暖通空调计算机控制系统设计

【摘 要】以沈阳建筑大学建筑环境第一实验室的空调试验系统为对象，设计了以PC 机、PLC 为核心的计算机分布式控制系统，并结合各种智能传感器和执行机构来实时的检测、调节空调系统的运行状态。保证空调系统正常运行，并在满足技术要求的前提下最有效的节约能源，提高经济效益。

【关键词】分布式控制系统；暖通空调；闭环控制

中图分类号：TV96文献标识码： A

（一）引言

随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案的变革。同时，计算机技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以计算机控制系统为基础的空调控制系统。据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60%以上，为使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率”的要求，因此，研究空调的控制系统具有很大的经济意义。

（二）闭环控制系统的基本结构

整个调节系统采用的是闭环反馈控制，由传感器、调节器、执行器、调节对象组成。当传感器检测出被调节对象的参数θa 后，与给定值θG 进行比较得出偏差信号e，然后再把偏差信号送入调节器中。调节器得到偏差信号后，根据其调节规律，自动输出调节信号p 来控制执行器。执行器根据输入信号而动作，如控制调节阀开度，从而控制流过调节阀的介质流量，这样就实现了被控对象参数的自动调节。

本次实验室空调自动控制系统中，共有4 个闭环控制环节，分别为：空调系统制冷量的闭环控制、空调系统供热量的闭环控制、实验房间空气温湿度的闭环控制、实验房间送风风速的闭环控制。

（三）自动控制系统设计

1.控制系统组成原理图

图2 为计算机分布式控制系统原理图。其上位机采用PC机，与通信接口等组成中央控制设备。PC 机通过通信接口和RS-485 总线冷连接，实现上位机与制冷系统、供热系统、主/副空调机组控制器的正常通信。下位机控制器采用PLC，其主要功能是读取现场数据、控制存储和解读用户逻辑、执行各种运算程序、输出运算结果、执行系统诊断程序、完成与中央控制主机和外部设备的通信。

各种控制设备因有PLC 作为下位机，可独立运行，完成各自的功能；各控制设备也可以在上位机的控制和协调下运行，实现预定的各种功能。由于各控制设备可以脱离上位机工作，上位机的故障影响面大大减小，系统运行更加安全、可靠。

2.空调系统冷源控制原理图

实验室空调系统的冷源由制冷系统提供，整个冷源系统由冷却塔、定压补水箱、冷冻水泵、冷却水泵，冷凝机组组成。其中冷冻水泵和冷却水泵都是一备一用。控制系统的现场监测和控制设备有下位机PLC、冷冻水供/回温度传感器、冷却水供/回水温度压力传感器、水泵流量传感器、水泵压力

传感器、变频控制箱、电磁阀等组成。其控制系统原理图如图3 所示：

系统的监控原理如下：

（1）PLC 下位机对冷凝机组、冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔的运行状态、故障状态、手/自动状态反馈信号进行监测，并控制这些设备的启停，并能对故障进行报警。

（2）对冷却水供/回水温度、冷冻水供/回水温度进行监测保证其在正常范围。其中冷冻水供水温度的典型值为7℃，冷冻水回水温度的典型值为12℃，冷冻水供回水温差为5℃，冷却水供水温度的典型值为32℃，冷却水回水温度的典型值

为37℃，冷凝机组进出口温差和进水最低温度应按冷凝机组的具体要求确定。

（3）监测冷冻水流量，再根据供回水温差计算空调系统的冷负荷，根据冷负荷的大小，通过变频调速装置调节冷冻水泵转速的快慢，实现节能的目的。其中水泵变频器运行频率上限值为45Hz、下限值为30Hz。

3.空调系统热源控制原理图

实验室空调系统的热源由供热系统提供，整个热源系统由蒸汽锅炉、补水定压箱、凝水箱、热水循环泵、补水泵、板式换热器组成。其中热水循环泵为一备一用。控制系统的现场监测和控制设备由下位机PLC、热给/回水温度传感器、

水泵流量传感器、水泵压力传感器、锅炉出口蒸汽压力传感器、锅炉出口蒸汽温度传感器、板式换热器冷介质出/入口温度传感器、板式换热器热介质出/入口温度传感器、电磁阀等组成。

其控制系统原理图如图4 所示：

系统的监控原理如下：

（1）PLC 下位机对蒸汽锅炉、热水循环泵、补水泵的运行状态、故障状态、手/自动状态反馈信号进行监测，并控制这些设备的启停，并能对故障进行报警。

（2）对热水的供、回水温度进行监测保证其在正常范围。锅炉输出饱和的蒸汽，经热交换后向空调机组提供温度较高的热水。回水温度反映了系统热负荷的大小，回水温度高，系统热负荷小，反之热负荷高。

（3）对板式换热器的运行参量、运行状态监测及控制，如：板式换热器一次侧蒸汽出/入口温度的检测，二次侧热给水出口温度的检测，二次侧热循环水入口温度的检测。

4.试验房间空调机组控制原理图

实验房间空调机组主要由新风阀、回风阀、排风阀、过滤器、冷/热盘管、送风机组成。控制系统中的现场设备由下位机PLC、送/回风温度传感器、送/回风湿度传感器、送/回风风速传感器、送风管道静压传感器、回风二氧化碳传感器、

防冻开关、压差传感器、风阀执行器、电磁阀等组成。

其控制系统原理图如图5 所示：

系统的监控原理如下：

（1）电动风阀与送风机回风机的连锁控制。当送风机、回风机关闭时，新风阀、回风阀、排风阀都关闭。新风阀和排风阀同步动作，与回风阀动作相反根据新风、回风及送风焓值的比较，调节新风阀和回风阀的开度。当风机启动时，新风阀打开；风机关闭时，新风阀关闭。

（2）当过滤网两侧压差超过设定值时，压差开关送出过滤网堵塞信号，并由监控工作站发出报警信号。

（3）送风温度传感器检测出实际送风温度，送往计算机与给定值进行比较，经计算机的计算后，输出相应的模拟信号，控制水阀的开度，直到实测温度非常逼近和等于设定温度。

（4）送风湿度传感器检测出实际送风湿度，送往计算机与给定值进行比较，经计算机的计算后，输出相应的模拟信号，调节加湿阀的开度，控制房间湿度达到设定值。

（5）由设定的时间表对风机启停进行控制，并自动对风机手动/自动状态、运行状态和故障状态进行监测；对送风机、回风机的启停进行顺序控制。

（四）结束语

本文设计了以PC 机和PLC 为核心的暖通空调计算机分布式控制系统，实现了制冷系统的自动控制、空热系统的自动控制、空调机组的自动控制，并使各子系统协调工作，节能减耗。并使得实验室暖通空调系统更加完善，方便了同学和

老师今后进行实验。

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