PLC在舒適性空調自動控制系統中的應用

鮑玲玲 趙陽 王子勇 蘇秀 榮雅靜

摘 要： 為了提高空調的舒適性，使空調系統運行可靠、操作簡單、功能豐富，提出PLC+變頻器+組態軟件的舒適性空調自動控制系統設計思路。自控系統設計內容包括空調系統的制冷、空氣處理和流體輸配3部分，將室內環境品質檢測作為空調自控的調節內容，自動控制系統的任務包括監測、調節、報警和自動聯鎖等。自控系統可根據需求和負載變化實現較高的匹配度和調節效率，減少冷熱源和機械設備能耗，提高空氣調節質量和人體熱舒適。結果表明，此設計能保障空調系統的監測和控制質量，同時提高系統的運行效率、降低能耗，使得空調系統的參數化運行變得簡單、靈活、方便。

關鍵詞： 空調系統； PLC； 傳感器； 熱舒適； 控制模式； 組態軟件

中圖分類號： TN964?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0022?06

Application of PLC in comfortable air conditioner automatic control system

BAO Lingling， ZHAO Yang， WANG Ziyong， SU Xiu， RONG Yajing

（Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Abstract： The design idea of a comfortable air conditioner automatic control system consisting of the PLC， frequency converter and configuration software is proposed to improve the comfortable performance of the air conditioner and make the air conditioning system run reliably， have simple operations and multiple functions. The design content of the automatic control system includes the refrigeration， air processing， and fluid supply of the air conditioning system. With the indoor environment quality detection as the adjustment content for automatic control of the air conditioner， the tasks of the automatic control system include monitoring， adjustment， alarming， automatic interlocking and so on. The automatic control system can realize high matching degrees and adjustment rates according to the requirement and load variation， reduce cold and heat sources and energy consumption of the mechanical equipment， and improve air adjustment quality and human body thermal comfort. The result shows that the design can ensure the monitoring and control qualities of the air conditioning system， improve running efficiency of the system， reduce energy consumption， and make parameterized operation of the air conditioning system simple， flexible and convenient.

Keywords： air conditioning system； PLC； sensor； thermal comfort； control mode； configuration software

0 引 言

社會的高度信息化、智能化使得工業及民用設備也實現自動智能化。可編程序控制器（PLC）以微型計算機為技術核心，面向通用工業控制的裝置，PLC將傳統的繼電器?接觸器中電氣控制技術與計算機技術和通信技術整合，具有程序編寫簡單容易、交互性好、環境適應性好、功能多樣、精度較高、使用方便等優點，被用于自動控制領域。空調系統中應用PLC實現自動控制是空調技術的發展趨勢，這會使得空調系統運行可靠、操作簡單、功能豐富。空調系統的運行涉及全年各季節變化的空氣處理狀態、流體輸配、空氣質量和熱舒適等內容，針對空氣調節的精度和實施場景，選擇合適的傳感器和機械設備，能保障空調系統的監測和控制質量，同時提高系統的運行效率，降低能耗。運用適當的界面設計實現人機交互和操作邏輯，使得空調系統的參數化運行變得簡單、靈活、方便。

1 PLC工作原理

1.1 PLC

PLC是用于工業控制的專用電子計算機設備，區別于一般計算機是其便于接線，可以擴展功能模塊，系統抗干擾能力強。PLC用邏輯編程取代硬連線邏輯，還增加了運算、數據傳送和處理等功能。PLC從結構上分為整體式和模塊式兩種，其內部組成相似，基本組成包括中央處理模塊、儲存器模塊、輸入/輸出模塊、編程器及電源模塊，如圖1所示 [1]。

1.2 工作原理及過程

PLC硬件內部為大規模集成電路制作的微處理器和存儲器，依次循環執行存儲的控制程序語句，產生控制信號，驅動輸出設備。空調控制系統常用的輸入設備包括控制開關、按鈕開關、繼電器觸點、溫濕度傳感器等，可將數字量或模擬量的信號傳入中央處理器，經處理后將輸出控制信號驅動執行器工作，空調系統中常用的被控對象有電磁閥、電動閥、加熱器、步進電動機、變頻器等設備。

