李 惟，許宏科

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710062）

近些年來我國各地城市基礎(chǔ)建設(shè)取得了巨大的成就，各種商業(yè)、民用高層大廈不斷涌現(xiàn)。北方城市的冬冷夏熱，已經(jīng)非常接近過去南方城市的氣候特征。作為現(xiàn)代城市智能高層住宅，冬天供暖、夏天供冷尤為必要。基于我國乃至世界范圍的國家能源形勢十分嚴(yán)峻，隨著供熱產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展及其規(guī)模的增大，要實現(xiàn)供暖系統(tǒng)的高效、低碳、清潔、節(jié)能，只依靠建筑結(jié)構(gòu)本身的節(jié)能還不夠，供熱系統(tǒng)的優(yōu)化、節(jié)能顯得十分重要。由于我國國情和供熱的具體方式等與其他國家不同，相關(guān)課題研究必須依據(jù)我國實際能源情況[1]。目前我國的供熱管網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)優(yōu)選和供熱系統(tǒng)在技術(shù)層面上已經(jīng)有所保證，但大多數(shù)地區(qū)集中供熱系統(tǒng)仍存在以下問題：夏季無供冷；缺少全面的參數(shù)實時測量手段，系統(tǒng)工況失調(diào)難以消除，造成用戶冷熱不均；故障發(fā)生時，不能及時診斷報警，影響系統(tǒng)可靠運行。

文中基于西門子S7-300PLC控制器，仿真實現(xiàn)對一個高層住宅的供冷暖系統(tǒng)的控制，完成冬季制熱、夏季制冷智能化控制任務(wù)。系統(tǒng)可靠地實現(xiàn)了開機(jī)時手動/自動兩種模式定義水井，對每臺井進(jìn)行上限位檢測，水泵按順序軟啟動。本位控制系統(tǒng)根據(jù)積水器采集的溫度與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，控制主機(jī)的啟動臺數(shù)，并且對每臺主機(jī)的運行時間進(jìn)行監(jiān)測。

1 供冷暖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of the control system

工控機(jī)的主要作用是運行后臺軟件，以及監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行和對系統(tǒng)的控制，并利用WinCC來實時顯示現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時利用得到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對系統(tǒng)做出相應(yīng)的控制。UPS即不斷電系統(tǒng)，它是一種以逆變器為主要組成部分的并且含有儲能裝置的恒壓恒頻的不間斷電源[2]，用于緊急情況為工控機(jī)和PLC提供不間斷的電源。PLC是整個系統(tǒng)的控制核心，高區(qū)和低區(qū)的控制主要是完成3臺機(jī)組的開啟與關(guān)閉，電機(jī)的順序開啟與停止。潛水泵的控制主要是完成從水井里取出系統(tǒng)所需要的水源。傳感器的主要作用是檢測現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)，并和PLC，WinCC建立連接通信，把檢測到的數(shù)據(jù)送到PLC和WinCC進(jìn)行實時顯示。

2 供冷暖系統(tǒng)的控制流程

供冷暖系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 System control flow

初始化部分主要是對系統(tǒng)當(dāng)中所有電動閥門，傳感器進(jìn)行復(fù)位，對通信進(jìn)行初始化設(shè)置，參數(shù)初始化，對系統(tǒng)地制冷制熱進(jìn)行初始化，溫度的初始化設(shè)置。電動閥門包括26口水井上的26個電動閥門和控制回灌水的4個電動閥門，初始化制冷制熱主要是根據(jù)手動設(shè)置的制冷制熱，確定機(jī)器的制冷制熱模式。初始化溫度設(shè)置包括初始化末端回水的控制溫度，初始化集水器的基準(zhǔn)溫度。

初始顯示部分包括水溫顯示、電動閥門狀態(tài)顯示、壓力傳感器顯示、所有水泵狀態(tài)顯示、水流量傳感器狀態(tài)顯示、電子水處理儀狀態(tài)顯示、消防水池水位顯示、水井狀態(tài)顯示。

