S7-1200PLC在中央空调节能系统中的应用

2014-03-16广东省科技职业技术学校吴壮勇

电子世界 2014年9期

广东省科技职业技术学校吴壮勇

随着我国社会经济建设的快速发展，人们物质生活水平得到进一步的提高，对建筑物室内环境的要求也越来越高。中央空调系统是建筑物的重要组成部分，具有诸多的优点，能够有效改善办公建筑内部的空气环境，并防止空调病的发生。目前，许多传统中央空调系统的冷冻水普遍采用定流量控制，致使系统的运行参量偏离空调的最佳工作状态，主机热转换效率大大降低，导致系统无效损耗问题愈加严重。而将S7-1200PLC控制器应用到冷冻水变流量控制系统中，并采用PID控制算法和变频调速来控制好压差等技术参数，可以有效实现空调系统的恒温控制，大大降低空调系统的电能损耗。本文通过探讨S7-1200PLC在中央空调节能系统中的应用，希望对建筑物空调系统的优化工作有所帮助。

1.S7-1200PLC特点阐述

根据调查发现，我国传统中央空调系统无效能耗高达30%，造成该现象的原因在于冷冻水控制时选择定流量方法，致使中央空调系统的复杂性得不到重视，加上具体负荷会跟随环境以及运行台数发生变化，由此对机热转换效率造成影响，使其呈现不断降低的趋势。另外，空调系统长期在设定额定状态中运转，能耗一直维持在设计最大值情况中，但是负载却呈现过能量工作现象，因此，工频情况中启动或关闭大功率的风机以及水泵时，可对电流造成巨大的冲击，不仅耗损大量能源，并且还破会机电与电网的正常运转。

所以，在冷冻水变流量控制系统当中应用S7-1200PLC，并且采取变频调速以及PID控制算法，一方面可以对工艺参数进行有效的控制，另一方面还能够达到优化空调设备启停的效果，进而促使空调系统运行保持节能与高效，达到恒温控制的地步。

S7-1200PLC是由西门子公司研发，问世后马上取代S7-200PLC，其可以有效把内置PROFINET接口、集成电源、板载模拟量输入、高速运动控制I/O、微处理器以及输入和输出电路六者聚集到外壳中，由此产生一个具有极高功能的控制器。S7-1200PLC的优点为功能大、组态与使用非常灵活、设计紧凑以及指令集功能强，其各方面优点相互结合致使其被广泛运用在自动化解决中，同时还直接决定该控制器的功能为运动控制、分布式网络控制以及PID闭环控制等，尤其是S7-1200PLC功能当中的以太网通信功能，不仅与工业信息化以及高度自动化发展要求相互适应，并且还使S7-1200PLC与是西门子S7系列当中的产品存在差异。

2.中央空调控制系统设计分析

2.1 控制控制回路设计

中央空调冷冻水变流量控制当中的控制回路在设计之前，需要对节能要求进行详细的分析，具体回路设计成图如图1所示。

本市某规模较小的超市当中中央空调控制系统为闭环控制系统，其调节方式为温差方式，不仅冷冻泵当中的流速与流量得到有效的控制，同时房间温度以及其他参数也被控制。

2.2 控制系统构成内容

上位机按照工作需要，采取CSM1277以太网交换机给出的方式对温度进行设定，其中温度调节器主要为S7-1200PLC系统，执行元件分为5个部分，分别为3台异步电动机、6台冷冻水水泵、1个西门子MM440变频器、2台冷冻机主机以及盘管。其中进出水温度主要使用2个PT100温度传感器进行检测，并且把PLC按照温度差确认的频率值传送到MM440变频器内，对异步电动机进行有效的控制，从而调整速度，而RS-485串行口的作用在于使用在组态内精简面板，将变频器的工作状态显示出来。所以上位机的作用有两个，分别为：对现场设备工作状态进行监视以及科学设定空调工作温度。控制系统电气原理内容具体如图2所示。

