基于 PLC 的中央空調機房智能控制設計

楊愛明，蔣森柯（.寧波大學建筑設計研究院有限公司，浙江 寧波 35000；.南京安廈房屋安全鑒定檢測事務所，江蘇 南京 009）

隨著科技的發展以及環境和資源問題的出現,節能高效和智能環保已經成為對中央空調控制系統的新要求。但是，如何將空調機房的高效運行與智能控制有機結合，一直是中央空調從業人員面臨的一個難題。根據某創新中心中央空調的特點，在充分考慮系統的特點及功能要求后，對中央空調智能控制系統進行了硬件和軟件的設計。

1 控制系統要求

1.1 項目概況

某創新中心辦公區建筑面積約為 22 萬 m2，辦公區夏季制冷采用 3 臺 4 220 kW 蒸汽溴化鋰機組，二次泵變流量系統；冬季制熱采用 2 臺 4 000 kW 板殼式汽水換熱機組,一次泵變流量系統。制冷制熱季節工作日 8:00～17:30 運行。

1.2 控制要求

對辦公樓區的溴化鋰吸收式制冷機組、汽水換熱機組、空調負荷一次側循環泵、空調負荷二次側循環泵、空調冷卻水循環泵、開式冷卻塔、電動閥等完成智能化控制、節能運行和設備管理[1]。根據系統負荷的變化自動調節系統所有設備的運行；針對冷源特點,采用有效的控制方法,以實現該系統良好的節能效果。

1.3 運行控制策略

各設備的基本控制策略有以下幾個方面。

（1）空調負荷側一次循環泵及冷卻泵根據主機運行臺數和一次側供回水溫差判斷水泵運行臺數及相應頻率。水泵最低頻率時水流量不得低于主機要求的最低水流量。

（2）冷卻塔風機根據冷卻水供回水水溫控制風機運行臺數及相應頻率。

（3）空調負荷側二次循環泵與末端分區一一對應。當對應分區需要制冷時,開啟對應分區水泵，并通過中央空調控制系統監測分區供回水管上的溫度傳感器,通過溫差控制水泵的運行頻率。

（4）系統專用智能工作站通過溴化鋰吸收式制冷機組開放式通用協議及汽水換熱機組開放式通用協(如 ModBus 等),讀取機組的各項參數。通過中央空調控制系統檢測集水器溫度，檢測（間隔可設）1 次/30 min，當溫度大于加載設定溫度，則增加 1 臺主機，最多增加至 3 臺；當溫度小于減載設定溫度，則減少 1 臺主機，最少減少至 1 臺。

2 控制系統總體設計

2.1 系統總體結構

本文中央空調智能化控制系統主要由上位機、PLC（Programmable Logic Controller） 可編程邏輯控制器和HMI（Human Machine Interface）人機界面組成[2]。系統總體結構如圖 1 所示。

圖1 系統總體結構

中央空調控制器主要控制制熱機組、制冷機組、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔以及接收壓力傳感器與各設備運行狀態等模擬量輸入和開關量輸入。然后通過 TCP/IP 協議傳送至上位機[3]，由上位機對中央空調實現現場數據的監控與采集。

2.2 系統邏輯控制原理

中央空調控制系統利用交換機實現上位機、PLC 和 HMI三者的數據互通[4]，實現機房遠程操縱中央空調的功能。系統存在手動控制模式、夏季制冷單機聯控模式、夏季制冷定時自動控制模式、冬季制熱單機聯控模式和冬季制熱定時自動控制模式,可以通過遠程輸入相關指令操縱控制器。空調初始化時默認手動控制模式，此時中央空調控制器按最近一次參數設置運行。邏輯控制如圖 2 所示。

圖2 邏輯控制圖

3 系統硬件部分設計

中央空調系統的控制有 3 種控制方式[5]，包括早期的繼電器控制系統、DDC（Direct Digital Control）直接數字控制以及 PLC 控制系統。繼電器控制系統由于故障率高、系統復雜、功耗高等明顯的缺點已逐漸被淘汰。DDC 雖然在智能化方面有了很大的發展，但由于 DDC 本身的抗干擾能力問題和分布式結構的局限性限制了其應用范圍。相反，PLC 控制系統以其運行可靠、使用與維護均很方便、抗干擾能力強、適合新型高速網絡結構這些顯著的優點使其逐步得到廣泛的應用。

