基于PID調(diào)節(jié)的循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)PLC控制設(shè)計(jì)

摘" 要：傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)耗能大，難以自動(dòng)調(diào)節(jié)水量和風(fēng)量，使環(huán)境參數(shù)難以控制，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)車(chē)間對(duì)潔凈度的要求。針對(duì)以上問(wèn)題，采用PLC對(duì)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，硬件采用西門(mén)子PLC、溫度傳感器、壓力傳感器，變頻風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)水閥及執(zhí)行器，軟件采用博途軟件編寫(xiě)PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)字量的輸入輸出處理，以及變頻風(fēng)機(jī)和調(diào)節(jié)水閥和執(zhí)行器的PID調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能目的；采用MCGS Pro組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。

關(guān)鍵詞：RCU；PLC；PID；溫濕度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）23-0189-06

PLC Control Design of Circulating Air-conditioning System Based on PID Regulation

CHEN Yueling

（Guangdong Nanfang Institute of Technology， Jiangmen" 529000， China）

Abstract： The traditional central air conditioning system consumes a large amount of energy and is difficult to automatically adjust the water and air volume， so that the environmental parameters are difficult to control， and cannot meet the requirements of the production workshop for cleanliness. In view of the above problems， PLC is used to control and design the circulating air conditioning system. The hardware uses the Siemens PLC， temperature sensors， pressure sensors， variable frequency fans， regulating water valves and actuators. The software uses the TIA Portal software to write PLC control programs to achieve the input and output processing of analog and digital quantities， and perform PID regulation for variable frequency fans， regulating water valves and actuators to achieve the purpose of energy saving. The MCGS Pro configuration software is adopted for the design of the configuration interface to realize the online dynamic monitoring and control of the circulating air conditioning system.

Keywords： RCU; PLC; PID; temperature and humidity

0" 引" 言

隨著空氣潔凈技術(shù)以及中央空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展，為了達(dá)到各行業(yè)對(duì)潔凈區(qū)環(huán)境指標(biāo)的嚴(yán)格要求，凈化空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。傳統(tǒng)的中央空調(diào)水、風(fēng)系統(tǒng)均采用手動(dòng)控制和PLC遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)水閥或控制風(fēng)機(jī)啟停的方式配合來(lái)調(diào)節(jié)水量和風(fēng)量，但這種調(diào)節(jié)方式不僅消耗能量大，而且難以實(shí)現(xiàn)水量和風(fēng)量的無(wú)靜差自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使環(huán)境的溫濕度難以控制，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)車(chē)間對(duì)潔凈度的要求[2]。故在空調(diào)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU中對(duì)調(diào)節(jié)水閥關(guān)聯(lián)回風(fēng)溫度采用PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)溫差閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以節(jié)約電能；對(duì)變頻風(fēng)機(jī)關(guān)聯(lián)送風(fēng)壓力采用PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量的大小。

1" 空調(diào)系統(tǒng)概念

所謂空調(diào)系統(tǒng)是指能根據(jù)需求來(lái)控制室內(nèi)的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度等參數(shù)，以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境要求和人員舒適度。

空調(diào)系統(tǒng)按系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)方式可分為定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。集中式空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)保持一定的送風(fēng)量，為定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)改變送風(fēng)溫度來(lái)適應(yīng)空氣調(diào)節(jié)區(qū)的負(fù)荷變化，以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，而變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)則通過(guò)改變送風(fēng)量來(lái)保持一定的送風(fēng)溫度，以適應(yīng)負(fù)載的變化，達(dá)到室內(nèi)調(diào)節(jié)溫濕度要求[3]。

2" 空調(diào)系統(tǒng)組成設(shè)備

空調(diào)系統(tǒng)中涉及很多處理設(shè)備，主要有：新風(fēng)空調(diào)機(jī)組、循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)、混合空氣機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、風(fēng)機(jī)濾器單元、干盤(pán)管、外氣空調(diào)箱、預(yù)冷空調(diào)箱等[4]，這些設(shè)備各有各的功用，但總的來(lái)說(shuō)，都是通過(guò)不同技術(shù)手段協(xié)調(diào)工作將空氣處理到符合要求，以達(dá)到控制環(huán)境溫濕度的目的。具體介紹如下：

