基于組態王開發軟件的房間空調器風量測量裝置的實現

張玉錫

摘要：該文根據標準GB_T17758-2010和GB_7725-2004關于用噴嘴測量風量的規定，設計了一套能測量空調器出風量在20m3/h-500m3/h的裝置。本裝置采用西門子公司PLC1200系列的PLC及相應模塊采集各傳感器測量數據并控制風機和噴嘴氣缸的動作，上位機界面應用北京亞控科技的組態王開發，用戶可以在界面上看到各傳感器的測量值，運動部件的狀態及風量的測量結果，還可以根據傳感器和風量的校準結果，修正相應的傳感器參數值和風嘴系數，使測量、計算數據精確可靠。

關鍵詞：空調器；風量；噴嘴；組態王；PLC

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0206-02

在空調器的設計開發和日常監控中，空調器風量是一個重要的設計和監控參數，也是在計算制冷、制熱性能時必須測量的一個參數。本人結合標準GB_T17758-2010附錄A.6和GB_7725-2004 附錄D中的要求設計了一套采用噴嘴測量風量的裝置，風量測量范圍是20m3/h-500m3/h。

因標準中的計算公式都是在特定的裝置下測量推導出來的，因此本裝置的布置形式和傳感器的安裝方式、位置都必須滿足標準中的要求。

1 內部結構設計

1） 噴嘴的設計：根據標準中風量的計算公式，首先確定采用20mm， 30mm，35mm，40mm， 40mm5個噴嘴的方式。各噴嘴按標準要求的尺寸設計如下，厚度為1.5mm，圖中為內徑尺寸。圖中10mm處用于將噴嘴固定到隔板上。

2） 噴嘴的布置：（1）噴嘴中心之間的距離不小于較大的一個噴嘴直徑的3倍，此處設計距離為160mm。（2）噴嘴中心到外壁的距離至少是噴嘴直徑的1.5倍，設計尺寸80mm。根據以上尺寸，確定噴嘴安裝板的平面布置圖（見圖2）。噴嘴安裝板用厚1mm的不銹鋼板制作。噴嘴與安裝板的貼合面應密封，并用螺釘固定。

3） 整體結構設計：根據噴嘴安裝板的尺寸確定風源接收室內部為480mm*480mm的方形結構，按設計風量500m3/h計算，風源接收室最大風速約為0.61m/s，符合標準要求的接收室風速在0.76m/s以下的要求。根據進風室擴散擋板到安裝噴嘴隔板的距離至少為最大噴嘴喉徑的1.5倍，此距離設計為80mm。排風室擴散擋板到噴嘴端面的距離至少為最大噴嘴喉徑的2.5倍，此距離設計為120mm。

標準中規定噴嘴到下一障礙物的距離不小于5倍噴嘴喉徑，設計時將噴嘴蓋板安裝在FESTO公司的氣缸DSN-25-250P上，噴嘴打開時噴嘴端面到蓋板的最小距離為210mm。在本裝置5個噴嘴中，中間的20mm噴嘴采用常開的方式，其余4個噴嘴根據風量的大小由控制氣缸帶動蓋板將噴嘴關閉或開啟。在氣缸內部加裝磁環，在氣缸運動的兩端點加裝磁性開關，用于檢測氣缸是否運動到位。氣缸安裝時后部用螺紋固定，前端需加支撐，減少氣缸動作時的晃動。在噴嘴蓋板端面粘貼密封海綿，保證噴嘴關閉時的密封性。可以將本裝置固定在一個可以移動的專用平臺上，便于使用。

4） 整流板的設計：標準中規定整流板的穿孔面積約為流道面積的40%。設計穿孔直徑為4mm，每行孔距間距離是5.5mm，兩行間孔交錯布置。共計7525個孔。通風面積0.094m2，本裝置整流板橫截面積0.23m2，通風面積占整個截面積的40.8%。需在有風機一側整流板上開4個直徑55的孔，用于噴嘴蓋板的通過。

5） 風機的選擇：根據測量風量的范圍，選擇額定轉速1450r，在全壓248pa下風量為565m3/h ，功率0.55kW的離心風機。風機進風口用軟管與本量裝置出風口連接，注意連接口的密封，出風口與大氣相同。

