暖通空调温度控制系统设计

张美荣

（包头职业技术学院，内蒙古包头，014030）

0 引言

现代智能楼宇为大型建筑，内部分布多种建筑设备系统。例如，给排水系统、供配电系统、照明系统、电梯系统以及中央空调系统等[1]。其中中央空调的用电量约占整个智能大厦用电量的一半以上。因此，通过改良暖通空调的设计方案来降低智能建筑的能耗是十分必要的，具有很高的实际使用价值。

1 暖通空调的组成

暖通空调是供暖、通风和空气调节系统的总称。中央空调系统的组成分两大部分，分别是空气处理及输配系统和冷（热）源系统。空气处理及输配系统完成对混合空气的除尘、温度调节、湿度调节等工作，将处理好的空气经风机、风道、风阀、风口送到空调房间。冷（热）源系统提供空调房间需要的冷（热）量，冷冻水将其运送到风机盘管内与空气进行热交换。

2 暖通空调系统的工作原理

中央空调由空气处理系统和冷热源系统组成。

空气处理系统的组成结构如图1所示。外界空气经过新风阀门进入新风管道与回风混合，混合后的空气由温度传感器和湿度传感器进行实时检测并将信号送入PLC。混合后的空气经过滤网处理，送入热交换室与冷冻水进行热量交换，之后进行加湿处理。同时，温湿度传感器实时检测并将信号传送给PLC。经过热湿处理后的空气由送风机送入空调房间内。在空调房间内循环之后一部分形成回风与新风混合后进行循环处理，另外一部分空气经过排风管排出室外。

图1 暖通空调系统监控状态点

冷热源系统包括冷冻水循环系统、制冷剂循环系统和冷却水循环系统，三个系统进行能量的传递。以制冷为例：

冷冻水循环系统由冷冻泵、冷却盘管及冷冻水管道组成。从蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷却盘管与室内进行热交换，将房间的热量转移到蒸发器内。

制冷剂循环系统由四大部件组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器。蒸发器内部将吸收的冷冻水热量传递给制冷剂，制冷剂携带热量经过膨胀阀流入冷凝器中，在冷凝器内部将热量传递给冷却水，之后制冷剂流经压缩机，再次进入蒸发器与室内的空气进行热交换。

冷却水循环系统由冷却泵、冷却塔及冷却水管道组成。冷凝器中的制冷剂将热量传递给冷却水，冷却水接收到传递过来的室内热量，将其运送到室外的冷却塔，与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器。

3 温度控制方案

方法一：调节冷冻水的流速

空调房间的温度控制可以通过调节风机盘管中冷冻水的交换热量来改变。交换热量的多少取决于冷冻水的流速。如图一所示，当空调制冷时，假设空调房间需要的冷量加大，这时可以通过增大供水电动阀6的开度或者减小回水电动阀10的开度来增大冷冻水的流速。反之，当空调房间需要的冷量减少时，可以通过减小电动阀6的开度或者增大回水电动阀10的开度来减小冷冻水的流速。

方法二：调节冷冻水的温度

冷冻水的温度取决于空调机组制冷量的大小，当压缩机的工作频率增大时，空调机组的制冷量增加，冷冻水的温度降低，室内热交换的能量增加，空调房间的温度降低；当压缩机的工作频率减小时，空调机组的制冷量减少，室内热交换量减少，空调房间的温度升高。因此，可以通过调节压缩机的工作频率来改变制冷量的大小，调节空调房间的温度[3]。

方法三：调节送风机的转速

在空气处理系统中通过改变送风机的转速来调节空调房间的温度。当送风机的转速增大时，房间的送风量增加；当送风机的转速减小时，则房间的送风量相应减少。本方法效率高，温度相应速度快，是空调控制中常用的方法之一。

