基于PLC中央空調(diào)水泵系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

鄒恩　霍慶　溫昕　羅禮　黃浩揚　張增根

摘 要：針對中國人民銀行某支行的中央空調(diào)不能恒值調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和噪音污染嚴重，利用PLC和變頻器設(shè)計了一套中央空調(diào)群控系統(tǒng)，運用變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速滿足設(shè)定出水溫度要求。設(shè)計了WinCC界面對主機出水溫度與時間關(guān)系進行試驗研究，通過經(jīng)驗法提出一套PID控制方法并進行了PLC程序編程，實現(xiàn)了負荷溫度的定值控制和降低系統(tǒng)噪音。通過運行表明，該系統(tǒng)的溫度曲線圖能夠很快收斂，平均誤差為0.25℃，滿足系統(tǒng)的誤差范圍，穩(wěn)定性較強。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；溫度控制；變頻技術(shù)；PID

隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，對工業(yè)設(shè)備如水泵系統(tǒng)的要求越來越高，尤其在中央空調(diào)中水泵系統(tǒng)的作用越來越重要，PID變頻調(diào)速的供水系統(tǒng)以其節(jié)能、安全等優(yōu)點在我國各經(jīng)濟領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，保證了生產(chǎn)、生活的需求[1-2]。根據(jù)市場調(diào)研，很多酒店（如萬達酒店）所應(yīng)用的中央空調(diào)系統(tǒng)都是水泵電機按工頻運行，據(jù)相關(guān)工作人員透露，中央空調(diào)系統(tǒng)首次投金額巨大，考慮經(jīng)濟因素，一般采購設(shè)備只買工頻控制的水泵，資金可大大節(jié)減。然而導(dǎo)致的后果是無論季節(jié)和外界氣候如何變化，空調(diào)系統(tǒng)只能滿負載運行或者多機組系統(tǒng)選擇人為關(guān)閉某臺機組運行，不能恒值調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度以致用戶有過冷或者過熱的感受[3-4]。因此，對中央空調(diào)的水泵系統(tǒng)進一步開展研究有十分重要的意義。

文章以中國人民銀行某支行為工程案例：該處中央空調(diào)控制室緊靠辦公室，噪聲污染嚴重。針對這種現(xiàn)象，我們以水泵電機為被控對象，以冷卻水和冷凍水溫度為被控參數(shù)，以變頻器頻率為控制參數(shù)，以PLC為控制器，組成中央空調(diào)水泵溫度控制系統(tǒng)，研發(fā)一套可行的PID算法進行PLC程序設(shè)計。通過變頻改造水泵系統(tǒng)后，實現(xiàn)空調(diào)主機水溫的定值控制，噪聲也大大減少。

1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)理論

中央空調(diào)控制系統(tǒng)具有時變、非線性和大滯后等特點，一般控制通過檢測負荷末端水溫來確定室內(nèi)溫度，實際上不同季節(jié)、不同時間段用戶需要室內(nèi)溫度是不一樣的。通過實時檢測冷卻出水溫度和冷凍回水溫度控制水泵轉(zhuǎn)速進而控制水流量[5]，最后系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定的溫度，從而保證室內(nèi)溫度在舒適合理的范圍。

如圖1所示為中央空調(diào)系統(tǒng)變頻供水原理，將各管道的水溫度通過溫度傳感器轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號，并將此信號反饋到PLC中，通過PLC內(nèi)部運算，將溫度反饋信號與給定值相比較，經(jīng)過比例、積分、微分等環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)輸出到變頻器，控制水泵的轉(zhuǎn)速，進而改變水泵轉(zhuǎn)速來改變管道中水流量。執(zhí)行機構(gòu)為變頻器控制的水泵，對象為管道中水流量，反饋信號（測量值）是冷卻水和冷凍水溫度。