進(jìn)入取水環(huán)節(jié)之后，對消防水池的水溫水位進(jìn)行實時的監(jiān)控，同時根據(jù)采集到的現(xiàn)場的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。若水池水位低于補(bǔ)水的設(shè)定水位值則開啟潛水泵進(jìn)行補(bǔ)水，并同時判斷水位是否達(dá)到補(bǔ)水設(shè)定值的上限，若達(dá)到則關(guān)閉潛水泵，繼續(xù)對消防水池水位進(jìn)行實時監(jiān)測，若沒有則保持潛水泵的開啟狀態(tài)直到達(dá)到補(bǔ)水上限設(shè)定值為止。

在滿足水池水位不低于水池水位要求的下限，同時水池水溫不高于水池水溫的上限且不低于水池水溫的下限，此時開啟空調(diào)循環(huán)水泵。對于循環(huán)水泵的開啟要求高區(qū)30 KW的九臺水泵按要求順序進(jìn)行啟動，并且每臺泵都進(jìn)行軟啟動。75 KW泵一臺變頻啟動，兩臺軟啟動。低區(qū)30 KW的九臺水泵按要求順序進(jìn)行啟動，并且每臺泵都進(jìn)行軟啟，55 KW泵一臺變頻啟動，兩臺軟啟動。開啟所有的循環(huán)水泵之后檢測循環(huán)水泵的后壓力表讀數(shù)是否正常，若循環(huán)水泵的后壓力表讀數(shù)不正常則開啟補(bǔ)水泵進(jìn)行補(bǔ)水，直到壓力讀數(shù)正常為止，若循環(huán)水泵后壓力表讀數(shù)正常，則開啟計時器進(jìn)行延時，延時若干時間后檢測分水器流量計讀數(shù)是否正常，若正常則在延時若干時間，時間到了之后檢測集水器流量計讀數(shù)是否正常，若集水器流量計讀數(shù)正常則進(jìn)行下一步操作。

機(jī)組的開啟及關(guān)閉部分：本系統(tǒng)分為高區(qū)和低區(qū)，高低區(qū)分別有3臺機(jī)組，二者的控制只是控制的對象不一樣，只介紹高區(qū)的控制。系統(tǒng)首先要根據(jù)人為設(shè)定的數(shù)值，從而得出溫差及需求并判定出需要開啟的機(jī)組數(shù)，確定系統(tǒng)是制熱還是制冷，并確定需要開啟的機(jī)組[3]。然后就是根據(jù)是制冷還是制熱開啟需要開的機(jī)組前的相應(yīng)水泵，此時需注意，每臺熱交換機(jī)組前都有相應(yīng)的冷卻水泵和冷凍水泵，并且制冷和制熱的開啟熱交換機(jī)組前冷卻水泵和冷凍水泵的順序是不同的，若是制冷則先開啟需要開啟的主機(jī)組前的冷凍水泵，然后是延時判斷相應(yīng)的溫度傳感器和流量傳感器讀數(shù)是否正常，若不正常則關(guān)閉水池水泵，并報警請求人工處理。若是正常則執(zhí)行后面的操作，包括開啟電子水處理儀，開啟水池水泵。這些設(shè)備都開啟之后再開啟相應(yīng)機(jī)組前的冷卻水泵，所有的這些設(shè)備都開啟之后進(jìn)行機(jī)組的開啟。若是制熱，則先開啟需要開啟的機(jī)組前的冷卻水泵，然后是開啟電子水處理儀，開啟水池水泵。相應(yīng)的冷卻水泵、電子水處理儀和水池水泵都開啟之后進(jìn)行延時，延時過后判斷相應(yīng)的溫度傳感器和流量傳感器讀數(shù)是否正常，若不正常則關(guān)閉水池水泵并報警請求人工處理，若正常則開啟需要開啟的機(jī)組前的冷凍水泵。機(jī)組前的所有設(shè)備都開啟之后打開需要開啟的機(jī)組。若在開啟機(jī)組前某臺設(shè)備故障，則報警請求人工處理。

