成慧翔， 馬艷娥， 劉 攀， 趙曉艷， 那少陽

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

1 概述

空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)是智慧建筑的重要組成部分，隨著科技的發(fā)展， 基于PLC 控制的高效率和高精準(zhǔn)的自動(dòng)化生產(chǎn)方式因其高抗干擾能力及良好的穩(wěn)定性而彰顯優(yōu)勢(shì)， 而基于PLC 的組合式空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)成為現(xiàn)代高層建筑解決問題的重要手段[1]。 此外，自動(dòng)控制技術(shù)的理論研究也出現(xiàn)多樣化，實(shí)際應(yīng)用效果良好，且越來越廣泛。

本文圍繞組合式空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)的工藝和控制策略[2]，明確輸入和輸出及動(dòng)作流程，以S7-200PLC 為核心，對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并借助WinCC Flexcible 組態(tài)以達(dá)到實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、處理該系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的目標(biāo)。 該研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，既滿足對(duì)空氣質(zhì)量和溫度的調(diào)整，又降低了能耗節(jié)約環(huán)保。

2 智能組合式空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本方案中智能組合式空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)主要由空調(diào)主機(jī)、用戶風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組、控制器、變頻器等組成。其控制對(duì)象主要是冷水機(jī)組和熱水機(jī)組， 主要調(diào)節(jié)參數(shù)為溫度和風(fēng)量，通過PID 對(duì)溫度調(diào)節(jié)，用變頻器對(duì)變頻冷凍泵電機(jī)的工作電源進(jìn)行調(diào)頻，以實(shí)現(xiàn)更高效的控制。 冷凍泵采用3 臺(tái)，通過1 臺(tái)變頻器對(duì)冷凍泵進(jìn)行工頻和變頻控制。該系統(tǒng)中有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式供選擇。空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括新風(fēng)系統(tǒng)和中央空調(diào)系統(tǒng)，既可以使室內(nèi)溫度保持適中，又可以享受清新健康高質(zhì)量的空氣[3]。 二者結(jié)合可以提高生活舒適度、提高呼吸健康指數(shù)，還可以節(jié)約能耗。新風(fēng)系統(tǒng)是一種新式開放式通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。其基礎(chǔ)功能是排除室內(nèi)渾濁空氣并導(dǎo)入凈化后的室外空氣，送風(fēng)溫度取決于冷水電動(dòng)閥的開度， 主要構(gòu)件包括新風(fēng)機(jī)、管道配件和冷水電動(dòng)閥等。在室內(nèi)應(yīng)安裝溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器， 在冷熱水盤管出口處安裝防凍開關(guān)，經(jīng)檢測(cè)后傳送給PLC，經(jīng)數(shù)據(jù)處理然后判斷是否啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)，是否報(bào)警。

中央空調(diào)系統(tǒng)是由空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和冷熱源系統(tǒng)構(gòu)成，主要功能是制冷或制熱，將室內(nèi)外空氣混合，通過過濾、加濕、 液體汽化制冷原理冷卻等手段凈化空氣后送入室內(nèi)，回風(fēng)溫度取決于冷熱水電動(dòng)閥的開度，是由多個(gè)空氣處理功能段組裝而成[4]。 而制冷系統(tǒng)是該系統(tǒng)最重要的部分，該系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)啟停、新風(fēng)閥和點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥聯(lián)動(dòng)動(dòng)作[5]，現(xiàn)場(chǎng)需要采集的信號(hào)包括回風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)故障信號(hào)燈。 其中，制冷系統(tǒng)的種類、運(yùn)行方式、結(jié)構(gòu)形式等直接影響空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各性能指標(biāo)，如高效性、合理性、經(jīng)濟(jì)性等。

3 智能組合式空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

圖2 智能組合式空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)硬件接線圖

根據(jù)上述新風(fēng)系統(tǒng)整體方案的架構(gòu)及工藝要求，本系統(tǒng)中選擇的硬件包括PLC （S7-200 CPU226）、 變頻器（MM440）、 溫 度 傳 感 器 （PT100）、 模 擬 量 輸 入 模 塊（EM233）、全熱交換器（Z150THAB60）、室外機(jī)（MULTI-V SUPER II）等，其硬件接線圖如圖2 所示。

