S7-1200PLC在中央空調節能系統中的應用

廣東省科技職業技術學校 吳壯勇

隨著我國社會經濟建設的快速發展，人們物質生活水平得到進一步的提高，對建筑物室內環境的要求也越來越高。中央空調系統是建筑物的重要組成部分，具有諸多的優點，能夠有效改善辦公建筑內部的空氣環境，并防止空調病的發生。目前，許多傳統中央空調系統的冷凍水普遍采用定流量控制，致使系統的運行參量偏離空調的最佳工作狀態，主機熱轉換效率大大降低，導致系統無效損耗問題愈加嚴重。而將S7-1200PLC控制器應用到冷凍水變流量控制系統中，并采用PID控制算法和變頻調速來控制好壓差等技術參數，可以有效實現空調系統的恒溫控制，大大降低空調系統的電能損耗。本文通過探討S7-1200PLC在中央空調節能系統中的應用，希望對建筑物空調系統的優化工作有所幫助。

1.S7-1200PLC特點闡述

根據調查發現，我國傳統中央空調系統無效能耗高達30%，造成該現象的原因在于冷凍水控制時選擇定流量方法，致使中央空調系統的復雜性得不到重視，加上具體負荷會跟隨環境以及運行臺數發生變化，由此對機熱轉換效率造成影響，使其呈現不斷降低的趨勢。另外，空調系統長期在設定額定狀態中運轉，能耗一直維持在設計最大值情況中，但是負載卻呈現過能量工作現象，因此，工頻情況中啟動或關閉大功率的風機以及水泵時，可對電流造成巨大的沖擊，不僅耗損大量能源，并且還破會機電與電網的正常運轉。

所以，在冷凍水變流量控制系統當中應用S7-1200PLC，并且采取變頻調速以及PID控制算法，一方面可以對工藝參數進行有效的控制，另一方面還能夠達到優化空調設備啟停的效果，進而促使空調系統運行保持節能與高效，達到恒溫控制的地步。

S7-1200PLC是由西門子公司研發，問世后馬上取代S7-200PLC，其可以有效把內置PROFINET接口、集成電源、板載模擬量輸入、高速運動控制I/O、微處理器以及輸入和輸出電路六者聚集到外殼中，由此產生一個具有極高功能的控制器。S7-1200PLC的優點為功能大、組態與使用非常靈活、設計緊湊以及指令集功能強，其各方面優點相互結合致使其被廣泛運用在自動化解決中，同時還直接決定該控制器的功能為運動控制、分布式網絡控制以及PID閉環控制等，尤其是S7-1200PLC功能當中的以太網通信功能，不僅與工業信息化以及高度自動化發展要求相互適應，并且還使S7-1200PLC與是西門子S7系列當中的產品存在差異。

2.中央空調控制系統設計分析

2.1 控制控制回路設計

中央空調冷凍水變流量控制當中的控制回路在設計之前，需要對節能要求進行詳細的分析，具體回路設計成圖如圖1所示。

本市某規模較小的超市當中中央空調控制系統為閉環控制系統，其調節方式為溫差方式，不僅冷凍泵當中的流速與流量得到有效的控制，同時房間溫度以及其他參數也被控制。

2.2 控制系統構成內容

上位機按照工作需要，采取CSM1277以太網交換機給出的方式對溫度進行設定，其中溫度調節器主要為S7-1200PLC系統，執行元件分為5個部分，分別為3臺異步電動機、6臺冷凍水水泵、1個西門子MM440變頻器、2臺冷凍機主機以及盤管。其中進出水溫度主要使用2個PT100溫度傳感器進行檢測，并且把PLC按照溫度差確認的頻率值傳送到MM440變頻器內，對異步電動機進行有效的控制，從而調整速度，而RS-485串行口的作用在于使用在組態內精簡面板，將變頻器的工作狀態顯示出來。所以上位機的作用有兩個，分別為：對現場設備工作狀態進行監視以及科學設定空調工作溫度。控制系統電氣原理內容具體如圖2所示。

圖1 冷凍水變流量控制回路

圖2 中央空調冷凍水循環控制系統主回路電氣連接示意圖

2.3 中央空調變頻原理闡述

中央空調水系統全部運行設備中，水泵是其不可缺乏的一個設備。對水泵學比例定律進行詳細的分析可以知道，在水泵內，水泵轉速存在差異時，水流量和轉速、揚程和轉速平方以及軸功率與轉速立方這三者內的關系均顯示為正比例關系，因此可以知道，若轉速降低，功率降低程度遠遠大于流量降低程度。所以，通過對水泵轉速進行有效的控制能夠在一定程度上降低水泵功率的消耗情況，上述內容為中央空調系統高效節能理論基礎內容所在。因此對水泵轉速進行控制，應該先對異步電動機轉速開展控制，而異步電機具體轉速可以通過以下方式計算獲取：

