智能組合式空調新風控制系統(tǒng)的設計*

成慧翔， 馬艷娥， 劉 攀， 趙曉艷， 那少陽

（山西農業(yè)大學信息學院，山西 晉中 030800）

1 概述

空調新風控制系統(tǒng)是智慧建筑的重要組成部分，隨著科技的發(fā)展， 基于PLC 控制的高效率和高精準的自動化生產方式因其高抗干擾能力及良好的穩(wěn)定性而彰顯優(yōu)勢， 而基于PLC 的組合式空調新風系統(tǒng)成為現代高層建筑解決問題的重要手段[1]。 此外，自動控制技術的理論研究也出現多樣化，實際應用效果良好，且越來越廣泛。

本文圍繞組合式空調新風系統(tǒng)的工藝和控制策略[2]，明確輸入和輸出及動作流程，以S7-200PLC 為核心，對系統(tǒng)的軟硬件進行設計， 并借助WinCC Flexcible 組態(tài)以達到實時采集、監(jiān)控、處理該系統(tǒng)相關數據的目標。 該研究具有一定的現實意義，既滿足對空氣質量和溫度的調整，又降低了能耗節(jié)約環(huán)保。

2 智能組合式空調新風控制系統(tǒng)整體設計方案

本方案中智能組合式空調新風控制系統(tǒng)主要由空調主機、用戶風機盤管、新風機組、控制器、變頻器等組成。其控制對象主要是冷水機組和熱水機組， 主要調節(jié)參數為溫度和風量，通過PID 對溫度調節(jié)，用變頻器對變頻冷凍泵電機的工作電源進行調頻，以實現更高效的控制。 冷凍泵采用3 臺，通過1 臺變頻器對冷凍泵進行工頻和變頻控制。該系統(tǒng)中有手動和自動兩種控制方式供選擇?？照{新風控制系統(tǒng)的整體結構如圖1 所示。

圖1 空調新風系統(tǒng)整體結構

本系統(tǒng)包括新風系統(tǒng)和中央空調系統(tǒng)，既可以使室內溫度保持適中，又可以享受清新健康高質量的空氣[3]。 二者結合可以提高生活舒適度、提高呼吸健康指數，還可以節(jié)約能耗。新風系統(tǒng)是一種新式開放式通風循環(huán)系統(tǒng)。其基礎功能是排除室內渾濁空氣并導入凈化后的室外空氣，送風溫度取決于冷水電動閥的開度， 主要構件包括新風機、管道配件和冷水電動閥等。在室內應安裝溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器， 在冷熱水盤管出口處安裝防凍開關，經檢測后傳送給PLC，經數據處理然后判斷是否啟動新風機，是否報警。

中央空調系統(tǒng)是由空氣調節(jié)系統(tǒng)和冷熱源系統(tǒng)構成，主要功能是制冷或制熱，將室內外空氣混合，通過過濾、加濕、 液體汽化制冷原理冷卻等手段凈化空氣后送入室內，回風溫度取決于冷熱水電動閥的開度，是由多個空氣處理功能段組裝而成[4]。 而制冷系統(tǒng)是該系統(tǒng)最重要的部分，該系統(tǒng)中風機啟停、新風閥和點動調節(jié)閥聯動動作[5]，現場需要采集的信號包括回風溫度、風機運行狀態(tài)、系統(tǒng)故障信號燈。 其中，制冷系統(tǒng)的種類、運行方式、結構形式等直接影響空調系統(tǒng)運行時的各性能指標，如高效性、合理性、經濟性等。

3 智能組合式空調新風控制系統(tǒng)硬件部分設計

圖2 智能組合式空調新風控制系統(tǒng)硬件接線圖

根據上述新風系統(tǒng)整體方案的架構及工藝要求，本系統(tǒng)中選擇的硬件包括PLC （S7-200 CPU226）、 變頻器（MM440）、 溫 度 傳 感 器 （PT100）、 模 擬 量 輸 入 模 塊（EM233）、全熱交換器（Z150THAB60）、室外機（MULTI-V SUPER II）等，其硬件接線圖如圖2 所示。