PLC得電后，在系統程序的監測下按順序循環掃描用戶程序，完成查詢、判斷和執行等任務。當PLC運行后，首先系統初始化，清除內部繼電器和復位定時器等，再對電源、PLC內部電路、用戶程序語句進行檢查，且每個掃描周期都需要自診斷；然后在通信信息處理掃描中進行PLC之間，PLC與計算機之間，PLC與外部設備交換信息，把PLC運算的結果存入輸出映像區對應的位置；再傳送到外部被控設備的執行器上，在每個掃描周期中都要進行信息輸入/輸出處理，并把外部輸入的信號狀態存入輸入映像區，把運算處理后的結果存入輸出映像區。

2 空調系統用傳感器

傳感器[2?3]是自動控制系統的觸覺單元，采集并傳輸被控系統的狀態，其精度范圍、應用場所、傳輸信號類型、信號補償方式、安裝方式等都應在設計中根據系統要求仔細考量[4]。

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器能感受溫度并以模擬量信號傳輸，分為熱電阻式和熱電偶式兩類，熱電阻又分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻。金屬熱電阻當溫度升高1 ℃，其阻值增加0.4%～0.6%。空調系統中常用熱電阻分度值為Pt100和Pt10的鉑電阻，其精度高，性能穩定可靠，但是電阻溫度系數較小；或使用Cu50和Cu100的銅電阻，其電阻溫度系數較大，電阻值與溫度呈線性關系，價格便宜，但是電阻率低，易氧化。半導體熱敏電阻由金屬氧化物制成，當溫度升高1 ℃其阻值減少3%～6%，可測量溫度-100～300 ℃，其電阻溫度系數大，靈敏度高，電阻率大，熱慣性小，結構簡單，但是互換性差，呈非線性特性，穩定性和可靠性不足。熱電偶式是由兩個不同材料的導體或半導體組成閉合回路，產生接觸電勢和溫差電勢，通過補償導線轉換后遠距離傳輸，其性能穩定，復現性好，體積小，響應速度高，測溫技術與集成電路的發展將溫度傳感器、校正電路、變送電路等集成為電路芯片，常用的模擬集成溫度傳感器（如AD590）和數字集成溫度傳感器（如DS18B20）。

2.2 濕度傳感器

空調系統中溫度和濕度是相互關聯的熱工參數，其熱量不僅與顯熱量有關還和潛熱量有關，因此空調系統的測量中會涉及到濕度測量，常見的電子式濕度傳感器有氯化鋰電阻濕度傳感器（如DWS?P型）、高分子電阻式濕度傳感器、高分子電容式濕度傳感器（如RHS型）、金屬氧化物陶瓷濕度傳感器（如MgCr2O4?TiO2陶瓷和NiO陶瓷）和金屬氧化物膜濕度傳感器（如BTS?208型和CM8?A型）。

2.3 流速及流量傳感器

人體熱舒適與空氣流動速度有關，空調系統運行時需要對送風速度和室內氣流速度分布進行檢測得知室內的空氣流動狀況。風速常用熱線風速傳感器測量，分為恒流型和恒溫型兩種。恒流型探頭由加熱金屬鉑絲與測溫用銅?康銅熱電偶組成，其電路簡單，反應靈敏，體積小功耗低，使用方便，可同時測風速和溫度，但在變溫變阻的條件下使用時易老化，穩定性減弱。恒溫型熱敏電阻風速傳感器由風速探頭和風溫自動補償熱敏電阻制成，其熱慣性小，靈敏度高，體積小，低風速可至0.04 m/s，溫度范圍在5～40 ℃時補償精度為1%，可用于常溫常濕潔凈空氣氣流速度的測量，但功耗大。室外大氣環境風速可用機械式風速儀測量，將產生的模擬量信號進行傳輸和記錄。在實驗測試中多采用激光多普勒測速儀測量流速可最大程度減少對流場的擾動。

為了解空調系統的能耗和節能情況常需要測量系統的流量，空調水系統中常用電磁流量計將信號正比放大并輸出顯示，其阻力損失小，無相對運動部件，抗干擾能力強，測量范圍寬，精度高，可測量正反方向流體，但是不適用于測量導電率很低的液體及氣體、蒸汽等。超聲波流量計不僅可以測量液體，也可以測量氣體。因此常用于空調風系統，其結構簡單，無相對運動部件，阻力損失小，適用于清潔氣體和液體，也可測量非導電性液體，油水混合物，但是不能測量固體粒子的體積含量大于5%的液體和氣泡的體積含量大于1%的液體。此外渦街流量計除具有電磁流量計以上特點外，幾乎不受流體物性影響，使用壽命長，輸出的頻率信號便于實現數字化測量與微機連接，可用于氣體、液體和蒸汽的流量測量。

