基于 PLC 的中央空调机房智能控制设计

2020-06-29杨爱明蒋森柯宁波大学建筑设计研究院有限公司浙江宁波35000南京安厦房屋安全鉴定检测事务所江苏南京009

建筑科技 2020年6期

杨爱明，蒋森柯（.宁波大学建筑设计研究院有限公司，浙江宁波 35000；.南京安厦房屋安全鉴定检测事务所，江苏南京 009）

随着科技的发展以及环境和资源问题的出现,节能高效和智能环保已经成为对中央空调控制系统的新要求。但是，如何将空调机房的高效运行与智能控制有机结合，一直是中央空调从业人员面临的一个难题。根据某创新中心中央空调的特点，在充分考虑系统的特点及功能要求后，对中央空调智能控制系统进行了硬件和软件的设计。

1 控制系统要求

1.1 项目概况

某创新中心办公区建筑面积约为 22 万 m2，办公区夏季制冷采用 3 台 4 220 kW 蒸汽溴化锂机组，二次泵变流量系统；冬季制热采用 2 台 4 000 kW 板壳式汽水换热机组,一次泵变流量系统。制冷制热季节工作日 8:00～17:30 运行。

1.2 控制要求

对办公楼区的溴化锂吸收式制冷机组、汽水换热机组、空调负荷一次侧循环泵、空调负荷二次侧循环泵、空调冷却水循环泵、开式冷却塔、电动阀等完成智能化控制、节能运行和设备管理[1]。根据系统负荷的变化自动调节系统所有设备的运行；针对冷源特点,采用有效的控制方法,以实现该系统良好的节能效果。

1.3 运行控制策略

各设备的基本控制策略有以下几个方面。

（1）空调负荷侧一次循环泵及冷却泵根据主机运行台数和一次侧供回水温差判断水泵运行台数及相应频率。水泵最低频率时水流量不得低于主机要求的最低水流量。

（2）冷却塔风机根据冷却水供回水水温控制风机运行台数及相应频率。

（3）空调负荷侧二次循环泵与末端分区一一对应。当对应分区需要制冷时,开启对应分区水泵，并通过中央空调控制系统监测分区供回水管上的温度传感器,通过温差控制水泵的运行频率。

（4）系统专用智能工作站通过溴化锂吸收式制冷机组开放式通用协议及汽水换热机组开放式通用协(如 ModBus 等),读取机组的各项参数。通过中央空调控制系统检测集水器温度，检测（间隔可设）1 次/30 min，当温度大于加载设定温度，则增加 1 台主机，最多增加至 3 台；当温度小于减载设定温度，则减少 1 台主机，最少减少至 1 台。

2 控制系统总体设计

2.1 系统总体结构

本文中央空调智能化控制系统主要由上位机、PLC（Programmable Logic Controller）可编程逻辑控制器和HMI（Human Machine Interface）人机界面组成[2]。系统总体结构如图 1 所示。

图1 系统总体结构

中央空调控制器主要控制制热机组、制冷机组、冷冻泵、冷却泵和冷却塔以及接收压力传感器与各设备运行状态等模拟量输入和开关量输入。然后通过 TCP/IP 协议传送至上位机[3]，由上位机对中央空调实现现场数据的监控与采集。

2.2 系统逻辑控制原理

中央空调控制系统利用交换机实现上位机、PLC 和 HMI三者的数据互通[4]，实现机房远程操纵中央空调的功能。系统存在手动控制模式、夏季制冷单机联控模式、夏季制冷定时自动控制模式、冬季制热单机联控模式和冬季制热定时自动控制模式,可以通过远程输入相关指令操纵控制器。空调初始化时默认手动控制模式，此时中央空调控制器按最近一次参数设置运行。逻辑控制如图 2 所示。

图2 逻辑控制图

3 系统硬件部分设计

中央空调系统的控制有 3 种控制方式[5]，包括早期的继电器控制系统、DDC（Direct Digital Control）直接数字控制以及 PLC 控制系统。继电器控制系统由于故障率高、系统复杂、功耗高等明显的缺点已逐渐被淘汰。DDC 虽然在智能化方面有了很大的发展，但由于 DDC 本身的抗干扰能力问题和分布式结构的局限性限制了其应用范围。相反，PLC 控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。

