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基于PLC的中央空调控制系统设计
兰州理工大学 张云杰
摘 要 中央空调是我们生活的重要一部分，在生活中的各个领域我们都能看到它的身影，尤其是各种大型场合，它最大的用途是给人们带来健康舒适的生活环境。在本课题中，以组态软件KingSCADA为基础，中央空调系统工作过程为背景，设计了一套简洁、可靠的上位机监控系统，并与STEP 7软件集成，使用labview2013软件对系统中的温度控制PID参数测试仿真，提高了中央空调的可靠性和控制精度，而且抗干扰能力强，为中央空调向着多元化发展趋势，环保化、节能化、变频化、智能化、舒适化方向发展提供了新的途径。
关键词： PLC 中央空调 KingSCADA
Design of central air conditioning control system based on PLC
By Zhang Yunjie★
Central air conditioning has a very excellent characteristics in all areas of life, we can see its shadow, In the figure, we can see it in all areas of life, especially the large-scale occasions, its biggest purpose is to give people a healthy and comfortable living environment. In this paper, a simple and reliable PC monitoring system is designed based on the configuration software configuration king and the working process of the central air-conditioning system. The system is integrated with STEP 7and the labview2013 to the system temperature control PID parameter test simulation, enhances the central air conditioning reliability and the control precision, moreover the anti-jamming ability is strong, for the central air conditioning to diversification development frequency , intelligent, tendency, conversion, environmental protection, comfortable, Energy-saving direction of development provides a new way.
Key words: PLC central air conditioning KingSCAD
★ Lanzhou University of Technology
☆ 张云杰，男，1993年11月出生，在读研究生
730050甘肃省兰州市七里河区兰州理工大学校本部
（0）18794895517
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0 引言
中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行，造成了资源的极大浪费，基于 PLC、变频器和工控组态软件的变频节能中央空调控制系统在实际中得到了广泛应用。
1中央空调控制系统
1.1 系统控制功能及参数要求
控制系统需要解决的关键问题：
（1）控制系统的抗干扰设计，解决控制回路安全可靠性；
（2）实现具有较好的温湿度控制精度；
（3）界面实时性实现。
设计的技术指标：
（1）室内温度控制精度±0.5度；
（2）室内湿度控制精度1%；
（3）故障率低于0.2%。
1.2 控制系统整体方案设计
针对以上该中央空调温度控制系统的难点与技术指标，在整体系统方案的控制核心设计方面提出以下方案：
主要控制核心采用西门子S7-200 PLC模块。西门子S7-200 PLC模块应用领域极为广泛，自动化控制有关的工业及民用领域。能够体现出该控制核心的功能强大，抗干扰能力强。使得该控制系统能够保证稳定运行，实现相应的功能。在系统整体温度负担室内热湿负荷所用的介质设计了以下方案：
采用空气-水系统，在制造冷暖时，采用水循环系统，通过贯流风扇把管道处散热管的冷或暖吹进输送管道内，途径风道使得每个室内达到想要的温度。一定程度上避免了空调病。在健康、舒适方面提高了。
整体方案如图2.1所示：
图2.1整体系统方案
3 中央空调控制系统硬件设计
3.1硬件系统结构
中央空调温度控制硬件系统控制结构由上一章可知中央控制核心为西门子S7-200 PLC，硬件系统机构同样围绕该核心展开。硬件系统结构图如图3.1所示：
图3.1 硬件系统结构图
3.1.1 PLC简介与选型
