基于PLC的辦公樓宇中央空調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

吳有志　李捍東

【摘 要】采用西門子 S7-200 可編程序控制器和Win CC 對(duì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)。用西門子PLC 控制器作為控制核心，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的濕度控制和溫度控制。利用PLC編程軟件STEP7 的易讀寫、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)完成控制程序編寫和多回路溫、濕度控制的 PID 算法實(shí)現(xiàn)。用Win CC 組態(tài)軟件開發(fā)了監(jiān)控管理系統(tǒng)，最后通過觸摸屏完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和信息顯示。

【關(guān)鍵詞】西門子PLC；自動(dòng)控制；中央空調(diào)；Win CC

【Abstract】Using the Siemens S7-200 programmable controller and Win CC to central air-conditioning control system design of hardware and software. Use Siemens PLC controller as control core， to implement the whole process of humidity and temperature control. Using PLC programming software STEP7 easy to read and write， easy to realize the characteristics of the control program written and multi loop temperature and humidity control PID algorithm. Use Win CC configuration software monitoring management system is developed， finally complete a set of the parameters by the touch screen and display information.

【Key words】Siemens PLC； Automatic control； Central air conditioning； Win CC

0 引言

中央空調(diào)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化辦公樓宇中，它由冷熱源系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，制冷或制熱都將消耗大量電能，因而中央空調(diào)成為耗能大戶，每年的耗電量占建筑物總用電量的60%左右[6]。隨著人們對(duì)樓宇空調(diào)環(huán)境的舒適度要求不斷提高，環(huán)境舒適度參數(shù)控制成為空調(diào)節(jié)能面臨的關(guān)鍵問題。如何對(duì)中央空調(diào)的運(yùn)行進(jìn)行控制，使室內(nèi)溫度達(dá)到人體舒適度范圍，并有效地改善系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)、節(jié)約運(yùn)行能耗，已成為空調(diào)節(jié)能運(yùn)行中一個(gè)不容忽視的問題[2]。文章根據(jù)某文化宮中央空調(diào)的特點(diǎn)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的要求，在充分考慮系統(tǒng)的可行性，穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性后，對(duì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件升級(jí)改造。

1 控制系統(tǒng)的要求

1.1 控制原理圖如圖1

1.2 控制要求

1.2.1 溫度調(diào)節(jié)

根據(jù)回風(fēng)總管上的溫度傳感器T1的大小，控制回水支管上的電動(dòng)二通閥M3的開啟度。

新回風(fēng)比例調(diào)節(jié)

①根據(jù)新風(fēng)溫濕度值T3，運(yùn)算出新風(fēng)空氣中的焓值i1【i=1.01*t+（2500+1.84t）*d】；

②根據(jù)回風(fēng)溫濕度值T1，運(yùn)算出回風(fēng)空氣中的焓值i2；

③根據(jù)i1和i2，適當(dāng)調(diào)節(jié)M1和M2二個(gè)風(fēng)閥開啟度，調(diào)節(jié)新風(fēng)回風(fēng)比例。

1.2.2 檢測(cè)功能

①新風(fēng)回風(fēng)溫度、過濾壓差信號(hào)；②檢測(cè)控制箱的運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)、開關(guān)信號(hào)。

1.2.3 控制箱門上設(shè)置按鈕指示燈（啟動(dòng)按鈕、自動(dòng)運(yùn)行指示和故障指示）

1.2.4 觸摸屏顯示

①新風(fēng)、送風(fēng)溫度（℃）；②風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行/停止）、故障狀態(tài)、檢修狀態(tài)；

③空氣過濾器壓差信號(hào)（Pa）；④新風(fēng)、回風(fēng)開度（%）；

⑤設(shè)置菜單（可設(shè)置火災(zāi)報(bào)警溫度值、壓差上限等）。

1.2.5 報(bào)警（可通過門柜按鈕或者觸摸屏按鈕進(jìn)行解除）

①回風(fēng)溫度越限報(bào)警（達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，聲光報(bào)警；溫度繼續(xù)升高時(shí)，關(guān)閉M1、M2、M3）；②空氣過濾器壓差越限報(bào)警；③風(fēng)機(jī)過流、缺相報(bào)警；

當(dāng)出現(xiàn)上述引發(fā)的故障時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、水閥等。

