PLC在舒适性空调自动控制系统中的应用

鲍玲玲 赵阳 王子勇 苏秀 荣雅静

摘 要： 为了提高空调的舒适性，使空调系统运行可靠、操作简单、功能丰富，提出PLC+变频器+组态软件的舒适性空调自动控制系统设计思路。自控系统设计内容包括空调系统的制冷、空气处理和流体输配3部分，将室内环境品质检测作为空调自控的调节内容，自动控制系统的任务包括监测、调节、报警和自动联锁等。自控系统可根据需求和负载变化实现较高的匹配度和调节效率，减少冷热源和机械设备能耗，提高空气调节质量和人体热舒适。结果表明，此设计能保障空调系统的监测和控制质量，同时提高系统的运行效率、降低能耗，使得空调系统的参数化运行变得简单、灵活、方便。

关键词： 空调系统； PLC； 传感器； 热舒适； 控制模式； 组态软件

中图分类号： TN964?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0022?06

Application of PLC in comfortable air conditioner automatic control system

BAO Lingling， ZHAO Yang， WANG Ziyong， SU Xiu， RONG Yajing

（Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Abstract： The design idea of a comfortable air conditioner automatic control system consisting of the PLC， frequency converter and configuration software is proposed to improve the comfortable performance of the air conditioner and make the air conditioning system run reliably， have simple operations and multiple functions. The design content of the automatic control system includes the refrigeration， air processing， and fluid supply of the air conditioning system. With the indoor environment quality detection as the adjustment content for automatic control of the air conditioner， the tasks of the automatic control system include monitoring， adjustment， alarming， automatic interlocking and so on. The automatic control system can realize high matching degrees and adjustment rates according to the requirement and load variation， reduce cold and heat sources and energy consumption of the mechanical equipment， and improve air adjustment quality and human body thermal comfort. The result shows that the design can ensure the monitoring and control qualities of the air conditioning system， improve running efficiency of the system， reduce energy consumption， and make parameterized operation of the air conditioning system simple， flexible and convenient.

Keywords： air conditioning system； PLC； sensor； thermal comfort； control mode； configuration software

0 引 言

社会的高度信息化、智能化使得工业及民用设备也实现自动智能化。可编程序控制器（PLC）以微型计算机为技术核心，面向通用工业控制的装置，PLC将传统的继电器?接触器中电气控制技术与计算机技术和通信技术整合，具有程序编写简单容易、交互性好、环境适应性好、功能多样、精度较高、使用方便等优点，被用于自动控制领域。空调系统中应用PLC实现自动控制是空调技术的发展趋势，这会使得空调系统运行可靠、操作简单、功能丰富。空调系统的运行涉及全年各季节变化的空气处理状态、流体输配、空气质量和热舒适等内容，针对空气调节的精度和实施场景，选择合适的传感器和机械设备，能保障空调系统的监测和控制质量，同时提高系统的运行效率，降低能耗。运用适当的界面设计实现人机交互和操作逻辑，使得空调系统的参数化运行变得简单、灵活、方便。

1 PLC工作原理

1.1 PLC

PLC是用于工业控制的专用电子计算机设备，区别于一般计算机是其便于接线，可以扩展功能模块，系统抗干扰能力强。PLC用逻辑编程取代硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能。PLC从结构上分为整体式和模块式两种，其内部组成相似，基本组成包括中央处理模块、储存器模块、输入/输出模块、编程器及电源模块，如图1所示 [1]。

1.2 工作原理及过程

PLC硬件内部为大规模集成电路制作的微处理器和存储器，依次循环执行存储的控制程序语句，产生控制信号，驱动输出设备。空调控制系统常用的输入设备包括控制开关、按钮开关、继电器触点、温湿度传感器等，可将数字量或模拟量的信号传入中央处理器，经处理后将输出控制信号驱动执行器工作，空调系统中常用的被控对象有电磁阀、电动阀、加热器、步进电动机、变频器等设备。

