基于PLC控制的中央空調冷卻水系統設計研究*

崔玲玲

(蘇州健雄職業技術學院，江蘇　太倉　215411)

0　引言

隨著計算機控制技術的迅速發展，以微處理器為核心的可編程序控制器(PLC)已逐步取代繼電器，普遍應用于各行各業的自動化控制系統中。中央空調控制系統主要由按鈕、變頻器、西門子PLC、傳感器及其他低壓保護和控制電器元件構成。使用PLC實現控制過程，對設備的信息進行處理，大大提高了中央空調控制系統的自動化水平。

1　中央空調冷卻水系統工作原理

隨著人們生活水平的不斷提高，中央空調的應用也越來越廣泛。中央空調機組系統主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機三部分組成。中央空調系統控制包括若干個子系統控制，即冷卻水控制、冷凍水控制、冷水機組控制、空調機組控制、新風機組控制、風機盤管控制等。其中，冷卻水系統由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行室內熱交換的同時，必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔(出水)，使之與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器(回水)。圖1為冷卻水系統的工作原理圖。

2　系統控制要求分析

(1) 中央空調冷卻水系統使用3臺冷卻水泵，由1臺西門子MM440變頻器輪換控制3臺冷卻水泵。1臺冷卻水泵變頻運行，其余2臺冷卻水泵備用，24 h輪換運行。

(2) 通過溫度傳感器檢測冷卻塔的進水溫度T2來控制冷卻水泵變頻運行的速度。

(3) 每臺冷卻水泵分別配有熱繼電器FR1、FR2、FR3起到過載保護作用，并且配有對應的過載報警指示燈。

(4) 配有3個冷卻水泵維修開關，當某臺冷卻水泵維修時，維修的冷卻水泵立即停機，其他兩臺冷卻水泵執行一臺變頻運行、另一臺備用。如果兩臺冷卻水泵維修時，第三臺冷卻水泵執行長期變頻運行。當維修完成后，恢復到正常運行。

圖1　冷卻水系統工作原理圖

3　冷卻水控制系統的硬件設計

3.1　PLC的選型

當可編程邏輯控制器工作時，其工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新3個階段，完成上述3個階段稱作一個掃描周期。在整個系統運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述3個階段。圖2為PLC結構示意圖。

本控制系統選用的PLC是西門子S7-200系列，即CPU224XP。PLC可以單獨地控制一個執行單元，從PLC外觀上看，雖然與普通的計算機相比有很大的差別，但在內部結構上，PLC是一臺擁有I/O功能來與被控對象連接的計算機。

3.2　PLC I/O的地址配置

西門子S7-200的CPU224XP共有14個輸入點和10個輸出點。I/O分配表是現場接線和調試的重要依據，也是編寫程序的重要步驟，PLC的I/O分配表如表1所示。

圖2　PLC結構示意圖

輸入信號功能說明輸出信號功能說明I0.1泵1維修Q0.0泵3報警I0.2泵2維修Q0.1泵1運行I0.3泵3維修Q0.2泵2運行I0.5啟動Q0.3泵3運行I0.6停止Q0.4變頻器運行I0.7緊急停止Q0.5變頻器5I1.1泵1過載Q0.6變頻器6I1.2泵2過載Q0.7變頻器7I1.3泵3過載Q1.0泵1報警Q1.1泵2報警

3.3　系統控制電氣原理圖

冷卻泵通過西門子變頻器MM420/440 控制，如圖3所示，當空氣開關Q1閉合時,交流接觸器KM4線圈得電，其主觸點閉合，變頻器電源接通，PLC通過通信方式將控制信息送入到變頻器, 變頻器根據接收到的指令,控制冷卻泵運行。

圖3　系統控制電氣原理圖

3.4　外圍控制電路

為了更加清楚明白地展現系統的功能和控制，我們可以通過PLC的外圍接線圖(見圖4)來了解控制系統的布局。西門子S7-200 CPU224XP是DC/DC/DC，故在控制冷卻水泵的過程中加入了中間繼電器KA，通過中間繼電器KA實現小電流控制大電流，在控制回路和負載回路組成的控制電路中，相當于自動控制開關，用于控制交流接觸器。

圖4　系統控制外圍接線圖

4　控制系統的軟件設計

根據該控制系統的工作要求，其順序功能圖如圖5所示。按下緊急停止按鈕回到初始位置，啟動I0.5，變頻器通電并開始定時，當定時器T37時間到，若泵1不維修和過載，則泵1變頻運行；若泵1維修和過載，則跳過M0.2步，執行M0.3，以此原理，繼續執行以后程序。

根據控制要求的不同，PLC控制程序設計包括變頻器延時控制程序、冷卻泵輪換控制程序、24 h的時間間隔控制程序、故障泵的控制程序、停機控制程序等幾部分。其中變頻器延時控制程序是當變頻器通電且延時約10 s后，變頻器端子5、6、7接收信號；冷卻泵輪換控制程序主要是控制1臺冷卻水泵變頻運行，另2臺備用，24 h輪換程序；故障泵的控制程序主要是控制某臺冷卻水泵過載、維修時的控制程序；停機控制程序主要是指按下停止按鈕，等整個控制完成后才可以停機的控制程序，而當按下緊急停止按鈕，將立即停機。冷卻泵輪換控制程序分別見圖6和圖7。

5　結語

該冷卻泵控制系統硬件采用較常用的西門子S7-200作為控制器, 利用西門子變頻器實現冷卻泵的調速，從而提高了系統的可操作性。利用STEP7編程語言完成了系統的軟件設計，該系統的控制技術及理念可在其他的工業控制項目中得到較廣泛的應用。

圖5　系統順序功能圖

圖6　冷卻泵輪換控制程序(1)

圖7　冷卻泵輪換控制程序(2)

參考文獻：

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