3.1 系統硬件選擇

本設計選用西門子 S7-200 SMART 系列的 PLC，一共有36 個數字量輸入口，24 個數字量輸出口。由于控制器本身自帶數字量輸入/輸出點位個數不足，同時需要采集多個溫度以及閥門開度等模擬量, 所以在設計中選用了 1 塊 EM DR 32 數字量輸入/輸出模塊、1 塊 EM DE 16 數字量輸入/輸出模塊、2 塊 EM AE 08 模擬量輸入模塊和 2 塊 EM AQ 04 模擬量輸出模塊。

3.2 系統 I/O 分配表

結合中央空調的控制要求,部分數字量 I/O 分配表如表 1所示，模擬量 I/O 分配表如表 2 所示。

表1 數字量 I/O分配表

表2 模擬量I/O分配表

4 系統軟件部分設計

4.1 PLC 下位機設計

4.1.1 下位機簡介

程序編寫使用西門子公司自帶軟件 STEP 7-MicroWIN SMART,并采用梯形圖語言進行編程。PLC 程序塊主要包括：主函數、手動模式、夏季單機聯控、冬季單機聯控、夏季定時控制、冬季定時控制、定時、反饋、關機等。

（1）主函數：當 PLC 得電時,進入主函數,程序塊如果需要運行必須通過主函數進入。SM0.0 為西門子特殊存儲器,作用是上電運行時得電接通。SM0.0 得電接通后進入運行故障反饋與運行時間兩程序塊。VW 500 表示運行狀態,通過上位機或 HMI 來改變數值，數值 1～5 分別表示手動模式、夏季單機聯控、冬季單機聯控、夏季定時控制、冬季定時控制,當數值更改后會進入對應的程序塊。例如在手動模式中，每個設備的開啟與關閉都有單獨的控制按鈕。按下開啟按鈕時設備開啟，按下關閉按鈕時設備關機。

當數值為 4 或 5 時會進入對應的定時控制程序塊,同時也會進入定時的程序塊，通過上位機或 HMI 設定周一至周日設備開啟與關閉時間。

（2）反饋：監控各機組、水泵、閥門的運行狀態。

（3）關機：根據不同機組，制訂不同的關機流程。

4.1.2 下位機制冷制熱

當 VW 500 數值為 2 和 4 時進入夏季制冷畫面。PLC 利用 EM AE 08 兩個模擬量模塊獲取壓力和溫度,通過 CPU SR 60、EM DR 32 和 EM DE 16 獲取設備的運行狀態,根據設置的參數自動改變溴化鋰機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔和二次泵的開啟或關閉。當 VW 500 數值為 3 和 5 時則進入冬季制熱畫面，根據設置的參數自動改變蒸汽板式換熱機組的開啟或關閉。

4.2 上位機設計

上位機程序采用 C# 語言編寫[6]，軟件界面使用Winform 進行編寫。下位機 PLC 的狀態信息通過交換機上傳，電表、水表與機組狀態通過 RS-485 通信傳輸，并顯示在相關的區域。上位機能源管控平臺軟件功能主要包括：系統總覽、能耗監測、能源控制、能耗查詢、能效分析等。

4.3 HMI 設計

HMI 人機界面采用海為 C10-W 觸摸屏,組態界面使用Haiwell Cloud Scada Develop 軟件編寫。組態主要畫面包括：運行模式、手動模式、運行設置、機組參數、定時設置和歷史報警。① 運行模式：當程序運行在夏季單機聯控或夏季定時控制時，運行模式會顯示夏季機組運行圖。當程序運行在冬季單機聯控或冬季定時控制時，運行模式會顯示冬季機組運行圖。此時主畫面的手動模式無法點擊。② 手動模式：當程序運行設置為手動模式后，主畫面手動模式按鈕變藍，進入手動模式畫面后可以點擊對應設備按鈕來進行開啟或關閉。③ 運行設置：可以更改當前程序的模式，設定機組加減載的溫度。④ 機組參數：查看運行機組的各項參數。⑤ 定時設置：設定周一至周日定時開啟和關閉時間。⑥ 歷史報警：查看機組、水泵、閥門等歷史故障。

5 系統調試

系統調試分 3 步。① 分別對室外溫濕度、用電量、用水量、設備功率、空調狀態等參數進行檢測。② 開機啟動后，通過上位機或 HMI 更改運行模式。③ 用戶通過上位機或 HMI 獲取運行模式、設備狀態、用電量、用水量、功率等信息，可實時反饋相關參數并與功率報警功能相結合，通過運行模式的不同對機組進行智能控制。

6 結 語

根據中央空調系統的功能特點及節能運行要求，本文詳細介紹了中央空調智能控制系統的方案及軟硬件設計。該系統通過了測試，實際運行情況良好，達到了設計要求。該系統控制靈活、數據傳輸穩定且實時性較好，具有廣泛的應用前景。