付邦勝, 李世曉, 郭飛亞

(中原工學(xué)院 a.電子信息學(xué)院；b.后勤管理處， 河南 鄭州 450007)

中央空調(diào)由于具有處理空氣量大、冷熱源集中、設(shè)備運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為重要部門和公共場所普遍使用的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但是，中央空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器在傳熱過程中，外機(jī)灰塵和污垢會(huì)降低其傳熱效率，直接影響設(shè)備的正常運(yùn)行。未進(jìn)行清洗的空調(diào)機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，用電消耗較正常情況會(huì)增加10%～30%。這些灰塵和污垢使空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)受阻，最終導(dǎo)致制冷系統(tǒng)工作壓力升高、壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷增大，表現(xiàn)為制冷、制熱效率下降，能耗增加，噪音增大，甚至損壞空調(diào)[1]。目前，中央空調(diào)主要由空調(diào)維護(hù)人員定期清洗，耗費(fèi)的人力和時(shí)間較多，而且若不及時(shí)清洗則容易導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)性能下降，甚至出現(xiàn)運(yùn)行故障。此外，對于一些要求恒溫的場所，若外機(jī)清洗不及時(shí)，則可能引起空調(diào)設(shè)備過熱保護(hù)，導(dǎo)致空調(diào)外機(jī)停機(jī)，造成空調(diào)區(qū)溫度波動(dòng)過大。

某電力部門設(shè)備房安裝了兩套中央空調(diào)設(shè)備，每套中央空調(diào)有兩臺(tái)外機(jī)。設(shè)備房要求室內(nèi)恒溫，但外機(jī)空調(diào)積存的灰塵和污垢易導(dǎo)致夏季空調(diào)外機(jī)溫度過高，空調(diào)的保護(hù)性停機(jī)會(huì)造成電力設(shè)備房內(nèi)溫度不穩(wěn)定，電力設(shè)備運(yùn)行存在重大隱患。為保證該電力部門設(shè)備房空調(diào)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定工作，本文設(shè)計(jì)了空調(diào)外機(jī)清洗控制系統(tǒng)。

1 清洗系統(tǒng)構(gòu)成與控制方案

1.1 清洗系統(tǒng)構(gòu)成

空調(diào)外機(jī)清洗系統(tǒng)由增壓泵、進(jìn)水閥、自動(dòng)噴淋噴頭、污水放水閥等組成(見圖1)。

圖1 空調(diào)外機(jī)清洗系統(tǒng)構(gòu)成

在空調(diào)外機(jī)清洗系統(tǒng)中，進(jìn)水閥控制進(jìn)水；增壓泵用于增大水壓，保證清洗時(shí)水壓充足；自動(dòng)噴淋噴頭安裝在步進(jìn)電機(jī)上，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪帶動(dòng)齒條來移動(dòng)噴頭，將高壓水噴淋在空調(diào)外機(jī)散熱器上，實(shí)現(xiàn)空調(diào)外機(jī)的清洗降溫；所收集的污水通過污水排放閥被排入污水管道。

1.2 總體控制方案

空調(diào)外機(jī)清洗控制系統(tǒng)需要正確的邏輯控制和精確的定位控制，具備一定的報(bào)警和數(shù)據(jù)記錄功能，設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧操作方便和實(shí)時(shí)監(jiān)控，考慮系統(tǒng)在控制方案上的可靠性、穩(wěn)定性和易操作性。

該控制系統(tǒng)要求具備以下功能：①手動(dòng)、自動(dòng)清洗功能；②自動(dòng)清洗間隔時(shí)間可設(shè)置；③告警溫度設(shè)置及超告警溫度自動(dòng)清洗；④清洗速度可選擇；⑤可進(jìn)行溫度曲線顯示、故障報(bào)警及記錄等。

根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)的清洗控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。該控制系統(tǒng)包括溫度檢測、位置檢測、設(shè)備控制和位置控制四部分。其中，溫度檢測部分用于檢測兩臺(tái)空調(diào)外機(jī)的溫度；位置檢測傳感器采用電感式接近開關(guān)，便于確定步進(jìn)電機(jī)的位置，檢測其是否與設(shè)定位置一致，并用于修正位置和緊急停車；設(shè)備控制部分用于控制水泵、閥門、指示燈等；位置控制部分主要為步進(jìn)電機(jī)的定位控制。系統(tǒng)以威綸通觸摸屏作為人機(jī)界面，用于輸入相應(yīng)參數(shù)，手動(dòng)操作相應(yīng)設(shè)備，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。清洗控制系統(tǒng)以PLC作為CPU，采集現(xiàn)場溫度和位置信息，控制現(xiàn)場設(shè)備并通過控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴頭的準(zhǔn)確定位，接受人機(jī)界面指令，并向人機(jī)界面提供數(shù)據(jù)信息。

