基于西门子PLC的高层住宅供冷暖系统设计

李 惟，许宏科

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710062）

近些年来我国各地城市基础建设取得了巨大的成就，各种商业、民用高层大厦不断涌现。北方城市的冬冷夏热，已经非常接近过去南方城市的气候特征。作为现代城市智能高层住宅，冬天供暖、夏天供冷尤为必要。基于我国乃至世界范围的国家能源形势十分严峻，随着供热产业的快速发展及其规模的增大，要实现供暖系统的高效、低碳、清洁、节能，只依靠建筑结构本身的节能还不够，供热系统的优化、节能显得十分重要。由于我国国情和供热的具体方式等与其他国家不同，相关课题研究必须依据我国实际能源情况[1]。目前我国的供热管网优化规划、系统设计参数优选和供热系统在技术层面上已经有所保证，但大多数地区集中供热系统仍存在以下问题：夏季无供冷；缺少全面的参数实时测量手段，系统工况失调难以消除，造成用户冷热不均；故障发生时，不能及时诊断报警，影响系统可靠运行。

文中基于西门子S7-300PLC控制器，仿真实现对一个高层住宅的供冷暖系统的控制，完成冬季制热、夏季制冷智能化控制任务。系统可靠地实现了开机时手动/自动两种模式定义水井，对每台井进行上限位检测，水泵按顺序软启动。本位控制系统根据积水器采集的温度与设定的温度值进行比较，控制主机的启动台数，并且对每台主机的运行时间进行监测。

1 供冷暖系统的总体结构

本系统控制系统总体结构如图1所示。

图1 控制系统总体结构图Fig.1 The overall structure of the control system

工控机的主要作用是运行后台软件，以及监控整个系统的运行和对系统的控制，并利用WinCC来实时显示现场的相关数据，同时利用得到的现场数据对系统做出相应的控制。UPS即不断电系统，它是一种以逆变器为主要组成部分的并且含有储能装置的恒压恒频的不间断电源[2]，用于紧急情况为工控机和PLC提供不间断的电源。PLC是整个系统的控制核心，高区和低区的控制主要是完成3台机组的开启与关闭，电机的顺序开启与停止。潜水泵的控制主要是完成从水井里取出系统所需要的水源。传感器的主要作用是检测现场的各项数据，并和PLC，WinCC建立连接通信，把检测到的数据送到PLC和WinCC进行实时显示。

2 供冷暖系统的控制流程

供冷暖系统的控制流程如图2所示。

图2 系统控制流程图Fig.2 System control flow

初始化部分主要是对系统当中所有电动阀门，传感器进行复位，对通信进行初始化设置，参数初始化，对系统地制冷制热进行初始化，温度的初始化设置。电动阀门包括26口水井上的26个电动阀门和控制回灌水的4个电动阀门，初始化制冷制热主要是根据手动设置的制冷制热，确定机器的制冷制热模式。初始化温度设置包括初始化末端回水的控制温度，初始化集水器的基准温度。

初始显示部分包括水温显示、电动阀门状态显示、压力传感器显示、所有水泵状态显示、水流量传感器状态显示、电子水处理仪状态显示、消防水池水位显示、水井状态显示。

进入取水环节之后，对消防水池的水温水位进行实时的监控，同时根据采集到的现场的数据对系统进行相应的控制。若水池水位低于补水的设定水位值则开启潜水泵进行补水，并同时判断水位是否达到补水设定值的上限，若达到则关闭潜水泵，继续对消防水池水位进行实时监测，若没有则保持潜水泵的开启状态直到达到补水上限设定值为止。

在满足水池水位不低于水池水位要求的下限，同时水池水温不高于水池水温的上限且不低于水池水温的下限，此时开启空调循环水泵。对于循环水泵的开启要求高区30 KW的九台水泵按要求顺序进行启动，并且每台泵都进行软启动。75 KW泵一台变频启动，两台软启动。低区30 KW的九台水泵按要求顺序进行启动，并且每台泵都进行软启，55 KW泵一台变频启动，两台软启动。开启所有的循环水泵之后检测循环水泵的后压力表读数是否正常，若循环水泵的后压力表读数不正常则开启补水泵进行补水，直到压力读数正常为止，若循环水泵后压力表读数正常，则开启计时器进行延时，延时若干时间后检测分水器流量计读数是否正常，若正常则在延时若干时间，时间到了之后检测集水器流量计读数是否正常，若集水器流量计读数正常则进行下一步操作。

