智能组合式空调新风控制系统的设计*

成慧翔， 马艳娥， 刘 攀， 赵晓艳， 那少阳

（山西农业大学信息学院，山西 晋中 030800）

1 概述

空调新风控制系统是智慧建筑的重要组成部分，随着科技的发展， 基于PLC 控制的高效率和高精准的自动化生产方式因其高抗干扰能力及良好的稳定性而彰显优势， 而基于PLC 的组合式空调新风系统成为现代高层建筑解决问题的重要手段[1]。 此外，自动控制技术的理论研究也出现多样化，实际应用效果良好，且越来越广泛。

本文围绕组合式空调新风系统的工艺和控制策略[2]，明确输入和输出及动作流程，以S7-200PLC 为核心，对系统的软硬件进行设计， 并借助WinCC Flexcible 组态以达到实时采集、监控、处理该系统相关数据的目标。 该研究具有一定的现实意义，既满足对空气质量和温度的调整，又降低了能耗节约环保。

2 智能组合式空调新风控制系统整体设计方案

本方案中智能组合式空调新风控制系统主要由空调主机、用户风机盘管、新风机组、控制器、变频器等组成。其控制对象主要是冷水机组和热水机组， 主要调节参数为温度和风量，通过PID 对温度调节，用变频器对变频冷冻泵电机的工作电源进行调频，以实现更高效的控制。 冷冻泵采用3 台，通过1 台变频器对冷冻泵进行工频和变频控制。该系统中有手动和自动两种控制方式供选择。空调新风控制系统的整体结构如图1 所示。

图1 空调新风系统整体结构

本系统包括新风系统和中央空调系统，既可以使室内温度保持适中，又可以享受清新健康高质量的空气[3]。 二者结合可以提高生活舒适度、提高呼吸健康指数，还可以节约能耗。新风系统是一种新式开放式通风循环系统。其基础功能是排除室内浑浊空气并导入净化后的室外空气，送风温度取决于冷水电动阀的开度， 主要构件包括新风机、管道配件和冷水电动阀等。在室内应安装温度传感器、二氧化碳浓度传感器， 在冷热水盘管出口处安装防冻开关，经检测后传送给PLC，经数据处理然后判断是否启动新风机，是否报警。

中央空调系统是由空气调节系统和冷热源系统构成，主要功能是制冷或制热，将室内外空气混合，通过过滤、加湿、 液体汽化制冷原理冷却等手段净化空气后送入室内，回风温度取决于冷热水电动阀的开度，是由多个空气处理功能段组装而成[4]。 而制冷系统是该系统最重要的部分，该系统中风机启停、新风阀和点动调节阀联动动作[5]，现场需要采集的信号包括回风温度、风机运行状态、系统故障信号灯。 其中，制冷系统的种类、运行方式、结构形式等直接影响空调系统运行时的各性能指标，如高效性、合理性、经济性等。

3 智能组合式空调新风控制系统硬件部分设计

图2 智能组合式空调新风控制系统硬件接线图

根据上述新风系统整体方案的架构及工艺要求，本系统中选择的硬件包括PLC （S7-200 CPU226）、 变频器（MM440）、 温 度 传 感 器 （PT100）、 模 拟 量 输 入 模 块（EM233）、全热交换器（Z150THAB60）、室外机（MULTI-V SUPER II）等，其硬件接线图如图2 所示。

需要注意的是，在面积较大的区域，如商业、办公等区域，一台新风设备无法满足需求时可以进行分区设计。为了降低噪音的影响同时提高设备送风效率， 一般需要按照最佳气流形式， 设置新风机房或者特殊的过道等位置，管路尽量简单。 室内新风可由风机盘管与室内回风独立送风，也可混合后经盘管冷却或加热后送风，也可将新风和风机盘管的送风并联送出，也可混合后再送出[6]。

4 智能组合式空调新风控制系统软件部分设计

结合智能组合式空调新风控制系统的控制要求，本设计采用PID 算法对程序进行优化， 当系统首次启动时，先检测制冷系统是否开始工作，若否，则系统停止运行。当检测到制冷系统运行后，冷却塔风机开始启动，随之冷却水泵也开始工作。若当前水泵因故未启动，则启动备用水泵。当冷却机组开始工作时，系统检测冷负荷是否满足工作的要求，若满足要求，系统正常工作；若不能承担冷负荷，则启动2#空调制冷系统， 继续判断是都满足要求， 以此类推。 此外，在系统软件设计中，还需要注意以下问题[7]：

1） 确保供水压差恒定。

2） 水泵启动需检测是否故障，若是，则停机并启动备用泵。

3） 正确操作开关机顺序。

开机顺序： 冷却水蝶阀—冷却水泵—冷却塔风机—冷冻水蝶阀—冷却塔风机—冷却水泵—冷却水蝶阀。 关机顺序： 冷冻机关闭—冷冻水泵—冷冻水蝶阀—冷却塔风机—冷却水泵—冷却水蝶阀。

4） 依据冷冻水温度及末端负荷大小确定开机数量。若系统负荷大于单台制冷机制冷量的90%， 则增加制冷机工作台数； 若系统负荷小于两台制冷机制冷量的50%时，则减少制冷机工作台数[8]。

5） 冷水泵需在冷水机组关闭1h 后停机，以提高冷源利用率。

6） 一次侧供水温度的调节取决于换热器二次侧的温度，采用PID 闭环调节。

7） 确保冷冻水供水压力平衡。

5 智能组合式空调新风系统监控画面的设计

为了满足系统可视化要求展现系统运行画面，对组合式空调新风控制系统的当前状态、 频率输出值等进行数据监控，本文采用WInCC Flexible 组态，以监控系统运行过程中的重要数据并生成报表， 该数据包括系统运行历史数据、数据走势、运行状态、报警相关数据等。 该触摸屏界面通过PPI 与PLC 进行通信， 与PLC 内部的变量数据完成交互和读写[9]。 其监控画面如图3 所示。

图3 智能组合新风空调系统上位机监控画面

6 总结

在熟悉工艺流程的基础上，对每部分功能进行手动调试，然后完成PLC 和触摸屏之间的通信，进行自动调试，观察程序和组态的在线监控状态。 本设计主要完成了系统总体方案的设计、硬件的选型及软件设计，利用PID 算法对程序进行优化，并实现可视化监控，满足智能组合式空调新风系统的控制要求， 通过温度传感器和湿度传感器的反馈计算， 可以达到温度的恒定调节和动态监控，系统可以正常稳定工作，满足了系统设计的初衷和要求。