圖2 清洗控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工藝和系統(tǒng)分析

中央空調(diào)外機(jī)清洗系統(tǒng)的控制系統(tǒng)用于保證清洗過程中噴頭噴水時(shí)間的準(zhǔn)確與可靠。在清洗過程中，噴水由增壓泵和閥門開關(guān)控制，自動(dòng)噴頭由步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)，必須保證步進(jìn)電機(jī)定位準(zhǔn)確。

步進(jìn)電機(jī)一旦確定，其步距角、最大轉(zhuǎn)矩及其矩頻特性等即可確定。步進(jìn)電機(jī)的步距角(°)為：

(1)

式中：m為步進(jìn)電機(jī)控制繞組的相數(shù)；Zr為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)；C為通電狀態(tài)系數(shù)[2]。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖頻率逐步增大時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)逐步提高，但步進(jìn)電機(jī)能帶動(dòng)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩卻逐步下降。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著脈沖頻率的升高，步進(jìn)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，導(dǎo)致定位失敗。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，若頻率過高就會(huì)產(chǎn)生失步或振蕩現(xiàn)象，因此通常需要采用斜坡啟動(dòng)方式[3-6]。

分析可知，對步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定位控制應(yīng)通過兩個(gè)方面來保證：首先，在脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)保證步進(jìn)電機(jī)不失步；其次，合理選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)，以提高定位精度。因此，對于該控制系統(tǒng)，必須根據(jù)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況合理地選擇步進(jìn)電機(jī)斜坡啟動(dòng)和停止的時(shí)刻，并限制最高脈沖頻率，保證在系統(tǒng)控制過程中步進(jìn)電機(jī)不失步。

清洗系統(tǒng)的清洗流程如圖3所示。在圖3中，軌道上A、B、C、D、A0、D0均為接近開關(guān)。其中A、B、C、D 這4個(gè)接近開關(guān)用于檢測位置，修正脈沖計(jì)數(shù)；A0、D0這兩個(gè)接近開關(guān)用于極限位置保護(hù)。接近開關(guān)A到接近開關(guān)B段為清洗區(qū)域1，在這一區(qū)域可對第一臺(tái)外機(jī)進(jìn)行清洗；接近開關(guān)B到接近開關(guān)C段為不清洗區(qū)域；接近開關(guān)C到接近開關(guān)D段為清洗區(qū)域2，在這一區(qū)域可對第二臺(tái)外機(jī)進(jìn)行清洗。在每次清洗時(shí)，先在初始位置(接近開關(guān)A對應(yīng)位置)啟動(dòng)進(jìn)水閥和增壓泵，然后啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，開啟清洗系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的清洗距離，對第一臺(tái)空調(diào)外機(jī)進(jìn)行清洗；第一臺(tái)外機(jī)清洗完成后，關(guān)閉進(jìn)水閥和增壓泵，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)工作，將要到達(dá)下一臺(tái)空調(diào)外機(jī)清洗位置時(shí)停止；一定延時(shí)后重新啟動(dòng)進(jìn)水閥和增壓泵，并啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，開始清洗下一臺(tái)。接近開關(guān)A、B、C、D對應(yīng)位置均為絕對位置。在清洗過程中，當(dāng)清洗噴淋頭通過這些位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對比絕對位置對應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)與PLC計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)據(jù)，若二者不同，則將絕對位置的脈沖數(shù)據(jù)賦值給計(jì)數(shù)脈沖數(shù)據(jù)，以達(dá)到修正PLC計(jì)數(shù)的目的。清洗完畢后，斜坡停止步進(jìn)電機(jī)，并停止增壓泵和進(jìn)水閥，同時(shí)開啟污水放水閥，延時(shí)5 min后，步進(jìn)電機(jī)反向返回初始位置。