PLC得电后，在系统程序的监测下按顺序循环扫描用户程序，完成查询、判断和执行等任务。当PLC运行后，首先系统初始化，清除内部继电器和复位定时器等，再对电源、PLC内部电路、用户程序语句进行检查，且每个扫描周期都需要自诊断；然后在通信信息处理扫描中进行PLC之间，PLC与计算机之间，PLC与外部设备交换信息，把PLC运算的结果存入输出映像区对应的位置；再传送到外部被控设备的执行器上，在每个扫描周期中都要进行信息输入/输出处理，并把外部输入的信号状态存入输入映像区，把运算处理后的结果存入输出映像区。

2 空调系统用传感器

传感器[2?3]是自动控制系统的触觉单元，采集并传输被控系统的状态，其精度范围、应用场所、传输信号类型、信号补偿方式、安装方式等都应在设计中根据系统要求仔细考量[4]。

2.1 温度传感器

温度传感器能感受温度并以模拟量信号传输，分为热电阻式和热电偶式两类，热电阻又分为金属热电阻和半导体热敏电阻。金属热电阻当温度升高1 ℃，其阻值增加0.4%～0.6%。空调系统中常用热电阻分度值为Pt100和Pt10的铂电阻，其精度高，性能稳定可靠，但是电阻温度系数较小；或使用Cu50和Cu100的铜电阻，其电阻温度系数较大，电阻值与温度呈线性关系，价格便宜，但是电阻率低，易氧化。半导体热敏电阻由金属氧化物制成，当温度升高1 ℃其阻值减少3%～6%，可测量温度-100～300 ℃，其电阻温度系数大，灵敏度高，电阻率大，热惯性小，结构简单，但是互换性差，呈非线性特性，稳定性和可靠性不足。热电偶式是由两个不同材料的导体或半导体组成闭合回路，产生接触电势和温差电势，通过补偿导线转换后远距离传输，其性能稳定，复现性好，体积小，响应速度高，测温技术与集成电路的发展将温度传感器、校正电路、变送电路等集成为电路芯片，常用的模拟集成温度传感器（如AD590）和数字集成温度传感器（如DS18B20）。

2.2 湿度传感器

空调系统中温度和湿度是相互关联的热工参数，其热量不仅与显热量有关还和潜热量有关，因此空调系统的测量中会涉及到湿度测量，常见的电子式湿度传感器有氯化锂电阻湿度传感器（如DWS?P型）、高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器（如RHS型）、金屬氧化物陶瓷湿度传感器（如MgCr2O4?TiO2陶瓷和NiO陶瓷）和金属氧化物膜湿度传感器（如BTS?208型和CM8?A型）。

2.3 流速及流量传感器

人体热舒适与空气流动速度有关，空调系统运行时需要对送风速度和室内气流速度分布进行检测得知室内的空气流动状况。风速常用热线风速传感器测量，分为恒流型和恒温型两种。恒流型探头由加热金属铂丝与测温用铜?康铜热电偶组成，其电路简单，反应灵敏，体积小功耗低，使用方便，可同时测风速和温度，但在变温变阻的条件下使用时易老化，稳定性减弱。恒温型热敏电阻风速传感器由风速探头和风温自动补偿热敏电阻制成，其热惯性小，灵敏度高，体积小，低风速可至0.04 m/s，温度范围在5～40 ℃时补偿精度为1%，可用于常温常湿洁净空气气流速度的测量，但功耗大。室外大气环境风速可用机械式风速仪测量，将产生的模拟量信号进行传输和记录。在实验测试中多采用激光多普勒测速仪测量流速可最大程度减少对流场的扰动。

为了解空调系统的能耗和节能情况常需要测量系统的流量，空调水系统中常用电磁流量计将信号正比放大并输出显示，其阻力损失小，无相对运动部件，抗干扰能力强，测量范围宽，精度高，可测量正反方向流体，但是不适用于测量导电率很低的液体及气体、蒸汽等。超声波流量计不仅可以测量液体，也可以测量气体。因此常用于空调风系统，其结构简单，无相对运动部件，阻力损失小，适用于清洁气体和液体，也可测量非导电性液体，油水混合物，但是不能测量固体粒子的体积含量大于5%的液体和气泡的体积含量大于1%的液体。此外涡街流量计除具有电磁流量计以上特点外，几乎不受流体物性影响，使用寿命长，输出的频率信号便于实现数字化测量与微机连接，可用于气体、液体和蒸汽的流量测量。

