硅谷杂志：基于S7-200 PLC控制的室内空调负荷模拟系统 |
| 2012-12-04 11:06 作者：赵晨 吴杰 刘辛国 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网12月4日文】据《硅谷》杂志2012年第18期刊文，介绍基于西门子S7-200PLC的室内空调负荷模拟系统，它是VAV空调智能评价系统的一部分。本系统能够为VAV空调自控系统提供定量的扰动，能够更有效率，更加准确的评定VAV空调系统及其自控系统的性能。本系统包括人体显热模拟装置、人体散湿模拟装置和PLC控制装置。还介绍PLC系统的硬件连接、软件编程和仿真结果。
0引言
目前空调系统的监测方面虽然采用各种传感器技术甚至无线传感器技术，但传统的监测方法无法模拟在空调负荷定量变化条件下，监测空调系统的实际效果及自控系统的控制精度，无法满足用户建筑高品质环境的需求。一种可提供模拟空调负荷定量变化下的准确监测系统对进行空调自控系统的监测十分必要。
本课题来自实际项目，项目主要对空调自控系统的性能进行评价。本系统是该项目----VAV空调智能监测及评价系统的一部分，为VAV空调智能监测系统提供一个模拟空调负荷条件，为自控系统提供定量的扰动从而定量的判断空调自控系统的性能高。
1系统组成概述
室内温湿度模拟系统为VAV空调智能监测系统提供一个模拟空调负荷条件，为VAV空调自控系统提供了定量监测系统，能够更有效率，为更加准确的评定VAV空调系统及其自控系统的性能提供条件，可以解决目前在VAV空调系统无法定量评价的问题。
本文所介绍的系统是基于PLC控制的室内空调负荷模拟系统。包括人体显热模拟装置、人体散湿模拟装置、PLC控制装置。系统流程图如图1所示。
图1
2人体显热模拟装置
人体内的热是通过皮肤和呼吸器官放出来的，这种热因含有水蒸汽，其热负荷应是显热和潜热负荷之和。显热负荷为物质没有相的变化而只有温度的变化时所接受或释放的热量。潜热负荷是没有温度变化而只有相的变化所接受或放出的热量。实际换热过程中，两者存在交替或共存现象。
本系统的空调负荷是指人员的全热负荷，包括人员的潜热负荷和显热负荷，其中显热负荷决定室内温度。通过空调设计手册的查询，26摄氏度时，轻度劳动每个人的显热负荷为58.15W。
PTC是英文PositikeTemperatureCoefficient的缩写，意思是正温度系数，PTC发热元件是具有正温度系数的陶瓷热敏电阻，它是以钛酸钡为主要成分的氧化物陶瓷元件，可根据不同的场合支持各种形状[1]。PTC加热器是利用恒温加热PTC热敏电阻恒温发热特性设计的，表面不带电PTC发热器是一类大功率的需吹风且散热体不带电的PTC发热器，由于安全性能好，应用于很多大功率家用发热器件上。
利用PTC加热器模拟人员的显热负荷，用50W的PTC热敏电阻模拟1个人的显热负荷，制作电阻箱，电阻箱中用六个热敏电阻并联从而模拟6个人的显热。制作五个热电阻箱，通过PLC的控制作用从而模拟出1~30个人定量的显热负荷。
热电阻箱如图2所示。
图2
3人体散湿模拟装置
本文设计的室内人体散湿模拟装置，采用等温加湿而不是等焓加湿。等焓加湿是指水吸收空气中的显热而蒸发成蒸汽，又以潜热的形式将热量传给空气；等温加湿是利用外界热源产生蒸汽，然后再将蒸汽混入空气中进行加湿[2]。等焓加湿会改变空气温度，所以会感觉温度低，其实等焓加湿并不是将蒸汽直接输送到空间里，它是将水用物理方法打成很小的水滴，要到空间里进行二次蒸发，蒸发吸收热量，等焓加湿是会降低温度的，等温加湿则不会改变温度，蒸汽一般都是常温的。
