廣東省科技職業(yè)技術(shù)學(xué)校 吳壯勇

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平得到進(jìn)一步的提高，對(duì)建筑物室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高。中央空調(diào)系統(tǒng)是建筑物的重要組成部分，具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效改善辦公建筑內(nèi)部的空氣環(huán)境，并防止空調(diào)病的發(fā)生。目前，許多傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水普遍采用定流量控制，致使系統(tǒng)的運(yùn)行參量偏離空調(diào)的最佳工作狀態(tài)，主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率大大降低，導(dǎo)致系統(tǒng)無效損耗問題愈加嚴(yán)重。而將S7-1200PLC控制器應(yīng)用到冷凍水變流量控制系統(tǒng)中，并采用PID控制算法和變頻調(diào)速來控制好壓差等技術(shù)參數(shù)，可以有效實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的恒溫控制，大大降低空調(diào)系統(tǒng)的電能損耗。本文通過探討S7-1200PLC在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用，希望對(duì)建筑物空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化工作有所幫助。

1.S7-1200PLC特點(diǎn)闡述

根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)無效能耗高達(dá)30%，造成該現(xiàn)象的原因在于冷凍水控制時(shí)選擇定流量方法，致使中央空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性得不到重視，加上具體負(fù)荷會(huì)跟隨環(huán)境以及運(yùn)行臺(tái)數(shù)發(fā)生變化，由此對(duì)機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率造成影響，使其呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。另外，空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)期在設(shè)定額定狀態(tài)中運(yùn)轉(zhuǎn)，能耗一直維持在設(shè)計(jì)最大值情況中，但是負(fù)載卻呈現(xiàn)過能量工作現(xiàn)象，因此，工頻情況中啟動(dòng)或關(guān)閉大功率的風(fēng)機(jī)以及水泵時(shí)，可對(duì)電流造成巨大的沖擊，不僅耗損大量能源，并且還破會(huì)機(jī)電與電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

所以，在冷凍水變流量控制系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用S7-1200PLC，并且采取變頻調(diào)速以及PID控制算法，一方面可以對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行有效的控制，另一方面還能夠達(dá)到優(yōu)化空調(diào)設(shè)備啟停的效果，進(jìn)而促使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行保持節(jié)能與高效，達(dá)到恒溫控制的地步。

S7-1200PLC是由西門子公司研發(fā)，問世后馬上取代S7-200PLC，其可以有效把內(nèi)置PROFINET接口、集成電源、板載模擬量輸入、高速運(yùn)動(dòng)控制I/O、微處理器以及輸入和輸出電路六者聚集到外殼中，由此產(chǎn)生一個(gè)具有極高功能的控制器。S7-1200PLC的優(yōu)點(diǎn)為功能大、組態(tài)與使用非常靈活、設(shè)計(jì)緊湊以及指令集功能強(qiáng)，其各方面優(yōu)點(diǎn)相互結(jié)合致使其被廣泛運(yùn)用在自動(dòng)化解決中，同時(shí)還直接決定該控制器的功能為運(yùn)動(dòng)控制、分布式網(wǎng)絡(luò)控制以及PID閉環(huán)控制等，尤其是S7-1200PLC功能當(dāng)中的以太網(wǎng)通信功能，不僅與工業(yè)信息化以及高度自動(dòng)化發(fā)展要求相互適應(yīng)，并且還使S7-1200PLC與是西門子S7系列當(dāng)中的產(chǎn)品存在差異。

2.中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 控制控制回路設(shè)計(jì)

中央空調(diào)冷凍水變流量控制當(dāng)中的控制回路在設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)節(jié)能要求進(jìn)行詳細(xì)的分析，具體回路設(shè)計(jì)成圖如圖1所示。

本市某規(guī)模較小的超市當(dāng)中中央空調(diào)控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)方式為溫差方式，不僅冷凍泵當(dāng)中的流速與流量得到有效的控制，同時(shí)房間溫度以及其他參數(shù)也被控制。