2.4 压力及压差传感器

空调系统中压力也是常用状态参数，在自动控制中也要采集房间正负压、过滤器前后压差或管道中的压力，用于调节且维持安全和经济运行。常用的有压电式压力传感器，其结构简单、可靠、线性特性、频率响应高、量程大，但是需要高阻抗的直流放大器，元件绝缘良好；应变式压力传感器多用于一般要求的动态压力测量；压阻式压力传感器的灵敏度高、动态响应很好、体积小、结构简单，但是受温度影响，需补偿后提高静态特性和稳定性。

2.5 建筑室内环境测试用传感器

建筑环境控制是多方面的综合效应，人们对室内环境品质要求越来越高，因此对室内污染物浓度、空气品质、光环境、声环境和电磁环境的监测与控制成为新的方向，由此构成一个更完备的建筑环境控制系统[5]。室内空气品质相关测试的仪器和传感器有薄膜电容微音器测COx，电导法测SO2，电子捕获检测器及热导检测器测TVOCs，盖革计数器测射线强度，室内噪音测量用声级器和声压传感器，测量光环境的照度计和光敏半导体传感器元件。

3 空气调节自动控制系统

3.1 空调系统设备监控与控制

空调系统检测与控制的主要内容包括监测、调节、报警和自动联锁三个方面。在空调系统运行时对系统的参数（如流体的温度、压力、流速流量，电气的电压、电流和功率等）和设备的运行状态（如启停、事故状态等）进行检测，对某些运行参数自动地保持规定值或按预定规律变化、设备或控制部件按程序启停、工况自动转换和自动安全保护[6]。操作人员管理系统运行，制定控制策略和实施调节与控制的依据是检测，也是自动控制的重要内容和前提。

空调系统设备包括了空调冷源设备、热源设备、空气处理设备（如空调机组、新风机组和风机盘管）以及管道（风管、水管和氟利昂管）输配设备、冷却设备等，这些设备依据设计规范详细计算选用并形成一个容量相互匹配、运行相互协调的综合系统，实现系统设备的优化运行和维护良好的室内空气质量。空调系统在控制时有多干扰性、多工况性和温湿度相关性的特点[7]。多干扰性如日射热量受时间和气象条件的变化而变化，人员变动，设备启停变化，通风换气，门窗渗透等；多工况性是指空调处理的季节性，至少分为冬季、夏季和过渡季节；温度和湿度不是完全独立的变量，而是一组相关函数关系。PLC作为控制器通常有多种控制模式，如双位开关控制，比例控制（P），比例积分控制（PI），比例微分控制（PD），比例积分微分控制（PID），步进控制，联动控制，延时控制，运行模式切换，逻辑推理，冷热量计算，超限报警等。PLC在实际工程中必须要对控制现场进行采样，实际上存在着时刻的偏差值和滞后性，温湿度常用的PID调节的基本数学模型用微分方程表达为[2，8]：

[P=Kce+1TIedt+TDdedt] （1）

传递函数表达为：

[φ=Kc1+1TIS+TDS] （2）

式中：P表示偏差比例；Kc表示放大系数；e表示实际值与给定值的控制偏差；TI表示积分时间常数；TD表示微分时间常数。实际采样时刻[t=iTS]（TS为采样周期）按数值逼近的迭代方法计算，表达为：

[Pi=Kcei+TSTIj=0iej+TDTS（ei-ei-1）+P0] （3）

式中：Pi表示执行机构的位置状态；P0表示计算机的输出值时位置状态初始点，当采样周期足够小时可以认为是连续控制过程。在实际应用中为了消除累积误差，提高算法的精度，方便实现手动自动的切换，消去P0扰量，常采用其增量式表达为：

