張美榮

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014030）

0 引言

現(xiàn)代智能樓宇為大型建筑，內(nèi)部分布多種建筑設(shè)備系統(tǒng)。例如，給排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)以及中央空調(diào)系統(tǒng)等[1]。其中中央空調(diào)的用電量約占整個(gè)智能大廈用電量的一半以上。因此，通過(guò)改良暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)方案來(lái)降低智能建筑的能耗是十分必要的，具有很高的實(shí)際使用價(jià)值。

1 暖通空調(diào)的組成

暖通空調(diào)是供暖、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總稱。中央空調(diào)系統(tǒng)的組成分兩大部分，分別是空氣處理及輸配系統(tǒng)和冷（熱）源系統(tǒng)?？諝馓幚砑拜斉湎到y(tǒng)完成對(duì)混合空氣的除塵、溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)等工作，將處理好的空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、風(fēng)閥、風(fēng)口送到空調(diào)房間。冷（熱）源系統(tǒng)提供空調(diào)房間需要的冷（熱）量，冷凍水將其運(yùn)送到風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換。

2 暖通空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

中央空調(diào)由空氣處理系統(tǒng)和冷熱源系統(tǒng)組成。

空氣處理系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。外界空氣經(jīng)過(guò)新風(fēng)閥門進(jìn)入新風(fēng)管道與回風(fēng)混合，混合后的空氣由溫度傳感器和濕度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將信號(hào)送入PLC?；旌虾蟮目諝饨?jīng)過(guò)濾網(wǎng)處理，送入熱交換室與冷凍水進(jìn)行熱量交換，之后進(jìn)行加濕處理。同時(shí)，溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并將信號(hào)傳送給PLC。經(jīng)過(guò)熱濕處理后的空氣由送風(fēng)機(jī)送入空調(diào)房間內(nèi)。在空調(diào)房間內(nèi)循環(huán)之后一部分形成回風(fēng)與新風(fēng)混合后進(jìn)行循環(huán)處理，另外一部分空氣經(jīng)過(guò)排風(fēng)管排出室外。

圖1 暖通空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)點(diǎn)

冷熱源系統(tǒng)包括冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行能量的傳遞。以制冷為例：

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵、冷卻盤管及冷凍水管道組成。從蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷卻盤管與室內(nèi)進(jìn)行熱交換，將房間的熱量轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)器內(nèi)。

制冷劑循環(huán)系統(tǒng)由四大部件組成：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器。蒸發(fā)器內(nèi)部將吸收的冷凍水熱量傳遞給制冷劑，制冷劑攜帶熱量經(jīng)過(guò)膨脹閥流入冷凝器中，在冷凝器內(nèi)部將熱量傳遞給冷卻水，之后制冷劑流經(jīng)壓縮機(jī)，再次進(jìn)入蒸發(fā)器與室內(nèi)的空氣進(jìn)行熱交換。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻塔及冷卻水管道組成。冷凝器中的制冷劑將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水接收到傳遞過(guò)來(lái)的室內(nèi)熱量，將其運(yùn)送到室外的冷卻塔，與大氣進(jìn)行熱交換，降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器。

3 溫度控制方案

方法一：調(diào)節(jié)冷凍水的流速

空調(diào)房間的溫度控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤管中冷凍水的交換熱量來(lái)改變。交換熱量的多少取決于冷凍水的流速。如圖一所示，當(dāng)空調(diào)制冷時(shí)，假設(shè)空調(diào)房間需要的冷量加大，這時(shí)可以通過(guò)增大供水電動(dòng)閥6的開(kāi)度或者減小回水電動(dòng)閥10的開(kāi)度來(lái)增大冷凍水的流速。反之，當(dāng)空調(diào)房間需要的冷量減少時(shí)，可以通過(guò)減小電動(dòng)閥6的開(kāi)度或者增大回水電動(dòng)閥10的開(kāi)度來(lái)減小冷凍水的流速。

方法二：調(diào)節(jié)冷凍水的溫度

冷凍水的溫度取決于空調(diào)機(jī)組制冷量的大小，當(dāng)壓縮機(jī)的工作頻率增大時(shí)，空調(diào)機(jī)組的制冷量增加，冷凍水的溫度降低，室內(nèi)熱交換的能量增加，空調(diào)房間的溫度降低；當(dāng)壓縮機(jī)的工作頻率減小時(shí)，空調(diào)機(jī)組的制冷量減少，室內(nèi)熱交換量減少，空調(diào)房間的溫度升高。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的工作頻率來(lái)改變制冷量的大小，調(diào)節(jié)空調(diào)房間的溫度[3]。

方法三：調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

在空氣處理系統(tǒng)中通過(guò)改變送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)空調(diào)房間的溫度。當(dāng)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增大時(shí)，房間的送風(fēng)量增加；當(dāng)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速減小時(shí)，則房間的送風(fēng)量相應(yīng)減少。本方法效率高，溫度相應(yīng)速度快，是空調(diào)控制中常用的方法之一。

