PLC在办公楼空调混水直连控制系统中的应用.pdf

行 业 应 用 与 交 流 n du s t r ial Ap pli c a t i o n s a n d Co mm u n ic a t ion s 自动化技术 与应用 2 01 1年第 3 0卷第 6期 P L C在办公楼空调混水直连控制系统中的应用 袁 建 华 湖南中烟有限责任公司， 湖南 常德 4 l 5 0 0 0 摘 要 采用混水直连的方法实现空调水系统变水温供给。采用P L C控制系统， 基于P I D智能控制算法对整个混水过程实现实时监 测和控制 ， 提高了混水 的效率 、降低了能源的消耗。 关键词 混水直连； 可编程序控制器； P I D控制 ； 智能控制算法 中图分类 号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 6 0 1 0 7 ⋯ 0 4 Ap p l i c a t i o n o f PL C i n t h e Co n t r o l o f Mi x i n g Wa t e r Di r e c t Su p p l y S y s t e m o n Off i c e Bu i l d i n g ’ S Ai r - Co n d i t i o n i n g S y s t e m YUAN J i a n- h u a Hu n a n C h n e s e T o b a c c o Co ． ， L t d ． ， C h a n g d e 4 1 5 0 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t Th e me t h o d o f mi x i n g wa t e r d i r e c t c o n n e c t i n g i s u s e d f o r s u p p l y o f a i r c o n d i t i o n e r c o o l i n g wa t e r i n v a r i a b l e t e mp e r a t u r e ． PLC i s u s e d f o r o n l i n e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l o f t h e wh o l e wa t e r mi x i n g p r o c e s s b a s e d o n i n t e l l i g e n t PI D c o n t r o l a l g o r i t h m ． As a r e s u l t ， t h e e f f i c i e n c y o f wa t e r mi x i n g i s i m p r o v e d a n d t h e c o n s u mp t i o n o f e n e r g y i s r e d u c e d ． Ke y wo r d s m i x i n g wa t e r d i r e c t c o n n e c t i n g ； p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ； PI D c o n t r o l ； i n t e l l i g e n t c o n t r o l a l g o r i t h m 1 引言 目前部分大型企业的办公楼与生产车间的空调用冷 冻水由动力中心制冷站统一提供 ， 其 中办公楼采用二次泵 供冷 ， 二次泵布置于办 公楼地 下室。 由于车间生产对相对 湿度有严格的要求 ， 为保证车 间空调机组制冷器具有 良好 的除湿能力， 冷冻水供水水温不得高于9℃。企业的办公 楼空调采用风机盘管加新风方式 ， 工作时 间为上午 8时至 下午 5时 。由于在设计时风机盘管未配置温控 阀， 办公人 员休息 时段 ， 风机盘管风机停开 ， 但盘管 内冷冻水并未 关 断， 造成能源浪费 ， 并导致风机盘管结露。另外根据办公楼 空调实际负荷 ， 以及室外当前温度需适时调整办公楼空调 制冷水的供水温度， 以降低一次泵供 水流量及能耗 。本文 正是基于上述需求， 根据某企业办公楼现有空调制冷设备 的配置， 对冷冻水的供给进行局部改造， 改用混水直连方式 进行供水 ， 提高冷冻水的利用率 ， 改善风机盘管结露状 况。 