機(jī)組開啟之后對機(jī)組進(jìn)行計時記錄機(jī)組的開啟時間，因為控制要求是啟動主機(jī)為運行時間最短的主機(jī)，關(guān)閉停止運行時間最長的主機(jī)。對末端的回水溫度進(jìn)行實時的監(jiān)控，并根據(jù)末端的回水溫度判斷是否需要開啟或者是關(guān)閉機(jī)組。當(dāng)需要開啟機(jī)組時，先開啟相應(yīng)機(jī)組前的冷卻水泵，再開啟冷凍水泵，最后是開啟機(jī)組。需要關(guān)閉機(jī)組時，先關(guān)閉相應(yīng)的機(jī)組，然后是關(guān)閉相應(yīng)的冷凍水泵，最后是相應(yīng)的冷卻水泵。既不需要開啟也不需要關(guān)閉時，不動作。

此環(huán)節(jié)主要是根據(jù)回水溫度來判斷水會灌到哪里，此環(huán)節(jié)對末端的回水溫度進(jìn)行實時的監(jiān)控，若回水溫度不高，則判斷水池水位是否滿足回灌，若水池水位滿足回灌則開啟控制水池側(cè)的電動閥門，關(guān)閉控制水井側(cè)的電動閥門，水流回灌到消防水池。若水池水位不滿足回灌則開啟控制水井側(cè)的電動閥門，關(guān)閉控制水池側(cè)的電動閥門，水流回灌到水井[4]。若末端回水溫度過高，則判斷水池水位是否滿足高溫水回灌，若不滿足則開啟控制水井側(cè)的電動閥門，關(guān)閉控制水池測的電動閥門，高溫水回灌水井。同時判斷末端回水溫度是否恢復(fù)正常，若不正常則繼續(xù)回灌到水井，若恢復(fù)到正常水溫則開啟控制水池側(cè)的電動閥門，關(guān)閉控制水井側(cè)的電動閥門。若果末端回水溫度過高并且水池水位滿足高溫水回灌，但是水池水溫不滿足高溫水回灌，此時開啟控制水井側(cè)的電動閥門，關(guān)閉水池側(cè)的電動閥門，高溫水回灌到水井，同時判斷末端回水溫度是否恢復(fù)正常，若沒恢復(fù)正常則繼續(xù)把水回灌到水井，若恢復(fù)正常則開啟控制水池側(cè)的電動閥門，關(guān)閉控制水井側(cè)的電動閥門。若末端回水溫度過高，并且水池水位水溫都滿足高溫水回灌，則開啟控制水池側(cè)的電動閥門，關(guān)閉控制水井側(cè)的電動閥門，高溫水回灌消防水池。同時判斷末端回水溫度是否恢復(fù)正常，若沒有恢復(fù)正常則繼續(xù)回灌到消防水池，若恢復(fù)到正常則繼續(xù)檢測末端回水溫度直到有變化做出相應(yīng)的改變[5]。

補(bǔ)水的控制部分，系統(tǒng)對循環(huán)管路中的水壓進(jìn)行實時的監(jiān)控，根據(jù)壓力傳感器提供的讀數(shù)判斷循環(huán)管路中的壓力讀數(shù)是否正常，從而判定系統(tǒng)是否需要補(bǔ)水。系統(tǒng)不需要補(bǔ)水則無動作。若系統(tǒng)需要補(bǔ)水，則需要先判斷軟化水箱水位是否達(dá)到補(bǔ)水的要求，若軟化水箱水位沒有達(dá)到補(bǔ)水要求則補(bǔ)水泵不動作，但是需要提示給軟化水箱補(bǔ)水。若軟化水箱水位達(dá)到補(bǔ)水要求則開啟補(bǔ)水泵進(jìn)行補(bǔ)水，同時判斷系統(tǒng)是否還需要繼續(xù)補(bǔ)水，若還需要則繼續(xù)補(bǔ)水，若系統(tǒng)不再需要則關(guān)閉補(bǔ)水泵停止補(bǔ)水，并繼續(xù)實時檢測系統(tǒng)是否需要補(bǔ)水。