图1 冷冻水变流量控制回路

图2 中央空调冷冻水循环控制系统主回路电气连接示意图

2.3 中央空调变频原理阐述

中央空调水系统全部运行设备中，水泵是其不可缺乏的一个设备。对水泵学比例定律进行详细的分析可以知道，在水泵内，水泵转速存在差异时，水流量和转速、扬程和转速平方以及轴功率与转速立方这三者内的关系均显示为正比例关系，因此可以知道，若转速降低，功率降低程度远远大于流量降低程度。所以，通过对水泵转速进行有效的控制能够在一定程度上降低水泵功率的消耗情况，上述内容为中央空调系统高效节能理论基础内容所在。因此对水泵转速进行控制，应该先对异步电动机转速开展控制，而异步电机具体转速可以通过以下方式计算获取：

上述公式内，s主要表示异步电动机转差率，而n主要表示电动机具体转速。

详细对公式进行分析可以知道，参数当中的f与s其中一个发生改变便可改变电动机转速，换个说法也就是控制异步电动机的调速。所以，相关工作人员可以适当更改电源频率，进而控制异步电动机的调速。

2.4 中央空调控制系统PID调节分析

PID调节因为能够直接对系统进行调节，不需要构建一个系统数学模式，由此被大范围使用。PID调节器属于线性调节器当中的一种，其采取线性组成方式，科学把积分(I)、给定值r(t)和实际输出值c(t)两者偏差e(t)的比例(P)以及微分(D)三者组成控制量，PID调节规律具体可见下面的公式：

上述公式中，e(t)＝r(t)-c(t)，当中KP一般为20～60%，积分时间常数通常为180～600s，微分时间常数一般主要取3～180s；上述取值均具备经验性，并且每个参数的预置呈现相辅相成的关系。

PID参数工程整定方法由衰减法、反应曲线法以及临界比例法三者组成，每种方法均具备自身特点，并且需要进行试验，再根据工程经验公式整定控制器的参数，工程当中临界比例法使用范围较大。对参数进行整定过程中，需要以实际情况为出发点开展下面细调：被控物理量与目标值相差不大时，应该适当扩大积分时间，若振荡现象还存在，可以合理调整比例增益。被控物理量更改后恢复难度大，应该先将比例增益适当扩大，若恢复速度不快，可以将积分时间降低或者增加微分时间。

中央空调冷冻水温度PID控制主要选择S7-1200PLC技术对象模块内的PID进行控制，其具备一个非常简单的组态画面，与S7-200PLC组态画面进行对比，效果更加理想，状态以及参数两者的组态均非常方便。上位机PC和下位机PLC程序工作流程具体内容如图3所示。

图3 上位机PC和下位机PLC程序工作流程

3.系统软件设计内容分析

对上位机软件进行设计时，主要根据C/S结构具体内容开展，而OPC服务器开发属于重要内容所在。

3.1 上位机监控软件

上位机软件的作用在于科学设定与监视中央空调现场设备的运行状态，同时对OPC服务器以及客户端等软件进行设计，一般主要采取C#开发方式。其软件开发接口通常选项和OPCSiemensDAAutomation类，此外，其还具备消防、配电以及照明等系统通讯接口，对设备运行状况进行实时监控，并且适当调整耗电设备的参数，按期详细记录数据，为能源的分析与管理提供大量参考依据。

3.2 下位机软件设计

下位机软件的作用在于现场控制空调系统内设备，根据设计内容，其可以被划分为空调机房控制系统以及冷冻机房变频控制系统两个部分的程序设计，其中空调机房PLC程序设计还能够被划分为水循环PLC控制以及AHU单元PLC控制两个部分的设计。

4.上位机与下位机S7-1200PLC软件接口的实现

空调控制系统内的上位机PC以及下位机S7-1200PLC主要采取RJ45网络硬件接口方式来实现以太网通信，并且上位机与下位机软件通信均使用OPC技术标准。因为COM和操作系统以及语言没有关联，因此实现时仅仅需要根据COM规范进行开发。DCOM属于COM的扩展，可以致使COM支持在Internet、广域网以及局域网内各计算机对象相互取得通讯，其在实现过程中主要提供自动化接口以及定制接口。

工程实现时，可以采取以太网技术与OPC技术通过的方式。有机融合Net平台，可以致使位机与下位机由于软件接口差异造成无法通信状况得到有效的处理，进而使空调控制系统达到自动化与信息化的效果。