2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)容

上位機(jī)按照工作需要，采取CSM1277以太網(wǎng)交換機(jī)給出的方式對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定，其中溫度調(diào)節(jié)器主要為S7-1200PLC系統(tǒng)，執(zhí)行元件分為5個(gè)部分，分別為3臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)、6臺(tái)冷凍水水泵、1個(gè)西門子MM440變頻器、2臺(tái)冷凍機(jī)主機(jī)以及盤管。其中進(jìn)出水溫度主要使用2個(gè)PT100溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，并且把PLC按照溫度差確認(rèn)的頻率值傳送到MM440變頻器內(nèi)，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的控制，從而調(diào)整速度，而RS-485串行口的作用在于使用在組態(tài)內(nèi)精簡(jiǎn)面板，將變頻器的工作狀態(tài)顯示出來。所以上位機(jī)的作用有兩個(gè)，分別為：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視以及科學(xué)設(shè)定空調(diào)工作溫度?？刂葡到y(tǒng)電氣原理內(nèi)容具體如圖2所示。

圖1 冷凍水變流量控制回路

圖2 中央空調(diào)冷凍水循環(huán)控制系統(tǒng)主回路電氣連接示意圖

2.3 中央空調(diào)變頻原理闡述

中央空調(diào)水系統(tǒng)全部運(yùn)行設(shè)備中，水泵是其不可缺乏的一個(gè)設(shè)備。對(duì)水泵學(xué)比例定律進(jìn)行詳細(xì)的分析可以知道，在水泵內(nèi)，水泵轉(zhuǎn)速存在差異時(shí)，水流量和轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速平方以及軸功率與轉(zhuǎn)速立方這三者內(nèi)的關(guān)系均顯示為正比例關(guān)系，因此可以知道，若轉(zhuǎn)速降低，功率降低程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量降低程度。所以，通過對(duì)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的控制能夠在一定程度上降低水泵功率的消耗情況，上述內(nèi)容為中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能理論基礎(chǔ)內(nèi)容所在。因此對(duì)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，應(yīng)該先對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開展控制，而異步電機(jī)具體轉(zhuǎn)速可以通過以下方式計(jì)算獲?。?/p>

上述公式內(nèi)，s主要表示異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，而n主要表示電動(dòng)機(jī)具體轉(zhuǎn)速。

詳細(xì)對(duì)公式進(jìn)行分析可以知道，參數(shù)當(dāng)中的f與s其中一個(gè)發(fā)生改變便可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，換個(gè)說法也就是控制異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。所以，相關(guān)工作人員可以適當(dāng)更改電源頻率，進(jìn)而控制異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

2.4 中央空調(diào)控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)分析

PID調(diào)節(jié)因?yàn)槟軌蛑苯訉?duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不需要構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模式，由此被大范圍使用。PID調(diào)節(jié)器屬于線性調(diào)節(jié)器當(dāng)中的一種，其采取線性組成方式，科學(xué)把積分(I)、給定值r(t)和實(shí)際輸出值c(t)兩者偏差e(t)的比例(P)以及微分(D)三者組成控制量，PID調(diào)節(jié)規(guī)律具體可見下面的公式：

上述公式中，e(t)＝r(t)-c(t)，當(dāng)中KP一般為20～60%，積分時(shí)間常數(shù)通常為180～600s，微分時(shí)間常數(shù)一般主要取3～180s；上述取值均具備經(jīng)驗(yàn)性，并且每個(gè)參數(shù)的預(yù)置呈現(xiàn)相輔相成的關(guān)系。