2 運(yùn)行原理

當(dāng)新風(fēng)和回風(fēng)進(jìn)入風(fēng)機(jī)管道時(shí)，會(huì)各自經(jīng)過溫度傳感器和濕度傳感器檢測(cè)，將各自模擬量送至PLC進(jìn)行A/D以及D/A轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理，然后輸出模擬量給調(diào)節(jié)閥，從而調(diào)整調(diào)節(jié)閥的閥門開度。當(dāng)調(diào)節(jié)閥接收到反饋信號(hào)時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)整其開度來補(bǔ)充新風(fēng)和回風(fēng)量。此時(shí)風(fēng)會(huì)通過一個(gè)過濾網(wǎng)裝置過濾塵埃。過濾網(wǎng)兩邊一般會(huì)設(shè)置一個(gè)差壓控制器，當(dāng)過濾網(wǎng)上附著太多塵埃時(shí)，差壓控制器會(huì)顯示有壓差，從而提醒人們及時(shí)清理過濾網(wǎng)。當(dāng)室內(nèi)溫度過高時(shí)，表冷器的進(jìn)水端將會(huì)灌入冷水，經(jīng)過降溫處理后，冷水水溫會(huì)升高從機(jī)組內(nèi)排出。當(dāng)風(fēng)的濕度偏低時(shí)，加濕器對(duì)風(fēng)進(jìn)行加濕處理。在送風(fēng)口處，也會(huì)設(shè)有溫度傳感器，來檢測(cè)此時(shí)送入室內(nèi)的空氣是否符合人們所需標(biāo)準(zhǔn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件選擇

本文中硬件選型主要包括中央處理單元、模擬量擴(kuò)展模塊、風(fēng)管式溫濕度傳感器、風(fēng)閥執(zhí)行器、水閥執(zhí)行器、差壓開關(guān)和變頻器等相關(guān)硬件。其硬件選取清單如表1所示。

表1 中央空調(diào)硬件選取

3.2 電氣控制原理結(jié)構(gòu)

電氣控制原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。PLC控制器選用S7-200系列的主模塊CPU226及擴(kuò)展模塊EM 231和EM 232，人機(jī)界面采用Smart 1000。CPU226用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和邏輯控制，如PID運(yùn)算、空氣焓值計(jì)算以及送風(fēng)電動(dòng)機(jī)的開關(guān)控制，風(fēng)閥水閥開度控制。EM 231為四模擬量輸入，EM 232為四模擬量輸出模塊。溫濕度變送器輸出的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送EM231的輸入接口，模擬輸出信號(hào)送冷水閥、蒸汽閥、電加濕器和電加熱器模塊，分別進(jìn)行閥門開度、加濕量和加熱量的控制。電氣原理結(jié)構(gòu)圖如圖2。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制流程

該部分主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、通信初始化、數(shù)據(jù)采集和比較、算法數(shù)據(jù)處理等功能。本文主要應(yīng)用優(yōu)化PID 調(diào)節(jié)對(duì)中央空調(diào)的溫濕度和冷熱水進(jìn)行控制。先用模糊控制方法選取較大的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，致使 PID 調(diào)節(jié)時(shí)間變短，系統(tǒng)參數(shù)較快接近目標(biāo)值。當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)值時(shí)，所選取較大的積分參數(shù)可緩慢地靠近目標(biāo)值[6]?？刂屏鞒毯?jiǎn)化圖如圖3。

圖3 控制流程簡(jiǎn)化圖

4.2 控制系統(tǒng)人機(jī)交互組態(tài)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控選用SIEMENS Win CC 組態(tài)軟件，Win CC 具有強(qiáng)大的圖形開發(fā)功能和先進(jìn)的GUI設(shè)計(jì)環(huán)境 ，可以開發(fā)出界面友好、操作方便的管理系統(tǒng)[7] 。

Smart 1000觸摸屏與西門子 S7—200 PLC之間通過MPI電纜連接。觸摸屏畫面包含參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、操作按鈕和控制參數(shù)設(shè)置三部分。

參數(shù)設(shè)定說明：“回風(fēng)溫度設(shè)定值” 可自行設(shè)定合適的回風(fēng)溫度，設(shè)定范圍為0-99?！靶嘛L(fēng)回風(fēng)比例設(shè)定值”可自行設(shè)定合適的新風(fēng)與回風(fēng)的比例，設(shè)定范圍為0%-100%。

圖4 觸摸屏顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用西門子 S7—200 PLC和win CC進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用于辦公樓宇中央空調(diào)控制系統(tǒng)，在控制算法上采用在傳統(tǒng) PID 控制基礎(chǔ)上優(yōu)化控制的方法實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的溫濕度和冷熱水控制，同時(shí)利用Smart 1000觸摸屏進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定與信息顯示。實(shí)踐說明，該系統(tǒng)很大地提高了溫濕度的控制精度。其系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定強(qiáng)，可靠性和控制靈活度高，功能齊全。

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[責(zé)任編輯：湯靜]