中央空调外机清洗系统的控制部分设计

付邦胜, 李世晓, 郭飞亚

(中原工学院 a.电子信息学院；b.后勤管理处， 河南 郑州 450007)

中央空调由于具有处理空气量大、冷热源集中、设备运行可靠等优点，已成为重要部门和公共场所普遍使用的空气调节系统。但是，中央空调的蒸发器和冷凝器在传热过程中，外机灰尘和污垢会降低其传热效率，直接影响设备的正常运行。未进行清洗的空调机组运行一段时间后，用电消耗较正常情况会增加10%～30%。这些灰尘和污垢使空调系统的循环受阻，最终导致制冷系统工作压力升高、压缩机运转负荷增大，表现为制冷、制热效率下降，能耗增加，噪音增大，甚至损坏空调[1]。目前，中央空调主要由空调维护人员定期清洗，耗费的人力和时间较多，而且若不及时清洗则容易导致空调系统性能下降，甚至出现运行故障。此外，对于一些要求恒温的场所，若外机清洗不及时，则可能引起空调设备过热保护，导致空调外机停机，造成空调区温度波动过大。

某电力部门设备房安装了两套中央空调设备，每套中央空调有两台外机。设备房要求室内恒温，但外机空调积存的灰尘和污垢易导致夏季空调外机温度过高，空调的保护性停机会造成电力设备房内温度不稳定，电力设备运行存在重大隐患。为保证该电力部门设备房空调系统可靠稳定工作，本文设计了空调外机清洗控制系统。

1 清洗系统构成与控制方案

1.1 清洗系统构成

空调外机清洗系统由增压泵、进水阀、自动喷淋喷头、污水放水阀等组成(见图1)。

图1 空调外机清洗系统构成

在空调外机清洗系统中，进水阀控制进水；增压泵用于增大水压，保证清洗时水压充足；自动喷淋喷头安装在步进电机上，步进电机通过齿轮带动齿条来移动喷头，将高压水喷淋在空调外机散热器上，实现空调外机的清洗降温；所收集的污水通过污水排放阀被排入污水管道。

1.2 总体控制方案

空调外机清洗控制系统需要正确的逻辑控制和精确的定位控制，具备一定的报警和数据记录功能，设计时需兼顾操作方便和实时监控，考虑系统在控制方案上的可靠性、稳定性和易操作性。

该控制系统要求具备以下功能：①手动、自动清洗功能；②自动清洗间隔时间可设置；③告警温度设置及超告警温度自动清洗；④清洗速度可选择；⑤可进行温度曲线显示、故障报警及记录等。

根据功能要求设计的清洗控制系统架构如图2所示。该控制系统包括温度检测、位置检测、设备控制和位置控制四部分。其中，温度检测部分用于检测两台空调外机的温度；位置检测传感器采用电感式接近开关，便于确定步进电机的位置，检测其是否与设定位置一致，并用于修正位置和紧急停车；设备控制部分用于控制水泵、阀门、指示灯等；位置控制部分主要为步进电机的定位控制。系统以威纶通触摸屏作为人机界面，用于输入相应参数，手动操作相应设备，监控系统状态。清洗控制系统以PLC作为CPU，采集现场温度和位置信息，控制现场设备并通过控制步进电机驱动器实现自动喷头的准确定位，接受人机界面指令，并向人机界面提供数据信息。

图2 清洗控制系统架构

2 控制系统设计

2.1 工艺和系统分析

中央空调外机清洗系统的控制系统用于保证清洗过程中喷头喷水时间的准确与可靠。在清洗过程中，喷水由增压泵和阀门开关控制，自动喷头由步进电机拖动，必须保证步进电机定位准确。

步进电机一旦确定，其步距角、最大转矩及其矩频特性等即可确定。步进电机的步距角(°)为：

(1)

式中：m为步进电机控制绕组的相数；Zr为步进电机转子齿数；C为通电状态系数[2]。

当步进电机的控制脉冲频率逐步增大时，其转速会逐步提高，但步进电机能带动的最大负载转矩却逐步下降。当负载一定时，随着脉冲频率的升高，步进电机会出现失步现象，导致定位失败。同时，步进电机在启动时，若频率过高就会产生失步或振荡现象，因此通常需要采用斜坡启动方式[3-6]。

分析可知，对步进电机的准确定位控制应通过两个方面来保证：首先，在脉冲驱动时保证步进电机不失步；其次，合理选择步进电机驱动器脉冲细分数，以提高定位精度。因此，对于该控制系统，必须根据实际负载转矩情况合理地选择步进电机斜坡启动和停止的时刻，并限制最高脉冲频率，保证在系统控制过程中步进电机不失步。

