基于PLC的办公楼宇中央空调控制系统的应用

吴有志　李捍东

【摘 要】采用西门子 S7-200 可编程序控制器和Win CC 对中央空调控制系统进行硬件和软件设计。用西门子PLC 控制器作为控制核心，来实现整个过程的湿度控制和温度控制。利用PLC编程软件STEP7 的易读写、容易实现的特点完成控制程序编写和多回路温、湿度控制的 PID 算法实现。用Win CC 组态软件开发了监控管理系统，最后通过触摸屏完成相关参数的设定和信息显示。

【关键词】西门子PLC；自动控制；中央空调；Win CC

【Abstract】Using the Siemens S7-200 programmable controller and Win CC to central air-conditioning control system design of hardware and software. Use Siemens PLC controller as control core， to implement the whole process of humidity and temperature control. Using PLC programming software STEP7 easy to read and write， easy to realize the characteristics of the control program written and multi loop temperature and humidity control PID algorithm. Use Win CC configuration software monitoring management system is developed， finally complete a set of the parameters by the touch screen and display information.

【Key words】Siemens PLC； Automatic control； Central air conditioning； Win CC

0 引言

中央空调广泛应用于现代化办公楼宇中，它由冷热源系统和空气调节系统组成，制冷或制热都将消耗大量电能，因而中央空调成为耗能大户，每年的耗电量占建筑物总用电量的60%左右[6]。随着人们对楼宇空调环境的舒适度要求不断提高，环境舒适度参数控制成为空调节能面临的关键问题。如何对中央空调的运行进行控制，使室内温度达到人体舒适度范围，并有效地改善系统运行品质、节约运行能耗，已成为空调节能运行中一个不容忽视的问题[2]。文章根据某文化宫中央空调的特点和改进设计的要求，在充分考虑系统的可行性，稳定性和经济性后，对中央空调控制系统进行硬件和软件升级改造。

1 控制系统的要求

1.1 控制原理图如图1

1.2 控制要求

1.2.1 温度调节

根据回风总管上的温度传感器T1的大小，控制回水支管上的电动二通阀M3的开启度。

新回风比例调节

①根据新风温湿度值T3，运算出新风空气中的焓值i1【i=1.01*t+（2500+1.84t）*d】；

②根据回风温湿度值T1，运算出回风空气中的焓值i2；

③根据i1和i2，适当调节M1和M2二个风阀开启度，调节新风回风比例。

1.2.2 检测功能

①新风回风温度、过滤压差信号；②检测控制箱的运行信号、故障信号、开关信号。

1.2.3 控制箱门上设置按钮指示灯（启动按钮、自动运行指示和故障指示）

1.2.4 触摸屏显示

①新风、送风温度（℃）；②风机运行状态（运行/停止）、故障状态、检修状态；

③空气过滤器压差信号（Pa）；④新风、回风开度（%）；

⑤设置菜单（可设置火灾报警温度值、压差上限等）。

1.2.5 报警（可通过门柜按钮或者触摸屏按钮进行解除）

①回风温度越限报警（达到设定温度时，声光报警；温度继续升高时，关闭M1、M2、M3）；②空气过滤器压差越限报警；③风机过流、缺相报警；

当出现上述引发的故障时，自动关闭风机、风阀、水阀等。

2 运行原理

当新风和回风进入风机管道时，会各自经过温度传感器和湿度传感器检测，将各自模拟量送至PLC进行A/D以及D/A转换等数据处理，然后输出模拟量给调节阀，从而调整调节阀的阀门开度。当调节阀接收到反馈信号时，会自动调整其开度来补充新风和回风量。此时风会通过一个过滤网装置过滤尘埃。过滤网两边一般会设置一个差压控制器，当过滤网上附着太多尘埃时，差压控制器会显示有压差，从而提醒人们及时清理过滤网。当室内温度过高时，表冷器的进水端将会灌入冷水，经过降温处理后，冷水水温会升高从机组内排出。当风的湿度偏低时，加湿器对风进行加湿处理。在送风口处，也会设有温度传感器，来检测此时送入室内的空气是否符合人们所需标准。

3 硬件设计

3.1 硬件选择

本文中硬件选型主要包括中央处理单元、模拟量扩展模块、风管式温湿度传感器、风阀执行器、水阀执行器、差压开关和变频器等相关硬件。其硬件选取清单如表1所示。

表1 中央空调硬件选取

3.2 电气控制原理结构

电气控制原理结构如图2所示。PLC控制器选用S7-200系列的主模块CPU226及扩展模块EM 231和EM 232，人机界面采用Smart 1000。CPU226用于实现运算和逻辑控制，如PID运算、空气焓值计算以及送风电动机的开关控制，风阀水阀开度控制。EM 231为四模拟量输入，EM 232为四模拟量输出模块。温湿度变送器输出的4～20mA标准信号送EM231的输入接口，模拟输出信号送冷水阀、蒸汽阀、电加湿器和电加热器模块，分别进行阀门开度、加湿量和加热量的控制。电气原理结构图如图2。

4 软件设计

4.1 控制流程

该部分主程序主要完成系统的初始化、通信初始化、数据采集和比较、算法数据处理等功能。本文主要应用优化PID 调节对中央空调的温湿度和冷热水进行控制。先用模糊控制方法选取较大的比例系数和积分时间常数，致使 PID 调节时间变短，系统参数较快接近目标值。当系统接近稳态值时，所选取较大的积分参数可缓慢地靠近目标值[6]。控制流程简化图如图3。

图3 控制流程简化图

4.2 控制系统人机交互组态设计

上位机监控选用SIEMENS Win CC 组态软件，Win CC 具有强大的图形开发功能和先进的GUI设计环境 ，可以开发出界面友好、操作方便的管理系统[7] 。

Smart 1000触摸屏与西门子 S7—200 PLC之间通过MPI电缆连接。触摸屏画面包含参数实时显示、操作按钮和控制参数设置三部分。

参数设定说明：“回风温度设定值” 可自行设定合适的回风温度，设定范围为0-99。“新风回风比例设定值”可自行设定合适的新风与回风的比例，设定范围为0%-100%。

图4 触摸屏显示界面

5 结束语

本文采用西门子 S7—200 PLC和win CC进行硬件和软件设计应用于办公楼宇中央空调控制系统，在控制算法上采用在传统 PID 控制基础上优化控制的方法实现中央空调的温湿度和冷热水控制，同时利用Smart 1000触摸屏进行相关参数的设定与信息显示。实践说明，该系统很大地提高了温湿度的控制精度。其系统运行稳定强，可靠性和控制灵活度高，功能齐全。

【参考文献】

[1]巫莉.PLC 和变频器在中央空调节能改造中的应用[J].工业控制计算机，2010，23.

[2]许锦标，张振昭.楼宇智能化技术[M].3版.北京：机械工业出版社，2010.

[3]韦建德.基于 PLC 的温湿度控制系统[M].低压电器，2011（7）.

[4]冯毅，吴必瑞.基于组态王和 PLC 的蔬菜温室温湿度监控系统[J].中国农机化学报，2015，1，36（1）.

[5]李娜，吴燕.基于PLC的智能化温室控制研究[J].电子技术，2016，2.

[6]魏立明，李晨.基于 PLC 的办公楼宇中央空调控制系统仿真设计[J].建筑电气，2013，32（12）.

[7]李力，罗秋芳，薛江清.PLC 和 Win CC 在空调温湿度自控系统中的应用[J].机电工程技术，2009，38（06）.

[责任编辑：汤静]