基于西門子PLC的高層住宅供冷暖系統(tǒng)設計

李 惟，許宏科

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710062）

近些年來我國各地城市基礎建設取得了巨大的成就，各種商業(yè)、民用高層大廈不斷涌現(xiàn)。北方城市的冬冷夏熱，已經非常接近過去南方城市的氣候特征。作為現(xiàn)代城市智能高層住宅，冬天供暖、夏天供冷尤為必要。基于我國乃至世界范圍的國家能源形勢十分嚴峻，隨著供熱產業(yè)的快速發(fā)展及其規(guī)模的增大，要實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的高效、低碳、清潔、節(jié)能，只依靠建筑結構本身的節(jié)能還不夠，供熱系統(tǒng)的優(yōu)化、節(jié)能顯得十分重要。由于我國國情和供熱的具體方式等與其他國家不同，相關課題研究必須依據(jù)我國實際能源情況[1]。目前我國的供熱管網優(yōu)化規(guī)劃、系統(tǒng)設計參數(shù)優(yōu)選和供熱系統(tǒng)在技術層面上已經有所保證，但大多數(shù)地區(qū)集中供熱系統(tǒng)仍存在以下問題：夏季無供冷；缺少全面的參數(shù)實時測量手段，系統(tǒng)工況失調難以消除，造成用戶冷熱不均；故障發(fā)生時，不能及時診斷報警，影響系統(tǒng)可靠運行。

文中基于西門子S7-300PLC控制器，仿真實現(xiàn)對一個高層住宅的供冷暖系統(tǒng)的控制，完成冬季制熱、夏季制冷智能化控制任務。系統(tǒng)可靠地實現(xiàn)了開機時手動/自動兩種模式定義水井，對每臺井進行上限位檢測，水泵按順序軟啟動。本位控制系統(tǒng)根據(jù)積水器采集的溫度與設定的溫度值進行比較，控制主機的啟動臺數(shù)，并且對每臺主機的運行時間進行監(jiān)測。

1 供冷暖系統(tǒng)的總體結構

本系統(tǒng)控制系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 The overall structure of the control system

工控機的主要作用是運行后臺軟件，以及監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行和對系統(tǒng)的控制，并利用WinCC來實時顯示現(xiàn)場的相關數(shù)據(jù)，同時利用得到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對系統(tǒng)做出相應的控制。UPS即不斷電系統(tǒng)，它是一種以逆變器為主要組成部分的并且含有儲能裝置的恒壓恒頻的不間斷電源[2]，用于緊急情況為工控機和PLC提供不間斷的電源。PLC是整個系統(tǒng)的控制核心，高區(qū)和低區(qū)的控制主要是完成3臺機組的開啟與關閉，電機的順序開啟與停止。潛水泵的控制主要是完成從水井里取出系統(tǒng)所需要的水源。傳感器的主要作用是檢測現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)，并和PLC，WinCC建立連接通信，把檢測到的數(shù)據(jù)送到PLC和WinCC進行實時顯示。

2 供冷暖系統(tǒng)的控制流程

供冷暖系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 System control flow

初始化部分主要是對系統(tǒng)當中所有電動閥門，傳感器進行復位，對通信進行初始化設置，參數(shù)初始化，對系統(tǒng)地制冷制熱進行初始化，溫度的初始化設置。電動閥門包括26口水井上的26個電動閥門和控制回灌水的4個電動閥門，初始化制冷制熱主要是根據(jù)手動設置的制冷制熱，確定機器的制冷制熱模式。初始化溫度設置包括初始化末端回水的控制溫度，初始化集水器的基準溫度。

初始顯示部分包括水溫顯示、電動閥門狀態(tài)顯示、壓力傳感器顯示、所有水泵狀態(tài)顯示、水流量傳感器狀態(tài)顯示、電子水處理儀狀態(tài)顯示、消防水池水位顯示、水井狀態(tài)顯示。

進入取水環(huán)節(jié)之后，對消防水池的水溫水位進行實時的監(jiān)控，同時根據(jù)采集到的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行相應的控制。若水池水位低于補水的設定水位值則開啟潛水泵進行補水，并同時判斷水位是否達到補水設定值的上限，若達到則關閉潛水泵，繼續(xù)對消防水池水位進行實時監(jiān)測，若沒有則保持潛水泵的開啟狀態(tài)直到達到補水上限設定值為止。

