基于PLC的中央空调控制系统

基于PLC的中央空调控制系统
1 绪论
1.1 中央空调系统简介
中央空调概念：空气调节（简称空调），就是把经过一定处理后的空气，以一定的方式送入室内，使室内的温度、相对湿度、清洁度和流动速度等控制在适当的范围内以满足生活舒适和生产工艺需要的一种专门技术。

中央空调系统是由一台主机（或一套制冷系统或供风系统）通过风道送风或冷热水源带动多个末端的方式，来达到室内空气调节的目的的空调系统。

1.2中央空调发展
今天，我们的生活当中已经离不开空调了，各种新型空调还在不断涌现。

空调从诞生发展到今天，从简单的空调扇到传统的制冷空调，再到今天节能化、智能化的超空调时代，已经走过了百余年的历程。

1902年，美国人威利斯·开利设计了第一个空调系统，1906年他以“空气处理装置”为名申请了美国专利。

开利的发明缘于一个印刷作坊，印刷机由于空气温度与湿度的变化使得纸张伸缩不定，油彩对位不准，印出来的东西模模糊糊。

为此开利打开了空调机商业化之门。

1922年开利工程公司研制成功在空调史上具有里程碑地位的产品——离心式空调机，简称离心机。

离心机最大的特点是效率高，这为大空间调节空气打开了大门。

80年代初期，变频空调技术在日本开始运用。

1982年，日本生产了第一台交流变频空调。

变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统的空调。

它的基本结构和制冷原理和普通空调完全相同。

传统空调压缩机依靠其不断地“开、停”来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。

变频空调的主机是自动进行无级变速的，它可以根据房间情况自动提供所需的冷（热）量；当室内温度达到期望值后，空凋主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现“不停机运转”，从而保证环境温度的稳定。

变频空调具有节能、噪音低、温控精度高、调温速度快、电压要求低、环境温度要求低等特点。

1998年，变频空调技术取得了重大突破，日本研制出了直流变频技术，直流变频空调性能比交流变频空调更加优异。

从这以后，直流变频空调迅速成为现代空调的主流，目前直流变频空调已在日本和欧美家用空调市场占90%以上。

在我国，继海尔在1998年率先推出国内首台直流变频空调以后，国内生产变频空调的厂家也迅速增加，中国变频空调市场尤其是直流变频空调市场开始有了突飞猛进的发展。

1.2.1空调控制系统国内外研究现状
伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制，直到1984年，美国哈特福德市第一栋采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。

集散式（即集中管理、分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC （Direct Digital Control）。

作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PLC的PID控制，因其控制简单，实用，成本低、技术成熟，易于实现，参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性，在空气调节中的应用比较广泛。

智能控制与传统的PID控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型，同时具有自寻优特点。

并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策。

通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式。

以获取整体最优控制性能。

由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。

随着智能建筑在中国的飞速发展，楼宇自动控制技术和装置也得到快速的发展。

对于楼宇自动控制而言，在确保建筑内舒适和安全的办公环境的同时，还要实现高效节能目的。

因此诞生了综合现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术和现代图形显示技术的集散型控制系统。

集散型中央空调监控系统在我国的智能建筑中得到广泛应用，其自动监视、测量、控制和管理功能是相当优越的，自动化程度高，节约了大量的劳动力和运行费用。

20世纪90年代未至21世纪初，我国在中央空调系统的控制领域，同时推出两项节能技术和产品：中央空调变频调速控制节能系统和中央空调变流量控制节能系统。

将这两项技术相结合，在集散型中央空调监控系统的基础上，增加PLC和变频技术，并且与智能控制方
法相结合，将原有的定流量系统改为变流量控制系统，从而使中央空调的各泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化，就能够在保证负荷需求的前提下，实现中央空调系统的最大节能。

国内还有一些科研机构和企业的科研团体，也都开展了智能空调器的研制工作，其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的研究，其研究成果还未见公开发表。

智能型空调器是一个综合技术的聚合体，开发难度较大，现在的样机或产品在控制模式上、控制系统的稳定性和鲁棒性方面相比国际先进技术还存在很大的差距，有待于进一步的研究和提高。

综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理论的发展，智能控制必将在空调系统中得到广泛的应用
1.2.2我国中央空调系统的发展趋势
近年来，为了满足各阶层消费者的各种需要，国内空调市场上还出现了多种新型空调：智能空调，采用人性智能设计，无需人手操作即可自动开关。