新系统采用P L C进行控制， 基于P I D控制算法， 实时采集办 公楼的室外温度 ， 并用以调节} 昆 水的水温 ， 在更大的温度范 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 2 7 围 内调 节办公室的空调制冷 ， 降低能耗 。 混水直连 系统的结构 a 1 单 { l 直 连 方 式 图 1 混水系统原理图 改 造之 前办 公楼 空调 冷冻水 的供 水 采用 单纯直 连 方式， 如图 l a所示。动力中心采用一级泵通过一级供水 管网将冷冻水远距离从动力中心输送至办公楼的地下 自 动化技术与应用 2 0 1 1 年第3 0 卷第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r i a l Ap p l ica t i o n s a n d Co mm u n i c a t i o ns 室 ， 办 公楼地 下室设 二次 加压 泵 ， 加压泵 的入 口直接 连 接一级管网， 克服办公楼冷冻水系统阻力。改造后的冷 冻水 的供水采用混水直连方式 ， 如 图 1 b所示 。由于办公 楼所需的供水温度高于冷冻水一级管网的供水温度 ， 故 将 办公 楼空调 冷 冻水 回水 与一级 管 网 中的冷 冻水 进行 混合来供给办公楼进行空调制冷 ， 实现提高冷冻水供水 温度 的目的。通过混水直连 ， 对冷冻水一级网来说 ， 办 公楼实现了大温差、小流量供水模式， 减少了一级管网 中冷冻水的消耗 ， 降低了动力中心的能耗 。 为实现混水温度的精确控制 ， 分别在回水管进水 口 和冷冻水一级管网进水口配置供水电动调节阀 阀一 和混 水电动调节阀 阀二 ， 通过调节阀一和阀二的开度， 控制回 水和冷冻水 的混水 比率 。在分水器的 出水 口处设置一 温 度检测装置和一压力检测装置， 实时检测混水的温度 T2 和压力 P 。整个混水作业在 P L C的控制下自动进行， P L C 实时采集室外环境温度 T 1 等参量， 并基于P I D控制算法， 调节二个调节阀的阀口开度， 实现供水水温的连续调节。 3 控 制系统的硬 件设计 办公楼原供水系统由一台软启动柜控制三台加压水 泵， 实现整个大楼的冷冻水的定压供水。控制柜采用西门 子S 7 2 0 0 为主控制器， 分检修和运行两种模式， 检修模式下， 可以单台水泵启动； 运行模式下， 可以实现两用一备功能， 作为加压水泵的控制功能较为完整， 可以利用。原系统没 有涉及压力、温度检测与控制， 只是完成泵的起停控制， 新 系统控制要求比较复杂， 需要增加部分设备， 由于原软启动 柜内部设计紧凑， 无法在其基础上改造完成， 需另外设计单 独的控制柜。新控制柜配备西门子 S 7 3 0 0 系列P L C作为 主控制器， 新增的检测和执行器件接人此控制柜 ， 新控制柜 另外配备一台T P C 0 7 0 T D - b 触摸屏并安装在柜门上， 负责系 统参数的设定和状态的监控。原软启动柜内增加 C P 2 4 3 - l 以太网通讯模块， 实现 8 7 2 0 0 P L C与8 7 3 0 0 P L C之间的 数据交 2 l。老的s 7 2 0 0 P L C 、新的s 7 3 0 0 P L C， 以及新 的T P C 0 7 0 T D触摸屏之间的网络拓扑结构图如图2 所示。 图 2 系统网络拓扑结构图 S 7 3 0 0主控制器及主要控制元器件的选型如下 I 中央处理单元采用 S 7 3 l 5 2 P N／ D P C P U。 2 输入 输出模 块共 3 块 ， 其 中 1 块模 拟量 输入模块 S M 3 3 1 AI 8 xl 3 B i t ， 1 块模拟量输出模块 S M 3 3 2 AO 4 x l 2 B i t ， 1 块数字量输入／输出模块 S M 3 2 3 D I 1 6 ／ DOl 6 x 2 4 V ／ 0 ． 5 A 。 3 触摸屏选用昆仑纵横科技低功耗高性能嵌入式一 体化人机界面T P C 0 7 0 T D - b ， 安装在控制柜门上， 便于操作。 4 选用 2台西门子 RL U 2 2 2通用控制器控制冷 冻水阀门和 回水旁通阀门。 5 温度传感器、压力传感器选用 E H产品。 整个混水控制系统的控制结构图如图 3所示 。 图3 控制系统结构图 4控制 系统的软 件设计 4 ． 1 智能控制算法 本系统的控制需要满足以下要求 1 在满足办公楼所需制冷效果的情况下， 混水温度 的设定值尽量提高。