摘" 要：传统中央空调系统耗能大，难以自动调节水量和风量，使环境参数难以控制，不能满足生产车间对洁净度的要求。针对以上问题，采用PLC对循环空调系统进行控制设计，硬件采用西门子PLC、温度传感器、压力传感器，变频风机、调节水阀及执行器，软件采用博途软件编写PLC控制程序，实现模拟量数字量的输入输出处理，以及变频风机和调节水阀和执行器的PID调节，达到节能目的；采用MCGS Pro组态软件进行组态界面设计，实现对循环空调系统在线动态监测和控制。
关键词：RCU；PLC；PID；温湿度
中图分类号：TP273" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）23-0189-06
PLC Control Design of Circulating Air-conditioning System Based on PID Regulation
CHEN Yueling
（Guangdong Nanfang Institute of Technology， Jiangmen" 529000， China）
Abstract： The traditional central air conditioning system consumes a large amount of energy and is difficult to automatically adjust the water and air volume， so that the environmental parameters are difficult to control， and cannot meet the requirements of the production workshop for cleanliness. In view of the above problems， PLC is used to control and design the circulating air conditioning system. The hardware uses the Siemens PLC， temperature sensors， pressure sensors， variable frequency fans， regulating water valves and actuators. The software uses the TIA Portal software to write PLC control programs to achieve the input and output processing of analog and digital quantities， and perform PID regulation for variable frequency fans， regulating water valves and actuators to achieve the purpose of energy saving. The MCGS Pro configuration software is adopted for the design of the configuration interface to realize the online dynamic monitoring and control of the circulating air conditioning system.
Keywords： RCU; PLC; PID; temperature and humidity
0" 引" 言
随着空气洁净技术以及中央空调系统的发展，为了达到各行业对洁净区环境指标的严格要求，净化空调系统应运而生[1]。传统的中央空调水、风系统均采用手动控制和PLC远程调节水阀或控制风机启停的方式配合来调节水量和风量，但这种调节方式不仅消耗能量大，而且难以实现水量和风量的无静差自动调节控制，使环境的温湿度难以控制，不能满足生产车间对洁净度的要求[2]。故在空调系统的核心环节循环空调系统RCU中对调节水阀关联回风温度采用PID自动调节控制，实现温差闭环自动调节系统，以节约电能；对变频风机关联送风压力采用PID自动调节控制，通过调节风机运行频率来实现送风量的大小。
1" 空调系统概念
所谓空调系统是指能根据需求来控制室内的温度、湿度、气流速度和洁净度等参数，以满足生产过程的环境要求和人员舒适度。
空调系统按系统风量调节方式可分为定风量空调系统和变风量空调系统。集中式空调系统风机保持一定的送风量，为定风量空调系统，通过改变送风温度来适应空气调节区的负荷变化，以调节室内温湿度，而变风量空调系统则通过改变送风量来保持一定的送风温度，以适应负载的变化，达到室内调节温湿度要求[3]。
2" 空调系统组成设备
空调系统中涉及很多处理设备，主要有：新风空调机组、循环空调系统、混合空气机组、风机盘管、风机滤器单元、干盘管、外气空调箱、预冷空调箱等[4]，这些设备各有各的功用，但总的来说，都是通过不同技术手段协调工作将空气处理到符合要求，以达到控制环境温湿度的目的。具体介绍如下：