需要注意的是，在面積較大的區(qū)域，如商業(yè)、辦公等區(qū)域，一臺(tái)新風(fēng)設(shè)備無法滿足需求時(shí)可以進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。為了降低噪音的影響同時(shí)提高設(shè)備送風(fēng)效率， 一般需要按照最佳氣流形式， 設(shè)置新風(fēng)機(jī)房或者特殊的過道等位置，管路盡量簡(jiǎn)單。 室內(nèi)新風(fēng)可由風(fēng)機(jī)盤管與室內(nèi)回風(fēng)獨(dú)立送風(fēng)，也可混合后經(jīng)盤管冷卻或加熱后送風(fēng)，也可將新風(fēng)和風(fēng)機(jī)盤管的送風(fēng)并聯(lián)送出，也可混合后再送出[6]。

4 智能組合式空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

結(jié)合智能組合式空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)的控制要求，本設(shè)計(jì)采用PID 算法對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化， 當(dāng)系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)，先檢測(cè)制冷系統(tǒng)是否開始工作，若否，則系統(tǒng)停止運(yùn)行。當(dāng)檢測(cè)到制冷系統(tǒng)運(yùn)行后，冷卻塔風(fēng)機(jī)開始啟動(dòng)，隨之冷卻水泵也開始工作。若當(dāng)前水泵因故未啟動(dòng)，則啟動(dòng)備用水泵。當(dāng)冷卻機(jī)組開始工作時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)冷負(fù)荷是否滿足工作的要求，若滿足要求，系統(tǒng)正常工作；若不能承擔(dān)冷負(fù)荷，則啟動(dòng)2#空調(diào)制冷系統(tǒng)， 繼續(xù)判斷是都滿足要求， 以此類推。 此外，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，還需要注意以下問題[7]：

1） 確保供水壓差恒定。

2） 水泵啟動(dòng)需檢測(cè)是否故障，若是，則停機(jī)并啟動(dòng)備用泵。

3） 正確操作開關(guān)機(jī)順序。

開機(jī)順序： 冷卻水蝶閥—冷卻水泵—冷卻塔風(fēng)機(jī)—冷凍水蝶閥—冷卻塔風(fēng)機(jī)—冷卻水泵—冷卻水蝶閥。 關(guān)機(jī)順序： 冷凍機(jī)關(guān)閉—冷凍水泵—冷凍水蝶閥—冷卻塔風(fēng)機(jī)—冷卻水泵—冷卻水蝶閥。

4） 依據(jù)冷凍水溫度及末端負(fù)荷大小確定開機(jī)數(shù)量。若系統(tǒng)負(fù)荷大于單臺(tái)制冷機(jī)制冷量的90%， 則增加制冷機(jī)工作臺(tái)數(shù)； 若系統(tǒng)負(fù)荷小于兩臺(tái)制冷機(jī)制冷量的50%時(shí)，則減少制冷機(jī)工作臺(tái)數(shù)[8]。

5） 冷水泵需在冷水機(jī)組關(guān)閉1h 后停機(jī)，以提高冷源利用率。

6） 一次側(cè)供水溫度的調(diào)節(jié)取決于換熱器二次側(cè)的溫度，采用PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)。

7） 確保冷凍水供水壓力平衡。

5 智能組合式空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)可視化要求展現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行畫面，對(duì)組合式空調(diào)新風(fēng)控制系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)、 頻率輸出值等進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，本文采用WInCC Flexible 組態(tài)，以監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要數(shù)據(jù)并生成報(bào)表， 該數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)走勢(shì)、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警相關(guān)數(shù)據(jù)等。 該觸摸屏界面通過PPI 與PLC 進(jìn)行通信， 與PLC 內(nèi)部的變量數(shù)據(jù)完成交互和讀寫[9]。 其監(jiān)控畫面如圖3 所示。

圖3 智能組合新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控畫面

6 總結(jié)

在熟悉工藝流程的基礎(chǔ)上，對(duì)每部分功能進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試，然后完成PLC 和觸摸屏之間的通信，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)試，觀察程序和組態(tài)的在線監(jiān)控狀態(tài)。 本設(shè)計(jì)主要完成了系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、硬件的選型及軟件設(shè)計(jì)，利用PID 算法對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控，滿足智能組合式空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)的控制要求， 通過溫度傳感器和濕度傳感器的反饋計(jì)算， 可以達(dá)到溫度的恒定調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)監(jiān)控，系統(tǒng)可以正常穩(wěn)定工作，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷和要求。