基于PLC中央空调水泵系统开发与应用

邹恩　霍庆　温昕　罗礼　黄浩扬　张增根

摘 要：针对中国人民银行某支行的中央空调不能恒值调节室内温度和噪音污染严重，利用PLC和变频器设计了一套中央空调群控系统，运用变频器调节水泵转速满足设定出水温度要求。设计了WinCC界面对主机出水温度与时间关系进行试验研究，通过经验法提出一套PID控制方法并进行了PLC程序编程，实现了负荷温度的定值控制和降低系统噪音。通过运行表明，该系统的温度曲线图能够很快收敛，平均误差为0.25℃，满足系统的误差范围，稳定性较强。

关键词：中央空调；温度控制；变频技术；PID

随着我国社会经济的迅速发展和工业生产的需要，对工业设备如水泵系统的要求越来越高，尤其在中央空调中水泵系统的作用越来越重要，PID变频调速的供水系统以其节能、安全等优点在我国各经济领域得到了很大的发展和应用，保证了生产、生活的需求[1-2]。根据市场调研，很多酒店（如万达酒店）所应用的中央空调系统都是水泵电机按工频运行，据相关工作人员透露，中央空调系统首次投金额巨大，考虑经济因素，一般采购设备只买工频控制的水泵，资金可大大节减。然而导致的后果是无论季节和外界气候如何变化，空调系统只能满负载运行或者多机组系统选择人为关闭某台机组运行，不能恒值调节室内温度以致用户有过冷或者过热的感受[3-4]。因此，对中央空调的水泵系统进一步开展研究有十分重要的意义。

文章以中国人民银行某支行为工程案例：该处中央空调控制室紧靠办公室，噪声污染严重。针对这种现象，我们以水泵电机为被控对象，以冷却水和冷冻水温度为被控参数，以变频器频率为控制参数，以PLC为控制器，组成中央空调水泵温度控制系统，研发一套可行的PID算法进行PLC程序设计。通过变频改造水泵系统后，实现空调主机水温的定值控制，噪声也大大减少。

1 中央空调控制系统理论

中央空调控制系统具有时变、非线性和大滞后等特点，一般控制通过检测负荷末端水温来确定室内温度，实际上不同季节、不同时间段用户需要室内温度是不一样的。通过实时检测冷却出水温度和冷冻回水温度控制水泵转速进而控制水流量[5]，最后系统稳定在设定的温度，从而保证室内温度在舒适合理的范围。

如图1所示为中央空调系统变频供水原理，将各管道的水温度通过温度传感器转换成4-20mA电流信号，并将此信号反馈到PLC中，通过PLC内部运算，将温度反馈信号与给定值相比较，经过比例、积分、微分等环节调节输出到变频器，控制水泵的转速，进而改变水泵转速来改变管道中水流量。执行机构为变频器控制的水泵，对象为管道中水流量，反馈信号（测量值）是冷却水和冷冻水温度。

2.2 主要硬件组成

该系统硬件部分主要由西门子CPU226和6AV6 648-0BC11-3AX0触摸屏，外部扩展模块EM223、EM221和EM231，施耐德LC1-D3201交流接触器和C65D断路器，欧姆龙MY-4J中间继电器，易能EDS1000-4T-0150P变频器，广州北泽DN100电动开关法兰蝶阀等电气元件组成，全部装配到一个电气控制柜中。考虑到现场控制环境恶劣，开关量输入输出的数量、模拟量输入精度互锁等方面情况，选用西门子CPU226作为控制器[7]，输出端主要控制各个中间继电器和接触器。编程用个人PC，方便现场编制程序和调试。

3 系统软件设计

PID控制参数的整定不是唯一的，从中央空调实际应用角度，只需被控对象符合实际要求即可。该系统采用经验法试凑出三个参数值[8]；结合对过程曲线的观察，确定软件设计方案：考虑首次开机室内热量较大，首先水泵系统在工频50Hz运行25分钟后直接进入PID调节，P=1，I=5，D=0，经实际运行后符合要求。

3.1 PLC主程序设计

如图2所示，系统开始时初始化50ms定时器，配置好PID参数和初始化变频器基准频率，若选择进入时间设置子程序，则可设置当前时间，定时开启时间等，否则判断系统是否自动运行，若进入手动子程序，则可手动控制电动阀，手动设置变频器频率驱动电机等，当系统进入自动运行，电动阀开启和读取各管道温度传感器后CPU与变频器通讯进行PID自动调节，系统有故障产生则停机报警，否则稳定运行。

3.2 上位机监控系统设计

监控系统是利用西门子WinCC（Windows Control Center）编写的。在主界面中，可以监控冷却水泵和冷冻水泵的运行状态，电动阀的开启状态和各个温度测试点的温度值。设计了停止/启动按钮，一键式启停整个中央空调系统。另外消音按键可保证不会频繁发出报警声音，整套系统无需设置过多复杂界面，仅需设置与PLC中寄存器链接，界面简单友好，使用便捷。

4 控制系统调试

4.1 水泵频率测试

系统开机由于工况最大需要25分钟工频运行后进入PID自动调节，变频器测试数据如图3所示，冷却泵从自动调节到稳定的时间为16分钟，冷冻泵稳定需要5分钟，最后分别稳定在基准频率35Hz和39Hz上。与原来整天运行在工频电机相比，实现了电能节约和降低电机噪音功能。

4.2 中央空调温度测试

从图4可以看出，当主机开启后，系统工频运行25分钟后进入PID自动调节，冷却出水温度设定37℃，调节时间为31分钟，超调量为6.23%，误差为0.2℃；冷冻回水温度设定14℃，调节时间为23分钟，误差为0.3℃，两者温度平均误差为0.25℃，稳定后室内满足人员舒适度。可见整套系统调节过程超调量在合理范围，调节时间适中，能让整套中央系统较快进入变频工作状态。

5 结束语

系统投入使用以来一直能够稳定运行，用户反应良好最终通过验收。该系统利用变频控制中央空调水泵系统，实现适当调节室内温度功能和解决降低噪音污染等问题，而且提高了温度控制的稳定性和精确性，该系统可使温度控制精度达到0.25℃的误差范围，同时提高设备的自动化程度，较好减少了工作人员的劳动强度和操作失误，使用方便，具有很好的应用前景。

参考文献

[1]高守玮.基于CORTEX-M3ARM的变频调速节能控制器设计[J].仪表技术与传感器，2010，1：58-60.

[2]姚永亮.水泵调速技术的应用[J].机床与液压，2009，7（37）：102-104.

[3]徐凤平.中央空调水系统变频节能改造分析与实践[J].自动化仪表，2011，9（32）：54-56.

[4]孙一坚.空调水系统变流量节能控制[J].暖通空调，2001，31（6）：5-7.

[5]周洪煜.集中空调水系统的变流量节能改造[J].重庆大学学报，2006，12（29）：41-44.

[6]邹恩，漆海霞，杨秀丽，等.自动控制原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[7]王明武.基于LabVIEW的层压机模糊PID温度测控系统研究[J]. 仪表技术与传感器，2013，11：75-77.

[8]罗及红.基于PID算法的炉窑温度串级控制系统设计[J].计算机测量与控制，2012，20（12）：3243-3245.

作者简介：邹恩（1956-），女，博士，教授，主要研究方向为非线性系统的智能控制。

霍庆（1989-），男，在读硕士研究生，主要研究方向为计算机控制。