智能空调还可根据光线强弱、人员多少、内外温差自动调节运行状态，以达到最佳室温。

这种顺应趋势发展的空调自然成为新的主流。

展望将来，网络技术的发展必将为空调带来一场全新的技术革命。

传统空调的概念将发生质的改变，空调网络信息时代的到来成为不可逆转的潮流。

一些新型空调产品开始预留网络接口，实现网络开放。

通过选配的网络控制器可实现千里之外的网络遥控。

集中控制器可实现同时控制128台空调，为智能化小区物业管理提供便利。

高技术、高附加值的特点把空调这种最初简单的舒适品推向了一个全新的概念，成为人们在工作和生活中必不可少的人性化智能家电。

在各类中央空调产品已经趋势成熟化的今天，中央空调性能和质量的内核化日益明显，空调产品使用的高性能电机、压缩机、控制器、磁控管阀、传感器等关键部件越来越成为我国中央空调行业发展的壁垒和障碍，也使得国内中央空调绝大多数产品很难在短时间内赶上或超过国际先进制造企业的生产水平。

由于国内空调生产企业对核心部件技术进口的规模和范围没有降低，市场的补缺不足部分仍完全依赖进口，造成进口中央空调配套设备数量与金额逐年上升。

这种状况一方面将制约行业整体水平的提高，另一方面也造成中央空调行业部分资源的浪费。

因此，在今后中央空调行业结构调整的过程中，重主机、轻配套的局面将有所改善，整个行业将呈现协调、持续、快速、健康发展的良好态势。

2 中央空调的控制技术
2.1中央空调控制系统简介及特点
2.1.1中央空调控制系统的简介
众所周知，中央空调系统中的各个设备的容量是由工程设计人员根据房间内的可能出现的最大热、湿负荷而选择的，在空调的实际运行中，由于空调房间受到内部和外部各种条件的干扰而使室内的温、湿负荷不断地发生变化。

自动调节系统就要指挥自动调节系统中的各有关执行调节结构（如加热器、加湿器、冷却器、喷水室、风机等设备上的有关调节机构----调节阀、变频调速器等）改变其相应位置，从而使实际输出量发生改变以适应空调系统的变化，满足对被控参数的要求。

2.1.2中央空调控制系统的特点
(1)灵活性本控制系统选用可利用公司的小型一体化PLC代替传统空调主机控制系统中的单片机，较大程度地提高了系统配置及控制的灵活性，能更好地满足不同用户的不同需求。

同时，明显缩短了程序开发周期。

(2)高可靠性PLC控制核心能够在恶劣的环境中长期可靠、无故障运行，并且易接线、易维护、隔离性好、抗腐蚀能力强，能适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔(MTBF)大于15年。

(3)强大的实用性现代的PLC的编程语言遵从易学、易懂、易用的标准。

除了具备传统PLC助记符和梯形图编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图编程功能。

PLC提供各种功能模块，包括各种通讯功能选择、通讯参数设置，以及可以具体到某年、某月、某日、某个时刻的多种定时器和超长定时器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。

(4)优良的开放性WinCC flexible可通过以太网利用TCP/IP协议与各种OPC 兼容应用程序进行通讯。

2.2中央空调控制系统的结构
为了达到远程精确稳定的控制空调房间内的温度、相对湿度和室内静压，中央空调系统分为几个子系统：
中央监控系统：中央监控系统由远程计算机和组态软件组成负责设定值得给定、实时数据处理、历史数据存储等功能。

通信系统：远程通信系统采用光纤通信，将现场PLC采集的数据迅速的传递给监控计算机降低了数据传输延迟时间，达到高效、快捷的数据处理。

控制系统：控制系统由现场的PLC及其模块和现场的仪表组成，例如电动执行器、温湿度传感器、露点传感器、变频器、静压传感器等设备组成，为PLC的数据采集及处理提供稳定的数据输入、输出。

UPS系统：在中央空调的控制系统中必须建立一个可靠的供电系统，在这个系统中不仅要解决自控系统的（网络、主控计算机、PLC、终端设备等）用电问题，UPS不间断电源能提供高质量的电源，没有瞬变和谐波，即使当电网断电时，它也可以由后背电池支撑、继续供电，使PLC、计算机有一定的时间进行处理。

中央空调控制系统的结构框图：
图2-1中央空调系统框图
2.3中央空调的控制技术
中央空调系统的控制有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。

继电器控制系统由于故障率高，
系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC
虽然在智能化方面有了很大的发展。

但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。

相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。

中央空调控制系统是由变频器、温度传感器、压力传感器、温度传感器、烟雾侦测器、室内静压传感器、滤网压差开关、风机压差开关、外气温湿度传感器、可编程控制器（PLC）以及人机界面等几部分组成。