在滿足水池水位不低于水池水位要求的下限，同時水池水溫不高于水池水溫的上限且不低于水池水溫的下限，此時開啟空調循環(huán)水泵。對于循環(huán)水泵的開啟要求高區(qū)30 KW的九臺水泵按要求順序進行啟動，并且每臺泵都進行軟啟動。75 KW泵一臺變頻啟動，兩臺軟啟動。低區(qū)30 KW的九臺水泵按要求順序進行啟動，并且每臺泵都進行軟啟，55 KW泵一臺變頻啟動，兩臺軟啟動。開啟所有的循環(huán)水泵之后檢測循環(huán)水泵的后壓力表讀數(shù)是否正常，若循環(huán)水泵的后壓力表讀數(shù)不正常則開啟補水泵進行補水，直到壓力讀數(shù)正常為止，若循環(huán)水泵后壓力表讀數(shù)正常，則開啟計時器進行延時，延時若干時間后檢測分水器流量計讀數(shù)是否正常，若正常則在延時若干時間，時間到了之后檢測集水器流量計讀數(shù)是否正常，若集水器流量計讀數(shù)正常則進行下一步操作。

機組的開啟及關閉部分：本系統(tǒng)分為高區(qū)和低區(qū)，高低區(qū)分別有3臺機組，二者的控制只是控制的對象不一樣，只介紹高區(qū)的控制。系統(tǒng)首先要根據(jù)人為設定的數(shù)值，從而得出溫差及需求并判定出需要開啟的機組數(shù)，確定系統(tǒng)是制熱還是制冷，并確定需要開啟的機組[3]。然后就是根據(jù)是制冷還是制熱開啟需要開的機組前的相應水泵，此時需注意，每臺熱交換機組前都有相應的冷卻水泵和冷凍水泵，并且制冷和制熱的開啟熱交換機組前冷卻水泵和冷凍水泵的順序是不同的，若是制冷則先開啟需要開啟的主機組前的冷凍水泵，然后是延時判斷相應的溫度傳感器和流量傳感器讀數(shù)是否正常，若不正常則關閉水池水泵，并報警請求人工處理。若是正常則執(zhí)行后面的操作，包括開啟電子水處理儀，開啟水池水泵。這些設備都開啟之后再開啟相應機組前的冷卻水泵，所有的這些設備都開啟之后進行機組的開啟。若是制熱，則先開啟需要開啟的機組前的冷卻水泵，然后是開啟電子水處理儀，開啟水池水泵。相應的冷卻水泵、電子水處理儀和水池水泵都開啟之后進行延時，延時過后判斷相應的溫度傳感器和流量傳感器讀數(shù)是否正常，若不正常則關閉水池水泵并報警請求人工處理，若正常則開啟需要開啟的機組前的冷凍水泵。機組前的所有設備都開啟之后打開需要開啟的機組。若在開啟機組前某臺設備故障，則報警請求人工處理。

機組開啟之后對機組進行計時記錄機組的開啟時間，因為控制要求是啟動主機為運行時間最短的主機，關閉停止運行時間最長的主機。對末端的回水溫度進行實時的監(jiān)控，并根據(jù)末端的回水溫度判斷是否需要開啟或者是關閉機組。當需要開啟機組時，先開啟相應機組前的冷卻水泵，再開啟冷凍水泵，最后是開啟機組。需要關閉機組時，先關閉相應的機組，然后是關閉相應的冷凍水泵，最后是相應的冷卻水泵。既不需要開啟也不需要關閉時，不動作。