考虑室外温度对办公楼空调负荷的 影响， 分段设置混水温度的设定值 ， 通过阀一和阀二的开 度 ， 实现出水温度的分段调节 ， 尽量减少一级泵供水量。 2 混水的供水压力确保在办公楼最不利点提供足 够 的 资用压差 ， 根据 实 际运 行情 况 ， 加压 泵 的供水压 力 一 般不低于 6 ． 4公斤 ／平方厘米。 3 休息 时 间段通 过加压泵 自动 关闭办公楼 空调 制 冷的供水， 节约能源。 为实现混水温度的分段调节 ， 系统获取监控界面的 高、中、低温度设定参数 T H 、T M 、T1 ， 与实时读取室外 环境温度值 T， 进行比较， 确定混水温度 P I D调节的四个 温度区段设定值 ， 即 低温 T _ s P L 、 高温 T _ S P H 、中温 I T S P _ M1 、中温 2 T _ S P M2 ， 其流程图如图4 所示。 为保证混水效果 ， 调节阀一和阀二互为反向调节 ， 调节阀一开度增大时， 调节阀二开度减小 ， 反之亦然 ； 根 据 以上确定 的混水 温度设定值 T S P与混水温度 的测量 行业应 用 与交流 动 化 技 术 应 用 3 0 卷 第 6 期 n d us t r i a l Ap p l i c a t i o n s a n d Commun ic a t ion s 值 T， ， 并结合供水压力 P一般不低于设定值 P S P 6 ． 4 公斤 ／平方厘米 的控制要求， 对调节阀一和阀二的开度 实施调节， 其混水温度和压力控制原理框图如图 5 所示。 图 4 混水温度 P I D调节区段判定程序流程图 图5 混水温度和压力控制原理框图 图中 MA X是西门子 P L C标准功能块 ， 其功能是选 出 三个输入变量 中的最大值【 。当温度调节需要将调节阀二 开度调整到 Q 时 ， 压力调节输 出值 需要将调节阀二开 度 调整到Q ， 如果 Q Q T 则调节阀二开度将在压力 P I 调 节器作用下增大到希望值 Q ， 而暂不考虑混水温度的控 制精 度， 优先满足供水压力 P一般不低于设 定值 P S P 6 ． 4 公斤 ／平方厘米 的控制要求。调整两个线性调节器 Y Y2 一 Y1 ／ X 2 一 X1 X X1 Yl 中的 Xl 、Yl 、X 2 、Y2 的值 ， 实现调节阀一和阀二互为反 向调节 ， 在两个阀门调 节的过程中， 取得供水压力 P基本保持不变， 同时混水温 度波动很小的效果。当T __ S PL 时， 需要升高混水温度， 此时控制系统的误 差信号 ER 0， PI 调节器 输出信号 L MN会逐渐增大I l 1 ， 自动状态下， 调节阀二采用反向调节 开度减小 ， 阀一采用正向调节开度增大 ， 使混水温度上升。 t l 4 5 0 m 7 3 0 ， t 2 5 4 0 m 9 0 0 ， t 3 1 0 5 0 1 7 3 0 为满足休息 时间 自动停止办公楼供水和上班前提前 供冷的要求， 在监控界面上设定的调节阀二全开开始和结 束及全关开始的时间参数 见 图 8系统参数设定画面 ， 将 调节阀二分为全开、全关和调节三个区段如图6 所示。通 过调用 S 7 3 0 0 的系统功能块 S F C1 读取 P L C当前的 日期 和时间值， 再根据 D A T E A N D T I ME D T 数据类型的存储 格式调用 I E C功能 引 ， 提取控制所需要的星期、小时、分 钟值， 按t h x 6 0i n计算以分钟为单位的 P L C当前时 间。当t l≤t t 2时， 调节阀二为全开、调节阀一为全关， 对办公楼进行强制制冷 ， 工作人员上班进入办公室时感到 比较舒适； 当t 2≤t t 3时调节阀二和阀一在控制系统作 用下自动调节； 不在以上两个时间区段时， 自动停水泵、 关调 节阀二 、开调节 阀一 ， 实现节 约能源 的 目标 。 辅 0 誊 麓 嚣 芷 _誓 ～i‘ 一 - 。。 ． 誓_ 0 、 。 l l f 0 _ j ～ 要 - -_。誊 i } l l l j ～ 0 曩 ‘ 一 - 赫薯 ■ ； 臻慧 ．．_ l - j 棵 l _警 粤I lll ■ 哆 j一 。 。 州 赫 茹 茹 舀 k 舀 嘞【 1 々 。 ll j ‘ l 1 _ _ 图 6 调节阀二工作时间区段图 4 ． 2 监控程序 系统监控控 程序基于 昆仑纵横 HMI B u i l d e r 实现的。 