需要注意的是，在面積較大的區(qū)域，如商業(yè)、辦公等區(qū)域，一臺新風設備無法滿足需求時可以進行分區(qū)設計。為了降低噪音的影響同時提高設備送風效率， 一般需要按照最佳氣流形式， 設置新風機房或者特殊的過道等位置，管路盡量簡單。 室內新風可由風機盤管與室內回風獨立送風，也可混合后經盤管冷卻或加熱后送風，也可將新風和風機盤管的送風并聯送出，也可混合后再送出[6]。

4 智能組合式空調新風控制系統(tǒng)軟件部分設計

結合智能組合式空調新風控制系統(tǒng)的控制要求，本設計采用PID 算法對程序進行優(yōu)化， 當系統(tǒng)首次啟動時，先檢測制冷系統(tǒng)是否開始工作，若否，則系統(tǒng)停止運行。當檢測到制冷系統(tǒng)運行后，冷卻塔風機開始啟動，隨之冷卻水泵也開始工作。若當前水泵因故未啟動，則啟動備用水泵。當冷卻機組開始工作時，系統(tǒng)檢測冷負荷是否滿足工作的要求，若滿足要求，系統(tǒng)正常工作；若不能承擔冷負荷，則啟動2#空調制冷系統(tǒng)， 繼續(xù)判斷是都滿足要求， 以此類推。 此外，在系統(tǒng)軟件設計中，還需要注意以下問題[7]：

1） 確保供水壓差恒定。

2） 水泵啟動需檢測是否故障，若是，則停機并啟動備用泵。

3） 正確操作開關機順序。

開機順序： 冷卻水蝶閥—冷卻水泵—冷卻塔風機—冷凍水蝶閥—冷卻塔風機—冷卻水泵—冷卻水蝶閥。 關機順序： 冷凍機關閉—冷凍水泵—冷凍水蝶閥—冷卻塔風機—冷卻水泵—冷卻水蝶閥。

4） 依據冷凍水溫度及末端負荷大小確定開機數量。若系統(tǒng)負荷大于單臺制冷機制冷量的90%， 則增加制冷機工作臺數； 若系統(tǒng)負荷小于兩臺制冷機制冷量的50%時，則減少制冷機工作臺數[8]。

5） 冷水泵需在冷水機組關閉1h 后停機，以提高冷源利用率。

6） 一次側供水溫度的調節(jié)取決于換熱器二次側的溫度，采用PID 閉環(huán)調節(jié)。

7） 確保冷凍水供水壓力平衡。

5 智能組合式空調新風系統(tǒng)監(jiān)控畫面的設計

為了滿足系統(tǒng)可視化要求展現系統(tǒng)運行畫面，對組合式空調新風控制系統(tǒng)的當前狀態(tài)、 頻率輸出值等進行數據監(jiān)控，本文采用WInCC Flexible 組態(tài)，以監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中的重要數據并生成報表， 該數據包括系統(tǒng)運行歷史數據、數據走勢、運行狀態(tài)、報警相關數據等。 該觸摸屏界面通過PPI 與PLC 進行通信， 與PLC 內部的變量數據完成交互和讀寫[9]。 其監(jiān)控畫面如圖3 所示。

圖3 智能組合新風空調系統(tǒng)上位機監(jiān)控畫面

6 總結

在熟悉工藝流程的基礎上，對每部分功能進行手動調試，然后完成PLC 和觸摸屏之間的通信，進行自動調試，觀察程序和組態(tài)的在線監(jiān)控狀態(tài)。 本設計主要完成了系統(tǒng)總體方案的設計、硬件的選型及軟件設計，利用PID 算法對程序進行優(yōu)化，并實現可視化監(jiān)控，滿足智能組合式空調新風系統(tǒng)的控制要求， 通過溫度傳感器和濕度傳感器的反饋計算， 可以達到溫度的恒定調節(jié)和動態(tài)監(jiān)控，系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定工作，滿足了系統(tǒng)設計的初衷和要求。