机组的开启及关闭部分：本系统分为高区和低区，高低区分别有3台机组，二者的控制只是控制的对象不一样，只介绍高区的控制。系统首先要根据人为设定的数值，从而得出温差及需求并判定出需要开启的机组数，确定系统是制热还是制冷，并确定需要开启的机组[3]。然后就是根据是制冷还是制热开启需要开的机组前的相应水泵，此时需注意，每台热交换机组前都有相应的冷却水泵和冷冻水泵，并且制冷和制热的开启热交换机组前冷却水泵和冷冻水泵的顺序是不同的，若是制冷则先开启需要开启的主机组前的冷冻水泵，然后是延时判断相应的温度传感器和流量传感器读数是否正常，若不正常则关闭水池水泵，并报警请求人工处理。若是正常则执行后面的操作，包括开启电子水处理仪，开启水池水泵。这些设备都开启之后再开启相应机组前的冷却水泵，所有的这些设备都开启之后进行机组的开启。若是制热，则先开启需要开启的机组前的冷却水泵，然后是开启电子水处理仪，开启水池水泵。相应的冷却水泵、电子水处理仪和水池水泵都开启之后进行延时，延时过后判断相应的温度传感器和流量传感器读数是否正常，若不正常则关闭水池水泵并报警请求人工处理，若正常则开启需要开启的机组前的冷冻水泵。机组前的所有设备都开启之后打开需要开启的机组。若在开启机组前某台设备故障，则报警请求人工处理。

机组开启之后对机组进行计时记录机组的开启时间，因为控制要求是启动主机为运行时间最短的主机，关闭停止运行时间最长的主机。对末端的回水温度进行实时的监控，并根据末端的回水温度判断是否需要开启或者是关闭机组。当需要开启机组时，先开启相应机组前的冷却水泵，再开启冷冻水泵，最后是开启机组。需要关闭机组时，先关闭相应的机组，然后是关闭相应的冷冻水泵，最后是相应的冷却水泵。既不需要开启也不需要关闭时，不动作。

此环节主要是根据回水温度来判断水会灌到哪里，此环节对末端的回水温度进行实时的监控，若回水温度不高，则判断水池水位是否满足回灌，若水池水位满足回灌则开启控制水池侧的电动阀门，关闭控制水井侧的电动阀门，水流回灌到消防水池。若水池水位不满足回灌则开启控制水井侧的电动阀门，关闭控制水池侧的电动阀门，水流回灌到水井[4]。若末端回水温度过高，则判断水池水位是否满足高温水回灌，若不满足则开启控制水井侧的电动阀门，关闭控制水池测的电动阀门，高温水回灌水井。同时判断末端回水温度是否恢复正常，若不正常则继续回灌到水井，若恢复到正常水温则开启控制水池侧的电动阀门，关闭控制水井侧的电动阀门。若果末端回水温度过高并且水池水位满足高温水回灌，但是水池水温不满足高温水回灌，此时开启控制水井侧的电动阀门，关闭水池侧的电动阀门，高温水回灌到水井，同时判断末端回水温度是否恢复正常，若没恢复正常则继续把水回灌到水井，若恢复正常则开启控制水池侧的电动阀门，关闭控制水井侧的电动阀门。若末端回水温度过高，并且水池水位水温都满足高温水回灌，则开启控制水池侧的电动阀门，关闭控制水井侧的电动阀门，高温水回灌消防水池。同时判断末端回水温度是否恢复正常，若没有恢复正常则继续回灌到消防水池，若恢复到正常则继续检测末端回水温度直到有变化做出相应的改变[5]。