3.1 系统硬件选择

本设计选用西门子 S7-200 SMART 系列的 PLC，一共有36 个数字量输入口，24 个数字量输出口。由于控制器本身自带数字量输入/输出点位个数不足，同时需要采集多个温度以及阀门开度等模拟量, 所以在设计中选用了 1 块 EM DR 32 数字量输入/输出模块、1 块 EM DE 16 数字量输入/输出模块、2 块 EM AE 08 模拟量输入模块和 2 块 EM AQ 04 模拟量输出模块。

3.2 系统 I/O 分配表

结合中央空调的控制要求,部分数字量 I/O 分配表如表 1所示，模拟量 I/O 分配表如表 2 所示。

表1 数字量 I/O分配表

表2 模拟量I/O分配表

4 系统软件部分设计

4.1 PLC 下位机设计

4.1.1 下位机简介

程序编写使用西门子公司自带软件 STEP 7-MicroWIN SMART,并采用梯形图语言进行编程。PLC 程序块主要包括：主函数、手动模式、夏季单机联控、冬季单机联控、夏季定时控制、冬季定时控制、定时、反馈、关机等。

（1）主函数：当 PLC 得电时,进入主函数,程序块如果需要运行必须通过主函数进入。SM0.0 为西门子特殊存储器,作用是上电运行时得电接通。SM0.0 得电接通后进入运行故障反馈与运行时间两程序块。VW 500 表示运行状态,通过上位机或 HMI 来改变数值，数值 1～5 分别表示手动模式、夏季单机联控、冬季单机联控、夏季定时控制、冬季定时控制,当数值更改后会进入对应的程序块。例如在手动模式中，每个设备的开启与关闭都有单独的控制按钮。按下开启按钮时设备开启，按下关闭按钮时设备关机。

当数值为 4 或 5 时会进入对应的定时控制程序块,同时也会进入定时的程序块，通过上位机或 HMI 设定周一至周日设备开启与关闭时间。

（2）反馈：监控各机组、水泵、阀门的运行状态。

（3）关机：根据不同机组，制订不同的关机流程。

4.1.2 下位机制冷制热

当 VW 500 数值为 2 和 4 时进入夏季制冷画面。PLC 利用 EM AE 08 两个模拟量模块获取压力和温度,通过 CPU SR 60、EM DR 32 和 EM DE 16 获取设备的运行状态,根据设置的参数自动改变溴化锂机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔和二次泵的开启或关闭。当 VW 500 数值为 3 和 5 时则进入冬季制热画面，根据设置的参数自动改变蒸汽板式换热机组的开启或关闭。

4.2 上位机设计

上位机程序采用 C# 语言编写[6]，软件界面使用Winform 进行编写。下位机 PLC 的状态信息通过交换机上传，电表、水表与机组状态通过 RS-485 通信传输，并显示在相关的区域。上位机能源管控平台软件功能主要包括：系统总览、能耗监测、能源控制、能耗查询、能效分析等。

4.3 HMI 设计

HMI 人机界面采用海为 C10-W 触摸屏,组态界面使用Haiwell Cloud Scada Develop 软件编写。组态主要画面包括：运行模式、手动模式、运行设置、机组参数、定时设置和历史报警。① 运行模式：当程序运行在夏季单机联控或夏季定时控制时，运行模式会显示夏季机组运行图。当程序运行在冬季单机联控或冬季定时控制时，运行模式会显示冬季机组运行图。此时主画面的手动模式无法点击。② 手动模式：当程序运行设置为手动模式后，主画面手动模式按钮变蓝，进入手动模式画面后可以点击对应设备按钮来进行开启或关闭。③ 运行设置：可以更改当前程序的模式，设定机组加减载的温度。④ 机组参数：查看运行机组的各项参数。⑤ 定时设置：设定周一至周日定时开启和关闭时间。⑥ 历史报警：查看机组、水泵、阀门等历史故障。

5 系统调试

系统调试分 3 步。① 分别对室外温湿度、用电量、用水量、设备功率、空调状态等参数进行检测。② 开机启动后，通过上位机或 HMI 更改运行模式。③ 用户通过上位机或 HMI 获取运行模式、设备状态、用电量、用水量、功率等信息，可实时反馈相关参数并与功率报警功能相结合，通过运行模式的不同对机组进行智能控制。