2.4 壓力及壓差傳感器

空調系統中壓力也是常用狀態參數，在自動控制中也要采集房間正負壓、過濾器前后壓差或管道中的壓力，用于調節且維持安全和經濟運行。常用的有壓電式壓力傳感器，其結構簡單、可靠、線性特性、頻率響應高、量程大，但是需要高阻抗的直流放大器，元件絕緣良好；應變式壓力傳感器多用于一般要求的動態壓力測量；壓阻式壓力傳感器的靈敏度高、動態響應很好、體積小、結構簡單，但是受溫度影響，需補償后提高靜態特性和穩定性。

2.5 建筑室內環境測試用傳感器

建筑環境控制是多方面的綜合效應，人們對室內環境品質要求越來越高，因此對室內污染物濃度、空氣品質、光環境、聲環境和電磁環境的監測與控制成為新的方向，由此構成一個更完備的建筑環境控制系統[5]。室內空氣品質相關測試的儀器和傳感器有薄膜電容微音器測COx，電導法測SO2，電子捕獲檢測器及熱導檢測器測TVOCs，蓋革計數器測射線強度，室內噪音測量用聲級器和聲壓傳感器，測量光環境的照度計和光敏半導體傳感器元件。

3 空氣調節自動控制系統

3.1 空調系統設備監控與控制

空調系統檢測與控制的主要內容包括監測、調節、報警和自動聯鎖三個方面。在空調系統運行時對系統的參數（如流體的溫度、壓力、流速流量，電氣的電壓、電流和功率等）和設備的運行狀態（如啟停、事故狀態等）進行檢測，對某些運行參數自動地保持規定值或按預定規律變化、設備或控制部件按程序啟停、工況自動轉換和自動安全保護[6]。操作人員管理系統運行，制定控制策略和實施調節與控制的依據是檢測，也是自動控制的重要內容和前提。

空調系統設備包括了空調冷源設備、熱源設備、空氣處理設備（如空調機組、新風機組和風機盤管）以及管道（風管、水管和氟利昂管）輸配設備、冷卻設備等，這些設備依據設計規范詳細計算選用并形成一個容量相互匹配、運行相互協調的綜合系統，實現系統設備的優化運行和維護良好的室內空氣質量。空調系統在控制時有多干擾性、多工況性和溫濕度相關性的特點[7]。多干擾性如日射熱量受時間和氣象條件的變化而變化，人員變動，設備啟停變化，通風換氣，門窗滲透等；多工況性是指空調處理的季節性，至少分為冬季、夏季和過渡季節；溫度和濕度不是完全獨立的變量，而是一組相關函數關系。PLC作為控制器通常有多種控制模式，如雙位開關控制，比例控制（P），比例積分控制（PI），比例微分控制（PD），比例積分微分控制（PID），步進控制，聯動控制，延時控制，運行模式切換，邏輯推理，冷熱量計算，超限報警等。PLC在實際工程中必須要對控制現場進行采樣，實際上存在著時刻的偏差值和滯后性，溫濕度常用的PID調節的基本數學模型用微分方程表達為[2，8]：

[P=Kce+1TIedt+TDdedt] （1）

傳遞函數表達為：

[φ=Kc1+1TIS+TDS] （2）

式中：P表示偏差比例；Kc表示放大系數；e表示實際值與給定值的控制偏差；TI表示積分時間常數；TD表示微分時間常數。實際采樣時刻[t=iTS]（TS為采樣周期）按數值逼近的迭代方法計算，表達為：

[Pi=Kcei+TSTIj=0iej+TDTS（ei-ei-1）+P0] （3）

式中：Pi表示執行機構的位置狀態；P0表示計算機的輸出值時位置狀態初始點，當采樣周期足夠小時可以認為是連續控制過程。在實際應用中為了消除累積誤差，提高算法的精度，方便實現手動自動的切換，消去P0擾量，常采用其增量式表達為：

