基于PLC的中央空調溫度控制系統的設計

宋艷芳 熊百川

【摘要】目前中央空調已經廣泛應用于各類建筑，在傳統的設計中，中央空調根據最大負荷外加一定裕量設計，無論季節、氣候等怎樣變化，中央空調都始終在工頻狀態下全速運行。實際冷負荷根本遠遠達不到最大負荷，這樣就造成了極大的能源浪費。本設計采用西門子S7-200 PLC作為主控制器，基于傳統的PID算法，通過西門子MM430變頻器控制水泵轉速，采用了亞控Kingview進行組態。

【關鍵詞】中央空調；變頻器；PLC；PID

一、引言

目前中央空調已經被廣泛地應用于各類建筑中，起著維持建筑物內溫濕度恒定的作用。在傳統的設計中，中央空調系統的容量的選擇一般是依據建筑物的最大制冷、制熱負荷或新風交換量的需求，而且保留了充足余量。但是實際上在一年的絕大部分時間中，實際冷負荷根本遠遠達不到最大負荷，這樣就造成了極大的能源浪費。因此，對中央空調進行節能改造的重要性不言而喻。合理地控制中央空調的能耗，就可以減少不必要的能源浪費、節能減排，有利于構建節約型、環保型社會。

二、中央空調系統的節能改造方案

基本控制系統包括四個部分，簡單地說，控制系統分為兩個部分：控制器、廣義對象。其中廣義對象包括三部分：測量變送器、執行器、被控對象。為了實現控制系統的穩定，保證控制質量，需要依據工藝要求來為控制器選擇合適的控制規律并且運用某種整定方法來對控制器參數進行整定，從而找尋到最佳的控制器參數。本論文所要討論的是中央空調溫度控制系統的設計，采用的算法為傳統的PID算法。本系統為溫差閉環控制系統。閉環控制的實質是利用負反饋的作用來減小誤差。

三、硬件設計

（一）溫度傳感器選型

傳感器是將生產過程工藝參數轉換為電參數的裝置，當溫度超過150℃后，銅在空氣中容易被氧化而失去線性特性，因此銅電阻不適宜在腐蝕性環境和高溫環境下應用。而且由于銅的電阻率較小，這樣銅電阻的機械強度就會變得很低。鎳電阻雖然比較靈敏，但是它的熱穩定性較差。在本設計中，綜合比較鉑電阻、銅電阻、鎳電阻的特性以及分析中央空調溫度控制系統的特點后，選擇了Pt100溫度傳感器。

（二）PLC及擴展模塊選型

PLC主要由CPU、存儲器、輸入/輸出接口電路、電源等組成，PLC首先接收按鈕等的輸入，然后執行程序，最后輸出，經接觸器來驅動電動機。這個過程是循環往復的。本設計采用PLC作為主控制器去完成控制任務，需要對進行PLC選型。西門子公司生產的S7-200 PLC不僅功能強大，足以滿足本控制任務的需要，而且具有本土化優勢和良好的貨期、價格便宜，因此確定選擇西門子S7-200 PLC。

（三）變頻器選型

目前交-直-交變頻器已經被廣泛地應用于交流調速系統中。進行變頻器的選型主要考慮變頻器的種類和容量。在進行變頻器的容量選擇時，要考慮以下三種情況：（1）變頻器驅動的是單一電動機還是多個電動機；（2）電動機是直接啟動還是軟啟動；（3）驅動多個電動機時，是分別啟動，還是同時啟動。本文選擇了西門子公司生產的MM430變頻器來進行變頻調速。MM430適用于泵、風機類負載調速，非常節能。

四、軟件設計

（一）PLC程序設計

STEP7-Micro/WIN軟件是西門子公司專門為S7-200系列PLC開發的編程軟件。它基于Windows操作系統，為用戶開發、編輯、調試和監控自己的程序提供了很好的編程環境。本文使用的編程軟件版本為STEP7-Micro/WIN V4.0 SP9（V4.9.25）。該軟件版本與Windows XP、Windows 7（32/64bit）等微軟Windows操作系統兼容。

（二）程序設計

在主程序中，上電時調用了初始化子程序，初始化子程序包括3部分，分別為變頻器上、下限頻率的設定、PID回路表的建立以及連接定時中斷并開中斷、設定采樣周期。在PID中斷程序中對輸入采樣數據進行歸一化處理，執行PID指令后再將控制量轉換為按工程量標定的整數值后由模擬量輸出通道AQW輸出到變頻器頻率信號輸入端（3、4）。而且主程序具有完善的聲光的報警功能，故障結束后會復位變頻泵號存儲器。

（三）Kingview6.55組態

本文采用了北京亞控科技發展公司的組態王6.5.5。建立組態王工程的步驟為：（1）設計圖形界面（定義畫面）。（2）定義設備。（3）構造數據庫（定義變量）。（4）建立動畫連接。（5）運行和調試。需要說明的是，這五個步驟并不是完全獨立的，事實上，這五個部分常常是交錯進行的。

五、總結

本文根據以往空調控制系統的缺點，提出了總體節能方案。完成溫度傳感器、PLC、變頻器等器件的選型，采用ZWCAD 2010繪圖軟件完成了系統電氣原理圖的繪制。本文選用了PT100溫度傳感器、西門子S7-200 PLC控制器、西門子MM430變頻器。采用STEP7-Micro/WIN V4.0 SP9（V4.9.25）編程軟件編寫了PLC程序。采用亞控的工控組態軟件組態王6.5.5進行了組態，包括建立工程、定義畫面、定義設備、定義變量、動畫連接、運行調試等5個步驟。

參考文獻

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[2]于少潔，張羽.淺談中央空調系統的節能及優化[J].科技致富向導，2014（09）.

作者簡介：宋艷芳，女，副教授，研究方向：現代測控技術與方法；熊百川，男，學生，自動化2016級01班。