基于PLC的辦公樓宇中央空調控制系統的應用

吳有志　李捍東

【摘 要】采用西門子 S7-200 可編程序控制器和Win CC 對中央空調控制系統進行硬件和軟件設計。用西門子PLC 控制器作為控制核心，來實現整個過程的濕度控制和溫度控制。利用PLC編程軟件STEP7 的易讀寫、容易實現的特點完成控制程序編寫和多回路溫、濕度控制的 PID 算法實現。用Win CC 組態軟件開發了監控管理系統，最后通過觸摸屏完成相關參數的設定和信息顯示。

【關鍵詞】西門子PLC；自動控制；中央空調；Win CC

【Abstract】Using the Siemens S7-200 programmable controller and Win CC to central air-conditioning control system design of hardware and software. Use Siemens PLC controller as control core， to implement the whole process of humidity and temperature control. Using PLC programming software STEP7 easy to read and write， easy to realize the characteristics of the control program written and multi loop temperature and humidity control PID algorithm. Use Win CC configuration software monitoring management system is developed， finally complete a set of the parameters by the touch screen and display information.

【Key words】Siemens PLC； Automatic control； Central air conditioning； Win CC

0 引言

中央空調廣泛應用于現代化辦公樓宇中，它由冷熱源系統和空氣調節系統組成，制冷或制熱都將消耗大量電能，因而中央空調成為耗能大戶，每年的耗電量占建筑物總用電量的60%左右[6]。隨著人們對樓宇空調環境的舒適度要求不斷提高，環境舒適度參數控制成為空調節能面臨的關鍵問題。如何對中央空調的運行進行控制，使室內溫度達到人體舒適度范圍，并有效地改善系統運行品質、節約運行能耗，已成為空調節能運行中一個不容忽視的問題[2]。文章根據某文化宮中央空調的特點和改進設計的要求，在充分考慮系統的可行性，穩定性和經濟性后，對中央空調控制系統進行硬件和軟件升級改造。

1 控制系統的要求

1.1 控制原理圖如圖1

1.2 控制要求

1.2.1 溫度調節

根據回風總管上的溫度傳感器T1的大小，控制回水支管上的電動二通閥M3的開啟度。

新回風比例調節

①根據新風溫濕度值T3，運算出新風空氣中的焓值i1【i=1.01*t+（2500+1.84t）*d】；

②根據回風溫濕度值T1，運算出回風空氣中的焓值i2；

③根據i1和i2，適當調節M1和M2二個風閥開啟度，調節新風回風比例。

1.2.2 檢測功能

①新風回風溫度、過濾壓差信號；②檢測控制箱的運行信號、故障信號、開關信號。

1.2.3 控制箱門上設置按鈕指示燈（啟動按鈕、自動運行指示和故障指示）

1.2.4 觸摸屏顯示

①新風、送風溫度（℃）；②風機運行狀態（運行/停止）、故障狀態、檢修狀態；

③空氣過濾器壓差信號（Pa）；④新風、回風開度（%）；

⑤設置菜單（可設置火災報警溫度值、壓差上限等）。

1.2.5 報警（可通過門柜按鈕或者觸摸屏按鈕進行解除）

①回風溫度越限報警（達到設定溫度時，聲光報警；溫度繼續升高時，關閉M1、M2、M3）；②空氣過濾器壓差越限報警；③風機過流、缺相報警；

當出現上述引發的故障時，自動關閉風機、風閥、水閥等。

2 運行原理

當新風和回風進入風機管道時，會各自經過溫度傳感器和濕度傳感器檢測，將各自模擬量送至PLC進行A/D以及D/A轉換等數據處理，然后輸出模擬量給調節閥，從而調整調節閥的閥門開度。當調節閥接收到反饋信號時，會自動調整其開度來補充新風和回風量。此時風會通過一個過濾網裝置過濾塵埃。過濾網兩邊一般會設置一個差壓控制器，當過濾網上附著太多塵埃時，差壓控制器會顯示有壓差，從而提醒人們及時清理過濾網。當室內溫度過高時，表冷器的進水端將會灌入冷水，經過降溫處理后，冷水水溫會升高從機組內排出。當風的濕度偏低時，加濕器對風進行加濕處理。在送風口處，也會設有溫度傳感器，來檢測此時送入室內的空氣是否符合人們所需標準。