[ΔPi=Kc1+TSTI+TDTSei-Kc1+2TDTSei-1+ KcTDTSei-2] （4）

3.2 空調系統各部分自動控制設計

3.2.1 空調制冷系統部分自控

空調制冷系統的自動控制包括6個方面[9]：

1） 制冷設備的開停機順序，啟動時應為冷卻塔風機→冷卻水泵→冷凍水泵→冷水機組，停機時應為制冷壓縮機→冷凍水泵→冷卻塔風機→冷卻水泵，要保證冷水機組正常運行時冷凝器散熱良好，蒸發壓力適中不結冰；

2） 制冷系統各設備的聯鎖保護，冷水機組必須在冷卻塔風機、冷卻水泵和冷凍水泵啟動后開機，冷卻水泵開機后應延時（1～3 min）后再開啟冷水機組，冷卻塔風機、冷卻水泵和冷凍水泵出現故障停機后，冷水機組也應停止工作；

3） 制冷系統運行切換，制冷系統常設置多臺冷水機組及對應的泵，在不同負荷需要時可自動或手動組合多種系統容量；

4） 對制冷系統進行運行監測，除各設備的手動控制按鈕外，還需設置設備正常運行及故障指示、報警，并檢測設備的電流和電壓的安全狀態；

5） 冷水機組壓縮機電動機采用星?三角啟動，多機頭逐次啟動，減輕電網沖擊；

6） 冷水機組安全保護，冷水機組與冷凍水和冷卻水的溫度、壓力有關，與壓縮機吸氣、排氣的壓力、溫度有關，設置冷水低溫保護繼電器、供油溫度保護繼電器、壓縮機內部高溫保護繼電器、壓縮機低壓壓力保護繼電器、壓縮機高壓壓力保護繼電器等進行聯鎖控制，其任一出現故障觸點斷開后壓縮機自動停機，機組本身應具備該控制功能和通信功能。

3.2.2 空氣處理機組部分自控

空氣處理機組是空調系統中重要的設備，一般由多個功能段組成，完成對空氣的過濾、冷卻、加熱、減濕和加濕處理等功能，對空調機組的控制涉及對空氣處理過程、空氣流量、各處理設備的運行狀態監測及保護、及各設備之間的動作聯動，對機組控制的目的是將室內溫濕度保持在設定范圍內，監測機組運行情況。空氣處理機組的監控原理如圖2所示[10]。

空調機組夏季工況運行時，控制溫濕度關聯性需要用信號選擇器對溫度和濕度信號進行選擇，選取最不利調節冷卻盤管的水量，使之滿足溫度或濕度要求，另一參數再利用其他功能段調節。空氣處理機組（或新風機組）需監測系統風機運行狀態，風機過載報警、風機氣流狀態和手動/自動狀態；監測機組的送風溫濕度；過濾器的壓差報警和清洗提示；在北方冬季或蒸發溫度過低時防凍報警；設備啟停與各類閥件之間的聯鎖；運行工況的選擇和轉換；風系統的消防火災聯動和報警；運行參數的采集、處理、繪制與顯示。變風量系統中考慮室內負荷的變化調節風機轉速和變風量末端在制冷/制熱轉換時改變作用方向。

3.2.3 流體輸配部分自控

空調水系統的控制分為定流量和變流量兩種，在變水量系統中隨空調末端負荷的變化所需水量也需變化，一般選擇供回水干管壓差作為控制參數，改變水泵的運行臺數，再用壓差旁通閥和水泵變頻控制供水量，壓差旁通控制相對簡單，水泵變頻更加節能[11]；定流量系統則是通過改變蒸發溫度和冷凝溫度來實現，水系統能耗占空調總能耗的15%～20%，機組和水泵的容量都較大。

3.3 空氣調節自控系統設計

空調系統由冷水機組、冷卻塔、空調機組（新風機組）、風水輸配系統及空調房間室內盤管等組成，其工作示意圖如圖3所示。

空調系統啟動運行后，要進行溫度和濕度控制，溫度控制是溫度傳感器檢測室溫，其溫度信號模擬量信號輸入PLC，與所設定舒適溫度參數進行對比，再由PLC控制冷水機組或電加熱器的自動調節，由送風機將冷風送入室內進行室內熱環境調節，此過程中由溫濕度傳感器對室內環境參數進行連續反饋，由PLC控制實現冷水機組的自動控制。 冷水機組啟動運行后PLC根據檢測信號和設定參數的差額，改變壓縮機轉速或進氣量，控制冷凝器出口溫度。冷水機組產生的熱量由冷卻水轉移至冷卻塔，通過熱濕交換單元熱擴散到室外空氣中。

