暖通空調溫度控制系統設計

張美榮

（包頭職業技術學院，內蒙古包頭，014030）

0 引言

現代智能樓宇為大型建筑，內部分布多種建筑設備系統。例如，給排水系統、供配電系統、照明系統、電梯系統以及中央空調系統等[1]。其中中央空調的用電量約占整個智能大廈用電量的一半以上。因此，通過改良暖通空調的設計方案來降低智能建筑的能耗是十分必要的，具有很高的實際使用價值。

1 暖通空調的組成

暖通空調是供暖、通風和空氣調節系統的總稱。中央空調系統的組成分兩大部分，分別是空氣處理及輸配系統和冷（熱）源系統。空氣處理及輸配系統完成對混合空氣的除塵、溫度調節、濕度調節等工作，將處理好的空氣經風機、風道、風閥、風口送到空調房間。冷（熱）源系統提供空調房間需要的冷（熱）量，冷凍水將其運送到風機盤管內與空氣進行熱交換。

2 暖通空調系統的工作原理

中央空調由空氣處理系統和冷熱源系統組成。

空氣處理系統的組成結構如圖1所示。外界空氣經過新風閥門進入新風管道與回風混合，混合后的空氣由溫度傳感器和濕度傳感器進行實時檢測并將信號送入PLC。混合后的空氣經過濾網處理，送入熱交換室與冷凍水進行熱量交換，之后進行加濕處理。同時，溫濕度傳感器實時檢測并將信號傳送給PLC。經過熱濕處理后的空氣由送風機送入空調房間內。在空調房間內循環之后一部分形成回風與新風混合后進行循環處理，另外一部分空氣經過排風管排出室外。

圖1 暖通空調系統監控狀態點

冷熱源系統包括冷凍水循環系統、制冷劑循環系統和冷卻水循環系統，三個系統進行能量的傳遞。以制冷為例：

冷凍水循環系統由冷凍泵、冷卻盤管及冷凍水管道組成。從蒸發器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷卻盤管與室內進行熱交換，將房間的熱量轉移到蒸發器內。

制冷劑循環系統由四大部件組成：壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器。蒸發器內部將吸收的冷凍水熱量傳遞給制冷劑，制冷劑攜帶熱量經過膨脹閥流入冷凝器中，在冷凝器內部將熱量傳遞給冷卻水，之后制冷劑流經壓縮機，再次進入蒸發器與室內的空氣進行熱交換。

冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻塔及冷卻水管道組成。冷凝器中的制冷劑將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水接收到傳遞過來的室內熱量，將其運送到室外的冷卻塔，與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器。

3 溫度控制方案

方法一：調節冷凍水的流速

空調房間的溫度控制可以通過調節風機盤管中冷凍水的交換熱量來改變。交換熱量的多少取決于冷凍水的流速。如圖一所示，當空調制冷時，假設空調房間需要的冷量加大，這時可以通過增大供水電動閥6的開度或者減小回水電動閥10的開度來增大冷凍水的流速。反之，當空調房間需要的冷量減少時，可以通過減小電動閥6的開度或者增大回水電動閥10的開度來減小冷凍水的流速。

方法二：調節冷凍水的溫度

冷凍水的溫度取決于空調機組制冷量的大小，當壓縮機的工作頻率增大時，空調機組的制冷量增加，冷凍水的溫度降低，室內熱交換的能量增加，空調房間的溫度降低；當壓縮機的工作頻率減小時，空調機組的制冷量減少，室內熱交換量減少，空調房間的溫度升高。因此，可以通過調節壓縮機的工作頻率來改變制冷量的大小，調節空調房間的溫度[3]。

方法三：調節送風機的轉速

在空氣處理系統中通過改變送風機的轉速來調節空調房間的溫度。當送風機的轉速增大時，房間的送風量增加；當送風機的轉速減小時，則房間的送風量相應減少。本方法效率高，溫度相應速度快，是空調控制中常用的方法之一。

