基于PLC的变风量空调系统控制

秦志明

（华北电力大学动力工程系，河北 保定 071003）

【摘　要】本文介绍了变风量空调系统的基本原理，采用PLC控制技术对变风量空调系统的室内温度进行了PID控制方法的研究，以某一车间为控制区域，运用该方法进行控制，测量了室内温度和送风阀门开度的实时曲线，结果表明，该方法可行有效，控制效果良好。

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关键词 变风量；总风量；PLC；PID控制

0　引言

智能建筑业随着城市化进程的推进而快速发展，在智能建筑中普遍采用中央空调系统，由于空调系统耗电量大，因此节能在智能建筑中就显得格外必要。中央空调系统分为定风量和变风量空调系统。变风量空调系统是根据空调区域负荷的变化来改变送风量，实现对空调区域的温度进行调节和控制[1]。与定风量空调系统相比，具有良好的舒适性及自平衡特性；风机功率能接近建筑物空调负荷的实际需要，节省了能耗。同时在过渡季节也可以尽量利用室外新风冷量；系统的灵活性较好，易于改、扩建，维护非常方便，运行费用低，尤其适用于格局多变的建筑。在节能效果上变风量空调系统远远优于定风量空调系统。变风量空调系统一般适用于多房间且负荷有一定变化的建筑。由于变风量空调系统的控制系统相对较为复杂，如果控制系统设计不合理，不能很好地起到节能效果，很难达到理想状态[2]。

综上所述，变风量空调系统是一种节能、舒适和安全的空调系统，大力发展变风量空调系统符合我国可持续发展的战略。发展变风量空调技术，提高变风量空调系统的应用性，将会对我国智能建筑业的能源节约起到至关重要的作用。

1　变风量空调系统的组成及其原理

变风量空调系统是以节能为目的发展起来的一种空调系统形式，它是利用改变室内的送风量来实现对室内温度调节，同时变频调节送风机和回风机来维持系统的有效、稳定运行，并动态调整新风量保证室内空气品质及有效利用新风能源的一种高效的全空气系统。

变风量空调系统由空气处理机组、送风系统（新风/排风/送风/回风管道）、自控系统、变风量末端装置（VAVBOX）、房间温控系统等组成，其中变风量末端装置是变风量空调系统的重要部分。

空调系统检测装置分别对送风温度、回风温度，湿度，空气质量，管道压力等参数进行检测，末端自控装置可以接受室温调节器的指令，根据房间温度的控制要求调节送风量，维持室内温度不变，同时向系统控制器传送自己的工作状况，根据系统总的送风量的不断变化，适时地调节空气处理机组的风机变频器工作参数，改变风机转速，节约送风动力。新风量的调节方法是空调控制性能好坏的关键，为了达到良好的空调温度和湿度控制要求，提高空调系统的舒适度和节能效果，需要良好的控制策略，以满足人们的需要。典型的变风量空调系统结构图如图1 所示。

图1中房间内设置的温度传感器 T 根据房间温度与设定温度的比较，将反馈信号传送给VAV BOX 的电动风阀执行机构，调节末端送风量，当送风管道内由于末端电动阀的开启度的变化，静压值也随之变化，压力传感器P将信号反馈到系统控制器，空调机组的变频器根据系统控制器的指令，改变机组风机转速，使机组送风量适应末端的要求，从而实现节能运行。

实际应用中，VAV BOX通常也设置一个风机系统，将一次送风和房间内回风混合后经风机加压（或者一次风不经风机加压而与加压的室内回风并联）送入房间，从而确保室内的换气次数不变。

一般而言，变风量空调系统采用定静压控制、变静压控制、总风量控制三种风量控制方式[3]。定静压控制方式较为常用，然而，如果为了确保系统风道中的压力，风机的功耗便会增大，且变风量末端风阀会产生较大的噪声。变静压控制方式能够极大减小风机功耗，然而，采用变静压控制方式复杂度高、调试难度大，尤其是需要多次换季调试；总风量控制方式空调系统的设计中，确保空调系统各末端所需风量的总和空调系统当前总风量相匹配，在对风机动力型的变风量末端控制中较为常用。

