基于组态王的蒸发冷却单室变风量空调监控系统设计.pdf

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1、第11卷 第 3 期2 0 1 1 年 6 月REFRIGERATION AND AIR-CONDIT IONING24-27收稿日期:2010-08-07作者简介:张大镇,在读硕士研究生,主要从事供燃、供热、通风及空调工程方面的研究。基于组态王的蒸发冷却单室变风量空调监控系统设计张大镇 强天伟 黄翔 文力(西安工程大学)摘 要 介绍蒸发冷却单室变风量空调系统的控制原理,以组态王为开发平台,设计人机交换界面,实现PC 机与 PLC 的通讯,进行数据处理和数据交换,完成对蒸发冷却单室变风量空调系统的自动控制、监测和故障保护,达到降低能耗的目的。关键词 蒸发冷却;变风量;组态王;空调;自动控制;P

2、LCDesign of monitoring system of evaporative cooling single room and VA Vair-conditioning based on King ViewZhang Dazhen Qiang Tianwei Huang Xiang Wen Li(Xi.an Polytechnic University)ABSTRACT Introduces the control theory of evaporative cooling single room and VAVair-conditioning.Based on King View,

3、designs HMI to implement the communication be-tween PC and PLC,executes data exchange and data processing,and carries out automaticcontrol,monitor and fault protection of evaporative cooling single room and VAV air-con-ditioning,and reduces energy consumption.KEY WORDS evaporative cooling;VAV;King V

4、iew;air-conditioning;automatic con-trol;PLC 蒸发冷却是一种环保、经济、高效的冷却方式。它成本低,能够大幅度降低用电量,可广泛应用于居住建筑和公共建筑 1。变风量(variable airvolume,VAV)空调系统是一种通过改变送风量而不是送风温度来调节和控制某一区域温度的空调系统。笔者以西门子 PLCS7-200 为平台,结合组态王设计人机界面,完成对蒸发冷却空调机组的自动控制、监测和故障保护,以实现蒸发冷却空调机组的全面智能化节能控制,达到显著降低能耗的目的。1 系统总体设计5公共建筑节能设计标准6(GB 50189)2005)5.3.4 规定

5、:下列全空气型空气调节系统宜采用变风量空气调节系统:1)在同一个空气调节风系统中,各空调区的冷热负荷差异及变化大、低负荷运行时间较长,且需要分别控制各空调区温度。2)建筑内区全年需要送冷风。单室变风量空调系统是由一组空气处理机为一单室大空间建筑物供风,宴会厅、大会议室、展览厅等可采用风机变频调速,改变风机转速,从而改变送风量,以满足大空间建筑物的负荷要求 2。送入房间的风量可按式(1)确定:G=Q/(hn-hw)(1)式中:G 为送风量(m3/h);Q 为空调房间室内负荷(W);hn为室内空气状态点的焓值(kJ/kg);hw为送风状态点的焓值(kJ/kg)。由于 hn和 hw已经确定,当室内

6、Q 变化时,通过调节系统送风量 G 保持室内温湿度恒定。图 1 所示为蒸发冷却单室变风量空调系统控 第 3期张大镇 等:基于组态王的蒸发冷却单室变风量空调监控系统设计#25#制原理图。控制系统采集室外温湿度,通过 PLC计算,分为不同的控制工况(夏季控制工况、舒适季节控制工况、冬季控制工况),对蒸发冷却单室变风量空调系统进行控制。图 1 蒸发冷却单室变风量空调系统控制原理 1)夏季开启直接段和间接段。将 TE3采集到的信号(送风温度)送至 PLC,PLC 输出与偏差信号成 PID 关系的模拟量电信号(4 20 mA),通过变频器控制间接段风机转速,实现送风温度恒定 3。其次,将 TE1采集到的

7、信号(回风温度,即被控房间的平均温度)送至 PLC,PLC 输出与偏差信号成 PID 关系的模拟量电信号(4 20 mA),通过变频器改变送风机的送风量,用以补偿室内负荷的变化,保持室内温度恒定 4。西北干旱地区夏季空气处理过程的 h-d 图如图 2 所示。图 2 中,WX为夏季室外设计状态点;Wc为经过间接段处理状态点;OX为送风状态点;NX为夏季室内设计状态点。2)冬季开启直接段和加热段。将 TE3采集到的信号(送风温度)送至 PLC,以此信号控制加热阀门的开启程度,实现送风温度恒定。用回风温度值控制变频器频率改变送风机的送风量,保证室内温度恒定。西北干旱地区冬季空气处理过程h-d 图如图

8、 3 所示。图 3 中,Wd为冬季室外设计状态点;Wc为经过预热段处理状态点;Od为送风状态点;Ocd为经过直接段处理的状态点;Cd为室内外混合状态点;Nd为冬季室内设计状态点。3)室内静压的控制。最直接的控制方法就是根据室内静压相对于大气压的变化控制回风机,送风机仍然根据室内负荷变化进行单独控制。室内测压点远离门或任何可开启的空洞处,更要远离电梯井,避开空气流动对室内测压的影响。室外测压点应高出建筑物屋面 3 m 以上,防止室外风直接吹入测压管 2。4)控制系统对风机、水泵、变频器及温湿度传感器进行实时监控和故障报警,人机界面通过 RS-#26#第 11卷 485 转 232串口对 PLC