S7-200 PLC作为西门子控制器家族中小型自动化系统，具有全面而强大的功能，可以满足各种自动化系统的需求。对于PLC的选型，通过对控制系统的I/O数量和类型，CPU的电源带载能力，系统复杂程序，通讯要求，环境要求以及功能要求综合考虑后选择CPU226。压缩机采用3台螺杆式压缩机，机组之间要考虑其互为备用和切换使用的可能性[4]。变频器选取MM440,易于调试,易于安装,可由IT电源供电,响应是快速并且可重复,很广的参数的范围。
本次设计中，将软启动器和变频器一起配合使用，由变频器带动一台压缩机变速运行，一个软启动器控制其他电机的操作，由变频器控制的压缩机可以定时轮换使各压缩机运行的时间相均衡，从而使各台压缩机的寿命得到延长。
3.1.2 传感器的选择
在该系统中需要选择温度检测工具，本文中使用的型号为MIK-WZP-A，源自德国测温技术，具有卓越的测温准确度，优良的稳定性能等特点。温湿度传感器采用型号为HC2-IC302，接线结构简单，精度高达±0.1℃。将上述HC2-IC302温湿度传感器信号送到中央控制器PLC中需要加一个变送器，将需要采集信号类型转换成PLC能够采集的信号类型，选用的变送器型号为SLS-582。
3.1.3 电磁四通换向阀的选择
在该系统中电磁两位四通换向阀是一个重要部件，它的工位决定着中央空调输入到室内是暖风还是冷风，由于该器件与压缩机连接，器件中流经的是高温高压的蒸汽。高温高压会影响到电磁四通换向阀的使用寿命与精度，通过调研采集蒸汽的温度与压力之前的关系，将数据形成易于观察的曲线，如图3.2所示。通过曲线发现压力越高，蒸汽的温度就越高[7]。所以应选购的耐高温、高压的电磁四通换向阀。
图3.2蒸汽温度与压力关系图
3.2 硬件电路的设计
整个系统的所需期间选择完成之后，要对控制方案的硬件电路进行设计，硬件设计是决定控制系统设计是否成功的关键问题。硬件电路是实现整个系统要完成的目的的途径。硬件设计的好坏直接关系到控制系统的安全性、可靠性与生产制造成本等诸多重要问题。
3.2.1 硬件接线图
（1）主要设备接线图
图3.3主要设备接线图
3.2.2 中央空调控制系统的端口分配表
表3.1 PLC地址编号
|
名称 |
地址编号 |
说明 |
|
输入信号 |
||
|
|
I0.0 |
控制驱动装置启动/停止 |
|
|
I0.1 |
停车信号2，自由停车 |
|
|
I0.2 |
停车信号3，快速停车 |
|
|
I0.3 |
确认故障 |
|
SB |
I0.4 |
手自动切换 |
|
|
I0.5 |
控制电机运转方向 |
|
|
I1.6 |
蒸发器挡风板电机启动/停止 |
|
|
I1.7 |
冷凝处散热电机启动/停止 |
|
|
I2.0 |
楼层1挡板启动/停止 |
|
|
I2.1 |
楼层2挡板启动/停止 |
|
|
I2.2 |
楼层3挡板启动/停止 |
|
|
I2.3 |
电磁阀控制信号 |
|
|
I1.0 |
转换USS通讯和PPI通讯 |
|
|
I1.1 |
开始读/写切换 |
|
SB1 |
I0.6 |
手动启动1#压缩机 |
|
SB2 |
I0.7 |
手动停止1#压缩机 |
|
SB3 |
I1.2 |
手动启动2#、3#压缩机 |
|
SB4 |
I1.3 |
手动停止2#、3#压缩机 |
|
|
AIW0 |
楼层1内温度传感器 |
|
|
AIW4 |
楼层2内温度传感器 |
|
|
AIW8 |
楼层3内温度传感器 |
|
|
AIW12 |
控制室湿度传感器 |
|
|
AIW16 |
室内冷凝器/蒸发器温度传感器 |
|
|
AIW20 |
变频器反馈信号 |
|
|
AIW24 |
压缩机处管温度传感器 |
|
输出信号 |
||
|
KM10 |
Q0.0 |
运行模式反馈 |
|
KM11 |
Q0.1 |
运行方向指示 |
|
KM12 |
Q0.2 |
指示驱动装置禁止状态 |
|
KM13 |
Q0.3 |
故障指示 |
|
KM2 |
Q0.4 |
1#压缩机工频运行接触器及指示灯 |
|
KM1 |
Q0.5 |
1#压缩机软启动运行接触器及指示灯 |
|
KM4 |
Q0.6 |
2#、3#压缩机工频运行接触器及指示灯 |
|
KM3 |
Q0.7 |
2#、3#压缩机变频运行接触器及指示灯 |
|
KM6 |
Q1.0 |
贯流风扇运行接触器及指示灯 |
|
KM5 |
Q1.1 |
轴流风扇运行接触器及指示灯 |
|
KM7 |
Q1.2 |
楼层1挡板开关 |
|
KM8 |
Q1.3 |
楼层2挡板开关 |
|
KM9 |
Q1.4 |
楼层3挡板开关 |
|
|
AQW0 |
输出模拟信号到变频器 |
3.2.3 主电路设计
主电路中要经过大电流，三相380V交流电经过断路器，后经过继电器KM1接入变频器输入端R、S、T，在变频器输出端U，V，W输出接到继电器KM2接到压缩机上。或者经过继电器KM3与热继电器接到压缩机上。两种方式都要在压缩机处安装电流互感器，把大电流经过互感器转换为小电流，作为仪表检测用。保护压缩机。主电路如图3-4所示。
图3.4 主电路
3.2.4 控制电路设计
图3.5 控制电路
由于在相互切换时存在电弧，为了防止短路，一方面加灭弧装置，一方面在控制回路中会人为加入一定延时时间。
4 中央空调控制系统软件设计
4.1 程序流程图
本次设计采用STEP7软件编写S7- 200的程序，编写程序之前要做好流程图。如下图所示。
图4.1 中央空调控制系统程序流程图
4.2设备通讯
4.2.1 RS-485介绍