清洗系统的清洗流程如图3所示。在图3中，轨道上A、B、C、D、A0、D0均为接近开关。其中A、B、C、D 这4个接近开关用于检测位置，修正脉冲计数；A0、D0这两个接近开关用于极限位置保护。接近开关A到接近开关B段为清洗区域1，在这一区域可对第一台外机进行清洗；接近开关B到接近开关C段为不清洗区域；接近开关C到接近开关D段为清洗区域2，在这一区域可对第二台外机进行清洗。在每次清洗时，先在初始位置(接近开关A对应位置)启动进水阀和增压泵，然后启动步进电机，开启清洗系统，根据设定的清洗距离，对第一台空调外机进行清洗；第一台外机清洗完成后，关闭进水阀和增压泵，步进电机继续工作，将要到达下一台空调外机清洗位置时停止；一定延时后重新启动进水阀和增压泵，并启动步进电机，开始清洗下一台。接近开关A、B、C、D对应位置均为绝对位置。在清洗过程中，当清洗喷淋头通过这些位置时，控制系统会自动对比绝对位置对应的脉冲数据与PLC计数的脉冲数据，若二者不同，则将绝对位置的脉冲数据赋值给计数脉冲数据，以达到修正PLC计数的目的。清洗完毕后，斜坡停止步进电机，并停止增压泵和进水阀，同时开启污水放水阀，延时5 min后，步进电机反向返回初始位置。

2.2 系统硬件

系统的硬件设计包括硬件选型、硬件配置及图纸绘制等。其中，主控制器选型必须满足系统IO数量的需要，具有高速脉冲输出功能，同时兼顾经济性。本系统选择CPU224XP作为控制核心。

清洗系统采用两相四线混合式步进电机，型号为57BYGH78。步进电机控制器选用2M54步进驱动器，工作电压为24～50 V(本系统接入48 V)，与清洗系统的步进电机相匹配。步进电机的动态相电流峰值设置为4.2 A；脉冲细分数为64倍，每转12 800个脉冲。人机界面选用威纶通的TK6070i经济型触摸屏，可满足系统要求。

图3 清洗系统的清洗流程

2.3 程序设计

控制程序中最重要的部分是步进电机脉冲数据的设置、步进电机斜坡启停和运行位置的判断。具有高速脉冲输出口的PLC作为步进电机驱动器的脉冲来源，脉冲细分后驱动步进电机，实现对其行进速度和行进距离的控制。其中，行进速度和行进距离可通过人机界面进行设置。PLC 能按式(2)～式(4)算出步进脉冲频率f和脉冲个数Nf[7]。

(2)

(3)

(4)

式中：L为步进电机转动轴周长；Ns为驱动器细分数；st为单位脉冲转动步长；v和s分别为自动喷头的目标行进速度和距离[3]。

在控制程序中，将接近开关A对应位置设为原点。通常情况下，步进电机带动自动喷头在原点处待命。控制程序根据上位机设置的清洗距离、清洗间隔时间、告警温度等参数，驱动清洗系统进行清洗作业。清洗系统的控制流程如图4所示。

步进电机采用PLC高速脉冲输出(PTO)功能进行控制。使用该功能时应注意正确配置对应端口的寄存器[8]，各段运行数据的计算需要根据设定距离换算出脉冲个数Nf。步进电机启停过程应采用合理的斜坡加速和斜坡减速方式，若带载直接启动则会造成严重的失步现象。

图4 清洗系统的控制流程

3 人机界面设计

触摸屏安装在设备房值班室内，供操作人员操作和监控清洗系统。威纶通科技公司的EB 8000组态软件经二次开发可完成系统的人机界面设计，触摸屏选用7英寸屏，型号为TK6070i，触摸屏与PLC采用点对点(PPI)通讯协议进行数据交换。人机界面包括启动页面、参数设置手动页面、运行页面、报警页面、温度曲线页面等，分别实现系统操作简要说明、参数的设置及手动基本操作、设备运行状态监控、报警记录、温度曲线记录等功能。在图5所示的参数设置与操作页面中，可分别设置自动清洗间隔时间、告警温度、各段的清洗距离等参数。点击保存确认按钮后，数据将被传送到PLC相应的存储器。通过参数设置与操作页面，可根据需要设置不同的运行速度，也可对空调外机进行手动清洗。

图5 参数设置与操作页面

4 结 语

本文根据空调外机清洗系统的要求，设计了基于S7-200、触摸屏、步进电机控制器等的电气控制系统。

在分析清洗工艺要求的基础上，完成了系统方案、软硬件设计和人机界面设计。

在某电力部门设备房一年多的实际运行中，该系统性能稳定，保证了空调系统的可靠运行，取得了较好的效果。同时，该控制系统具备良好的兼容性、可扩展性和可移植性，可在其他空调外机清洗场合推广。