9、进行数据采集和显示。蒸发冷却单室变风量空调系统室内温湿度设定和送风温湿度设定由人机界面进行设置,通过 PLC 对空调系统进行控制,温湿度及相关参数由人机界面显示 5。2 硬件总体设计图4 所示为控制系统硬件总体结构。系统主控采用德国西门子 S7200系列 PLC(CPU226XP),配 2块 4 模拟量输入模块(EM231)和 1 块 3模拟量输出模块(EM232),3台通用变频器(日立SJ300系列),1台 PC 机(上位机)。系统的硬件连接:将 PLC 控制器的 RS-485 接口通过 PC/PPI 电缆与 PC 机的串口相连;将蒸发冷却单室变风量空调控制系统中的温湿度传感器、静压传感器、

10、风阀、风机、水泵、变频器等设备通过屏蔽双绞线连接到PLC 6。图 4 系统硬件总体结构图3 软件设计King View 6.53 组态监控软件是一种工业控制软件,它融过程控制设计、现场操作及资源管理于一体。该软件具有强大的图形组态功能,通过简单编程就能够实现理想的人机交互控制界面,且通过简单的网络设置和组态编程,就能实现强大的网络控制功能 7。3.1 监控界面设计图 5 所示为监控界面模块。空调监控主界面(见图 6)可以显示:蒸发冷却单室变风量空调系统的整体布局;当前各个设备的运行状况,如风机转动、水泵启停;室内外温湿度、静压情况等。组态王将现场运行数据实时存入数据库,以供用户随时检索打印相关

11、数据。图 5 监控界面模块3.2 PC 机与 PLC 之间通讯在实现对空调机组实时监控过程中,上位机(PC 机)监控系统要完成与下位机(PLC)的联机运行。串行通讯方式是组态王与 I/O 设备之间最常图 6 监控主界面用的一种数据交换方式,任何具有串行通讯接口的 I/O设备都可以采用此方式8。本系统下位机PLC 通过 RS-232串行通讯电缆连接到安装 King-View 6.53 的 PC 机上,组态王(内嵌各种 PLC 驱动程序)将每台下位机看作是外部设备,用户只需要按照设备配置向导选择 PLC 的类型,组态王将自动完成相应驱动的启动,建立与 PLC 之间的通信。在运行期间,组态王与 PL

12、C 之间采用 DDE(动态数据交换)的方式通讯,通过驱动程序与PLC 交换数据,包括采集数据和发送数据指令 9。笔者讨论的蒸发冷却单室变风量空调监控系统,组态王与 PLC 之间采用的是 PPI 通讯协议,组态王通过串行口与PLC 进行通讯,访问PLC 相关的寄存器地址,获取 PLC 所控制的设备的运行状态或者修 第 3期张大镇 等:基于组态王的蒸发冷却单室变风量空调监控系统设计#27#改相关寄存器的值。监控系统 PC 机采用 COM2端口,而 PLC 采用内置 RS-232 端口,通信方式采用半双工方式,同步启停,设置通讯参数波特率为 9 600,数据位 7 位,停止位 1 位,偶校验。组态王

13、中通信参数与 PLC 的通信参数设置保持一致。3.3 系统变量设置实时数据库是组态王最核心部分,分为内存变量和I/O 变量。不需要和其他应用程序交换的变量设置成内存变量,反之则设置成 I/O 变量。定义变量时,要指明变量名、类型和一些相关信息。如定义变量/间接段水泵启动0,变量名:间接段水泵启动;变量类型:I/O 离散;描述:间接段水泵启动;连接设备:PLC;寄存器:Q0.1;数据类型:Bit;采集频率:图 7 空调监控系统部分变量9 600 ms;读写属性:读写,允许 DDE 访问。本系统定义的变量以 I/O 变量为主,内存变量为辅。图 7 所示为本监控系统定义的部分变量。4 结束语组态王作

14、为开发平台,具有人机界面友好、适应性强、开放性好、易于扩展、开发周期短等特点,能够大大降低工程维护管理人员的工作强度,提高设备运行的可靠性,降低设备的运行能耗,全面提高工程的维护管理水平。参 考 文 献 1 黄翔.空调工程M.北京:机械工业出版社,2008.2 张子慧,黄翔,张景春.制冷空调自动控制 M.北京:科学出版社,1999.3 宁永生,王琪辉.大型空调中央监控系统设计 J.暖通空调,2004,34(3):59-61.4 金传伟.变频调速技术在水泵控制系统中的应用 J.电子技术用,2000(9):38-44.5 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子 S7-300PLCM

15、.北京航空航天大学出版社,2004:126-129.6 卢永梅,黄翔,强天伟.蒸发冷却空调监控系统的探讨J.制冷空调与电力机械,2010,31(1):51-54.7 吕涌.组态化结构的组态软件的研究与开发 J.电器自动化,2000,22(5):44-48.8 宁永生,王琪辉,张英.大型空调中央监控系统设计.暖通空调 J,2004,34(3):59-61.9 齐志才,盖爽.中央空调房间嵌入式控制系统 J.仪表技术与传感器,2003(5):25-27.(上接第 42页)9 Ting-Yu Lin,Chien-Yuh Yang.An experimental in-vestigation on fo

16、rced convection heat transfer per-formance in micro tubes by the method of liquid crys-tal thermography J.International Journal of Heatand Mass T ransfer,2007,50:4736-4742.10 C-Y Yang,T-Y Lin.Heat transfer characteristics ofwater flow in microtubes J.Experimental T hermaland Fluid Science,2007,32:43

17、2-439.11 Omar Mokrani,Brahim Bourouga,Cathy Castelain,et al.Fluid flow and convective heat transfer in flatmicrochannels J.International Journal of Heat andMass T ransfer,2009,52:1337-1352.12 R K Shah,A L London.Laminar Flow Forced Con-vection in DuctsC MAdvanced Heat T ransfer,Aca-demic Press.New York,1978.