3.3.1 PLC選型

選擇PLC具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內置豐富的集成功能、實時通信能力和豐富的擴展模塊。需滿足空調控制工藝要求，且預留I/O點做擴展使用便于系統改造升級。可用STEP7?Micro/WIN32 編程軟件、PC/PPI通信電纜及PC端對S7?200PLC進行用戶程序編寫。

3.3.2 傳感器選型

近年來半導體集成溫度傳感器發展最快，其內部采用差分對管等線性化技術及激光校準手段等，測溫電路簡單且可靠。這類傳感器在生產時已經校準，省去標定工序方便用戶的使用，其輸出信號有電流型、電壓型、數字型、PWM型等。本設計中應用電流型、電壓型集成溫度傳感器。LM35集成電路溫度傳感器輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍。LM35無需外部校準或微調，可以提供±[14] ℃的常用室溫精度，額定工作溫度范圍為-55～150 ℃，精度為±[34] ℃。 HM1500濕度傳感器的精度較高，穩定性能好，響應速度快，測量范圍大，反應時間較快，溫度依賴性比較低，互換性好，固態聚合物結構浸水無影響，長時間處于飽和狀態后能快速脫濕，抗污染能力強，其側面為接觸式濕敏電容與濕度信號調理器集成在一個模塊中，采用恒壓供電，輸出伏特電壓信號與相對濕度呈比例關系[12]。

3.3.3 變頻器選型

變頻器與受控電機相互匹配，變頻器的選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流，或者變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率[13]，根據系統功能的需求選擇FR?A540變頻器，其容量為0.4 ～7.5 kW，性能可靠，價格低廉。

4 組態軟件

在開發工業控制軟件時當工業被控對象出現變動后就必須修改其控制系統的源程序，導致其開發周期長。已成功開發的工控軟件對控制項目的針對性強，難以或不能重復使用導致價格昂貴。此外修改工控軟件的源程序時因編程人員變動也為源程序的修改帶來困難。所以工業自動化組態軟件為上述問題的解決提供了方案，彌補傳統工業控制軟件存在的不足，用戶可以根據控制對象及控制目的任意組態，完成自動化控制工程項目。 目前國內組態軟件市場是國內品牌（組態王、MCGS、力控、FameView、世紀星）和國外品牌（iFix，Intouch，WinCC）同時并存的局面，用戶對組態軟件產品接受程度也日益增加，且用戶正面臨從產品接受度到品牌接受度的轉變期。從使用方便和性價比的角度來說，選取國內組態軟件具有良好的工作性能，能很好地滿足控制策略的需要。本設計中空調機組組態畫面如圖4所示。

5 結 論

工業自動化儀表和計算機技術的發展與建筑業的蓬勃發展，推動了空調技術和空調系統自動控制水平的提高。空調系統的傳感器選擇決定了監測和控制的精度和水準，要根據具體的應用條件對比選用。介紹了空調系統中常用的各類傳感器及其適用范圍。PLC需要采集現場數據樣本，常用的空調系統用傳感器包括溫度、濕度、流速流量、壓力壓差、室內環境品質檢測等。比較各類傳感器優缺點和適用性。空調系統檢測與控制的任務是監測、調節、報警和自動聯鎖，其設計包括制冷部分和空氣處理過程控制。PID增量式調節為常用的控制器控制模式。介紹了空調系統的制冷部分、空氣處理部分、流體輸配部分的控制方法和技術手段。自控系統可根據季節變化和負載變化，靈活控制空氣處理設備的運行臺數及其溫度和濕度，實現節能運行，根據空調系統不同負載，啟停適當的設備及其臺數，提高設備使用壽命，降低了設備的運行費用，體現PLC控制在空調系統中的優勢。組態軟件也為自動控制人機交互、參數化調整提供了方便，PLC聯合變頻器及組態軟件將會在空調系統自動控制和節能運行中發揮重要作用。

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