西門子PLC在中央空調(diào)節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用

郭江飛

摘 要：針對中央空調(diào)系統(tǒng)負載大，能耗高的現(xiàn)狀，本文在原有的定頻配合中央空調(diào)模式的基礎(chǔ)上引入新的控制算法，實現(xiàn)了系統(tǒng)層面上時時監(jiān)控水溫壓力等參數(shù)進而調(diào)節(jié)變頻器相應(yīng)頻率的控制，取得了顯著的降低能耗的效果。此設(shè)計中選用西門子S7_300PLC作為主控單元，配合常規(guī)變頻器，將中央空調(diào)的節(jié)能效率做了有效提升。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；S7_300PLC；節(jié)能

1 課題研究的背景和意義

1.1 我國的能源現(xiàn)狀

伴隨著世界性能源短缺，地球變暖等問題，我國的能源現(xiàn)狀也不容樂觀。隨著人們生活水平的提高，越來越多的電器進入生活，并且大功率電器也越來越普及，日常消耗的能源越來越多。加之類似煤炭，石油等能源的不可再生性，目前政府每年都在加大對節(jié)能產(chǎn)業(yè)的支持，廢除落后的大能耗企業(yè)與項目，逐步實現(xiàn)能源產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型與過渡[1]。足見我國對于能源節(jié)約項目的重視。

1.2 中央空調(diào)在我國的應(yīng)用

當(dāng)今大型建筑如商場，醫(yī)院，政府辦公場所，企業(yè)，事業(yè)單位等對于夏季制冷與冬季取暖多使用中央空調(diào)。其能耗比例占據(jù)整個建筑能耗的很大一部分。并且每年以5～6億平方米的速度呈持續(xù)增長的趨勢[2]。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)運行機制

中央空調(diào)控制系統(tǒng)在使用時段上依據(jù)時令進行劃分，具體的在夏季由于外界氣溫較高，需要進行制冷，因此使用夏季制冷回路對于管道回水通過蒸發(fā)器冷卻塔等設(shè)備進行降溫，而在冬季，由于外界氣溫較低，需要進行加熱，因此使用采暖回路對水溫進行加熱以提高室內(nèi)溫度。通常的中央空調(diào)系統(tǒng)使用水作為傳遞溫度的媒介，以空調(diào)水泵提供動力，通過提高水壓來調(diào)節(jié)水循環(huán)速度，將管道水流推送至分水器，再由分水器將冷水或者熱水分送至各個房屋或者負載，而經(jīng)過房屋或者負載的已經(jīng)使用過的管道水再次通過集水器進行統(tǒng)一回收至主送水管道，最終流經(jīng)冷卻或者加熱端，完成一次水循環(huán)。空調(diào)水泵的轉(zhuǎn)速會直接影響管道水流的速度，因此如果想使得回水溫度和供水溫度的溫差較大時，可以放慢空調(diào)水泵的轉(zhuǎn)速，反之如果想使得回水溫度和供水溫度的溫差較小時則需要加速空調(diào)水泵的轉(zhuǎn)速。因此控制整體水溫的關(guān)鍵在于通過變頻器控制空調(diào)水泵的轉(zhuǎn)速快慢，其中小溫差意味著高轉(zhuǎn)速進而更耗電，大溫差意味著低轉(zhuǎn)速而更加省電。但是為了保證整個管道水處于正常的循環(huán)狀態(tài)，空調(diào)水泵的轉(zhuǎn)速不得低于某一限定的值。

