā)展要求。

2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 中央空調(diào)控制控制回路

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

圖1 冷凍水變流量控制回路

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)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍泵的流量、流速控制任務(wù)，從而達(dá)到控制房間溫度和其它參數(shù)的目的。

2.2控制系統(tǒng)的組成

溫度設(shè)定由上位機(jī)根據(jù)工作要求通過(guò)CSM1277以太網(wǎng)交換機(jī)給出，溫度調(diào)節(jié)器采用S7-1200PLC（CPU1214C，1個(gè)），執(zhí)行元件由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22千瓦）和盤管組成，進(jìn)出水溫度由2個(gè)PT100溫度傳感器檢測(cè)，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，控制異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(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，一是設(shè)定空調(diào)的工作溫度，二是監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)。控制系統(tǒng)電氣原理圖見圖2。

圖2 中央空調(diào)冷凍水循環(huán)控制系統(tǒng)主回路電氣連接示意圖

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)速可由下式給出：

n=n0（1-s）=60f/p（1-s） （3-1）

式中：n——電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；s——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

由式（2.2）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，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(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 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的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)，因此獲得了廣泛應(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：

式中e（t）=r（t）-c（t），其中KP=20～60%，積分時(shí)間常數(shù)取值范圍TI=180～600s，微分時(shí)間常數(shù)TD=3～180s；這些取值都是經(jīng)驗(yàn)性的，而且各參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的。

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。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，工程上一般采用的是臨界比例法。參數(shù)整定時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間I，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，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)進(jìn)行的，其中OPC服務(wù)器的開發(fā)是關(guān)鍵。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)軟件主要完成對(duì)中央空調(diào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)定和監(jiān)視，設(shè)計(jì)客戶端和OPC服務(wù)器等軟件，采用C#開發(fā)，其軟件開發(fā)的接口為一般選與西門子PLC相匹配的OPCSiemensDAAutomation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)，為以后作進(jìn)一步的能源分析和管理提供原始數(shù)據(jù)。其工作流程較為簡(jiǎn)單，見圖4。

圖3 上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC程序工作流程