西门子PLC在中央空调节能设计中的应用

1 课题研究的背景和意义
1．1 我国的能源现状
伴随着世界性能源短缺，地球变暖等问题，我国的能源现状也不容乐观。随着人们生活水平的提高，越来越多的电器进入生活，并且大功率电器也越来越普及，日常消耗的能源越来越多。加之类似煤炭，石油等能源的不可再生性，目前政府每年都在加大对节能产业的支持，废除落后的大能耗企业与项目，逐步实现能源产业的转型与过渡。足见我国对于能源节约项目的重视。
1．2 中央空调在我国的应用
当今大型建筑如商场，医院，政府办公场所，企业，事业单位等对于夏季制冷与冬季取暖多使用中央空调。其能耗比例占据整个建筑能耗的很大一部分。并且每年以5 ～ 6 亿平方米的速度呈持续增长的趋势。
2 中央空调系统运行机制
中央空调控制系统在使用时段上依据时令进行划分，具体的在夏季由于外界气温较高，需要进行制冷，因此使用夏季制冷回路对于管道回水通过蒸发器冷却塔等设备进行降温，而在冬季，由于外界气温较低，需要进行加热，因此使用采暖回路对水温进行加热以提高室内温度。通常的中央空调系统使用水作为传递温度的媒介，以空调水泵提供动力，通过提高水压来调节水循环速度，将管道水流推送至分水器，再由分水器将冷水或者热水分送至各个房屋或者负载，而经过房屋或者负载的已经使用过的管道水再次通过集水器进行统一回收至主送水管道，最终流经冷却或者加热端，完成一次水循环。空调水泵的转速会直接影响管道水流的速度，因此如果想使得回水温度和供水温度的温差较大时，可以放慢空调水泵的转速，反之如果想使得回水温度和供水温度的温差较小时则需要加速空调水泵的转速。因此控制整体水温的关键在于通过变频器控制空调水泵的转速快慢，其中小温差意味着高转速进而更耗电，大温差意味着低转速而更加省电。但是为了保证整个管道水处于正常的循环状态，空调水泵的转速不得低于某一限定的值。
3 中央空调系统节能方案设计
随着社会的高速发展，控制理论在实际生产中的应用越来越成熟尤其在农业，工业通信以及航空航天领域发挥了很好的作用。本文构建的中央空调水温调节系统的作用在于可以调节中央空调系统中变频器的输出频率，用较低的能耗来满足建筑物内温度的舒适性，并且能够在建筑物内部与外界环境温度负荷变化的情况下及时调整系统运行状态，取代了以前空调始终大负荷地运行情况，用较低的能耗来保持系统工作的稳定性，达到设想的控制效果。针对中央空调控制系统的构成，通过给定值与实际值( 如水温差、水压) 进行闭环控制进行调节，如下图所示，来达到节能的目的。

4 控制方案实施
4．1 控制器的选择
本系统由于布置在工业现场，因此对主控电路提出较高的要求。主控电路控制器应当能够适应该工业环境，而常见的控制器主要包括PLC，单片机，FPGA，台式机CPU 等等，其中PLC相对于其他控制器而言，具有环境适应性高，可靠性强，抗外界电磁干扰好的特点，因此对于中央空调系统经常使用PLC 作为主控制器。其具体型号的选择主要考虑以下几点:
(1) 根据实际现场输入输出信号接入点数选择合适的PLC。
(2) 根据实际需要的系统是快速变化还是慢速变化，选择相应的CPU 响应时间。由于中央空调一般用于大型楼宇中，其输入输出点数较多，在主控制器选型上选择中型PLC 即可满足要求。西门子公司的S7_300PLC 作为一款经典的中型PLC，具备CPU 集成以太网PＲOFINET 接口，并对现有的PＲOFIBUS系统提供升级支持，因此选取S7_300PLC 作为控制器。
4．2 中央空调节能控制系统的设计
对于中央空调节能控制系统的设计，为了方便系统功能的扩展和维护，本设计采用模块化的设计方法。系统软件部分主要划分为6 大模块，其中压力信号处理模块、压差信号处理与温差设定模块为信号输入模块。温度信号处理模块，温差信号处理模块为信号处理运算模块。变频器输出模块为输出模块。启动与故障标志模块和PID 循环模块为主控制模块，如下图所示。

PID 调节频率需要以变频器释放权限为信号，当变频器设置为自动模式时开始进行PID 控制，当变频器设置为定频模式时，不进行PID 控制。由于PID 控制切入的不定时性，将PID控制模块以中断的新式写入主程序中。PID 控制模块的输入主要为设定温差与实际温差为，通过典型PID 模块运算，调整变频器输出，实现调节空调水泵，进而达到实际温差跟随设定温差的目的。
5 总结
虽然目前新的算法类似蚁群算法，神经算法，遗传算法等算法发展迅猛，但是在实际应用中往往由于硬件的不支持难以得到很好的应用。但是时代在不断的发展，对于中央空调节能算法，节能方案，节能硬件配套的研究还在不断继续，不断优化的过程中。此外由于大数据的应用，如何将各种节能设计的运行效果进行合成整理也是目前的一个研究课题，该课题需要在本文介绍的方法上对于通信技术进行相关研究。本文希望能够通过对中央空调系统进行节能减排设计为我国的能源现状贡献出自己的一份微薄之力。