本装置采用等温加湿，这样不会影响模拟人体显热负荷，有利于更加准确的模拟室内空调负荷。电极式加湿器、电热式加湿器、干蒸汽加湿器、红外线加湿器等都属于等温加湿。电极式蒸汽加湿器是一种利用交流电能直接对自来水进行加热产生洁净蒸汽，并将蒸汽混合到空气中去，对空气进行加湿的一种设备。本系统选择嘉乐斯乐BFD-02A-09型号的电极加湿器，其电气原理图如图3所示。BFD-02A系列为整体型，其外形简洁独立，安装方便，蒸汽可经由不锈钢喷杆均匀的分布于空调机组或风道，此加湿器是在空调箱或送风管道内对空气进行集中加湿，特别适合于有集中送风系统的场合。加湿器加适量的调节采用外界电位器时，可以定量调节加湿量，模拟信号输出为0-10V，4-20mA。通过查询工作手册，本装置用100g的湿度模拟1个人的散湿量，从而通过PLC的控制用100g~3kg的湿度模拟出1~30个人的散湿量。最终模拟1~30个人的空调负荷。
图3
4PLC控制装置
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺与控制、定时、计数与计算运算操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[3]。
4.1系统功能需求分析
1）利用PLC控制程序运行模拟和演示以1人/min的速度进入室内时1~30个人的空调负荷模拟系统（通过更改定时器延时时间可以改变进入房间的速度）
2）当启动按钮被按下时，一个热电阻接通，同时加湿器释放一个人的湿度，模拟一个人时室内空调负荷。经过一分钟延时后，两个热电阻接通，同时加湿器释放两个人的散湿量，从而模拟两个人时室内空调负荷，以此类推，经过29分钟延时后，模拟30个人的显热负荷和散湿量。
3）其中散湿量部分采用外界电位器调节，可以通过调节PLC模拟量输出来定量调节加湿量，模拟信号输出为0-10V。
4）按下复位键按钮，系统恢复初始状态。
4.2硬件介绍
根据控制系统的需要，本文介绍的系统中可编程控制器采用德国西门子公司生产的S7-200CPU224型的PLC，该机器结构紧凑，功能强，且具有很高的性价比，使用简单，通过专门的编程软件STEP7-Micro/WIN32创建、测试、仿真和修改PLC程序，使用专用电缆进行程序的上传下载。S7-200PLC能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。其硬件电路如图4所示。
图4
本系统还采用了相应的扩展模块，包括一块EM222（8Q）、一块EM223（16I/16Q）和模拟量输出模块EM232。根据控制系统要求定义了2个输入点和、30个输出点和1个模拟量输出，采用手动控制。其中I0.0-I0.1连在主机上，Q0.0-Q1.1连在主机上，Q2.0-Q3.7连在EM223（16I/16Q）的输出端，Q4.0-Q4.3连在扩展模块EM223（8I/8Q）的输出端。输入端I0.0为按钮输入信号，I0.1为复位信号。输出端Q0.0-Q4.3与热电阻连接。具体输入、输出定义如表1所示。
输入点 功能 硬件接口 输出点 功能 硬件接口
I0.0 启动按钮 S1 Q0.0-Q1.1 热电阻接通 TR1-TR10
I0.1 复位按钮 S2 Q2.0-Q3.7 热电阻接通 TR11-TR26
Q4.0-Q4.3 热电阻接通 TR27-TR30
表1系统的输入、输出定义
S7-200PLC通过扩展模拟量输出模块EM232的AQW0输出电压值，当模拟的空调负荷人数变化时，系统输出电压成比例变化，接入加湿器成比例定量的控制加湿量。
4.3软件介绍
4.3.1梯形图设计
1）模拟量计算子程序
2）主程序：控制部分
模拟一个人的负荷时
模拟两个人的负荷时
3）主程序：复位部分
4.3.2程序仿真结果如图所示
5模拟系统控制操作注意事项
1）注意操作安全，在连线过程中应保持断电。
2）PLC输入端需接24V直流电压，输出端接220交流电压。
3）核对PLC的输出指示灯显示是否正确，通过上位机监视PLC内部计数是否正确。
6结束语
室内空调负荷模拟系统可以比较形象地模拟实验现象，配合PLC同过控制程序来模拟和演示室不同人数时的室内空调负荷。软件上充分利用了S7-200PLC的系统资源，使程序简洁且层次清晰，减少了程序的执行时间，增强了控制的实时性和可靠性。
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