基于S7―300PLC的厂房中央空调自控系统设计

【摘要】随着我国国民经济的持续增长，科学技术飞速发展。特别是空调、制冷技术在工业、农业、商业、科学技术人民生活等各个领域均得到了广泛的应用。中央空调现在已经普遍应用于大型建筑群、现代企业的加工车间及其他综合性场所。本文结合项目实例，针对中央空调系统的工作原理和工业厂房的使用需求，应用西门子S7-300PLC作为控制单元，在检测中央空调各主要运行参数的基础上，通过PID控制实现恒温、恒湿控制，改善中央空调运行效果并且节约能源。

【关键词】中央空调;S7-300PLC;自动控制

1.概述

随着现代制造业的发展，生产现场对环境的要求越来越高，生产厂房在建设中通常采用自控系统对中央空调的新风机、回风机、各种风阀、冷却/冷冻水系统进行自动控制，在检测相关运行参数的基础上，进行PID（比例、积分、微分）运算，动态调节各区域供风量，保证现场设备要求并达到节能目地。中央空调自控硬件厂商主要有霍尼韦尔honeywell、江森自控johnson、西门子等。

本次项目为沈阳某国企生产厂房，建筑面积5730平方米，主要进行金属（合金）数控切削加工及检测，其中检测室为房中房，由K1空调控制，供风口安装有电加热装置，要求温度控制在20±0.5℃。其他房间要求20±1℃。厂房有一个独立的冷热源站，包括两台荏原RHSBW350S冷水机组，K1-K4四台组合式空调机，冷冻水由电动阀门控制。整套控制系统由西门子S7-300PLC实现，冷/热水系统由一个CPU315监控，每个组合式空调机分别由一CPU315控制，全部5个CPU以及监控上位机通过profinet连接。

2.工艺流程介绍

中央空调系统主要由制冷压缩机系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、盘管风机系统、冷却塔风机等组成，如图1所示。

图1 中央空调工作系统图

制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂R22压缩、冷凝呈液态后送到蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温冷冻水进入到蒸发器盘管中与制冷剂间接热交换，这样原来的常温冷冻水就变成了低温冷冻水，冷冻水再送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围空气的热量，产生的低温空气由盘管风机送到各个房间。

制冷剂在蒸发器中充分吸收热量过程完成之后，再被压缩机将制冷剂蒸汽压缩送到冷凝器中去冷却到常压状态，并在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走的。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵进入冷凝器热交换盘管后，再将这以变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便在循环使用。

冷冻水循环系统由冷冻水泵及冷冻水管道组成。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻水泵加压送人冷冻水管道，并送入到盘管中降低周围空气，由风机送入房间内，使房间内的温度下降。

冷却水循环系统由冷却水泵及冷却水管道、冷却塔组成。冷水机组进行热交换的同时，必将释放大量的热。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却水泵将升了温的冷却水送入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换降低了冷却水的温度，再送回到冷水机组。如此不断循环，带走了冷水机组的热量。

3.控制系统功能

本系统的控制核心是西门子基于模块化设计的S7-300PLC，它由独立电源模块供电，由导轨（RACK）和各种模块组成。构成系统的主要模块有：电源模块（PS）、中央处理器（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）。其模块功能：电源模块：将外部电源转换为S7-300所需的工作电压DC 24V;中央处理器：数据处理、执行程序;信号模块：将数字量/模拟量进行输入和输出。模拟量输入模块选用6ES7 331-1KF02-0AB0，实现多路模拟量输入测点的参数采集，包括室内温度、冷冻水进出口温度、供风温度、冷却水和冷冻水压力、调节阀开度等等。模拟量输出模块采用6ES7 332-5HD01-0AB0，输入模拟量信号驱动各组合空调箱的电动调节阀，补水和风机变频器等。

