基于WinCC的模块式空调机控制仿真系统

尤志强

【摘 要】本设计是仿真模块式空调机的控制系统，系统的基本工艺流程是：通过温度传感器对室内外的温度进行检测，设定温度与室内温度进行比较，确定空调加热还是制冷。利用四通阀、热交换器、压缩机进行温度调节。

【关键词】空调机；温度；传感器

【Abstract】This design is simulating modular air conditioner control system，the basic process of the system is： measure the temperature of exterior and interior used to text by the temperature sensor，setting a temperature compare with the interior temperature， then determine the air conditioner is heating or cooling， in the end adjust the temperature by four-way valves，switches，and compressors.

【Key words】Air conditioner； Temperature； Sensor

0 引言

由于智能建筑的迅猛发展，并且已成为21世纪建筑业的发展主流，而空调系统则是此类建筑中自动化方面的一个重要组成部分，因此在各个行业、部门中都得到了广泛的应用。在空调系统中，通过对空气的净化处理，使其温度、湿度、清洁度等参数满足人们设定的指标，适应人们生产和生活的需要。但是由于空调对能源的消耗很大，所以设计一个既能满足人们的需要又能以最小的能耗运行的空调是当今制造也的理念。本文主要介绍一种基于wincc的模块式空调机控制系统。

1 空调控制系统介绍

空调是空气调节的简称，是一种保持室内空气某种条件的技术，空气条件的指标包含温度、湿度、新鲜度、流动速度和清洁度等参数。根据空调服务对象点的不同可分为两种：一种，是舒适性空调，这类空调的作用是制造室内良好的空气质量，以满足人类生活的需要；一种，是工艺空调，这类空调的作用是维持室内的空气质量保持在一定水平上，以满足科研、生产等工业过程的要求。最常用的空调方式是通过空调系统将具有一定温度和湿度条件的空气送入室内，以维持室内的空气条件，同时将室内的空气送到室外，以此进行空气交换，完成空调的作用。采用运用先进的PLC和网络总线通信技术，实现了温湿度的自动控制。在上位机可设置温湿度，设定数据方便。上位机全部采用中文菜单式处理流程以及图形化按键操作方式，操作简单。系统故障诊断能力提高。人机接口丰富的故障报警功能能准确记录故障发生的时间及类型，以便日后对设备故障进行综合分析，同时也方便维修人员及时准确发现故障，缩短故障诊断时间。

2 工作原理

空调分为制冷和制热两个过程。首先是制冷过程：制冷时压缩机高压出口经过四通阀1-2到热交换器进行热交换，使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽，进而变成饱和液体或过冷液体。通过毛细管节流降压后的制冷剂液体

（混有饱和蒸汽）-到室外机截止阀（也称高压阀）进入室内机热交换器（蒸发器），从周围介质吸热蒸发成气体，实现制冷。在蒸发过程中，制冷剂的温度和压力保持不变。从蒸发器出来的制冷剂已成为干饱和蒸汽或稍有过热度的过热蒸汽了。物质由液态变成气态时要吸热，这就是空调制冷。 室内机回气：回气管到室外机经由截止阀（也称低压阀或维修阀）进入消音器—四通阀4-3到压缩机低压回气侧完成制冷循环。

制热过程：制热时四通阀开闭状态与制冷是正好相反，流经的顺序是：压缩机高压出口经四通阀1-4到消音器-截止阀（也称低压阀或维修阀）-室内机热交换器-回到室外机截止阀（也称高压阀）-毛细管-热交换器-四通阀2-3到储液器-压缩机低压侧。室外机的热交换器上的温度传感器（热敏电阻）用于制冷时检测热交换器的管道温度，如果温度异常升高则可计算出管道压力，进而把温度异常信号送给控制板。

室外机的室外温度传感器（热敏电阻）主要用来检测室外环境温度。室内机热交换器温度传感器（热敏电阻）检测热交换器温度，如制冷或制热时在一定时间内热交换器温度达不到所规定的管温，传感器会把不正常信号送给控制板进行分析，例如系统内制冷剂不足或无制冷剂，室内机管温就不正常，传感器会把不正常信号送给控制板，控制板做出停处理，进而保护压缩机，避免压缩机长时间高温运转。因为压缩机长时间高温是极有可能被烧毁的。