补水的控制部分，系统对循环管路中的水压进行实时的监控，根据压力传感器提供的读数判断循环管路中的压力读数是否正常，从而判定系统是否需要补水。系统不需要补水则无动作。若系统需要补水，则需要先判断软化水箱水位是否达到补水的要求，若软化水箱水位没有达到补水要求则补水泵不动作，但是需要提示给软化水箱补水。若软化水箱水位达到补水要求则开启补水泵进行补水，同时判断系统是否还需要继续补水，若还需要则继续补水，若系统不再需要则关闭补水泵停止补水，并继续实时检测系统是否需要补水。

系统停止控制部分：当需要停止系统时，按下停止系统按键，若此时系统是在制热，则先停止水源热泵机组，等到条件满足之后关闭相应的冷却水泵，若条件不满足则等待，直到条件满足之后再关闭相应的水源热泵机组前的冷却水泵[6]。冷却水循环水泵关闭之后停止水池循环水泵，然后是停止机组前的相应的冷冻水循环水泵，在之后是关闭电子水处理仪、所有水泵和所有电动阀门。若需要停止时系统正在制冷，则先关闭水源热泵机组，等待条件满足之后关闭冷却水循环水泵，冷却水循环水泵关闭之后关闭空调循环水泵，再是停止冷冻水循环水泵停止水池循环水泵，最后关闭电子水处理仪、所有水泵和所有电动阀门。

3 人机界面的设计

WinCC是一款工业控制组态软件，由于本界面的设计要求是包括对现场设备进行控制的[7]，下面以一个水泵的开启与关闭为例，介绍一下如何通过所设计的界面来控制现场设备的[8]。首先我们先建立一个外部变量取名为OPEN，选择它的变量连接参数为Q0.0，Q0.0控制泵的启停，Q0.0为0时泵关闭，为1时泵开启。然后在一个空白的界面上选择一个水泵，放到界面上，右键单击选择属性选项，选择事件后单击鼠标选项，选择按下，右键单击后面的动作标志，选择C动作，会出现如图3所示的对话框。

图3 编辑动作对话框图Fig.3 Edit Action dialog

把程序段SetTagBit("open",!GetTagBit("open"))写到图3所示的对话框当中，点击确定，就完成了。鼠标点一次泵，则OPEN变量的值取反一次，从而可以控制泵的开启与关闭，然后泵的颜色可以连接变量OPEN通过颜色变化来显示泵的状态。

4 结论

本系统主要完成了实现了对高层住宅供冷暖系统的研究。完成了对3大控制对象：水源、高区、低区的控制。在保证了夏天制冷、冬天制热的同时，系统采用了工业上常用的串级闭环控制系统，出水端和回水端均可对系统形成反馈，从而提高了供暖效率。

[1]林艳.集中供热网智能控制方法的研究[D].辽宁：大连理工大学，2003.

[2]李丽.集中供热系统的研究与优化[D].河北：华北电力大学,2008.

[3]黄文，管昌生.城市集中供热研究现状及发展趋势[J].国外建材科技，2004，25（5）：78-80.HUANGWen，GUAN Chang-sheng.Central heating situation and development trend of urban[J].Overseas Building Materials Technology,2004,25(5):78-80.

[4]Hakimi SM.Smart heating system control strategy to enhance comfort and increase renewable energy penetration[J].Intelligent Energy Systems （IWIES），2013:191-196.

[5]Jassar S，Liao Z，Sharma T.Inferential control-an advanced con-trol strategy to save energy in residential heating systems[J].Electrical Power and Energy Conference（EPEC），2012:243-248.

[6]漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京:机械工业出版社，2012.

[7]王猛，杨欢.PLC编程与应用技术[M].北京：北京理工大学出版社，2013.

[8]庄宿国，罗鹏，侯宁涛，等.基于Pro/E平台的诱导轮参数化造型软件开发[J].火箭推进 ，2014（3）：68-72.ZHUANGSu-guo，LUOPeng，HOUNing-tao，et al.Parametrization sculpting software development for inducer based on Pro/E[J].Journal of Rocket Propulsion,2014（3）：68-72.