HMI B u i l d e r 是基于嵌入式操作系统的一款组态软件， 它 的组态环境和运行环境分开 ， 组态环境在基于 Mi c r o s o f t 的各 种 3 2位 Wi n d o ws 平台上运行 ， 运行环境是在实 时 多任务嵌入式操作系统 Wi n d o ws C E中运行。能够实现 数据采集、界面显示、流程控制、报警 、报表 、曲线等 诸多功能， 在 自动化领域有着广泛的应用。 本人机界面系统的监控画面主要包括 1 控制系统主 画面 ； 2 混水温度、混水压力 、阀门开度等关键参量趋 势 曲线； 3 参数设定画面等， 见 图 7 、图 8 。画面上可以 实现系统手自／动切换， 自动方式时系统全自动运行， 无 需人工干预； 手动方式时阀门、水泵都可以单独操作。 4 ． 3 通讯配置 本系统通过 S 7 3 l 5 2 P N／ D P C P U的两个 P N 口 与 昆仑纵横触摸屏 和S 7 2 0 0 站以太 网通讯模块 C P 2 4 3 l 连接 ， 构成一个三站点的以太网通讯网络。S 7 2 0 0通 过 C P 2 4 3 一l 作为服务器端与 s 7 3 0 0建立 s 7 连接【 ， 以此为基础实现以S 7 3 0 0 P L C时钟为基准的老控制 柜水泵与新控制柜调节阀门的联锁控制。如何建立 s 7 连接、数据存取参数配置以及数据交换的程序编写 ， 西 门子公司提供了非常详细的技术文本， 以及三个站点间 自动化技术与应用 2 0 1 1 年 第3 0 卷第6 期 行 业 应 用 与 交 流 n d us t r i a l Ap pli c a t i on s an d Co m mun ic a t i o n s 的通讯配置包括 I P地址的设置、协议的选用、协议的 配置等 ， 以及上位监控程序的开发 ，HMI B u i l d e r的软件 帮 助也有 全面 清晰的描述 ， 限于 篇 幅不再一 一赘述 。 图7 控制系统主画面 图 8 系统参数设定画面 5 结束语 采用 混水 直 连的方 法 在 充分 利用 原有 控 制设 备 的 基 础上 ， 对 原有 空调 冷水 单纯直 连系统 实施 改造 ， 采用 P L C控制系统， 基于P I D智能控制算法对整个混水过程 实现实时监测和控制 ， 实现空调水系统变水温运行方 案， 提高了混水的效率、降低了能源的消耗。实践证明， 改造后的办公楼在保证整体空调效果的前提下 ， 节能明 显， 同时长期存在的风机盘管结露现象得到了解决。 参考文献 【 l 】陈伯时主编． 电力拖动自动控制系统Ⅱ 棚． 第二版． 北京 机械工业出版社 1 9 9 2 f 2 】刘铠， 周海主编． 深入浅出西门子S 7 3 0 0 P L C [ M】 。 北 京 北京航空航天大学 出版社 2 0 0 4 [ 3 ]3 S T E P 7 V 5 ． 4编程手册[ Z ] ． 纽伦堡 西门子公司 ． 2 0 0 6 作者简介 袁建华 1 9 7 0一 ，男，在职研究生，工程师 研 究 方 向 信 息 和 控 制 技 术 应 用 研 究 等 上接第 1 0 6页 系列设备组成， 其中包括搅拌机、空压机、出水电动蝶 阀、吸砂阀、洗砂阀及砂水分离器等。其控制流程 图 如 图 4所示 。 3 ． 4 关于系统调试和运行中的一些体会 本系统采用时下流行的 PL C控制， 自动化程度较 高， 人机界面效果较好 ， 能使控制功能和任务分散 ， 减小 出现问题的危险性 ， 提高系统的可靠性。 由于 泵 站 的 电机选 用 软启 动 的方 式 ， 而 且受 到 水 源， 城市管网等因素影响 ， 泵站的 自动化运行还可以进 一 步 提高 。 仪表作为自动控制的 “ 眼睛 “ ， 安装时严格按照接 线标准， 做好抗干扰措施， 并且定期检查、保养、校验。 保证本套 自动化系统的使用寿命。 4 结束语 本系统在检测仪表、P L C控制、上位机及网络上选 择 比较成熟可靠的设备， 借助对控制工艺的了解 ， 及现 场 操作 人员 的协调工 作 ， 使 编程 过程 比较顺 利 ， 满 足客 户 的要 求 。 参考文献 [ 1 】 I N TOUC H参考指南【 z 】Wa n d e r wa r e 中国 有限公司， 2 0 0 4， 3 f 2 】2 CJ 系列可编程控制器参考手册【 z 】 。欧姆龙 中国 有限 公 司 ， 2 0 0 3 ， 7 作者 简介 唐丈军 1 9 7 8 一 ， 男， 本科， 助理研 究员。研究方 向过程 控 制 及计 算 机 应 用 。