２　基于PLC的变风量空调系统控制

变风量空调系统是多变量，大滞后、非线性线性和不确定性的系统，PID控制具有结构简单、参数易于调整，适用于难以建立精确数学模型的非线性被控对象，因此在工业过程控制中得到了广泛的应用[4]。变风量空调系统的控制具有被控设备分散、控制变量之间相互关联性强等特点，要求采用的控制设备能够相互通讯。

采用PLC的控制系统具有可靠性高、易于控制、系统设计灵活、变成使用简单、抗干扰能力强、有良好的适用性和可扩展能力等特点，从而得到越来越广泛的应用。PLC的通讯功能也很强，可实现PLC与计算机、PLC与PLC、PLC与其他智能控制设备之间的通讯联网。PLC与计算机联网，PLC作为下位机用于现场设备的直接控制，执行可靠有效的分散控制。计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行系统的监控和管理。

本文的研究对象为某一大型制药公司的10个生产车间，虑到各个生产车间的电气室在地理位置上分布较散，为便于布线及维护，要求每个生产车间均用一套独立的PLC控制系统；负责对现象各种信号的采集与处理，同时据设定的各种工作参数对现场的执行机构（如电机、阀门、泵等）进行输出控制，以达到指定的控制效果；10个系统均可设定控制温度、湿度，每个生产车间的运行参数及实时数据要在本地及中央控制室中设定与读取；为实现可在本地设定及读取数据，每台PLC主机挂载一个触摸屏，两者之间用RS-232相联进行通讯；考虑到各车间相对距离较远，为节省成本，PLC主机可用RS-485的连接方式与之相近的PLC主机相联接组成RS-485子网，再与位于中央监控室的计算机（上位机）进行通讯，达到从远程对各个控制系统进行监控的目的。风机、泵的驱动执行机构采用变频器；变频器的开关可用PLC进行控制，而变频器的频率可通过PLC的模拟量输出信号或用PLC与变频器通讯的方式进行控制。

本系统的变风量空调系统的温度通过PLC的PID模块进行控制。

温度控制回路：风道内和室内设置的温度传感器用于测定温度，为控制器的调节提供依据。根据所测室内温度与设定值的偏差，通过PID控制调节送风阀门的开度，改变送风量的大小来实现温度控制。室内温度控制回路如图3所示。

风量控制：通过房间送风阀后的差压传感器来测量房间内的送风量，并根据送风量的大小来来调节VAVBOX的变频器的频率，改变风机的转速来调整回风量。

以某面积为100m2的车间为例，室内温度30℃。设定的目标是用该控制系统把室内温度稳定在25℃。通过PLC控制系统对测试车间内变风量空调系统的室内温度进行PID控制，得到了实测的室内温度的变化趋势如图4所示。

从实测的送风温度的变化趋势图中可以看到：当系统开始运行后，由于温度差，送风阀门全开，风量最大；室内温度相对变化缓慢，这是因为车间空间较大，室内温度变化有延迟；室内温度的曲线经过一段平缓区后开始下降，随着室内温度的下降，风量逐渐减小，最后室内温度稳定在25℃附近，送风阀门开度保持不变，保证送风量一定。实验结果表明，基于PLC的变风量空调系统的温度PID控制，能够很好地调节和控制变风量空调系统的送风量，保证室内温度维持在设定值，控制效果良好。

３　结语

随着社会的进步和科技的发展，人们对生活和办公环境的舒适性要求越来越高，节能的意识越来越强，变风量空调系统能够同时满足人们对舒适性和节能的要求。PLC是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。PID控制由于其控制器结构简单且能满足大量工业过程的要求，而在工业过程控制中得到了广泛应用。笔者研究了基于PLC的变风量空调系统温度PID控制方法，实验结果表明，通过PID控制能够很好地调节和控制变风量空调系统的送风温度，控制方法可行有效，控制效果良好。

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参考文献

［１］郭维钧,贺智修,施鉴诺．建筑智能化技术基础[M]．北京:中国计量出版社,2001．

［２］曹振华．变风量空调系统的特点和发展前景[J]．洁净与空调技术,2011,2:74-75．

［３］蒋虹．基于分布式控制系统(DCS)的变风量空调系统的设计[J]．建筑节能,2011,39(8):7-10．

［４］李界家,瞿睿．变风量空调系统优化控制策略研究[J]．控制工程,2012,19(5):790-794．

［责任编辑：杨玉洁］