方法四：调节风门的开度

在空气处理系统中改变风门的开度可以调节空调房间的温度。一般情况下，新风阀和排风阀的开度不易过大调节。当空调房间需要的冷量增大时，可以增大回风阀的开度。当空调房间需要的冷量减小时，可以减小回风阀的开度。需要注意调节风量直接影响空气的清洁度，回风量越大，空气的清洁度越差。因此，需要谨慎调节。

为了达到理想的控制效果，通常选择以上四种方案中的两种以上混合控制。本系统控制方案选用方法一和方法三相结合的双闭环控制。基于PID控制算法建立内环和外环温度闭环控制系统。利用PLC中的PID模块对供水阀进行参数整定。然后再次利用PLC中的PID模块对送风机进行参数整定。最后将两个单闭环系统整合为双闭环系统，经手动调节确定准确地参数值，得到稳定的温度控制系统。

4 硬件设计

中央空调控制系统的硬件主要包括PLC控制器、温湿度传感器、流量传感器、送风机、风门执行器、差压开关、水泵、电磁阀等。本系统选择西门子S7-200 SMART PLC作为主控制器。PLC控制器采集系统中的各类传感器信号，通过上位机力控组态软件显示采集值。同时，各参数值经PLC运算后输出控制信号驱动电磁阀和送风机动作，实现空调房间的恒温控制。

硬件选型：根据系统监控状态点的数量和类型确定PLC及各模块的型号。系统的监控状态点如表1所示。

表1 中央空调系统监控点及I/O分配表

如表1所示，中央空调制冷系统的监控状态点AI是12个点，DI是2个点，DO是4个点，AO是4个点。

PLC选型的原则是根据系统的功能和容量进行选型，考虑设备的经济性，备件的通用性，维护是否方便，以及是否易于扩展和有无特殊功能等要求。根据系统要求，查资料选型如表2所示。

表2 系统硬件选型表

经过对比选择西门子S7-200 SMART PLC作为控制器，外接3个西门子模拟量输入模块EMAE04和2个西门子模拟量输出模块EMAQ02，将各个模拟量输入模块和模拟量输出模块与PLC组态。

5 软件设计

根据系统要求建立双闭环温度控制系统。通过PLC将设定好的空调房间温度与空调房间内的温度传感器实时采集回的数据进行比较，利用PID算法输出控制信号调节供水阀的开度和送风机的转速。其中PLC的主程序完成系统的初始化、控制算法以及数据处理等功能。子程序实现数据采集等功能。软件的数据采集子程序如图2所示。

以温度传感器为例，测量的温度范围是0-50℃，输出范围是4-20mA。A/D转换的函数关系A=f(D)可以表示为方程：A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。转换后代入，即A0=4，Am=20，D0=5530，Dm=27648，代入公式，得出：A(=D-5530)×(20-4)/(27648-5530)+4假设输入的新值为13800时，相应的模拟电信号是8270×16/22118+4=10mA。

6 人机交互界面

S7-200 SMART PLC采用485通讯线与上位机连接，上位机监控选用力控组态软件。力控组态软件具有强大的界面显示组态功能和良好的开放性。丰富的功能模块可以完成实时监控，产生功能报表，显示实时曲线和历史曲线同时可实现提醒和报警等功能，使系统具有良好的人机交互界面，易于操作。本系统共设计了三个组态画面，分别是新风处理机组控制、制冷（制热）机组控制、空气处理机组控制。通过对三个画面的监控可以实现空调房间温度的有效控制，满足人们的生活需求。

图3 主程序流程图

7 结束语

本文基于西门子S7-200 SMART PLC对中央空调控制系统实现了硬件和软件设计。本文阐述了四种温度控制方法，按照最优的控制方案进行设计。详细介绍了系统硬件选型，以及软件设计的控制算法。按照本设计方案改造了现有的中央空调实验装置，并对整个系统进行了测试。结果表明，改造后的实验装置提高了空调房间温度相应的速度，不仅达到了节约能源的目的，而且具有结构简单，性能可靠，人机界面友好等特点[4]。