2.2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括硬件選型、硬件配置及圖紙繪制等。其中，主控制器選型必須滿足系統(tǒng)IO數(shù)量的需要，具有高速脈沖輸出功能，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。本系統(tǒng)選擇CPU224XP作為控制核心。

清洗系統(tǒng)采用兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)，型號為57BYGH78。步進(jìn)電機(jī)控制器選用2M54步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，工作電壓為24～50 V(本系統(tǒng)接入48 V)，與清洗系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)相匹配。步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)相電流峰值設(shè)置為4.2 A；脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)為64倍，每轉(zhuǎn)12 800個(gè)脈沖。人機(jī)界面選用威綸通的TK6070i經(jīng)濟(jì)型觸摸屏，可滿足系統(tǒng)要求。

圖3 清洗系統(tǒng)的清洗流程

2.3 程序設(shè)計(jì)

控制程序中最重要的部分是步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)據(jù)的設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)斜坡啟停和運(yùn)行位置的判斷。具有高速脈沖輸出口的PLC作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖來源，脈沖細(xì)分后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對其行進(jìn)速度和行進(jìn)距離的控制。其中，行進(jìn)速度和行進(jìn)距離可通過人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)置。PLC 能按式(2)～式(4)算出步進(jìn)脈沖頻率f和脈沖個(gè)數(shù)Nf[7]。

(2)

(3)

(4)

式中：L為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸周長；Ns為驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)；st為單位脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)步長；v和s分別為自動(dòng)噴頭的目標(biāo)行進(jìn)速度和距離[3]。

在控制程序中，將接近開關(guān)A對應(yīng)位置設(shè)為原點(diǎn)。通常情況下，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)自動(dòng)噴頭在原點(diǎn)處待命。控制程序根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的清洗距離、清洗間隔時(shí)間、告警溫度等參數(shù)，驅(qū)動(dòng)清洗系統(tǒng)進(jìn)行清洗作業(yè)。清洗系統(tǒng)的控制流程如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)采用PLC高速脈沖輸出(PTO)功能進(jìn)行控制。使用該功能時(shí)應(yīng)注意正確配置對應(yīng)端口的寄存器[8]，各段運(yùn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算需要根據(jù)設(shè)定距離換算出脈沖個(gè)數(shù)Nf。步進(jìn)電機(jī)啟停過程應(yīng)采用合理的斜坡加速和斜坡減速方式，若帶載直接啟動(dòng)則會(huì)造成嚴(yán)重的失步現(xiàn)象。

圖4 清洗系統(tǒng)的控制流程

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏安裝在設(shè)備房值班室內(nèi)，供操作人員操作和監(jiān)控清洗系統(tǒng)。威綸通科技公司的EB 8000組態(tài)軟件經(jīng)二次開發(fā)可完成系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，觸摸屏選用7英寸屏，型號為TK6070i，觸摸屏與PLC采用點(diǎn)對點(diǎn)(PPI)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機(jī)界面包括啟動(dòng)頁面、參數(shù)設(shè)置手動(dòng)頁面、運(yùn)行頁面、報(bào)警頁面、溫度曲線頁面等，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作簡要說明、參數(shù)的設(shè)置及手動(dòng)基本操作、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警記錄、溫度曲線記錄等功能。在圖5所示的參數(shù)設(shè)置與操作頁面中，可分別設(shè)置自動(dòng)清洗間隔時(shí)間、告警溫度、各段的清洗距離等參數(shù)。點(diǎn)擊保存確認(rèn)按鈕后，數(shù)據(jù)將被傳送到PLC相應(yīng)的存儲(chǔ)器。通過參數(shù)設(shè)置與操作頁面，可根據(jù)需要設(shè)置不同的運(yùn)行速度，也可對空調(diào)外機(jī)進(jìn)行手動(dòng)清洗。

圖5 參數(shù)設(shè)置與操作頁面

4 結(jié) 語

本文根據(jù)空調(diào)外機(jī)清洗系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了基于S7-200、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)控制器等的電氣控制系統(tǒng)。

在分析清洗工藝要求的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)方案、軟硬件設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

在某電力部門設(shè)備房一年多的實(shí)際運(yùn)行中，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，保證了空調(diào)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，取得了較好的效果。同時(shí)，該控制系統(tǒng)具備良好的兼容性、可擴(kuò)展性和可移植性，可在其他空調(diào)外機(jī)清洗場合推廣。