基于PLC中央空調(diào)水泵系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

鄒恩　霍慶　溫昕　羅禮　黃浩揚(yáng)　張?jiān)龈?/p>

摘 要：針對(duì)中國人民銀行某支行的中央空調(diào)不能恒值調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和噪音污染嚴(yán)重，利用PLC和變頻器設(shè)計(jì)了一套中央空調(diào)群控系統(tǒng)，運(yùn)用變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速滿足設(shè)定出水溫度要求。設(shè)計(jì)了WinCC界面對(duì)主機(jī)出水溫度與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過經(jīng)驗(yàn)法提出一套PID控制方法并進(jìn)行了PLC程序編程，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷溫度的定值控制和降低系統(tǒng)噪音。通過運(yùn)行表明，該系統(tǒng)的溫度曲線圖能夠很快收斂，平均誤差為0.25℃，滿足系統(tǒng)的誤差范圍，穩(wěn)定性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；溫度控制；變頻技術(shù)；PID

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，對(duì)工業(yè)設(shè)備如水泵系統(tǒng)的要求越來越高，尤其在中央空調(diào)中水泵系統(tǒng)的作用越來越重要，PID變頻調(diào)速的供水系統(tǒng)以其節(jié)能、安全等優(yōu)點(diǎn)在我國各經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，保證了生產(chǎn)、生活的需求[1-2]。根據(jù)市場調(diào)研，很多酒店（如萬達(dá)酒店）所應(yīng)用的中央空調(diào)系統(tǒng)都是水泵電機(jī)按工頻運(yùn)行，據(jù)相關(guān)工作人員透露，中央空調(diào)系統(tǒng)首次投金額巨大，考慮經(jīng)濟(jì)因素，一般采購設(shè)備只買工頻控制的水泵，資金可大大節(jié)減。然而導(dǎo)致的后果是無論季節(jié)和外界氣候如何變化，空調(diào)系統(tǒng)只能滿負(fù)載運(yùn)行或者多機(jī)組系統(tǒng)選擇人為關(guān)閉某臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，不能恒值調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度以致用戶有過冷或者過熱的感受[3-4]。因此，對(duì)中央空調(diào)的水泵系統(tǒng)進(jìn)一步開展研究有十分重要的意義。

文章以中國人民銀行某支行為工程案例：該處中央空調(diào)控制室緊靠辦公室，噪聲污染嚴(yán)重。針對(duì)這種現(xiàn)象，我們以水泵電機(jī)為被控對(duì)象，以冷卻水和冷凍水溫度為被控參數(shù)，以變頻器頻率為控制參數(shù)，以PLC為控制器，組成中央空調(diào)水泵溫度控制系統(tǒng)，研發(fā)一套可行的PID算法進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。通過變頻改造水泵系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)空調(diào)主機(jī)水溫的定值控制，噪聲也大大減少。

1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)理論

中央空調(diào)控制系統(tǒng)具有時(shí)變、非線性和大滯后等特點(diǎn)，一般控制通過檢測負(fù)荷末端水溫來確定室內(nèi)溫度，實(shí)際上不同季節(jié)、不同時(shí)間段用戶需要室內(nèi)溫度是不一樣的。通過實(shí)時(shí)檢測冷卻出水溫度和冷凍回水溫度控制水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制水流量[5]，最后系統(tǒng)穩(wěn)定在設(shè)定的溫度，從而保證室內(nèi)溫度在舒適合理的范圍。

如圖1所示為中央空調(diào)系統(tǒng)變頻供水原理，將各管道的水溫度通過溫度傳感器轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)，并將此信號(hào)反饋到PLC中，通過PLC內(nèi)部運(yùn)算，將溫度反饋信號(hào)與給定值相比較，經(jīng)過比例、積分、微分等環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)輸出到變頻器，控制水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變水泵轉(zhuǎn)速來改變管道中水流量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為變頻器控制的水泵，對(duì)象為管道中水流量，反饋信號(hào)（測量值）是冷卻水和冷凍水溫度。