为了保证界面操作简单、直观易懂以及信息全面。控制界面共分为四个控制界面，分别是：模拟图、参数值、参数设置和历史记录界面。

模拟图：模拟图集中的显示了冷冻水、冷却水系统、空调供风系统、冷却塔系统的重点参数，电动阀门手自动控制方式切换，组合空调箱的控制方式切换，以及参数报警提示等功能。使值班员通过一个界面完成所有设备的监控。

参数表：将系统所有采集、计算出来的参数通过直观的数字显示出来。并根据各主要参数日统计时间等统计周期，统一参数更新周期与人工报表填写时间。便于值班员完成数据统计上报工作。

参数设置：完成水泵电机电流报警值、水箱设定液位、冷冻泵和冷却水泵起停液位等参数值的设定。参数设定可以通过点击向上、向下的按钮完成参数设置，也可以直接输入点击回车键，即可完成参数设置。此外，还设计补水泵变频器远程急停控制按钮，并用醒目的颜色标记，达到提醒的目的。

历史记录：通过系统平台的实时数据库功能对重点关注参数进行数据存储，用曲线和表格的形式表示，方便历史数据查询和对运行状态变化规律分析等。

此外，本系统还在现场安装了基于硬盘录像机的网络视频监控装置，摄像头的视频画面直接嵌入到模拟图界面中。使运行人员得以动态了掌握现场设备运行情况，并模拟显示直接比对，提高监控结果的可靠性。

3.1 冷却水回水温度控制在25-35℃。根据室外温度情况，自动控制冷却塔风扇启停，保证回水温度在正常范围内。

3.2 冷水机组运行状态显示。通过PLC采集相关运行参数在运行画面中动态显示冷水机组的运行状态，冷水机组是中央空调系统运行的核心，也是整套系统中自身自动化程度最高的设备，其内部运行由自带的控制器进行控制，中央空调自控系统不参加其内部控制。

3.3 冷冻水供/回水温度压力显示和调节。冷冻水回路的温度较低，一般控制在7-13℃的范围内，在冷水机组出口处温度由冷水机组控制在7℃，在组合空调箱出口为空调风降温后，冷冻水温度会升高，如此循环。因此冷冻水温度会直接提示运行人员空调系统的运行状态。

3.4 房间温度通过K1-K4空调冷冻水调节阀自动控制。检测各控制区域的室内温度值，分别对K1-K4所控制区域的温度值均平均，此四个平均值作为被调节量，按设计参数作为设定值，即20℃。各组合空调箱的电动调节阀开度为控制输出，进行PID自控控制。本步骤控制为粗略调整，在实际运行中适当降低设定温度值会为下一步的调节提供更好的条件。

3.5 K1空调检定房间温度通过空调进风口电加热器自动控制。由于四个组合空调箱均控制多个房间，上一步自动调节无法针对各个房间调节，而且上一步通过调整冷冻水阀的方式不仅调节范围粗糙，而且调整过程较慢。本步骤通过空调进风口电加热器控制各个房间室内温度，不仅能针对单个房间进行调节，而且控制精确、调整速度快。这种控制方式虽然会浪费一定的能源，但可以更有效的满足检定室更高的温度控制要求。

4.总结

该系统的建立，使此厂房空调系统控制达到设计要求。监控系统可靠性高、操作和调整方便、控制精度高、便于故障处理。参数显示、报警提醒及时。西门子S7-300PLC具有开发周期短，性能可靠，工作稳定，易于操作维护，人机界面友好等优点。随着技术的不断完善，以S7-300为代表的中等规模PLC在稳定性、可靠性、性价比等方面不断提升，特别在模拟量信号处理和PID自动控制方面与小型PLC具有明显的优势，适合在楼宇自控、中央空调、动力供应等现场应用。

参考文献

[1]尉迟斌.实用制冷与空调工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2]辛长平.中央空调冷水机组操作与维修教程[M].电子工业出版社，2012.

作者简介：

张博舒，教授级高工，现供职于沈阳航空职业技术学院，主要从事自动化、机电一体化工作。

袁继朋，高级工程师，现供职于中航工业黎明动力分公司，从事自动化工作。