以PLC为基础的中央空调控制系统设计分析

何志锋

摘 要：主要分析了传统中央空调的冷冻泵和冷却泵不能实行自我调节负载而造成的能源浪费问题，使用更有效的PID控制算法和变频技术，重新设计了由变频器、PLC和数模转换模块等器件组成的温差闭环自动控制系统，使水泵的输出流量能够自动调节，以满足节约能源的要求。

关键词：中央空调；S7-1200PLC；变频器；PID

中图分类号：TB657.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.020

随着我国经济的不断增长，工程建设项目越来越多，规模也越来越大，因此，中央空调系统得到了广泛的应用。但是，在传统中央空调系统运行过程中，由于设计不合理等原因，系统能耗一直处在过高的状态，不利于电网和机电设备的安全运行，而如何降低其运行能耗则成为了现阶段急需解决的问题。

1 S7-1200PLC的特点

S7-1200PLC是西门子公司替代S7-200PLC的产品。该控制器将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置PROFINET接口、高速运动控制I/O、板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中，从而形成功能强大的控制器。控制器使用灵活、功能强大、设计紧凑、组态灵活，具有功能强大的指令集，这些优势使它成为了自动化应用中的完美方案。同时，这些优势决定了S7-1200PLC具有强大的分布式网络控制、计数、测量、PID闭环控制和运动控制等功能，特别是它的以太网通信功能，是西门子S7系列其他产品所没有的，它的存在顺应了工业信息化和高度自动化的发展要求。

2 中央空调控制系统的设计

2.1 控制回路

根据节能的需要，中央空调冷冻水变流量控制回路设计如图1所示。

某小型超市的中央空调控制系统是以温差来调节的闭环控制系统。它可以完成控制冷冻泵的流量、流速的任务，从而达到控制房间温度和其他参数的目的。

2.2 控制系统的组成

温度的设定是由上位机根据工作要求通过CSM1277以太网交换机给出的。其中，温度调节器采用的是S7-1200PLC（CPU1214C，1个）；执行元件是由1个西门子MM440变频器、3台异步电动机、2台冷冻机主机、6台冷冻水水泵（3用3备用，每台功率为22 kW）和盘管组成的；进出水的温度是由2个PT100温度传感器检测的；西门子SM1231模拟量输入、输出模块完成盘管后端温度模拟量的A/D转换，SM1234模拟量输入、输出模块将数字量转换为模拟量，并将PLC根据温差确定的频率值传送至MM440变频器，从而控制异步电动机实现调速；RS-485串行口主要用以在组态中的精简面板显示变频器的工作状态。上位机主要有两个作用，即设定空调的工作温度，监视现场设备的工作状态。

2.3 中央空调变频原理

在中央空调水系统中，最主要的运行设备是水泵。由水泵学比例定律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由此可见，当降低转速时，功率的减少量远比流量的减少量大得多。因此，控制水泵的转速可以有效地控制水泵的消耗功率，这就是中央空调系统高效节能的理论基础。要控制水泵的转速就必须控制异步电动机的转速，异步电机的实际转速为：

式（1）中：n为电动机实际转速；n0为电动机的同步转速；s为步电动机的转差率；f为电动机电源的频率；p为电动机定子绕组的磁对数。

由式（1）可知，改变参数f，s中的任意一个，就可以改变电动机的转速，即实现对异步电动机的调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。

2.4 PID调节

PID调节不需要建立系统的数学模型就可以实现系统的调节，因此，它被广泛应用。PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差e（t）的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量。PID调节规律为：

式（2）中：e（t）=r（t）-c（t）. 其中，KP为控制器的比例数，取值20%～60%；TI为积分时间常数，取值180～600 s；e（t）为控制器的输入信号；TD为微分时间常数，取值3～180 s。这些取值都是经验性的，而且各参数的预置也是相辅相成的。

PID参数的工程整定方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。3种方法各有其特点，其共同点是都要经过试验，然后按照工程经验公式整定控制器参数。工程上，一般采用的是临界比例法。

在整定参数时，应根据实际情况作细调——当被控物理量在目标值附近振荡时，应先加大积分时间I，如果仍有振荡，则可以适当减小比例增益P. 当被控物理量在发生变化后难以恢复时，应先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，则可以适当缩短积分时间I，同时，还可加大微分时间D.

中央空调冷冻水温度PID控制采用S7-1200PLC工艺对象模块中的PID来实现。其组态画面简单、明了，如图2所示，比S7-200PLC组态画面更加友好，参数和状态的组态都很方便。

3 系统软件的设计

上位机软件设计是按照C/S结构完成的，其中，OPC服务器的开发是最关键的。

3.1 上位机监控软件

上位机软件的主要任务是设定和监视中央空调现场设备的运行状态，设计客户端和OPC服务器等软件，并采用C#开发，其软件开发的接口一般选与西门子PLC相匹配的OPCSiemens

DAAutOmation类。该软件还有与照明、配电、消防等系统的通讯接口，可以实时监控这些设备的运行情况，及时调整耗电设备的运行参数，定时记录运行数据，为进一步作能源分析和管理提供原始数据。

3.2 下位机软件设计

下位机软件的主要任务是控制空调系统中的各设备，具体可将其分为冷冻机房变频控制系统和空调机房控制系统的程序设计。空调机房的PLC程序设计又可分为AHU单元PLC控制和水循环PLC控制的设计。PLC主程序流程如图3所示。

4 上位机与下位机软件接口的实现

在空调控制系统中，上位机PC和下位机S7-1200PLC是通过RJ45网络硬件接口实现以太网通信的，上位机和下位机软件通信采用OPC技术标准。OPC标准为Windows应用程序和现场过程控制设备程序之间建立了桥梁。由于COM与语言、操作系统无关，所以，在实现接口时，不需要特定的语言和操作系统，只要按照COM规范开发即可。DCOM是COM的扩展，COM支持在局域网、广域网甚至Internet上不同计算机的对象之间的通讯，它提供了定制接口和自动化接口。

在工程实现的过程中，可利用Net平台将OPC技术与以太网技术融合起来，有效地解决了上位机和下位机因软件接口不同而导致的不能通信的问题，进而实现空调控制系统的信息化和自动化。

5 结束语

由上文可知，改造和调试原来的中央空调系统后，空调控制系统运行稳定。经过技术改造后，该空调每日耗电量下降了约32.6%，节能效果十分突出，空调系统的信息化水平和自动化水平得到了明显的提高，而且还同时缩短了项目周期，为企业节约了成本，创造了更好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]王小科，李继业.C#开发宝典[M].北京：机械工业出版社，2010.

〔编辑：白洁〕