1）新風(fēng)空調(diào)機(jī)組（Make-up Air Unit， MAU）是在室外抽取新鮮的空氣經(jīng)過(guò)除塵、除濕、降溫等處理后滿(mǎn)足一定技術(shù)參數(shù)的新鮮空氣由風(fēng)機(jī)輸送到室內(nèi)替換原有的空氣。

2）循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)（Recycle Air Handing Unit， RCU）是抽取室內(nèi)的空氣，經(jīng)過(guò)初效濾網(wǎng)過(guò)濾、濕冷盤(pán)管的降溫、除濕之后再次將處理過(guò)后的空氣送進(jìn)室內(nèi)，以滿(mǎn)足室內(nèi)溫度、濕度、潔凈度等指數(shù)的要求。

3）混合空氣機(jī)組（Air Handing Unit， AHU）是抽取室內(nèi)空氣和部分新風(fēng)混合后經(jīng)過(guò)除塵、加濕、降溫等處理后符合室內(nèi)空氣要求再通過(guò)風(fēng)機(jī)送到室內(nèi)。

4）風(fēng)機(jī)盤(pán)管（Fan Coil Unit， FCU）是機(jī)組通過(guò)風(fēng)機(jī)不斷將室內(nèi)的空氣抽取經(jīng)過(guò)降溫之后再送入室內(nèi)，以控制室內(nèi)的溫度，滿(mǎn)足人員舒適的要求。

5）風(fēng)機(jī)濾器單元（Fan Filter Unit， FFU）是將風(fēng)機(jī)和過(guò)濾器組合構(gòu)成自身提供動(dòng)力的末端凈化設(shè)備。通過(guò)初效、高效兩級(jí)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后的潔凈空氣勻速送至整個(gè)出風(fēng)面。

6）干冷盤(pán)管（Dry Cooling Coil， DCC）是機(jī)組通過(guò)風(fēng)機(jī)不斷將室內(nèi)的空氣抽取、降溫后再送入室內(nèi)，以控制室內(nèi)的溫度，滿(mǎn)足工藝需求和人員舒適。所用冷源為中高溫冷凍水，處理過(guò)程不產(chǎn)生冷凝水，有效避免滴水現(xiàn)象。

7）外氣空調(diào)箱OAU（MAU的另一種簡(jiǎn)稱(chēng)）處理的氣體全部是新鮮空氣，功能與MAU相似。

8）預(yù)冷空調(diào)箱（Pre-Cooling Handing Unit， PAU）是先對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理，再送至風(fēng)機(jī)盤(pán)管。

3" RCU空調(diào)系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計(jì)

如上述介紹，空調(diào)系統(tǒng)中涉及的處理設(shè)備有很多，下面主要針對(duì)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的控制要求進(jìn)行PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1" 循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的工作原理

循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)將室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)送風(fēng)的方式，達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。RCU則是循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)的控制器，它通過(guò)對(duì)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度的PID調(diào)節(jié)。

循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU主要構(gòu)成設(shè)備有：初效濾網(wǎng)、盤(pán)管、調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機(jī)、空調(diào)箱體、風(fēng)管接口、機(jī)械式風(fēng)管風(fēng)閥等空調(diào)機(jī)組設(shè)備；以及由風(fēng)管壓力傳感器、風(fēng)管溫度傳感器、壓差開(kāi)關(guān)傳感器、調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器等傳感類(lèi)設(shè)備。