1）新风空调机组（Make-up Air Unit， MAU）是在室外抽取新鲜的空气经过除尘、除湿、降温等处理后满足一定技术参数的新鲜空气由风机输送到室内替换原有的空气。
2）循环空调系统（Recycle Air Handing Unit， RCU）是抽取室内的空气，经过初效滤网过滤、湿冷盘管的降温、除湿之后再次将处理过后的空气送进室内，以满足室内温度、湿度、洁净度等指数的要求。
3）混合空气机组（Air Handing Unit， AHU）是抽取室内空气和部分新风混合后经过除尘、加湿、降温等处理后符合室内空气要求再通过风机送到室内。
4）风机盘管（Fan Coil Unit， FCU）是机组通过风机不断将室内的空气抽取经过降温之后再送入室内，以控制室内的温度，满足人员舒适的要求。
5）风机滤器单元（Fan Filter Unit， FFU）是将风机和过滤器组合构成自身提供动力的末端净化设备。通过初效、高效两级过滤网过滤后的洁净空气匀速送至整个出风面。
6）干冷盘管（Dry Cooling Coil， DCC）是机组通过风机不断将室内的空气抽取、降温后再送入室内，以控制室内的温度，满足工艺需求和人员舒适。所用冷源为中高温冷冻水，处理过程不产生冷凝水，有效避免滴水现象。
7）外气空调箱OAU（MAU的另一种简称）处理的气体全部是新鲜空气，功能与MAU相似。
8）预冷空调箱（Pre-Cooling Handing Unit， PAU）是先对室外新风进行预处理，再送至风机盘管。
3" RCU空调系统的PLC控制设计
如上述介绍，空调系统中涉及的处理设备有很多，下面主要针对循环空调系统RCU的控制要求进行PLC系统设计。
3.1" 循环空调系统RCU的工作原理
循环空调系统通过将室内空气进行循环送风的方式，达到调节室内温度的目的。RCU则是循环空调系统的控制器，它通过对循环空调系统的控制，实现对室内温湿度的PID调节。
循环空调系统RCU主要构成设备有：初效滤网、盘管、调节阀、风机、空调箱体、风管接口、机械式风管风阀等空调机组设备；以及由风管压力传感器、风管温度传感器、压差开关传感器、调节阀执行器等传感类设备。
循环空调系统RCU由传感器检测、PLC控制器处理和执行器控制三个方面协调工作。首先循环空调系统回风管和送风管分别安装有温度传感器和压力传感器，用于检测室内回风温度值和送风管压力值。其次PLC控制器接收来自传感器传输的数据后，会与预先设定的温度、压力值进行判断比较，再处理。如室内温度高于预设值，控制器会加大冷冻水循环的力度，将回风管送入的风送入循环空调箱内部进行降温后，通过送风管送到室内以降低室内温度。控制器还需根据送风管压力值与预设压力值进行比较，结合变频风机进行相应的处理和PID调节，实现风机频率的控制。最后是执行器控制，PLC控制器通过传输数据，实现调节水阀开度的控制和风机频率的给定，实现对循环空调系统的控制。执行器包括风机、制冷系统等，它们根据控制器的指令，进行相应的操作。这种控制方式不仅可以提高空调设备的效率和稳定性，还可以满足不同用户的需求，提高用户的舒适度。
循环空调系统RCU其工作原理如图1所示。
3.2" 循环空调系统RCU的PLC控制设计
3.2.1" 循环空调系统RCU控制要求
根据上述的介绍，RCU空调主要对洁净室的回风进行再过滤、降温、除湿的操作，因此此处控制要求有：
1）通过在RCU安装初效过滤网去除回风中部分大颗粒灰尘或粉尘类物质，为了能有效监视过滤网的堵塞程度，在初效滤网处安装压差开关，并设定一定的阈值，此处阈值设定为150 Pa。当现场压差开关检测到差值大于等于150 Pa时，会产生压差开关报警，触摸屏画面也会有报警显示。当系统产生该报警后，需要工作人员到现场确定初效滤网的堵塞程度然后再执行后续操作。
2）通过在RCU回风风管安装温度传感器并且在RCU盘管的回水管处安装调节水阀及执行器，从而让调节水阀关联回风温度控制[5]，此处回风温度设定22±2 ℃。调节水阀与回风温度相关联进行PID自动调节控制，自动情况下：当回风温度高于目标设定温度时，调节阀应当逐渐加大阀门开度输出，从而使回风温度逐渐下降；当回风温度低于目标设定温度时，调节阀应当逐渐减小阀门开度输出，从而使回风温度逐渐回升到目标温度。手动情况下，可以在触摸屏或者程序中任意给定水阀开度。
3）通过在RCU送风风管处安装风管压力传感器，从而可以通过调节风机运行的频率来实现送风量的大小[6]，此处送风压力设定为：250±50 Pa。变频风机与送风压力相关联进行PID自动调节控制，自动且变频器为远程控制的情况下：当送风压力高于目标设定压力时，变频器应当逐渐减少输出频率直至将频率降至系统所设定的最低运行频率；当送风压力低于目标设定压力时，变频器应当逐渐增加输出频率。手动且变频器为远程控制情况下，可以在触摸屏或者程序中任意给定变频器输出频率。
3.2.2" 传感器选型说明
根据RCU系统的PLC控制要求，对传感器进行选型。
1）压差开关选型：量程为0～1 250 Pa，量程范围可根据实际需要设置；电源电压：直流24 V；模拟量信号：4～20 Ma。