上述公式內，s主要表示異步電動機轉差率，而n主要表示電動機具體轉速。

詳細對公式進行分析可以知道，參數當中的f與s其中一個發生改變便可改變電動機轉速，換個說法也就是控制異步電動機的調速。所以，相關工作人員可以適當更改電源頻率，進而控制異步電動機的調速。

2.4 中央空調控制系統PID調節分析

PID調節因為能夠直接對系統進行調節，不需要構建一個系統數學模式，由此被大范圍使用。PID調節器屬于線性調節器當中的一種，其采取線性組成方式，科學把積分(I)、給定值r(t)和實際輸出值c(t)兩者偏差e(t)的比例(P)以及微分(D)三者組成控制量，PID調節規律具體可見下面的公式：

上述公式中，e(t)＝r(t)-c(t)，當中KP一般為20～60%，積分時間常數通常為180～600s，微分時間常數一般主要取3～180s；上述取值均具備經驗性，并且每個參數的預置呈現相輔相成的關系。

PID參數工程整定方法由衰減法、反應曲線法以及臨界比例法三者組成，每種方法均具備自身特點，并且需要進行試驗，再根據工程經驗公式整定控制器的參數，工程當中臨界比例法使用范圍較大。對參數進行整定過程中，需要以實際情況為出發點開展下面細調：被控物理量與目標值相差不大時，應該適當擴大積分時間，若振蕩現象還存在，可以合理調整比例增益。被控物理量更改后恢復難度大，應該先將比例增益適當擴大，若恢復速度不快，可以將積分時間降低或者增加微分時間。

中央空調冷凍水溫度PID控制主要選擇S7-1200PLC技術對象模塊內的PID進行控制，其具備一個非常簡單的組態畫面，與S7-200PLC組態畫面進行對比，效果更加理想，狀態以及參數兩者的組態均非常方便。上位機PC和下位機PLC程序工作流程具體內容如圖3所示。

圖3 上位機PC和下位機PLC程序工作流程

3.系統軟件設計內容分析

對上位機軟件進行設計時，主要根據C/S結構具體內容開展，而OPC服務器開發屬于重要內容所在。

3.1 上位機監控軟件

上位機軟件的作用在于科學設定與監視中央空調現場設備的運行狀態，同時對OPC服務器以及客戶端等軟件進行設計，一般主要采取C#開發方式。其軟件開發接口通常選項和OPCSiemensDAAutomation類，此外，其還具備消防、配電以及照明等系統通訊接口，對設備運行狀況進行實時監控，并且適當調整耗電設備的參數，按期詳細記錄數據，為能源的分析與管理提供大量參考依據。

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件的作用在于現場控制空調系統內設備，根據設計內容，其可以被劃分為空調機房控制系統以及冷凍機房變頻控制系統兩個部分的程序設計，其中空調機房PLC程序設計還能夠被劃分為水循環PLC控制以及AHU單元PLC控制兩個部分的設計。

4.上位機與下位機S7-1200PLC軟件接口的實現

空調控制系統內的上位機PC以及下位機S7-1200PLC主要采取RJ45網絡硬件接口方式來實現以太網通信，并且上位機與下位機軟件通信均使用OPC技術標準。因為COM和操作系統以及語言沒有關聯，因此實現時僅僅需要根據COM規范進行開發。DCOM屬于COM的擴展，可以致使COM支持在Internet、廣域網以及局域網內各計算機對象相互取得通訊，其在實現過程中主要提供自動化接口以及定制接口。

工程實現時，可以采取以太網技術與OPC技術通過的方式。有機融合Net平臺，可以致使位機與下位機由于軟件接口差異造成無法通信狀況得到有效的處理，進而使空調控制系統達到自動化與信息化的效果。

5.結束語

由上可知，中央空調系統運行不僅間接對系統耗電量造成影響，同時還對大氣環境造成影響。所以，采取有效的措施減少中央空調系統耗電量是目前技術人員重點關注的內容。本文中的工程使用S7-1200PLC構成空調控制系統，運轉非常穩定，并且進行優化后，空調耗電量有所降低，節能效果顯著，值得各大企業借鑒。