PID參數(shù)工程整定方法由衰減法、反應(yīng)曲線法以及臨界比例法三者組成，每種方法均具備自身特點(diǎn)，并且需要進(jìn)行試驗(yàn)，再根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)公式整定控制器的參數(shù)，工程當(dāng)中臨界比例法使用范圍較大。對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定過程中，需要以實(shí)際情況為出發(fā)點(diǎn)開展下面細(xì)調(diào)：被控物理量與目標(biāo)值相差不大時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)擴(kuò)大積分時(shí)間，若振蕩現(xiàn)象還存在，可以合理調(diào)整比例增益。被控物理量更改后恢復(fù)難度大，應(yīng)該先將比例增益適當(dāng)擴(kuò)大，若恢復(fù)速度不快，可以將積分時(shí)間降低或者增加微分時(shí)間。

中央空調(diào)冷凍水溫度PID控制主要選擇S7-1200PLC技術(shù)對(duì)象模塊內(nèi)的PID進(jìn)行控制，其具備一個(gè)非常簡(jiǎn)單的組態(tài)畫面，與S7-200PLC組態(tài)畫面進(jìn)行對(duì)比，效果更加理想，狀態(tài)以及參數(shù)兩者的組態(tài)均非常方便。上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC程序工作流程具體內(nèi)容如圖3所示。

圖3 上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC程序工作流程

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容分析

對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要根據(jù)C/S結(jié)構(gòu)具體內(nèi)容開展，而OPC服務(wù)器開發(fā)屬于重要內(nèi)容所在。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)軟件的作用在于科學(xué)設(shè)定與監(jiān)視中央空調(diào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)OPC服務(wù)器以及客戶端等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般主要采取C#開發(fā)方式。其軟件開發(fā)接口通常選項(xiàng)和OPCSiemensDAAutomation類，此外，其還具備消防、配電以及照明等系統(tǒng)通訊接口，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且適當(dāng)調(diào)整耗電設(shè)備的參數(shù)，按期詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)，為能源的分析與管理提供大量參考依據(jù)。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的作用在于現(xiàn)場(chǎng)控制空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備，根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，其可以被劃分為空調(diào)機(jī)房控制系統(tǒng)以及冷凍機(jī)房變頻控制系統(tǒng)兩個(gè)部分的程序設(shè)計(jì)，其中空調(diào)機(jī)房PLC程序設(shè)計(jì)還能夠被劃分為水循環(huán)PLC控制以及AHU單元PLC控制兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)。

4.上位機(jī)與下位機(jī)S7-1200PLC軟件接口的實(shí)現(xiàn)

空調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)的上位機(jī)PC以及下位機(jī)S7-1200PLC主要采取RJ45網(wǎng)絡(luò)硬件接口方式來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，并且上位機(jī)與下位機(jī)軟件通信均使用OPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镃OM和操作系統(tǒng)以及語言沒有關(guān)聯(lián)，因此實(shí)現(xiàn)時(shí)僅僅需要根據(jù)COM規(guī)范進(jìn)行開發(fā)。DCOM屬于COM的擴(kuò)展，可以致使COM支持在Internet、廣域網(wǎng)以及局域網(wǎng)內(nèi)各計(jì)算機(jī)對(duì)象相互取得通訊，其在實(shí)現(xiàn)過程中主要提供自動(dòng)化接口以及定制接口。

工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以采取以太網(wǎng)技術(shù)與OPC技術(shù)通過的方式。有機(jī)融合Net平臺(tái)，可以致使位機(jī)與下位機(jī)由于軟件接口差異造成無法通信狀況得到有效的處理，進(jìn)而使空調(diào)控制系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化與信息化的效果。

5.結(jié)束語

由上可知，中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行不僅間接對(duì)系統(tǒng)耗電量造成影響，同時(shí)還對(duì)大氣環(huán)境造成影響。所以，采取有效的措施減少中央空調(diào)系統(tǒng)耗電量是目前技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。本文中的工程使用S7-1200PLC構(gòu)成空調(diào)控制系統(tǒng)，運(yùn)轉(zhuǎn)非常穩(wěn)定，并且進(jìn)行優(yōu)化后，空調(diào)耗電量有所降低，節(jié)能效果顯著，值得各大企業(yè)借鑒。