梁爱民
广东珠海 519000
摘要：采取合适的技术对中央空调进行有效的改造，能明显降低中央空调系统的能耗，对建筑的安全使用和环境保护均有重要意义。本文以某中央空调改造为例，分析了传统中央空调存在的能源浪费问题，采用科学合理的PID控制算法和变频技术，设计出温差闭环自动控制系统，能自动调节水泵的输出流量，实现了降低能耗的目的。
关键词：中央空调；S7－1200PLC；变频器；PID
引言
传统中央空调系统普遍存在浪费能源的情况，不利于中央空调系统的正常运行和电网设备的安全。为了降低能耗和保证建筑的使用性能，如何对中央空调系统进行有效改造，使其能够高效运行，同时能够恒温控制，成为了人们关心的问题。下面就结合实例对此进行讨论分析。
1 S7－1200PLC的特点
S7－1200PLC是西门子公司替代S7－200PLC的产品，该控制器将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置PROFINET接口、高速运动控制I/O以及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中以形成功能强大的控制器。控制器使用灵活、功能强大，设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些优势的组合使它成为自动化应用中的完美解决方案，决定了S7－1200PLC具有强大的分布式网络控制、计数、测量、PID闭环控制和运动控制等功能，特别是它的以太网通信功能，是西门子S7系列其它产品所没有的，顺应了工业信息化和高度自动化中的发展要求。
2 中央空调控制系统的设计
2.1 中央空调控制控制回路
根据节能的需要，中央空调冷冻水变流量控制控制回路设计成图1的结构。
图1 冷冻水变流量控制回路
某小型超市的中央空调控制系统是以温差来调节的闭环控制系统，实现对冷冻泵的流量、流速控制任务，从而达到控制房间温度和其它参数的目的。
2.2控制系统的组成
温度设定由上位机根据工作要求通过CSM1277以太网交换机给出，温度调节器采用S7－1200PLC（CPU1214C，1个），执行元件由1个西门子MM440变频器、3台异步电动机、2台冷冻机主机，6台冷冻水水泵（3用3备用，每台功率为22千瓦）和盘管组成，进出水温度由2个PT100温度传感器检测，西门子SM1231模拟量输入输出模块完成盘管后端温度模拟量的A/D转换，SM1234模拟量输入输出模块将数字量转换为模拟量，并将PLC根据温差确定的频率值传送至MM440变频器，控制异步电动机进行调速，RS－485串行口主要用以在组态中的精简面板显示变频器的工作状态。上位机主要有两个作用，一是设定空调的工作温度，二是监视现场设备的工作状态。控制系统电气原理图见图2。
图2 中央空调冷冻水循环控制系统主回路电气连接示意图
2.3 中央空调变频原理
在中央空调水系统中，最主要的运行设备是水泵。由水泵学比例定律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，由此可见，当降低转速时，功率的减少量远比流量的减少量大得多。因此，控制水泵的转速可以有效地控制水泵的消耗功率，这就是中央空调系统高效节能的理论基础。要控制水泵的转速就必须控制异步电动机的转速，异步电机的实际转速可由下式给出：
n＝n0（1－s）＝60f/p（1－s） （3－1）
式中：n——电动机实际转速；s——异步电动机的转差率。
由式（2.2）可知，改变参数ｆ，S中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。
2.4 中央空调控制系统的PID调节
PID调节不需要建立系统的数学模型，就可以实现系统的调节，因此获得了广泛应用。PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差e（t）的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，PID调节规律为：
式中e（t）＝r（t）－c（t），其中KP＝20～60％，积分时间常数取值范围TI＝180～600s，微分时间常数TD＝3～180s；这些取值都是经验性的，而且各参数的预置是相辅相成的。
PID参数的工程整定方法主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都要经过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定，工程上一般采用的是临界比例法。参数整定时，应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。
中央空调冷冻水温度PID控制采用S7－1200PLC工艺对象模块中的PID来实现，其组态画面简单明了，比S7－200PLC组态画面更加友好，参数和状态的组态都很方便。
3 系统软件的设计
上位机软件设计是按照C/S结构进行的，其中OPC服务器的开发是关键。
3.1 上位机监控软件
上位机软件主要完成对中央空调现场设备运行状态的设定和监视，设计客户端和OPC服务器等软件，采用C#开发，其软件开发的接口为一般选与西门子PLC相匹配的OPCSiemensDAAutomation类。该软件还有与照明、配电、消防等系统的通讯接口，可以实时监控这些设备的运行情况，及时调整耗电设备的运行参数，定时记录运行数据，为以后作进一步的能源分析和管理提供原始数据。其工作流程较为简单，见图4。
图3 上位机PC和下位机PLC程序工作流程
3.2 下位机软件设计
下位机软件主要对空调系统中的各设备进行现场控制，可分为冷冻机房变频控制系统和空调机房控制系统的程序设计，空调机房的PLC程序设计又可分为AHU单元PLC控制和水循环PLC控制的设计。PLC主程序流程图见图4。
4 上位机与下位机S7－1200PLC软件接口的实现
在空调控制系统中，上位机PC和下位机S7－1200PLC是通过ＲＪ45网络硬件接口进行以太网通信的，上位机和下位机软件通信采用了OPC技术标准。OPC标准为Windows应用程序和现场过程控制设备程序之间建立了桥梁。由于COM与语言、操作系统的无关性，在实现时不需要特定的语言和操作系统，只要按照COM规范开发即可。DCOM是COM的扩展，使COM支持在局域网、广域网甚至Internet上不同计算机的对象之间的通讯，它提供了定制接口和自动化接口。
在工程实现中，可将OPC技术和以太网技术通过。Net平台进行融合，有效解决了上位机和下位机因软件接口不同而导致的不能通信问题，实现了空调控制系统的信息化和自动化。
5 结语
综上所述，实践结果证明，采取合适的技术进行改造后，由S7－1200PLC组成的中央空调控制系统运行稳定，能耗大大地降低，节能效果明显，中央空调系统的信息化水平和自动化水平得到了显著提高。该技术不仅缩短了施工的时间，而且降低了施工成本，值得我们推广应用。
参考文献：
[1] 王小科，李继业，等．C#开发宝典［M］．北京：机械工业出版社，2010．
[2] 陆会明，朱耀春，等．控制装置标准化通信［M］．北京：机械工业出版社，2010．
论文作者:梁爱民
论文发表刊物:《基层建设》2015年13期供稿
论文发表时间:2015/12/22
标签：中央空调论文; 转速论文; 上位论文; 控制系统论文; 水泵论文; 组态论文; 软件论文; 《基层建设》2015年13期供稿论文;