系統(tǒng)停止控制部分：當(dāng)需要停止系統(tǒng)時，按下停止系統(tǒng)按鍵，若此時系統(tǒng)是在制熱，則先停止水源熱泵機(jī)組，等到條件滿足之后關(guān)閉相應(yīng)的冷卻水泵，若條件不滿足則等待，直到條件滿足之后再關(guān)閉相應(yīng)的水源熱泵機(jī)組前的冷卻水泵[6]。冷卻水循環(huán)水泵關(guān)閉之后停止水池循環(huán)水泵，然后是停止機(jī)組前的相應(yīng)的冷凍水循環(huán)水泵，在之后是關(guān)閉電子水處理儀、所有水泵和所有電動閥門。若需要停止時系統(tǒng)正在制冷，則先關(guān)閉水源熱泵機(jī)組，等待條件滿足之后關(guān)閉冷卻水循環(huán)水泵，冷卻水循環(huán)水泵關(guān)閉之后關(guān)閉空調(diào)循環(huán)水泵，再是停止冷凍水循環(huán)水泵停止水池循環(huán)水泵，最后關(guān)閉電子水處理儀、所有水泵和所有電動閥門。

3 人機(jī)界面的設(shè)計

WinCC是一款工業(yè)控制組態(tài)軟件，由于本界面的設(shè)計要求是包括對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制的[7]，下面以一個水泵的開啟與關(guān)閉為例，介紹一下如何通過所設(shè)計的界面來控制現(xiàn)場設(shè)備的[8]。首先我們先建立一個外部變量取名為OPEN，選擇它的變量連接參數(shù)為Q0.0，Q0.0控制泵的啟停，Q0.0為0時泵關(guān)閉，為1時泵開啟。然后在一個空白的界面上選擇一個水泵，放到界面上，右鍵單擊選擇屬性選項，選擇事件后單擊鼠標(biāo)選項，選擇按下，右鍵單擊后面的動作標(biāo)志，選擇C動作，會出現(xiàn)如圖3所示的對話框。

圖3 編輯動作對話框圖Fig.3 Edit Action dialog

把程序段SetTagBit("open",!GetTagBit("open"))寫到圖3所示的對話框當(dāng)中，點擊確定，就完成了。鼠標(biāo)點一次泵，則OPEN變量的值取反一次，從而可以控制泵的開啟與關(guān)閉，然后泵的顏色可以連接變量OPEN通過顏色變化來顯示泵的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)主要完成了實現(xiàn)了對高層住宅供冷暖系統(tǒng)的研究。完成了對3大控制對象：水源、高區(qū)、低區(qū)的控制。在保證了夏天制冷、冬天制熱的同時，系統(tǒng)采用了工業(yè)上常用的串級閉環(huán)控制系統(tǒng)，出水端和回水端均可對系統(tǒng)形成反饋，從而提高了供暖效率。

[1]林艷.集中供熱網(wǎng)智能控制方法的研究[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2003.

[2]李麗.集中供熱系統(tǒng)的研究與優(yōu)化[D].河北：華北電力大學(xué),2008.

[3]黃文，管昌生.城市集中供熱研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].國外建材科技，2004，25（5）：78-80.HUANGWen，GUAN Chang-sheng.Central heating situation and development trend of urban[J].Overseas Building Materials Technology,2004,25(5):78-80.

[4]Hakimi SM.Smart heating system control strategy to enhance comfort and increase renewable energy penetration[J].Intelligent Energy Systems （IWIES），2013:191-196.

[5]Jassar S，Liao Z，Sharma T.Inferential control-an advanced con-trol strategy to save energy in residential heating systems[J].Electrical Power and Energy Conference（EPEC），2012:243-248.

[6]漆漢宏.PLC電氣控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[7]王猛，楊歡.PLC編程與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

[8]莊宿國，羅鵬，侯寧濤，等.基于Pro/E平臺的誘導(dǎo)輪參數(shù)化造型軟件開發(fā)[J].火箭推進(jìn) ，2014（3）：68-72.ZHUANGSu-guo，LUOPeng，HOUNing-tao，et al.Parametrization sculpting software development for inducer based on Pro/E[J].Journal of Rocket Propulsion,2014（3）：68-72.