西門子PLC在中央空調節(jié)能設計中的應用

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)的轉型與過渡。足見我國對于能源節(jié)約項目的重視。
1．2 中央空調在我國的應用
當今大型建筑如商場，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。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 中央空調系統(tǒng)運行機制
中央空調控制系統(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溫度。通常的中央空調系統(tǒng)使用水作為傳遞溫度的媒介，以空調水泵提供動力，通過提高水壓來調節(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)。空調水泵的轉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，可以放慢空調水泵的轉速，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水泵的轉速。因此控制整體水溫的關鍵在于通過變頻器控制空調水泵的轉速快慢，其中小溫差意味著高轉速進而更耗電，大溫差意味著低轉速而更加省電。但是為了保證整個管道水處于正常的循環(huán)狀態(tài)，空調水泵的轉速不得低于某一限定的值。
3 中央空調系統(tǒng)節(jié)能方案設計
隨著社會的高速發(fā)展，控制理論在實際生產(chǎn)中的應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域發(fā)揮了很好的作用。本文構建的中央空調水溫調節(jié)系統(tǒng)的作用在于可以調節(jié)中央空調系統(tǒng)中變頻器的輸出頻率，用較低的能耗來滿足建筑物內溫度的舒適性，并且能夠在建筑物內部與外界環(huán)境溫度負荷變化的情況下及時調整系統(tǒng)運行狀態(tài)，取代了以前空調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，達到設想的控制效果。針對中央空調控制系統(tǒng)的構成，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。主控電路控制器應當能夠適應該工業(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，選擇相應的CPU 響應時間。由于中央空調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 中央空調節(jié)能控制系統(tǒng)的設計
對于中央空調節(jié)能控制系統(tǒng)的設計，為了方便系統(tǒng)功能的擴展和維護，本設計采用模塊化的設計方法。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 調節(jié)頻率需要以變頻器釋放權限為信號，當變頻器設置為自動模式時開始進行PID 控制，當變頻器設置為定頻模式時，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定溫差與實際溫差為，通過典型PID 模塊運算，調整變頻器輸出，實現(xiàn)調節(jié)空調水泵，進而達到實際溫差跟隨設定溫差的目的。
5 總結
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，但是在實際應用中往往由于硬件的不支持難以得到很好的應用。但是時代在不斷的發(fā)展，對于中央空調節(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)的應用，如何將各種節(jié)能設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進行相關研究。本文希望能夠通過對中央空調系統(tǒng)進行節(jié)能減排設計為我國的能源現(xiàn)狀貢獻出自己的一份微薄之力。