3 硬件設計

3.1 硬件選擇

本文中硬件選型主要包括中央處理單元、模擬量擴展模塊、風管式溫濕度傳感器、風閥執行器、水閥執行器、差壓開關和變頻器等相關硬件。其硬件選取清單如表1所示。

表1 中央空調硬件選取

3.2 電氣控制原理結構

電氣控制原理結構如圖2所示。PLC控制器選用S7-200系列的主模塊CPU226及擴展模塊EM 231和EM 232，人機界面采用Smart 1000。CPU226用于實現運算和邏輯控制，如PID運算、空氣焓值計算以及送風電動機的開關控制，風閥水閥開度控制。EM 231為四模擬量輸入，EM 232為四模擬量輸出模塊。溫濕度變送器輸出的4～20mA標準信號送EM231的輸入接口，模擬輸出信號送冷水閥、蒸汽閥、電加濕器和電加熱器模塊，分別進行閥門開度、加濕量和加熱量的控制。電氣原理結構圖如圖2。

4 軟件設計

4.1 控制流程

該部分主程序主要完成系統的初始化、通信初始化、數據采集和比較、算法數據處理等功能。本文主要應用優化PID 調節對中央空調的溫濕度和冷熱水進行控制。先用模糊控制方法選取較大的比例系數和積分時間常數，致使 PID 調節時間變短，系統參數較快接近目標值。當系統接近穩態值時，所選取較大的積分參數可緩慢地靠近目標值[6]。控制流程簡化圖如圖3。

圖3 控制流程簡化圖

4.2 控制系統人機交互組態設計

上位機監控選用SIEMENS Win CC 組態軟件，Win CC 具有強大的圖形開發功能和先進的GUI設計環境 ，可以開發出界面友好、操作方便的管理系統[7] 。

Smart 1000觸摸屏與西門子 S7—200 PLC之間通過MPI電纜連接。觸摸屏畫面包含參數實時顯示、操作按鈕和控制參數設置三部分。

參數設定說明：“回風溫度設定值” 可自行設定合適的回風溫度，設定范圍為0-99?！靶嘛L回風比例設定值”可自行設定合適的新風與回風的比例，設定范圍為0%-100%。

圖4 觸摸屏顯示界面

5 結束語

本文采用西門子 S7—200 PLC和win CC進行硬件和軟件設計應用于辦公樓宇中央空調控制系統，在控制算法上采用在傳統 PID 控制基礎上優化控制的方法實現中央空調的溫濕度和冷熱水控制，同時利用Smart 1000觸摸屏進行相關參數的設定與信息顯示。實踐說明，該系統很大地提高了溫濕度的控制精度。其系統運行穩定強，可靠性和控制靈活度高，功能齊全。

【參考文獻】

[1]巫莉.PLC 和變頻器在中央空調節能改造中的應用[J].工業控制計算機，2010，23.

[2]許錦標，張振昭.樓宇智能化技術[M].3版.北京：機械工業出版社，2010.

[3]韋建德.基于 PLC 的溫濕度控制系統[M].低壓電器，2011（7）.

[4]馮毅，吳必瑞.基于組態王和 PLC 的蔬菜溫室溫濕度監控系統[J].中國農機化學報，2015，1，36（1）.

[5]李娜，吳燕.基于PLC的智能化溫室控制研究[J].電子技術，2016，2.

[6]魏立明，李晨.基于 PLC 的辦公樓宇中央空調控制系統仿真設計[J].建筑電氣，2013，32（12）.

[7]李力，羅秋芳，薛江清.PLC 和 Win CC 在空調溫濕度自控系統中的應用[J].機電工程技術，2009，38（06）.

[責任編輯：湯靜]