方法四：調節風門的開度

在空氣處理系統中改變風門的開度可以調節空調房間的溫度。一般情況下，新風閥和排風閥的開度不易過大調節。當空調房間需要的冷量增大時，可以增大回風閥的開度。當空調房間需要的冷量減小時，可以減小回風閥的開度。需要注意調節風量直接影響空氣的清潔度，回風量越大，空氣的清潔度越差。因此，需要謹慎調節。

為了達到理想的控制效果，通常選擇以上四種方案中的兩種以上混合控制。本系統控制方案選用方法一和方法三相結合的雙閉環控制。基于PID控制算法建立內環和外環溫度閉環控制系統。利用PLC中的PID模塊對供水閥進行參數整定。然后再次利用PLC中的PID模塊對送風機進行參數整定。最后將兩個單閉環系統整合為雙閉環系統，經手動調節確定準確地參數值，得到穩定的溫度控制系統。

4 硬件設計

中央空調控制系統的硬件主要包括PLC控制器、溫濕度傳感器、流量傳感器、送風機、風門執行器、差壓開關、水泵、電磁閥等。本系統選擇西門子S7-200 SMART PLC作為主控制器。PLC控制器采集系統中的各類傳感器信號，通過上位機力控組態軟件顯示采集值。同時，各參數值經PLC運算后輸出控制信號驅動電磁閥和送風機動作，實現空調房間的恒溫控制。

硬件選型：根據系統監控狀態點的數量和類型確定PLC及各模塊的型號。系統的監控狀態點如表1所示。

表1 中央空調系統監控點及I/O分配表

如表1所示，中央空調制冷系統的監控狀態點AI是12個點，DI是2個點，DO是4個點，AO是4個點。

PLC選型的原則是根據系統的功能和容量進行選型，考慮設備的經濟性，備件的通用性，維護是否方便，以及是否易于擴展和有無特殊功能等要求。根據系統要求，查資料選型如表2所示。

表2 系統硬件選型表

經過對比選擇西門子S7-200 SMART PLC作為控制器，外接3個西門子模擬量輸入模塊EMAE04和2個西門子模擬量輸出模塊EMAQ02，將各個模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊與PLC組態。

5 軟件設計

根據系統要求建立雙閉環溫度控制系統。通過PLC將設定好的空調房間溫度與空調房間內的溫度傳感器實時采集回的數據進行比較，利用PID算法輸出控制信號調節供水閥的開度和送風機的轉速。其中PLC的主程序完成系統的初始化、控制算法以及數據處理等功能。子程序實現數據采集等功能。軟件的數據采集子程序如圖2所示。

以溫度傳感器為例，測量的溫度范圍是0-50℃，輸出范圍是4-20mA。A/D轉換的函數關系A=f(D)可以表示為方程：A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。轉換后代入，即A0=4，Am=20，D0=5530，Dm=27648，代入公式，得出：A(=D-5530)×(20-4)/(27648-5530)+4假設輸入的新值為13800時，相應的模擬電信號是8270×16/22118+4=10mA。

6 人機交互界面

S7-200 SMART PLC采用485通訊線與上位機連接，上位機監控選用力控組態軟件。力控組態軟件具有強大的界面顯示組態功能和良好的開放性。豐富的功能模塊可以完成實時監控，產生功能報表，顯示實時曲線和歷史曲線同時可實現提醒和報警等功能，使系統具有良好的人機交互界面，易于操作。本系統共設計了三個組態畫面，分別是新風處理機組控制、制冷（制熱）機組控制、空氣處理機組控制。通過對三個畫面的監控可以實現空調房間溫度的有效控制，滿足人們的生活需求。

圖3 主程序流程圖

7 結束語

本文基于西門子S7-200 SMART PLC對中央空調控制系統實現了硬件和軟件設計。本文闡述了四種溫度控制方法，按照最優的控制方案進行設計。詳細介紹了系統硬件選型，以及軟件設計的控制算法。按照本設計方案改造了現有的中央空調實驗裝置，并對整個系統進行了測試。結果表明，改造后的實驗裝置提高了空調房間溫度相應的速度，不僅達到了節約能源的目的，而且具有結構簡單，性能可靠，人機界面友好等特點[4]。