2）风管温度传感器选型：量程为0～50 ℃；电源电压：直流24 V；模拟量信号：4～20 Ma。
3）风管压力传感器选型：量程0～1 250 Pa；电源电压：直流24 V；模拟量信号：4～20 Ma。
4）调节阀执行器：量程0%～100%；电源电压：交流24 V；模拟量信号：0～10 V。
3.2.3" 循环空调系统RCU的I/O分配表
根据RCU的PLC控制要求以及系统的输入和输出设备，列出该系统的I/O分配表，如图2所示。
3.2.4" PLC主要模块选型说明
结合RCU控制系统的PLC控制要求及其I/O分配表，进行CPU和模块的选型。
1）CPU选型为西门子S7-1500系列CPU：SIMATIC S7-1500，CPU 1515-2 PN；中央处理器，带内存500 KB用于存储程序和数据；第1接口，PROFINET IRT带双端口交换机；第2接口，以太网。
2）IO接口模块选型：SIMATIC ET 200SP，PROFINET，2接口，接口模块IM 155-6PN/2性能；1个插接位置，用于总线适配器；最多64个I/O模块，包括服务器模块。
3）AI模块选型：SIMATIC ET 200SP，模拟量输入端模块AI 4XU/I 2-WIRE标准型，适合于BU类型。
4）AO模块选型：SIMATIC ET 200SP，模拟量输出端模块AQ 4XU/I标准型，适合用于A0类型的基座单元。
5）DI模块选型：SIMATIC ET 200SP，数字输入模块，DI8X24VDC ST_1标准型，适合用于BU类型。
6）DO模块选型：SIMATIC ET 200SP，数字输出模块，DO 4X24VDC/2A标准型，适合用于A0类型的基座单元。
7）模块底座选型：一是SIMATIC ET 200SP，基础单元BU15-P16+A0+2D，类型A0的基础单元，直插式端子（带电源）；二是备件SIMATIC ET 200SP，双重基础单元2BU15-P16+A0+2B，直插式端子（不带电源）。
3.2.5" 循环空调系统RCU的PLC硬件组态
如图3所示，对PLC控制系统进行硬件组态配置[7]。
3.2.6" 循环空调系统RCU的PLC主要程序设计
结合上述循环空调系统RCU的工作原理，要实现对RCU的PLC控制，需在OB1中设计模拟量输入处理程序、数字量输出处理程序和模拟量输出处理程序共3个主要功能程序，如图4所示。
3个主要功能程序具体如下：
1）模拟量输入处理程序。如图5所示，调用FC子程序实现模拟量信号的采集和限值[8]。
如图6所示，调用子程序实现了RCU回风温度、RCU送风压力、RCU风机频率反馈和RCU调节阀开度反馈共4路模拟量信号的采集。
2）数字量输出处理程序。如图7所示，在变频器为远程控制情况下，实现了变频风机启停的手动和自动控制功能。
3）模拟量输出处理程序。如图8所示，实现RCU变频风机的PID自动和手动调节控制[9]。
如图9所示，实现了RCU调节水阀开度的PID自动和手动调节控制。
3.3" 循环空调系统RCU的触摸屏设计
循环空调系统RCU的触摸屏组态界面采用MCGS Pro嵌入版组态软件进行设计，如图10所示为循环空调系统RCU组态界面[10]，在触摸屏上可以切换变频风机和调节水阀的手动和自动模式；可以实时显示回风温度值和送风压力值，并能根据实际情况，在线修改给定温度和给定压力值；可以实时显示调节阀的输出开度，在线给定开度值；也可以实时在线显示和修改调节阀和变频风机的PID调节参数，使循环空调系统RCU处理的效果达到室内的温湿度要求。
4" 系统测试及分析
在完成循环空调系统RCU各种组成设备的安装后，结合I/O分配表，完成PLC电源回路、输入设备回路和输出设备回路的电气线路连接。使用博途软件编写完成循环空调系统控制程序，将OB1块主程序下载到PLC存储器，并进行在线调试运行。同时将RCU组态界面下载到触摸屏，进行在线监测与控制。西门子PLC和触摸屏采用以太网通信，两者之间能够进行数据传输和控制操作。调试过程中，能够在触摸屏对循环空调系统进行在线切换手动和自动模式切换；能够在线设定回风温度，根据实测回风温度与设定值之差，经过PID调节，确定水阀开度；能够在线设定送风压力值，根据实测送风压力值与设定值之差，经过PID调节变频风机运行的频率来实现送风量的大小。从而有效控制生产车间的温湿度，满足洁净度的要求。
5" 结" 论
通过分析循环空调系统运行一段时间的监测数据，该系统的PLC控制设计总体能够满足一般生产车间对洁净度的参数要求。然而，由于车间温度的惯性比较大，温度传感器测量的温度精准度降低，存在误差，从而影响PID运算结果，降低水阀开度的灵敏性。因此，对洁净度等级要求较高的生产车间，如半导体芯片洁净车间，制药净化车间等，该系统需要进一步提升对环境参数的控制，如采用灵敏性较高的温度传感器，改良PID参数，优化控制程序等。
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作者简介：陈月玲（1987.08—），女，汉族，广东信宜人，讲师，本科，研究方向：智能制造自动化技术。