循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU由傳感器檢測(cè)、PLC控制器處理和執(zhí)行器控制三個(gè)方面協(xié)調(diào)工作。首先循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)管和送風(fēng)管分別安裝有溫度傳感器和壓力傳感器，用于檢測(cè)室內(nèi)回風(fēng)溫度值和送風(fēng)管壓力值。其次PLC控制器接收來(lái)自傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，會(huì)與預(yù)先設(shè)定的溫度、壓力值進(jìn)行判斷比較，再處理。如室內(nèi)溫度高于預(yù)設(shè)值，控制器會(huì)加大冷凍水循環(huán)的力度，將回風(fēng)管送入的風(fēng)送入循環(huán)空調(diào)箱內(nèi)部進(jìn)行降溫后，通過(guò)送風(fēng)管送到室內(nèi)以降低室內(nèi)溫度。控制器還需根據(jù)送風(fēng)管壓力值與預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行比較，結(jié)合變頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理和PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)頻率的控制。最后是執(zhí)行器控制，PLC控制器通過(guò)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)水閥開(kāi)度的控制和風(fēng)機(jī)頻率的給定，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)的控制。執(zhí)行器包括風(fēng)機(jī)、制冷系統(tǒng)等，它們根據(jù)控制器的指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。這種控制方式不僅可以提高空調(diào)設(shè)備的效率和穩(wěn)定性，還可以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求，提高用戶(hù)的舒適度。

循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU其工作原理如圖1所示。

3.2" 循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的PLC控制設(shè)計(jì)

3.2.1" 循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU控制要求

根據(jù)上述的介紹，RCU空調(diào)主要對(duì)潔凈室的回風(fēng)進(jìn)行再過(guò)濾、降溫、除濕的操作，因此此處控制要求有：

1）通過(guò)在RCU安裝初效過(guò)濾網(wǎng)去除回風(fēng)中部分大顆粒灰塵或粉塵類(lèi)物質(zhì)，為了能有效監(jiān)視過(guò)濾網(wǎng)的堵塞程度，在初效濾網(wǎng)處安裝壓差開(kāi)關(guān)，并設(shè)定一定的閾值，此處閾值設(shè)定為150 Pa。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)壓差開(kāi)關(guān)檢測(cè)到差值大于等于150 Pa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓差開(kāi)關(guān)報(bào)警，觸摸屏畫(huà)面也會(huì)有報(bào)警顯示。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生該報(bào)警后，需要工作人員到現(xiàn)場(chǎng)確定初效濾網(wǎng)的堵塞程度然后再執(zhí)行后續(xù)操作。

2）通過(guò)在RCU回風(fēng)風(fēng)管安裝溫度傳感器并且在RCU盤(pán)管的回水管處安裝調(diào)節(jié)水閥及執(zhí)行器，從而讓調(diào)節(jié)水閥關(guān)聯(lián)回風(fēng)溫度控制[5]，此處回風(fēng)溫度設(shè)定22±2 ℃。調(diào)節(jié)水閥與回風(fēng)溫度相關(guān)聯(lián)進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，自動(dòng)情況下：當(dāng)回風(fēng)溫度高于目標(biāo)設(shè)定溫度時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)當(dāng)逐漸加大閥門(mén)開(kāi)度輸出，從而使回風(fēng)溫度逐漸下降；當(dāng)回風(fēng)溫度低于目標(biāo)設(shè)定溫度時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)當(dāng)逐漸減小閥門(mén)開(kāi)度輸出，從而使回風(fēng)溫度逐漸回升到目標(biāo)溫度。手動(dòng)情況下，可以在觸摸屏或者程序中任意給定水閥開(kāi)度。

3）通過(guò)在RCU送風(fēng)風(fēng)管處安裝風(fēng)管壓力傳感器，從而可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量的大小[6]，此處送風(fēng)壓力設(shè)定為：250±50 Pa。變頻風(fēng)機(jī)與送風(fēng)壓力相關(guān)聯(lián)進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，自動(dòng)且變頻器為遠(yuǎn)程控制的情況下：當(dāng)送風(fēng)壓力高于目標(biāo)設(shè)定壓力時(shí)，變頻器應(yīng)當(dāng)逐漸減少輸出頻率直至將頻率降至系統(tǒng)所設(shè)定的最低運(yùn)行頻率；當(dāng)送風(fēng)壓力低于目標(biāo)設(shè)定壓力時(shí)，變頻器應(yīng)當(dāng)逐漸增加輸出頻率。手動(dòng)且變頻器為遠(yuǎn)程控制情況下，可以在觸摸屏或者程序中任意給定變頻器輸出頻率。