智能仪表技术是伴随着单片机技术的发展而成熟起来的。随着现代化企业的发展，很多企业在选择仪表的过程中首先考虑的就是具有联网通信接口，RS485出现了，解决了联网的问题。
4.2.2 USS协议软件与S7-200间的通讯
S7-200可编程控制器与西门子MM系列的变频器之间使用的是USS通信协议，
为完成USS通讯，还需要对MM440进行参数设置。
P0003=3，变频器的所有参数响应；
P0971=1，将数据存入EEPROM中；
P0700=5，变频器的控制方式选择为通讯方式；
P2010[2]=6，波特率选择为9600；
P2011 [0]=11，通讯地址为0~31。
USS通信是由S7-200和驱动装置配合，因此相关参数一定要配合设置。
4.3温度系统PID控制软件仿真
对于该系统中温度控制系统采用PID算法，使用labview 2013软件仿真PID参数，若PID参数能够实现温度的调整，则PID参数正确。
4.3.1PID控制理论
PID调节器是一种线性调节器，它将实际输出值c(t)与给定值r(t)的偏差的微分(D)、积分(I)、比例(P)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制[13]。PID调节器的微分方程：
(4.1)
(4.3)
4.3.2 PID控制参数整定
(1) 比例系数Ｋp对系统性能的影响：
比例系数加大，使系统的稳态误差减小，动作灵敏，速度加快。
太小，又会使系统的动作缓慢。
偏大，调节时间加长，振荡次数相应会加多。
太大时，系统会趋于不稳定[14]。根据执行机构、传感器以控制对象的特性，
可以选负数。出现pv值相对于SV值越来越远的情况时，此时的
的符号就一定要取反。
(2) 积分控制Ti对系统性能的影响：
积分作用使系统的稳定性下降，Ti小，能提高系统的控制精度，消除稳态误差但是同样也会使系统不稳定。
4.3.3 PID控制模块
该模块采用PID控制器，在Labview中主要通过两种途径实现。如图4.4所示为labview的PID控制模块。
图4.4 PID控制器面板
在该程序中设定的PID控制参数，根据采集到的温度与该设计采用了定值进行比较得到偏差e（k）,计算得到增量△u(k)。如图4.6所示。
4.4 数据存取模块
为了后期分析处理数据，需要把数据存储部分主要利用Labview与数据库接口程序，将采集的原始数据存储到Access数据库中，供后续的结果查询和数据分析。
5 上位机监控系统设计
5.1 上位机监控系统
在中央空调控制系统运行过程中，加强对控制系统的监控，可以提高控制系统运行的安全性。
5.1.1主画面
在打开中央空调控制系统上位机监控系统时，将会显示出主画面。如下图5.1所示；
5.1.2中央空调监控画面
中央空调的监控画面主要分为五个窗口：AlarmWindows，ReactionDept，ReactionDept_0，SQL，Trend。在ReactionDept和ReactionDept_0两个窗口中主要反映的中央空调制热或者制冷的主要流程。
ReactionDept显示的画面就是上位机系统启动时显示的画面。压缩机工作之后，需要将相应的热气或者冷气送入相应的楼层内，这时就进入到ReactionDept_0窗口中，如下图5.2所示。
图5.2 ReactionDept_0窗口
在该窗口中主要由两台贯流风扇，相应的风箱管道，各个楼层的控制按钮组成。在画面的左下角通过使用KingSCADA上位机中带有的IOServer软件将传感器中的数据采集出来并且显示画面中。
中央空调的监控画面能够实时监视各个楼层的温度等参数、压缩机等部分的工作状态，当发生故障时，能显示哪里出了故障，并快速查找故障，以便及时修理。
5.2报警处理
在该报警窗口中主要分为三种类型，分别是实时报警，历史报警和报警查询。
报警窗口反应变量的失常变化，在建立变量时选择报警设置，KingSCADA能够自动对需报警的变量进行实时监视[20]。当有报警信号发出时，报警事件将在报警窗口中显示出来，显示格式在定义报警窗口时已确定。画面效果如图5.3所示：
图5.3 AlarmWindow窗口
5.3SQL保存与查询
在该KingSCADA中应用到了数据库，将程序中采集的数据保存到数据库中，能够实时查询到想要的数据，通过数据也可以为后期的分析提供一些帮助。SQL窗口如图所示。
图5.4 SQL窗口
在SQL画面中主要分为三个部分，分别为实时数据，查询数据还有根据时间日期查询相应的数据。显示的数据有：日期，时间，压缩机出口温度，压缩机进口温度，压缩机出口压力，压缩机进口压力，风箱出口相对湿度。
5.4Trend显示
在该窗口中，主要是将获取到的数据以曲线的形式显示出来，这样会更能够看出数据的变化，利于分析数据。画面如图所示：
图5.5Trend画面(a)
图5.15 Trend画面(b)
6 结论
在本设计中，通过上位机监控系统---KingSCADA进行模拟和仿真，使用labview 2013对PID参数进行仿真验证，显示压缩机、温湿度传感器以及现场监控的工作状况。结合西门子MM440变频器，通过西门子S7-200 PLC对中央空调进行编程与控制，设计出了一套舒适、安全、节能的中央空调控制上位机监控系统。使中央空调技术领域向多元化、变频化、环保化、舒适化、智能化、节能化方向发展。经过理论分析与推理，结果表明该系统结构合理、功能完善、性能稳定可靠、控制精度高，达到了较好的控制效果。
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