基于PLC控制的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

崔玲玲

(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　太倉　215411)

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程序控制器(PLC)已逐步取代繼電器，普遍應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。中央空調(diào)控制系統(tǒng)主要由按鈕、變頻器、西門子PLC、傳感器及其他低壓保護(hù)和控制電器元件構(gòu)成。使用PLC實(shí)現(xiàn)控制過程，對(duì)設(shè)備的信息進(jìn)行處理，大大提高了中央空調(diào)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

1　中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)工作原理

隨著人們生活水平的不斷提高，中央空調(diào)的應(yīng)用也越來越廣泛。中央空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)三部分組成。中央空調(diào)系統(tǒng)控制包括若干個(gè)子系統(tǒng)控制，即冷卻水控制、冷凍水控制、冷水機(jī)組控制、空調(diào)機(jī)組控制、新風(fēng)機(jī)組控制、風(fēng)機(jī)盤管控制等。其中，冷卻水系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí)，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔(出水)，使之與大氣進(jìn)行熱交換，降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器(回水)。圖1為冷卻水系統(tǒng)的工作原理圖。

2　系統(tǒng)控制要求分析

(1) 中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)使用3臺(tái)冷卻水泵，由1臺(tái)西門子MM440變頻器輪換控制3臺(tái)冷卻水泵。1臺(tái)冷卻水泵變頻運(yùn)行，其余2臺(tái)冷卻水泵備用，24 h輪換運(yùn)行。

(2) 通過溫度傳感器檢測(cè)冷卻塔的進(jìn)水溫度T2來控制冷卻水泵變頻運(yùn)行的速度。

(3) 每臺(tái)冷卻水泵分別配有熱繼電器FR1、FR2、FR3起到過載保護(hù)作用，并且配有對(duì)應(yīng)的過載報(bào)警指示燈。

(4) 配有3個(gè)冷卻水泵維修開關(guān)，當(dāng)某臺(tái)冷卻水泵維修時(shí)，維修的冷卻水泵立即停機(jī)，其他兩臺(tái)冷卻水泵執(zhí)行一臺(tái)變頻運(yùn)行、另一臺(tái)備用。如果兩臺(tái)冷卻水泵維修時(shí)，第三臺(tái)冷卻水泵執(zhí)行長(zhǎng)期變頻運(yùn)行。當(dāng)維修完成后，恢復(fù)到正常運(yùn)行。

圖1　冷卻水系統(tǒng)工作原理圖

3　冷卻水控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1　PLC的選型

當(dāng)可編程邏輯控制器工作時(shí)，其工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段，完成上述3個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段。圖2為PLC結(jié)構(gòu)示意圖。

本控制系統(tǒng)選用的PLC是西門子S7-200系列，即CPU224XP。PLC可以單獨(dú)地控制一個(gè)執(zhí)行單元，從PLC外觀上看，雖然與普通的計(jì)算機(jī)相比有很大的差別，但在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，PLC是一臺(tái)擁有I/O功能來與被控對(duì)象連接的計(jì)算機(jī)。

3.2　PLC I/O的地址配置

西門子S7-200的CPU224XP共有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)。I/O分配表是現(xiàn)場(chǎng)接線和調(diào)試的重要依據(jù)，也是編寫程序的重要步驟，PLC的I/O分配表如表1所示。

圖2　PLC結(jié)構(gòu)示意圖

輸入信號(hào)功能說明輸出信號(hào)功能說明I0.1泵1維修Q0.0泵3報(bào)警I0.2泵2維修Q0.1泵1運(yùn)行I0.3泵3維修Q0.2泵2運(yùn)行I0.5啟動(dòng)Q0.3泵3運(yùn)行I0.6停止Q0.4變頻器運(yùn)行I0.7緊急停止Q0.5變頻器5I1.1泵1過載Q0.6變頻器6I1.2泵2過載Q0.7變頻器7I1.3泵3過載Q1.0泵1報(bào)警Q1.1泵2報(bào)警

3.3　系統(tǒng)控制電氣原理圖

冷卻泵通過西門子變頻器MM420/440 控制，如圖3所示，當(dāng)空氣開關(guān)Q1閉合時(shí),交流接觸器KM4線圈得電，其主觸點(diǎn)閉合，變頻器電源接通，PLC通過通信方式將控制信息送入到變頻器, 變頻器根據(jù)接收到的指令,控制冷卻泵運(yùn)行。

圖3　系統(tǒng)控制電氣原理圖

3.4　外圍控制電路

為了更加清楚明白地展現(xiàn)系統(tǒng)的功能和控制，我們可以通過PLC的外圍接線圖(見圖4)來了解控制系統(tǒng)的布局。西門子S7-200 CPU224XP是DC/DC/DC，故在控制冷卻水泵的過程中加入了中間繼電器KA，通過中間繼電器KA實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流，在控制回路和負(fù)載回路組成的控制電路中，相當(dāng)于自動(dòng)控制開關(guān)，用于控制交流接觸器。

圖4　系統(tǒng)控制外圍接線圖

4　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)該控制系統(tǒng)的工作要求，其順序功能圖如圖5所示。按下緊急停止按鈕回到初始位置，啟動(dòng)I0.5，變頻器通電并開始定時(shí)，當(dāng)定時(shí)器T37時(shí)間到，若泵1不維修和過載，則泵1變頻運(yùn)行；若泵1維修和過載，則跳過M0.2步，執(zhí)行M0.3，以此原理，繼續(xù)執(zhí)行以后程序。

根據(jù)控制要求的不同，PLC控制程序設(shè)計(jì)包括變頻器延時(shí)控制程序、冷卻泵輪換控制程序、24 h的時(shí)間間隔控制程序、故障泵的控制程序、停機(jī)控制程序等幾部分。其中變頻器延時(shí)控制程序是當(dāng)變頻器通電且延時(shí)約10 s后，變頻器端子5、6、7接收信號(hào)；冷卻泵輪換控制程序主要是控制1臺(tái)冷卻水泵變頻運(yùn)行，另2臺(tái)備用，24 h輪換程序；故障泵的控制程序主要是控制某臺(tái)冷卻水泵過載、維修時(shí)的控制程序；停機(jī)控制程序主要是指按下停止按鈕，等整個(gè)控制完成后才可以停機(jī)的控制程序，而當(dāng)按下緊急停止按鈕，將立即停機(jī)。冷卻泵輪換控制程序分別見圖6和圖7。

5　結(jié)語

該冷卻泵控制系統(tǒng)硬件采用較常用的西門子S7-200作為控制器, 利用西門子變頻器實(shí)現(xiàn)冷卻泵的調(diào)速，從而提高了系統(tǒng)的可操作性。利用STEP7編程語言完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的控制技術(shù)及理念可在其他的工業(yè)控制項(xiàng)目中得到較廣泛的應(yīng)用。

圖5　系統(tǒng)順序功能圖

圖6　冷卻泵輪換控制程序(1)

圖7　冷卻泵輪換控制程序(2)

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