它根据空调系统需要控制部位的参数（如冷却水温度等），由 PLC 来控制调整冷却水电机、冷冻水电机等机组动力单元的运行状态，在精确进行温度控制的同时，大幅度的节约了电能。

2.3.1 空调控制系统要求
空调的任务就是维持空调房间内所要求的空气参数稳定在一定的参数范围内。

一个完整的中央空调系统主要包括空调房间，空气的热、湿及净化处理系统，制冷、制热系统及其他辅助部分，同时还要包括一套完整的自动控制系统。

空调自控系统的主要任务就是以空调房间为主要对象的空调系统的温度、湿度及其他参数进行自动检测、自动调节以及有关信号的报警、连锁保护控制，以保证空调系统始终在最佳工况点运行，满足工艺条件所要求的环境条件。

因此中央空调的自动控制系统应包括以下几个方面的内容：
（1）室外温湿度监测
（2）电动两通阀进行PID调节
（3）新风阀、回风阀调节与控制
（4）过滤器前后压差及报警，以防堵塞
（5）表冷器防冻报警
（6）送/回风机的启停、运行状态、手/自动状态、故障报警、过载报警
（7）控制加湿阀的调节
（8）风机运行时间积累等
（9）在中央工作站上对系统中各种温度进行监测和设定
2.3.2空调中常用的控制系统：
开环控制系统与闭环控制系统
（1）开环控制系统。

开环控制系统是一种简单的控制系统，其特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用，而没有反馈控制作用。

即系统输出对控制信号（输入信号）没有影响。

在开环控制系统中，不需要对被控量测，只需要输入信号进行控制。

例如在寒冷地区，一般在空调控制系统中设置一次空气加热器，用来对空调控制系统中的新风进行预加热处理，以防的过低温度的空气进入系统后冻坏其他换热设备。

一次空气加热器的开环控制如图2-3所示。

利用室外空气温度控制一次空气加热器上调节阀的开度，以维持通过一次加热器后的空气温度在一定范围内波动。

途中测量新风温度的传感器将其温度信号送至控制器，控制器控制电动调节阀。

由于这个系统是按照室外温度这个干扰信号信息控制的，因此，当其他干扰变化时，则无控制作用。

上叙依靠某种干扰控制组成的开环控制系统，虽然不一定能消除所有干扰给细看带来的不稳定影响，但是如果采用交频繁的主要干扰作用为控制信号，则对其能起到补偿作用，控制也及时。

开环控制系统的控制精度低抗干扰能力差。

但由于控制系统一般产生振荡，故一般用于干扰不强烈，控制进度要求不高的地方。

图2-2一次空气加热器的开环控制
（2）闭环控制系统。

在控制系统中，如果把系统的输出信号反馈到输入端，由输入信号和输出信号的偏差信号对系统控制，则这种控制系统称为闭环控制系统，也称反馈控制系统。

由于闭环控制系统的特点是在控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接影响。

将检测出来的输出量送回到系统的输入端并与输入信号比较的过程称为反馈。

输入信号与反馈信号之差称为偏差信号，简称偏差。

偏差作用在控制器上，
使系统的输出量趋于给定值。

闭环控制的实质就是利用反馈的作用来减小系统的偏差。

因此闭环控制系统又称为反馈系统。

利用负反馈组成的控制系统称为闭环控制系统，又称反馈控制系统。

在反馈控制系统中，存在着一条从被控量经过传感器到输入端的联络通道，称为反馈通道。

一般在空调房间里的温度，湿度的自动控制系统中，多采用闭环控制系统的方式。

空调房间温（湿）度闭环控制有控制对象----空调房间、温度、湿度调节器、执行器组成。

闭环控制系统无论照成偏差的因素是外来烦扰还是内部干扰，控制作用总是使偏差趋向下降。

因此，它具有自动修正被控量偏离给定量的能力，且精度高、适用范围广，是基本的控制系统。

与开环控制系统相比，具有较强的抗干扰能力。

2.4中央空调系统中监控系统
上位机监控系统主要完成对工艺参数的检测、各机组的协调控制以及数据的处理、分析等任务，下位PLC主要完成数据采集、现场设备的控制及连锁等功能。

2.4.1中央空调的监控系统说明如下：
（1）空调机组由PLC控制器进行控制，风机控制箱有手/自动选择，并有手动启停按钮。

（2）空调机组的温度传感器设于回风管内，实际检测温度与设定温度相比较,根据比较结果调节回水管道上电动调节阀的开度来调节水流量，使室温维持设定要求。

（3）空调机组的湿度传感器设于回风管内，实际检测湿度与设定湿度相比较,根据比较结果控制加湿器内水管电磁阀的开关，以调节加湿量，使室内湿度维持设定要求。

（4）空调机组送风机与电动风阀,电动水阀,加湿电磁阀联锁。

（5）监测空调机组状态和报警
（6）防冻措施(仅用于寒冷地区)
防冻报警设定温度为5℃，当热盘管后温度低于5℃时，报警并停止机组运行，同时连锁关闭新风阀，打开预热水阀保持30%的开度。