方法四：調(diào)節(jié)風(fēng)門的開(kāi)度

在空氣處理系統(tǒng)中改變風(fēng)門的開(kāi)度可以調(diào)節(jié)空調(diào)房間的溫度。一般情況下，新風(fēng)閥和排風(fēng)閥的開(kāi)度不易過(guò)大調(diào)節(jié)。當(dāng)空調(diào)房間需要的冷量增大時(shí)，可以增大回風(fēng)閥的開(kāi)度。當(dāng)空調(diào)房間需要的冷量減小時(shí)，可以減小回風(fēng)閥的開(kāi)度。需要注意調(diào)節(jié)風(fēng)量直接影響空氣的清潔度，回風(fēng)量越大，空氣的清潔度越差。因此，需要謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)。

為了達(dá)到理想的控制效果，通常選擇以上四種方案中的兩種以上混合控制。本系統(tǒng)控制方案選用方法一和方法三相結(jié)合的雙閉環(huán)控制?；赑ID控制算法建立內(nèi)環(huán)和外環(huán)溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用PLC中的PID模塊對(duì)供水閥進(jìn)行參數(shù)整定。然后再次利用PLC中的PID模塊對(duì)送風(fēng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)整定。最后將兩個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)整合為雙閉環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)手動(dòng)調(diào)節(jié)確定準(zhǔn)確地參數(shù)值，得到穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)。

4 硬件設(shè)計(jì)

中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件主要包括PLC控制器、溫濕度傳感器、流量傳感器、送風(fēng)機(jī)、風(fēng)門執(zhí)行器、差壓開(kāi)關(guān)、水泵、電磁閥等。本系統(tǒng)選擇西門子S7-200 SMART PLC作為主控制器。PLC控制器采集系統(tǒng)中的各類傳感器信號(hào)，通過(guò)上位機(jī)力控組態(tài)軟件顯示采集值。同時(shí)，各參數(shù)值經(jīng)PLC運(yùn)算后輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥和送風(fēng)機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)空調(diào)房間的恒溫控制。

硬件選型：根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)點(diǎn)的數(shù)量和類型確定PLC及各模塊的型號(hào)。系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)點(diǎn)如表1所示。

表1 中央空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)及I/O分配表

如表1所示，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài)點(diǎn)AI是12個(gè)點(diǎn)，DI是2個(gè)點(diǎn)，DO是4個(gè)點(diǎn)，AO是4個(gè)點(diǎn)。

PLC選型的原則是根據(jù)系統(tǒng)的功能和容量進(jìn)行選型，考慮設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，備件的通用性，維護(hù)是否方便，以及是否易于擴(kuò)展和有無(wú)特殊功能等要求。根據(jù)系統(tǒng)要求，查資料選型如表2所示。

表2 系統(tǒng)硬件選型表

經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇西門子S7-200 SMART PLC作為控制器，外接3個(gè)西門子模擬量輸入模塊EMAE04和2個(gè)西門子模擬量輸出模塊EMAQ02，將各個(gè)模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊與PLC組態(tài)。

5 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求建立雙閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)PLC將設(shè)定好的空調(diào)房間溫度與空調(diào)房間內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，利用PID算法輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)供水閥的開(kāi)度和送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中PLC的主程序完成系統(tǒng)的初始化、控制算法以及數(shù)據(jù)處理等功能。子程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集等功能。軟件的數(shù)據(jù)采集子程序如圖2所示。

以溫度傳感器為例，測(cè)量的溫度范圍是0-50℃，輸出范圍是4-20mA。A/D轉(zhuǎn)換的函數(shù)關(guān)系A(chǔ)=f(D)可以表示為方程：A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。轉(zhuǎn)換后代入，即A0=4，Am=20，D0=5530，Dm=27648，代入公式，得出：A(=D-5530)×(20-4)/(27648-5530)+4假設(shè)輸入的新值為13800時(shí)，相應(yīng)的模擬電信號(hào)是8270×16/22118+4=10mA。

6 人機(jī)交互界面

S7-200 SMART PLC采用485通訊線與上位機(jī)連接，上位機(jī)監(jiān)控選用力控組態(tài)軟件。力控組態(tài)軟件具有強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能和良好的開(kāi)放性。豐富的功能模塊可以完成實(shí)時(shí)監(jiān)控，產(chǎn)生功能報(bào)表，顯示實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線同時(shí)可實(shí)現(xiàn)提醒和報(bào)警等功能，使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，易于操作。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了三個(gè)組態(tài)畫面，分別是新風(fēng)處理機(jī)組控制、制冷（制熱）機(jī)組控制、空氣處理機(jī)組控制。通過(guò)對(duì)三個(gè)畫面的監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)房間溫度的有效控制，滿足人們的生活需求。

圖3 主程序流程圖

7 結(jié)束語(yǔ)

本文基于西門子S7-200 SMART PLC對(duì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件設(shè)計(jì)。本文闡述了四種溫度控制方法，按照最優(yōu)的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件選型，以及軟件設(shè)計(jì)的控制算法。按照本設(shè)計(jì)方案改造了現(xiàn)有的中央空調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，改造后的實(shí)驗(yàn)裝置提高了空調(diào)房間溫度相應(yīng)的速度，不僅達(dá)到了節(jié)約能源的目的，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，人機(jī)界面友好等特點(diǎn)[4]。