空调工作系统中一个极为重要的部件就是四通阀，四通阀不同于普通直动式电磁阀，它必须在一定压力下才能正常工作，四通阀由三个部分组成：先导阀，主阀和电磁线圈， 电磁线圈可以拆卸，先导阀与主阀焊接成一体。当电磁阀线圈处于断电状态，先导滑阀在右侧压缩弹簧驱动下左移，高压气体进入毛细管后进入右端活塞腔，另一方面，左端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀左移，使排气管（S管）与室外机接管（C管）相通，另两根接管相通，形成制冷循环。当电磁阀线圈处于通电状态，先导滑阀在电磁线圈产生的磁力作用下克服压缩弹簧的张力而右移，高压气体进入毛细管后进入左端活塞腔，另一方面，右端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀右移，使排气管（S管）与室内机接管（E管）相通，另两根接管相通，形成制热循环。

3 控制系统设计

控制系统的设计分为下位机程序设计和wincc控制画面的设计，下位机使用梯形图进行编写，结合硬件可以实现温度的检测与调节，首先根据按下开始按钮，空调各执行单位进入准备工作状态，温度检测以及热交换模块，压缩机、四通阀、贯流风扇的启动，通过室热敏电阻判断室外温是否达到零点，如达到零点则打开电热丝辅助制热，增加热效率。通过设置温度与室内温度的比对，来进行空调工作方式的选择，通过控制四通阀的闭合，选择不通的工作流程，进行制热或制冷。

上位机通过仿真画面可以实时反应空调的工作进程，工作部件的状态，画面直观真实，可以实现控制系统的精确温度测量和高精度高灵敏度的数字化调节控制。通过变量记录，报警，用户归档等可以使维护人员方便及时的了解系统工作状态，排除故障。本系统自动化程度高，操作人员仅仅需要设置所需温度，系统就可以自动运行。

4 WinCC与PLCSIM的连接

采用wincc与plcsim联合的形式进行模拟仿真，西门子的WinCC组态软件和Step7、S7-PLCSIM是相互兼容的，在同一计算机中运行WinCC和S7-PLCSIM可以保持一定的数据通讯，就像上位机的WinCC软件与硬件PLC通讯一样。在保持S7-PLCSIM运行的同时，我们运行该项目对应的上位机程序（WinCC程序），在其中可以像实际监控操作那样开关阀门、修改参数、查看运行数据和曲线等。

首先，启动WinCC并创建一个新项目。在WinCC中添加“SMATIC S7 PROTOCOL SUITE”到变量管理器。在PROFIBUS下添加一个名为“PLC2”的新连接。右击“PLC2”→选择“属性”→打来“连接属性”窗口→点击“属性”按钮→打来“连接参数”标签。在“连接”标签中指定PLC的DP地址和已在STEP7中组态好的CPU的插槽号，打开WinCC选择MPI通讯模式，右键选择系统参数，单元把其逻辑设备名称更改为PLCSIM（MPI）具体连接如下：

（1）打开STEP7并打开工程项目。

（2）打开PLCSIM（开始>SIMATIC>STEP7>S7-PLCSIM）。

（3）在PLCSIM中新建PLC。

（4）下载PLC，并打开监控。

（5）打开WinCC并激活工程。

5 结论

本系统是基于wincc的模块式空调机控制系统，可以根据实际需要温度进行自动调节。实现了温度调节灵敏，降低能耗，还可以延长硬件的使用寿命。本系统在数据存储方面还能有进一步的扩展性，如将系统数据可直接以Excel的形式存储如计算机硬盘中，加入水循环系统，加湿，净化空气等系统，但是由于时间关系，还没有实施到本系统中，这有待于以后的学习和研究。

【参考文献】

[1]严盈富.PLC入门[M].北京：人民邮电出版社，2005：70-73.

[2]郑健.PLC仿真技术研究[D].青岛：青岛大学，2007：57-61.

[3]李和根.中央空调PLC控制系统的设计[J].电气时代.2002（11）：30-56.

[责任编辑：杨玉洁]