当室外温度低于0℃停机时，打开热水阀保持30%的开度。

2.4.2空调机组的监控内容
(1) 回风温、湿度
(2) 电动两通阀进行PID调节
(3) 新风阀、回风阀调节与控制
(4) 过滤器前后压差及报警，以防堵塞
(5) 表冷器防冻报警
(6) 送/回风机的启停、运行状态、手/自动状态、故障报警、过载报警
(7) 控制加湿阀的调节
(8) 编制时间程序自动控制风机启停
3 中央空调监控系统的PLC设计
3.1可编程序控制器PLC概述
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：可编程控制器是一种数字运算来操作的电子系统，是专门在工业环境下应用而设计的工业控制器。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。

可编程序控制器及相关的外部设备都按照易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则设计。

3.2 PLC的分类
（1）按I/O点数分类
PLC按I/O点数不同可分为超小型机、小型机、中型机、大型机和超大机等5种类型。

（2）按功能分类
按功能可以分为低档机、中档机、高档机。

（3）按结构形式分类
按结构形式不同，PLC可分为整体式、模块式和软PLC（即集成的PLC）等三类。

3.3 PLC的特点
PLC具有以下的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
（5）体积小，重量轻，能耗低
3.4 PLC 的基本组成
PLC 的最小系统主要一下四部分组成：
1）中央处理单元（CPU ）
2）存储器（RAM 、ROM ）
3）输入/输出单元（I/O 接口）
4）电源（开关式稳压电源）
其结构框图如图3-1所示
图3-1 PLC 基本组成
3.4.1 CPU （中央处理器）
CPU 是PLC 的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统总线，外围芯片、总线接口及有关电路构成。

它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，是PLC 不可缺少的组成单元。

主要功能包括以下几个方面。

1）接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器存储。

输 入 接 口 中央处理单元CPU 输 出 接 口
电源 存储单元
2）监视电源、PLC内部各个单元电路的工作状态。

3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。

4）在PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。

5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。

6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。

7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。

8）响应中断和各种外围设备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。

3.4.2 I/O接口
PLC是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机架槽数限制。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块于外界联系来实现的。

输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间的传递信息的作用。

I/O模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。

3.4.3存储器
存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。

系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ROM），具有掉电不丢失信息的特性。

用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（RAM），需要后备电池在掉电后保存程序。

目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（EEPROM）或闪存(Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦。

3.4.4电源模块
PLC中的电源，是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

电源可分直流和交流两种类型，交流输入220VAC或110VAC，，直流输入通常是24V。

3.4.5 编程器
编程器是PLC最重要的外部设备。

利用编程器可编制用户程序、输入程序、检查程序、修改程序和监视PLC的工作状态。

常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于PC的专用编程软件。

编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控PLC及PLC
所控制的系统的工作状况。

编程设备在PLC的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件。

PLC本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。

但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。

PLC采用循环扫描的工作方式。

工作时逐条顺序扫描用户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需等扫描到该触点时才会动作。

3.5 中央空调系统的PLC设计
3.5.1中央空调系统控制要求
根据设定的参数，并考虑经验运行数据，PLC应用反馈数据 (如室内温度等)进行PID调节，以保证运行参数满足系统要求。

控制系统有两种运行方式：手动控制和自动控制。

手动控制就是通过就地手动操作设备对机组进行控制，自动控制是通过PLC上位机对机组据编好的控制程序自动控制相关设备的启、停及调节量。

采用程序控制方式，杜绝冷剂污染，有效便捷地实现冷水、冷却水的变频控制。

通过有效合理地开、停控制，达到启动速度快、停机时间短的目的，即能节省能耗，还能避免结晶，从而提高中央空调系统的安全性和经济性。

中央空调监控系统的内容：
（1）首先启动空调系统中的冷热源系统。

冷热源系统按照冷却塔风机——》冷却水泵——》冷冻水泵——》冷冻机组的顺序启动，关机顺序反之。

（2）当启动空调运行时，PLC发出控制指令。

首先开启回风门、新风门冷/热水阀到设定位置，然后启动送风机。

（3）回水温度与系统设定值相比较后,用PID方式调节冷水或热水电动阀,控制冷水或热水流量, 使送风温度达到设定值。