此環(huán)節(jié)主要是根據(jù)回水溫度來判斷水會灌到哪里，此環(huán)節(jié)對末端的回水溫度進行實時的監(jiān)控，若回水溫度不高，則判斷水池水位是否滿足回灌，若水池水位滿足回灌則開啟控制水池側的電動閥門，關閉控制水井側的電動閥門，水流回灌到消防水池。若水池水位不滿足回灌則開啟控制水井側的電動閥門，關閉控制水池側的電動閥門，水流回灌到水井[4]。若末端回水溫度過高，則判斷水池水位是否滿足高溫水回灌，若不滿足則開啟控制水井側的電動閥門，關閉控制水池測的電動閥門，高溫水回灌水井。同時判斷末端回水溫度是否恢復正常，若不正常則繼續(xù)回灌到水井，若恢復到正常水溫則開啟控制水池側的電動閥門，關閉控制水井側的電動閥門。若果末端回水溫度過高并且水池水位滿足高溫水回灌，但是水池水溫不滿足高溫水回灌，此時開啟控制水井側的電動閥門，關閉水池側的電動閥門，高溫水回灌到水井，同時判斷末端回水溫度是否恢復正常，若沒恢復正常則繼續(xù)把水回灌到水井，若恢復正常則開啟控制水池側的電動閥門，關閉控制水井側的電動閥門。若末端回水溫度過高，并且水池水位水溫都滿足高溫水回灌，則開啟控制水池側的電動閥門，關閉控制水井側的電動閥門，高溫水回灌消防水池。同時判斷末端回水溫度是否恢復正常，若沒有恢復正常則繼續(xù)回灌到消防水池，若恢復到正常則繼續(xù)檢測末端回水溫度直到有變化做出相應的改變[5]。

補水的控制部分，系統(tǒng)對循環(huán)管路中的水壓進行實時的監(jiān)控，根據(jù)壓力傳感器提供的讀數(shù)判斷循環(huán)管路中的壓力讀數(shù)是否正常，從而判定系統(tǒng)是否需要補水。系統(tǒng)不需要補水則無動作。若系統(tǒng)需要補水，則需要先判斷軟化水箱水位是否達到補水的要求，若軟化水箱水位沒有達到補水要求則補水泵不動作，但是需要提示給軟化水箱補水。若軟化水箱水位達到補水要求則開啟補水泵進行補水，同時判斷系統(tǒng)是否還需要繼續(xù)補水，若還需要則繼續(xù)補水，若系統(tǒng)不再需要則關閉補水泵停止補水，并繼續(xù)實時檢測系統(tǒng)是否需要補水。

系統(tǒng)停止控制部分：當需要停止系統(tǒng)時，按下停止系統(tǒng)按鍵，若此時系統(tǒng)是在制熱，則先停止水源熱泵機組，等到條件滿足之后關閉相應的冷卻水泵，若條件不滿足則等待，直到條件滿足之后再關閉相應的水源熱泵機組前的冷卻水泵[6]。冷卻水循環(huán)水泵關閉之后停止水池循環(huán)水泵，然后是停止機組前的相應的冷凍水循環(huán)水泵，在之后是關閉電子水處理儀、所有水泵和所有電動閥門。若需要停止時系統(tǒng)正在制冷，則先關閉水源熱泵機組，等待條件滿足之后關閉冷卻水循環(huán)水泵，冷卻水循環(huán)水泵關閉之后關閉空調循環(huán)水泵，再是停止冷凍水循環(huán)水泵停止水池循環(huán)水泵，最后關閉電子水處理儀、所有水泵和所有電動閥門。

3 人機界面的設計

WinCC是一款工業(yè)控制組態(tài)軟件，由于本界面的設計要求是包括對現(xiàn)場設備進行控制的[7]，下面以一個水泵的開啟與關閉為例，介紹一下如何通過所設計的界面來控制現(xiàn)場設備的[8]。首先我們先建立一個外部變量取名為OPEN，選擇它的變量連接參數(shù)為Q0.0，Q0.0控制泵的啟停，Q0.0為0時泵關閉，為1時泵開啟。然后在一個空白的界面上選擇一個水泵，放到界面上，右鍵單擊選擇屬性選項，選擇事件后單擊鼠標選項，選擇按下，右鍵單擊后面的動作標志，選擇C動作，會出現(xiàn)如圖3所示的對話框。

圖3 編輯動作對話框圖Fig.3 Edit Action dialog

把程序段SetTagBit("open",!GetTagBit("open"))寫到圖3所示的對話框當中，點擊確定，就完成了。鼠標點一次泵，則OPEN變量的值取反一次，從而可以控制泵的開啟與關閉，然后泵的顏色可以連接變量OPEN通過顏色變化來顯示泵的狀態(tài)。

4 結論

本系統(tǒng)主要完成了實現(xiàn)了對高層住宅供冷暖系統(tǒng)的研究。完成了對3大控制對象：水源、高區(qū)、低區(qū)的控制。在保證了夏天制冷、冬天制熱的同時，系統(tǒng)采用了工業(yè)上常用的串級閉環(huán)控制系統(tǒng)，出水端和回水端均可對系統(tǒng)形成反饋，從而提高了供暖效率。

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