2 測量與控制的設計

1） 測量風量應用的計算公式：

單個噴嘴的體積風量（m3/h）：qV=3600*1.414*Cd*A*（1000*Pv*Vn）

Cd噴嘴流量系數（在標準中由圖表確定，本裝置在校準時確定此參數）

Pv噴嘴前后的靜壓差，單位Pa

Vn噴嘴進口處的濕空氣比容，單位：m3/kg即：濕空氣密度的倒數。

濕空氣密度kg/m3：ρs = ρg（1+ X）

干空氣密度kg/m3 ：ρg = （P-Pw） / 0.287055/（t+273.15）

P：濕空氣壓力，kPaPw：水蒸汽分壓，kPaX：含濕量，kg/kg（干空氣）

t：干球溫度℃

水蒸汽分壓Pw kPa：Pw=φ*Ps

φ：相對濕度 RH% Ps飽和水蒸汽壓力kPa

飽和水蒸汽壓力kPalgPs=7.07406-1657.46/（t+227.02）10℃

含濕量X kg/kg（干空氣） X=0.62198Pw/（P- Pw） ；P濕空氣壓力，kPa；

Pw： 水蒸汽分壓kPa

2） 測量傳感器的選擇：

通過本裝置的布局及風量計算公式可知，為了計算出空調器的出風量需要測量空調器出風口的溫度、濕度、噴嘴前后的壓力差并需要用風源接收室與外界大氣的壓力差控制離心風機將風源接收室的壓力調整到與外界大氣壓力相同，同時還需要測量本裝置放置處的大氣壓。測量傳感器列表如表1。

3） 執行部件的選擇與控制方式

標準中要求測量風量時噴嘴喉部風速應在15m/s-35m/s之間，根據風速乘噴嘴喉部面積等于風量并結合上面的風量計算公式推出，噴嘴前后壓差應在150Pa-750Pa之間。這需要用噴嘴壓差傳感器控制噴嘴蓋板的位置來實現四個噴嘴的開啟和關閉，以保證噴嘴壓差在要求范圍內。噴嘴蓋板氣缸由2位四通電磁閥控制，電磁閥通電，噴嘴蓋板動作將噴嘴關閉，電磁閥斷電，噴嘴被開啟。每個噴嘴蓋板氣缸上有兩個磁性開關用于顯示噴嘴的開啟和關閉狀態。在測量風量時需要風源接收室與外界大氣壓相同，這需要根據風源室壓差值調整離心風機的吸風量。風源室差壓傳感器控制風機電機的變頻器，由變頻器控制風機電機的轉速以實現風機吸風量的調整。被控制部件列表如下：

4） PLC的選擇與上位機的設計

數據采集使用西門子PLC1200系列的產品，PLC CPU模塊選用6ES7 214-1AG40-OXBO， 數字量信號輸入端口14個，輸出端口10個，用于采集4個噴嘴氣缸上磁性開關的信號并通過電磁閥控制氣缸帶動噴嘴蓋板實現噴嘴的開啟和關閉。采用模擬量輸入輸出模塊6ES7 234-4HE32-0XB0采集2個壓差傳感器、1個大氣壓力傳感器和濕度傳感器的信號，并通過內部的PID運算通過變頻器控制離心風機的吸風量。采用6ES7 231-5PD32-0XB0熱電阻模塊采集PT100的信號。上位機采用北京亞控科技發展有限公司的組態王軟件，在上位機電腦上裝入西門子公司的SIMATIC NET軟件，PLC通過SIMATIC NET軟件中的OPC 服務器與組態王軟件實現數據的通訊。

上位機界面有測量界面、校準界面和報警提醒界面。在測量界面內顯示所有測量傳感器的數據、風機的運行狀態及噴嘴的開關狀態，待各數據穩定后風量測量值經過計算自動顯示在測量界面相應的數據框內，測量數據和各傳感器狀態都可以通過Excel表格導出。因各測量傳感器都需要定期由專業資質的校準計量單位進行校準，在校準界面內設計PD1、PD2、 P1、 T1、 H1 4個傳感器的校準對話框，通過 應用顯示值=K*測量值+b方式，通過高低兩點計量計算、調整并保存相應的 K b值，使界面顯示和應用值與標準值誤差在傳感器要求的范圍。5個噴嘴的噴嘴流量系數Cd可根據風量的計量結果在校準界面內調整并保存，使本裝置測量值與標準風量相符，一般Cd值在0.94-0.98之間。

參考文獻：

[1] 中國國家標準化管理委員會.房間空氣調節器， 2004

[2] 中國國家標準化管理委員會.單元式空氣調節機，2010.

[3] 王雙成.水的飽和蒸氣壓的計算[J].河南化工，1999（11）.