2.2 主要硬件組成

該系統(tǒng)硬件部分主要由西門子CPU226和6AV6 648-0BC11-3AX0觸摸屏，外部擴(kuò)展模塊EM223、EM221和EM231，施耐德LC1-D3201交流接觸器和C65D斷路器，歐姆龍MY-4J中間繼電器，易能EDS1000-4T-0150P變頻器，廣州北澤DN100電動(dòng)開關(guān)法蘭蝶閥等電氣元件組成，全部裝配到一個(gè)電氣控制柜中?？紤]到現(xiàn)場控制環(huán)境惡劣，開關(guān)量輸入輸出的數(shù)量、模擬量輸入精度互鎖等方面情況，選用西門子CPU226作為控制器[7]，輸出端主要控制各個(gè)中間繼電器和接觸器。編程用個(gè)人PC，方便現(xiàn)場編制程序和調(diào)試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PID控制參數(shù)的整定不是唯一的，從中央空調(diào)實(shí)際應(yīng)用角度，只需被控對(duì)象符合實(shí)際要求即可。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)法試湊出三個(gè)參數(shù)值[8]；結(jié)合對(duì)過程曲線的觀察，確定軟件設(shè)計(jì)方案：考慮首次開機(jī)室內(nèi)熱量較大，首先水泵系統(tǒng)在工頻50Hz運(yùn)行25分鐘后直接進(jìn)入PID調(diào)節(jié)，P=1，I=5，D=0，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行后符合要求。

3.1 PLC主程序設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)開始時(shí)初始化50ms定時(shí)器，配置好PID參數(shù)和初始化變頻器基準(zhǔn)頻率，若選擇進(jìn)入時(shí)間設(shè)置子程序，則可設(shè)置當(dāng)前時(shí)間，定時(shí)開啟時(shí)間等，否則判斷系統(tǒng)是否自動(dòng)運(yùn)行，若進(jìn)入手動(dòng)子程序，則可手動(dòng)控制電動(dòng)閥，手動(dòng)設(shè)置變頻器頻率驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行，電動(dòng)閥開啟和讀取各管道溫度傳感器后CPU與變頻器通訊進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)有故障產(chǎn)生則停機(jī)報(bào)警，否則穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)是利用西門子WinCC（Windows Control Center）編寫的。在主界面中，可以監(jiān)控冷卻水泵和冷凍水泵的運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)閥的開啟狀態(tài)和各個(gè)溫度測試點(diǎn)的溫度值。設(shè)計(jì)了停止/啟動(dòng)按鈕，一鍵式啟停整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)。另外消音按鍵可保證不會(huì)頻繁發(fā)出報(bào)警聲音，整套系統(tǒng)無需設(shè)置過多復(fù)雜界面，僅需設(shè)置與PLC中寄存器鏈接，界面簡單友好，使用便捷。

4 控制系統(tǒng)調(diào)試

4.1 水泵頻率測試

系統(tǒng)開機(jī)由于工況最大需要25分鐘工頻運(yùn)行后進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，變頻器測試數(shù)據(jù)如圖3所示，冷卻泵從自動(dòng)調(diào)節(jié)到穩(wěn)定的時(shí)間為16分鐘，冷凍泵穩(wěn)定需要5分鐘，最后分別穩(wěn)定在基準(zhǔn)頻率35Hz和39Hz上。與原來整天運(yùn)行在工頻電機(jī)相比，實(shí)現(xiàn)了電能節(jié)約和降低電機(jī)噪音功能。

4.2 中央空調(diào)溫度測試

從圖4可以看出，當(dāng)主機(jī)開啟后，系統(tǒng)工頻運(yùn)行25分鐘后進(jìn)入PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，冷卻出水溫度設(shè)定37℃，調(diào)節(jié)時(shí)間為31分鐘，超調(diào)量為6.23%，誤差為0.2℃；冷凍回水溫度設(shè)定14℃，調(diào)節(jié)時(shí)間為23分鐘，誤差為0.3℃，兩者溫度平均誤差為0.25℃，穩(wěn)定后室內(nèi)滿足人員舒適度?？梢娬紫到y(tǒng)調(diào)節(jié)過程超調(diào)量在合理范圍，調(diào)節(jié)時(shí)間適中，能讓整套中央系統(tǒng)較快進(jìn)入變頻工作狀態(tài)。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)投入使用以來一直能夠穩(wěn)定運(yùn)行，用戶反應(yīng)良好最終通過驗(yàn)收。該系統(tǒng)利用變頻控制中央空調(diào)水泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度功能和解決降低噪音污染等問題，而且提高了溫度控制的穩(wěn)定性和精確性，該系統(tǒng)可使溫度控制精度達(dá)到0.25℃的誤差范圍，同時(shí)提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，較好減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作失誤，使用方便，具有很好的應(yīng)用前景。

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作者簡介：鄒恩（1956-），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榉蔷€性系統(tǒng)的智能控制。

霍慶（1989-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制。