3.2.2" 傳感器選型說(shuō)明

根據(jù)RCU系統(tǒng)的PLC控制要求，對(duì)傳感器進(jìn)行選型。

1）壓差開(kāi)關(guān)選型：量程為0～1 250 Pa，量程范圍可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置；電源電壓：直流24 V；模擬量信號(hào)：4～20 Ma。

2）風(fēng)管溫度傳感器選型：量程為0～50 ℃；電源電壓：直流24 V；模擬量信號(hào)：4～20 Ma。

3）風(fēng)管壓力傳感器選型：量程0～1 250 Pa；電源電壓：直流24 V；模擬量信號(hào)：4～20 Ma。

4）調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器：量程0%～100%；電源電壓：交流24 V；模擬量信號(hào)：0～10 V。

3.2.3" 循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的I/O分配表

根據(jù)RCU的PLC控制要求以及系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備，列出該系統(tǒng)的I/O分配表，如圖2所示。

3.2.4" PLC主要模塊選型說(shuō)明

結(jié)合RCU控制系統(tǒng)的PLC控制要求及其I/O分配表，進(jìn)行CPU和模塊的選型。

1）CPU選型為西門(mén)子S7-1500系列CPU：SIMATIC S7-1500，CPU 1515-2 PN；中央處理器，帶內(nèi)存500 KB用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)；第1接口，PROFINET IRT帶雙端口交換機(jī)；第2接口，以太網(wǎng)。

2）IO接口模塊選型：SIMATIC ET 200SP，PROFINET，2接口，接口模塊IM 155-6PN/2性能；1個(gè)插接位置，用于總線適配器；最多64個(gè)I/O模塊，包括服務(wù)器模塊。

3）AI模塊選型：SIMATIC ET 200SP，模擬量輸入端模塊AI 4XU/I 2-WIRE標(biāo)準(zhǔn)型，適合于BU類(lèi)型。

4）AO模塊選型：SIMATIC ET 200SP，模擬量輸出端模塊AQ 4XU/I標(biāo)準(zhǔn)型，適合用于A0類(lèi)型的基座單元。

5）DI模塊選型：SIMATIC ET 200SP，數(shù)字輸入模塊，DI8X24VDC ST_1標(biāo)準(zhǔn)型，適合用于BU類(lèi)型。

6）DO模塊選型：SIMATIC ET 200SP，數(shù)字輸出模塊，DO 4X24VDC/2A標(biāo)準(zhǔn)型，適合用于A0類(lèi)型的基座單元。

7）模塊底座選型：一是SIMATIC ET 200SP，基礎(chǔ)單元BU15-P16+A0+2D，類(lèi)型A0的基礎(chǔ)單元，直插式端子（帶電源）；二是備件SIMATIC ET 200SP，雙重基礎(chǔ)單元2BU15-P16+A0+2B，直插式端子（不帶電源）。

3.2.5" 循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的PLC硬件組態(tài)

如圖3所示，對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)配置[7]。

3.2.6" 循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的PLC主要程序設(shè)計(jì)

結(jié)合上述循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的工作原理，要實(shí)現(xiàn)對(duì)RCU的PLC控制，需在OB1中設(shè)計(jì)模擬量輸入處理程序、數(shù)字量輸出處理程序和模擬量輸出處理程序共3個(gè)主要功能程序，如圖4所示。

