基于PLC的中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋艷芳 熊百川

【摘要】目前中央空調(diào)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類建筑，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，中央空調(diào)根據(jù)最大負(fù)荷外加一定裕量設(shè)計(jì)，無(wú)論季節(jié)、氣候等怎樣變化，中央空調(diào)都始終在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行。實(shí)際冷負(fù)荷根本遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到最大負(fù)荷，這樣就造成了極大的能源浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)采用西門子S7-200 PLC作為主控制器，基于傳統(tǒng)的PID算法，通過(guò)西門子MM430變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，采用了亞控Kingview進(jìn)行組態(tài)。

【關(guān)鍵詞】中央空調(diào)；變頻器；PLC；PID

一、引言

目前中央空調(diào)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各類建筑中，起著維持建筑物內(nèi)溫濕度恒定的作用。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，中央空調(diào)系統(tǒng)的容量的選擇一般是依據(jù)建筑物的最大制冷、制熱負(fù)荷或新風(fēng)交換量的需求，而且保留了充足余量。但是實(shí)際上在一年的絕大部分時(shí)間中，實(shí)際冷負(fù)荷根本遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到最大負(fù)荷，這樣就造成了極大的能源浪費(fèi)。因此，對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行節(jié)能改造的重要性不言而喻。合理地控制中央空調(diào)的能耗，就可以減少不必要的能源浪費(fèi)、節(jié)能減排，有利于構(gòu)建節(jié)約型、環(huán)保型社會(huì)。

二、中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造方案

基本控制系統(tǒng)包括四個(gè)部分，簡(jiǎn)單地說(shuō)，控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：控制器、廣義對(duì)象。其中廣義對(duì)象包括三部分：測(cè)量變送器、執(zhí)行器、被控對(duì)象。為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證控制質(zhì)量，需要依據(jù)工藝要求來(lái)為控制器選擇合適的控制規(guī)律并且運(yùn)用某種整定方法來(lái)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，從而找尋到最佳的控制器參數(shù)。本論文所要討論的是中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用的算法為傳統(tǒng)的PID算法。本系統(tǒng)為溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制的實(shí)質(zhì)是利用負(fù)反饋的作用來(lái)減小誤差。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）溫度傳感器選型

傳感器是將生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的裝置，當(dāng)溫度超過(guò)150℃后，銅在空氣中容易被氧化而失去線性特性，因此銅電阻不適宜在腐蝕性環(huán)境和高溫環(huán)境下應(yīng)用。而且由于銅的電阻率較小，這樣銅電阻的機(jī)械強(qiáng)度就會(huì)變得很低。鎳電阻雖然比較靈敏，但是它的熱穩(wěn)定性較差。在本設(shè)計(jì)中，綜合比較鉑電阻、銅電阻、鎳電阻的特性以及分析中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)后，選擇了Pt100溫度傳感器。

（二）PLC及擴(kuò)展模塊選型

PLC主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路、電源等組成，PLC首先接收按鈕等的輸入，然后執(zhí)行程序，最后輸出，經(jīng)接觸器來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這個(gè)過(guò)程是循環(huán)往復(fù)的。本設(shè)計(jì)采用PLC作為主控制器去完成控制任務(wù)，需要對(duì)進(jìn)行PLC選型。西門子公司生產(chǎn)的S7-200 PLC不僅功能強(qiáng)大，足以滿足本控制任務(wù)的需要，而且具有本土化優(yōu)勢(shì)和良好的貨期、價(jià)格便宜，因此確定選擇西門子S7-200 PLC。

（三）變頻器選型

目前交-直-交變頻器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。進(jìn)行變頻器的選型主要考慮變頻器的種類和容量。在進(jìn)行變頻器的容量選擇時(shí)，要考慮以下三種情況：（1）變頻器驅(qū)動(dòng)的是單一電動(dòng)機(jī)還是多個(gè)電動(dòng)機(jī)；（2）電動(dòng)機(jī)是直接啟動(dòng)還是軟啟動(dòng)；（3）驅(qū)動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)時(shí)，是分別啟動(dòng)，還是同時(shí)啟動(dòng)。本文選擇了西門子公司生產(chǎn)的MM430變頻器來(lái)進(jìn)行變頻調(diào)速。MM430適用于泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)載調(diào)速，非常節(jié)能。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）PLC程序設(shè)計(jì)

STEP7-Micro/WIN軟件是西門子公司專門為S7-200系列PLC開(kāi)發(fā)的編程軟件。它基于Windows操作系統(tǒng)，為用戶開(kāi)發(fā)、編輯、調(diào)試和監(jiān)控自己的程序提供了很好的編程環(huán)境。本文使用的編程軟件版本為STEP7-Micro/WIN V4.0 SP9（V4.9.25）。該軟件版本與Windows XP、Windows 7（32/64bit）等微軟Windows操作系統(tǒng)兼容。

（二）程序設(shè)計(jì)

在主程序中，上電時(shí)調(diào)用了初始化子程序，初始化子程序包括3部分，分別為變頻器上、下限頻率的設(shè)定、PID回路表的建立以及連接定時(shí)中斷并開(kāi)中斷、設(shè)定采樣周期。在PID中斷程序中對(duì)輸入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，執(zhí)行PID指令后再將控制量轉(zhuǎn)換為按工程量標(biāo)定的整數(shù)值后由模擬量輸出通道AQW輸出到變頻器頻率信號(hào)輸入端（3、4）。而且主程序具有完善的聲光的報(bào)警功能，故障結(jié)束后會(huì)復(fù)位變頻泵號(hào)存儲(chǔ)器。

（三）Kingview6.55組態(tài)

本文采用了北京亞控科技發(fā)展公司的組態(tài)王6.5.5。建立組態(tài)王工程的步驟為：（1）設(shè)計(jì)圖形界面（定義畫(huà)面）。（2）定義設(shè)備。（3）構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)（定義變量）。（4）建立動(dòng)畫(huà)連接。（5）運(yùn)行和調(diào)試。需要說(shuō)明的是，這五個(gè)步驟并不是完全獨(dú)立的，事實(shí)上，這五個(gè)部分常常是交錯(cuò)進(jìn)行的。

五、總結(jié)

本文根據(jù)以往空調(diào)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提出了總體節(jié)能方案。完成溫度傳感器、PLC、變頻器等器件的選型，采用ZWCAD 2010繪圖軟件完成了系統(tǒng)電氣原理圖的繪制。本文選用了PT100溫度傳感器、西門子S7-200 PLC控制器、西門子MM430變頻器。采用STEP7-Micro/WIN V4.0 SP9（V4.9.25）編程軟件編寫(xiě)了PLC程序。采用亞控的工控組態(tài)軟件組態(tài)王6.5.5進(jìn)行了組態(tài)，包括建立工程、定義畫(huà)面、定義設(shè)備、定義變量、動(dòng)畫(huà)連接、運(yùn)行調(diào)試等5個(gè)步驟。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：宋艷芳，女，副教授，研究方向：現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)與方法；熊百川，男，學(xué)生，自動(dòng)化2016級(jí)01班。