2.2 主要硬件組成

該系統(tǒng)硬件部分主要由西門子CPU226和6AV6 648-0BC11-3AX0觸摸屏，外部擴展模塊EM223、EM221和EM231，施耐德LC1-D3201交流接觸器和C65D斷路器，歐姆龍MY-4J中間繼電器，易能EDS1000-4T-0150P變頻器，廣州北澤DN100電動開關(guān)法蘭蝶閥等電氣元件組成，全部裝配到一個電氣控制柜中。考慮到現(xiàn)場控制環(huán)境惡劣，開關(guān)量輸入輸出的數(shù)量、模擬量輸入精度互鎖等方面情況，選用西門子CPU226作為控制器[7]，輸出端主要控制各個中間繼電器和接觸器。編程用個人PC，方便現(xiàn)場編制程序和調(diào)試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PID控制參數(shù)的整定不是唯一的，從中央空調(diào)實際應(yīng)用角度，只需被控對象符合實際要求即可。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗法試湊出三個參數(shù)值[8]；結(jié)合對過程曲線的觀察，確定軟件設(shè)計方案：考慮首次開機室內(nèi)熱量較大，首先水泵系統(tǒng)在工頻50Hz運行25分鐘后直接進入PID調(diào)節(jié)，P=1，I=5，D=0，經(jīng)實際運行后符合要求。

3.1 PLC主程序設(shè)計

如圖2所示，系統(tǒng)開始時初始化50ms定時器，配置好PID參數(shù)和初始化變頻器基準頻率，若選擇進入時間設(shè)置子程序，則可設(shè)置當前時間，定時開啟時間等，否則判斷系統(tǒng)是否自動運行，若進入手動子程序，則可手動控制電動閥，手動設(shè)置變頻器頻率驅(qū)動電機等，當系統(tǒng)進入自動運行，電動閥開啟和讀取各管道溫度傳感器后CPU與變頻器通訊進行PID自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)有故障產(chǎn)生則停機報警，否則穩(wěn)定運行。

3.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)是利用西門子WinCC（Windows Control Center）編寫的。在主界面中，可以監(jiān)控冷卻水泵和冷凍水泵的運行狀態(tài)，電動閥的開啟狀態(tài)和各個溫度測試點的溫度值。設(shè)計了停止/啟動按鈕，一鍵式啟停整個中央空調(diào)系統(tǒng)。另外消音按鍵可保證不會頻繁發(fā)出報警聲音，整套系統(tǒng)無需設(shè)置過多復(fù)雜界面，僅需設(shè)置與PLC中寄存器鏈接，界面簡單友好，使用便捷。

4 控制系統(tǒng)調(diào)試

4.1 水泵頻率測試

系統(tǒng)開機由于工況最大需要25分鐘工頻運行后進入PID自動調(diào)節(jié)，變頻器測試數(shù)據(jù)如圖3所示，冷卻泵從自動調(diào)節(jié)到穩(wěn)定的時間為16分鐘，冷凍泵穩(wěn)定需要5分鐘，最后分別穩(wěn)定在基準頻率35Hz和39Hz上。與原來整天運行在工頻電機相比，實現(xiàn)了電能節(jié)約和降低電機噪音功能。

4.2 中央空調(diào)溫度測試

從圖4可以看出，當主機開啟后，系統(tǒng)工頻運行25分鐘后進入PID自動調(diào)節(jié)，冷卻出水溫度設(shè)定37℃，調(diào)節(jié)時間為31分鐘，超調(diào)量為6.23%，誤差為0.2℃；冷凍回水溫度設(shè)定14℃，調(diào)節(jié)時間為23分鐘，誤差為0.3℃，兩者溫度平均誤差為0.25℃，穩(wěn)定后室內(nèi)滿足人員舒適度。可見整套系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程超調(diào)量在合理范圍，調(diào)節(jié)時間適中，能讓整套中央系統(tǒng)較快進入變頻工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)投入使用以來一直能夠穩(wěn)定運行，用戶反應(yīng)良好最終通過驗收。該系統(tǒng)利用變頻控制中央空調(diào)水泵系統(tǒng)，實現(xiàn)適當調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度功能和解決降低噪音污染等問題，而且提高了溫度控制的穩(wěn)定性和精確性，該系統(tǒng)可使溫度控制精度達到0.25℃的誤差范圍，同時提高設(shè)備的自動化程度，較好減少了工作人員的勞動強度和操作失誤，使用方便，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻

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作者簡介：鄒恩（1956-），女，博士，教授，主要研究方向為非線性系統(tǒng)的智能控制。

霍慶（1989-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向為計算機控制。