3個(gè)主要功能程序具體如下：

1）模擬量輸入處理程序。如圖5所示，調(diào)用FC子程序?qū)崿F(xiàn)模擬量信號(hào)的采集和限值[8]。

如圖6所示，調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)了RCU回風(fēng)溫度、RCU送風(fēng)壓力、RCU風(fēng)機(jī)頻率反饋和RCU調(diào)節(jié)閥開(kāi)度反饋共4路模擬量信號(hào)的采集。

2）數(shù)字量輸出處理程序。如圖7所示，在變頻器為遠(yuǎn)程控制情況下，實(shí)現(xiàn)了變頻風(fēng)機(jī)啟停的手動(dòng)和自動(dòng)控制功能。

3）模擬量輸出處理程序。如圖8所示，實(shí)現(xiàn)RCU變頻風(fēng)機(jī)的PID自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)控制[9]。

如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了RCU調(diào)節(jié)水閥開(kāi)度的PID自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

3.3" 循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的觸摸屏設(shè)計(jì)

循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU的觸摸屏組態(tài)界面采用MCGS Pro嵌入版組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖10所示為循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU組態(tài)界面[10]，在觸摸屏上可以切換變頻風(fēng)機(jī)和調(diào)節(jié)水閥的手動(dòng)和自動(dòng)模式；可以實(shí)時(shí)顯示回風(fēng)溫度值和送風(fēng)壓力值，并能根據(jù)實(shí)際情況，在線修改給定溫度和給定壓力值；可以實(shí)時(shí)顯示調(diào)節(jié)閥的輸出開(kāi)度，在線給定開(kāi)度值；也可以實(shí)時(shí)在線顯示和修改調(diào)節(jié)閥和變頻風(fēng)機(jī)的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，使循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU處理的效果達(dá)到室內(nèi)的溫濕度要求。

4" 系統(tǒng)測(cè)試及分析

在完成循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)RCU各種組成設(shè)備的安裝后，結(jié)合I/O分配表，完成PLC電源回路、輸入設(shè)備回路和輸出設(shè)備回路的電氣線路連接。使用博途軟件編寫(xiě)完成循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)控制程序，將OB1塊主程序下載到PLC存儲(chǔ)器，并進(jìn)行在線調(diào)試運(yùn)行。同時(shí)將RCU組態(tài)界面下載到觸摸屏，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與控制。西門(mén)子PLC和觸摸屏采用以太網(wǎng)通信，兩者之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制操作。調(diào)試過(guò)程中，能夠在觸摸屏對(duì)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行在線切換手動(dòng)和自動(dòng)模式切換；能夠在線設(shè)定回風(fēng)溫度，根據(jù)實(shí)測(cè)回風(fēng)溫度與設(shè)定值之差，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)，確定水閥開(kāi)度；能夠在線設(shè)定送風(fēng)壓力值，根據(jù)實(shí)測(cè)送風(fēng)壓力值與設(shè)定值之差，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量的大小。從而有效控制生產(chǎn)車(chē)間的溫濕度，滿(mǎn)足潔凈度的要求。

5" 結(jié)" 論

通過(guò)分析循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計(jì)總體能夠滿(mǎn)足一般生產(chǎn)車(chē)間對(duì)潔凈度的參數(shù)要求。然而，由于車(chē)間溫度的慣性比較大，溫度傳感器測(cè)量的溫度精準(zhǔn)度降低，存在誤差，從而影響PID運(yùn)算結(jié)果，降低水閥開(kāi)度的靈敏性。因此，對(duì)潔凈度等級(jí)要求較高的生產(chǎn)車(chē)間，如半導(dǎo)體芯片潔凈車(chē)間，制藥凈化車(chē)間等，該系統(tǒng)需要進(jìn)一步提升對(duì)環(huán)境參數(shù)的控制，如采用靈敏性較高的溫度傳感器，改良PID參數(shù)，優(yōu)化控制程序等。

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作者簡(jiǎn)介：陳月玲（1987.08—），女，漢族，廣東信宜人，講師，本科，研究方向：智能制造自動(dòng)化技術(shù)。