3 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計

隨著社會的高速發(fā)展，控制理論在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越成熟尤其在農(nóng)業(yè)，工業(yè)通信以及航空航天領(lǐng)域發(fā)揮了很好的作用。本文構(gòu)建的中央空調(diào)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用在于可以調(diào)節(jié)中央空調(diào)系統(tǒng)中變頻器的輸出頻率，用較低的能耗來滿足建筑物內(nèi)溫度的舒適性，并且能夠在建筑物內(nèi)部與外界環(huán)境溫度負荷變化的情況下及時調(diào)整系統(tǒng)運行狀態(tài)，取代了以前空調(diào)始終大負荷地運行情況，用較低的能耗來保持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，達到設(shè)想的控制效果。針對中央空調(diào)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，通過給定值與實際值（如水溫差、水壓）進行閉環(huán)控制進行調(diào)節(jié)，如下圖所示，來達到節(jié)能的目的。

4 控制方案實施

4.1 控制器的選擇

本系統(tǒng)由于布置在工業(yè)現(xiàn)場，因此對主控電路提出較高的要求。主控電路控制器應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)該工業(yè)環(huán)境，而常見的控制器主要包括PLC，單片機，F(xiàn)PGA，臺式機CPU等等，其中PLC相對于其他控制器而言，具有環(huán)境適應(yīng)性高，可靠性強，抗外界電磁干擾好的特點，因此對于中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常使用PLC作為主控制器。其具體型號的選擇主要考慮以下幾點：

（1）根據(jù)實際現(xiàn)場輸入輸出信號接入點數(shù)選擇合適的PLC。

（2）根據(jù)實際需要的系統(tǒng)是快速變化還是慢速變化，選擇相應(yīng)的CPU響應(yīng)時間。

由于中央空調(diào)一般用于大型樓宇中，其輸入輸出點數(shù)較多，在主控制器選型上選擇中型PLC即可滿足要求。西門子公司的S7_300PLC作為一款經(jīng)典的中型PLC，具備CPU集成以太網(wǎng)PROFINET接口，并對現(xiàn)有的PROFIBUS系統(tǒng)提供升級支持，因此選取S7_300PLC作為控制器。

4.2 中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

對于中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計，為了方便系統(tǒng)功能的擴展和維護，本設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法。系統(tǒng)軟件部分主要劃分為6大模塊，其中壓力信號處理模塊、壓差信號處理與溫差設(shè)定模塊為信號輸入模塊。溫度信號處理模塊，溫差信號處理模塊為信號處理運算模塊。變頻器輸出模塊為輸出模塊。啟動與故障標志模塊和PID循環(huán)模塊為主控制模塊，如下圖所示。

PID調(diào)節(jié)頻率需要以變頻器釋放權(quán)限為信號，當(dāng)變頻器設(shè)置為自動模式時開始進行PID控制，當(dāng)變頻器設(shè)置為定頻模式時，不進行PID控制。由于PID控制切入的不定時性，將PID控制模塊以中斷的新式寫入主程序中。PID控制模塊的輸入主要為設(shè)定溫差與實際溫差為，通過典型PID模塊運算，調(diào)整變頻器輸出，實現(xiàn)調(diào)節(jié)空調(diào)水泵，進而達到實際溫差跟隨設(shè)定溫差的目的。

5 總結(jié)

雖然目前新的算法類似蟻群算法，神經(jīng)算法，遺傳算法等算法發(fā)展迅猛，但是在實際應(yīng)用中往往由于硬件的不支持難以得到很好的應(yīng)用。但是時代在不斷的發(fā)展，對于中央空調(diào)節(jié)能算法，節(jié)能方案，節(jié)能硬件配套的研究還在不斷繼續(xù)，不斷優(yōu)化的過程中。此外由于大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，如何將各種節(jié)能設(shè)計的運行效果進行合成整理也是目前的一個研究課題，該課題需要在本文介紹的方法上對于通信技術(shù)進行相關(guān)研究。本文希望能夠通過對中央空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能減排設(shè)計為我國的能源現(xiàn)狀貢獻出自己的一份微薄之力。

參考文獻：

[1]李明海.中央空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化控制與節(jié)能技術(shù)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2011.

[2]林明徹，李晶晶，楊富強.中國可持續(xù)能源政策分析[J].中國能源， 2012（06）： 3334.