[ΔPi=Kc1+TSTI+TDTSei-Kc1+2TDTSei-1+ KcTDTSei-2] （4）

3.2 空调系统各部分自动控制设计

3.2.1 空调制冷系统部分自控

空调制冷系统的自动控制包括6个方面[9]：

1） 制冷设备的开停机顺序，启动时应为冷却塔风机→冷却水泵→冷冻水泵→冷水机组，停机时应为制冷压缩机→冷冻水泵→冷却塔风机→冷却水泵，要保证冷水机组正常运行时冷凝器散热良好，蒸发压力适中不结冰；

2） 制冷系统各设备的联锁保护，冷水机组必须在冷却塔风机、冷却水泵和冷冻水泵启动后开机，冷却水泵开机后应延时（1～3 min）后再开启冷水机组，冷却塔风机、冷却水泵和冷冻水泵出现故障停机后，冷水机组也应停止工作；

3） 制冷系统运行切换，制冷系统常设置多台冷水机组及对应的泵，在不同负荷需要时可自动或手动组合多种系统容量；

4） 对制冷系统进行运行监测，除各设备的手动控制按钮外，还需设置设备正常运行及故障指示、报警，并检测设备的电流和电压的安全状态；

5） 冷水机组压缩机电动机采用星?三角启动，多机头逐次启动，减轻电网冲击；

6） 冷水机组安全保护，冷水机组与冷冻水和冷却水的温度、压力有关，与压缩机吸气、排气的压力、温度有关，设置冷水低温保护继电器、供油温度保护继电器、压缩机内部高温保护继电器、压缩机低压压力保护继电器、压缩机高压压力保护继电器等进行联锁控制，其任一出现故障触点断开后压缩机自动停机，机组本身应具备该控制功能和通信功能。

3.2.2 空气处理机组部分自控

空气处理机组是空调系统中重要的设备，一般由多个功能段组成，完成对空气的过滤、冷却、加热、减湿和加湿处理等功能，对空调机组的控制涉及对空气处理过程、空气流量、各处理设备的运行状态监测及保护、及各设备之间的动作联动，对机组控制的目的是将室内温湿度保持在设定范围内，监测机组运行情况。空气处理机组的监控原理如图2所示[10]。

空调机组夏季工况运行时，控制温湿度关联性需要用信号选择器对温度和湿度信号进行选择，选取最不利调节冷却盘管的水量，使之满足温度或湿度要求，另一参数再利用其他功能段调节。空气处理机组（或新风机组）需监测系统风机运行状态，风机过载报警、风机气流状态和手动/自动状态；监测机组的送风温濕度；过滤器的压差报警和清洗提示；在北方冬季或蒸发温度过低时防冻报警；设备启停与各类阀件之间的联锁；运行工况的选择和转换；风系统的消防火灾联动和报警；运行参数的采集、处理、绘制与显示。变风量系统中考虑室内负荷的变化调节风机转速和变风量末端在制冷/制热转换时改变作用方向。

3.2.3 流体输配部分自控

空调水系统的控制分为定流量和变流量两种，在变水量系统中随空调末端负荷的变化所需水量也需变化，一般选择供回水干管压差作为控制参数，改变水泵的运行台数，再用压差旁通阀和水泵变频控制供水量，压差旁通控制相对简单，水泵变频更加节能[11]；定流量系统则是通过改变蒸发温度和冷凝温度来实现，水系统能耗占空调总能耗的15%～20%，机组和水泵的容量都较大。

3.3 空气调节自控系统设计

空调系统由冷水机组、冷却塔、空调机组（新风机组）、风水输配系统及空调房间室内盘管等组成，其工作示意图如图3所示。

空调系统启动运行后，要进行温度和湿度控制，温度控制是温度传感器检测室温，其温度信号模拟量信号输入PLC，与所设定舒适温度参数进行对比，再由PLC控制冷水机组或电加热器的自动调节，由送风机将冷风送入室内进行室内热环境调节，此过程中由温湿度传感器对室内环境参数进行连续反馈，由PLC控制实现冷水机组的自动控制。 冷水机组启动运行后PLC根据检测信号和设定参数的差额，改变压缩机转速或进气量，控制冷凝器出口温度。冷水机组产生的热量由冷却水转移至冷却塔，通过热湿交换单元热扩散到室外空气中。

3.3.1 PLC选型

选择PLC具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时通信能力和丰富的扩展模块。需满足空调控制工艺要求，且预留I/O点做扩展使用便于系统改造升级。可用STEP7?Micro/WIN32 编程软件、PC/PPI通信电缆及PC端对S7?200PLC进行用户程序编写。

3.3.2 传感器选型

近年来半导体集成温度传感器发展最快，其内部采用差分对管等线性化技术及激光校准手段等，测温电路简单且可靠。这类传感器在生产时已经校准，省去标定工序方便用户的使用，其输出信号有电流型、电压型、数字型、PWM型等。本设计中应用电流型、电压型集成温度传感器。LM35集成电路温度传感器输出电压与摄氏温度线性成比例，具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围。LM35无需外部校准或微调，可以提供±[14] ℃的常用室温精度，额定工作温度范围为-55～150 ℃，精度为±[34] ℃。 HM1500湿度传感器的精度较高，稳定性能好，响应速度快，测量范围大，反应时间较快，温度依赖性比较低，互换性好，固态聚合物结构浸水无影响，长时间处于饱和状态后能快速脱湿，抗污染能力强，其侧面为接触式湿敏电容与湿度信号调理器集成在一个模块中，采用恒压供电，输出伏特电压信号与相对湿度呈比例关系[12]。

3.3.3 变频器选型

变频器与受控电机相互匹配，变频器的选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率[13]，根据系统功能的需求选择FR?A540变频器，其容量为0.4 ～7.5 kW，性能可靠，价格低廉。

4 组态软件

在开发工业控制软件时当工业被控对象出现变动后就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长。已成功开发的工控软件对控制项目的针对性强，难以或不能重复使用导致价格昂贵。此外修改工控软件的源程序时因编程人员变动也为源程序的修改带来困难。所以工业自动化组态软件为上述问题的解决提供了方案，弥补传统工业控制软件存在的不足，用户可以根据控制对象及控制目的任意组态，完成自动化控制工程项目。 目前国内组态软件市场是国内品牌（组态王、MCGS、力控、FameView、世纪星）和国外品牌（iFix，Intouch，WinCC）同时并存的局面，用户对组态软件产品接受程度也日益增加，且用户正面临从产品接受度到品牌接受度的转变期。从使用方便和性价比的角度来说，选取国内组态软件具有良好的工作性能，能很好地满足控制策略的需要。本设计中空调机组组态画面如图4所示。

5 结 论

工业自动化仪表和计算机技术的发展与建筑业的蓬勃发展，推动了空调技术和空调系统自动控制水平的提高。空调系统的传感器选择决定了监测和控制的精度和水准，要根据具体的应用条件对比选用。介绍了空调系统中常用的各类傳感器及其适用范围。PLC需要采集现场数据样本，常用的空调系统用传感器包括温度、湿度、流速流量、压力压差、室内环境品质检测等。比较各类传感器优缺点和适用性。空调系统检测与控制的任务是监测、调节、报警和自动联锁，其设计包括制冷部分和空气处理过程控制。PID增量式调节为常用的控制器控制模式。介绍了空调系统的制冷部分、空气处理部分、流体输配部分的控制方法和技术手段。自控系统可根据季节变化和负载变化，灵活控制空气处理设备的运行台数及其温度和湿度，实现节能运行，根据空调系统不同负载，启停适当的设备及其台数，提高设备使用寿命，降低了设备的运行费用，体现PLC控制在空调系统中的优势。组态软件也为自动控制人机交互、参数化调整提供了方便，PLC联合变频器及组态软件将会在空调系统自动控制和节能运行中发挥重要作用。

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