关于在中央空调控制系统中的应用
⇨⇦
【摘 要】随着经济的发展和日益提高的人民生活水平，中央空调已经成为现代大型建筑物，如酒店、商场、大厦、工厂等大型建筑所不可缺少的基础设施，用于保持一个恒定的温度，给人们带来四季如春，温馨舒适的环境。中央空调是一种通过集中制冷，然后分别将冷量输送到各空调房间的设备，以调节各个空调房间内温度达到适合人办公或者生活。如今人们对中央空调系统除了舒适的要求外还更加注重了它的节能，也就是在能耗更低的情况下保持室内温度让内部人员感觉最舒适。
本篇论文首先介绍了中央空调的结构和工作原理，总结了传统中央空调的缺点，即冷冻泵、冷却泵不能自我调节负载，长期处于满负荷运行，造成了极大的能源浪费，随着变频技术日趋成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量达到节能目的，保证系统根据实际负荷的情况调整流量，实现恒温控制，同时又可以节约大量能源。本文主要研究PLC在中央空调控制系统中的应用。
【关键词】PLC；中央空调；变频器；控制系统
一、中央空调系统介绍
中央空调一般包含一下组成部分：制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及风机盘管系统和冷却塔组成。某些高级中央空调系统还有新风机、通过控制室内co2含量适量引入室外新风，让在活动的人感到舒适。
中央空调系统耗电量很大，一般占整个建筑物耗电量的40%左右，尤其是早起设计的中央空调系统，存在很大的冗余，这也是中央空调的节能之所在。
（一）中央空调系统的构成
中央空调一般包含一下组成部分：制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及风机盘管系统和冷却塔等组成。
（二）中央空调系统的基本工作原理
典型中央空调机组主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机三部分组成：
1.冷冻水循环系统
该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道（出水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器（回水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。
2.冷却水循环部分
该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。
3.主机
主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒（制冷剂）等组成，其工作循环过程如下：
首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使冷冻水达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入了压缩机，如此循环往复。
二、PLC的介绍
（一）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
（二）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（三）I/O模块
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（四）电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
（五）扩展接口
扩展接口用于将扩展单元或功能模块与基本单元相线连接，使PLC的配置更加灵活。
（六）通信接口
为了实现＂人机＂或＂機机＂之间的对话，PLC配置有多重通信接口，PLC通过这些通信接口可以与接触屏、打印机等相连，提供方便的人机交互途径；也可以与其他PLC、计算机以及现场总线网络相连，组成多机系统或工业网络控制系统。
（七）智能模块
为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种职能模块。如满足位置调节需要的位置闭环控制模块、对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模块等，这类职能模块都有自己的处理器系统。
（八）编程设置
过去的编程设备一般是编程器，其功能仅限于用户程序读写和调试，现在PLC生产厂家不再提供编程器，取而代之是给用户配置在PC上云新的基于Windows的编程软件。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以保存和打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。其实时调试功能非常强大，不仅能见识PLC运行过程中的各种参数和程序执行情况，还能进行智能化的故障诊断。
（九）其他部件
PLC可能有存储卡、电池卡等其他外部设备。
三、PLC控制下的中央空调系统
PLC控制程序有一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC。控制任务的完成，是通过RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。
（一）PLC控制下的变频调速系统的工作原理
1.变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
2.PLC控制下变频调速系统的工作原理，可编程控制器PLC是变频调速控制系统的关键部件。起作用的协调各机组与变频柜之间的电气连接，通过接触器与变频器柜的继电器盒接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC的输入信号机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷却泵和冷冻泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，轻微型继电器及相应的常闭、常开出头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。PLC软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。[6]
3.通常情况下，变频调速系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度监测装置组成闭环自动控制系统。每台电机都可以运转在工频和变频两种状态下，这由PLC系统根据需要进行切换控制系统。可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器升速过程及降速过程。需要注意的是，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，个接触器间互锁和动作时间要设置好。使用可编程控制器取代继电接触器控制系统，电气系统故障大为减少。有完善的故障处理功能及电源顺停（或大幅降压）后自动在启动功能。
（二）PLC控制下的中央空调系统设计的控制要求
1.设手动/自动亮中运行方式，并根据要求设定相应的压力、温度监测点，并以开关量心事控制各回路的工作状况切换（运行/停机），达到制冷量自动切换目的。
2.要求在计算机和控制柜上均能实现手动/自动两种运行方式的控制，在计算机上实时显示个检测点的状态参数及系统各设备的运行状态。
3.压缩机一次启动并保持时间间隔，压缩机有吸、排气压力保护，温度保护，过载保护。
4.为保证系统的安全可靠运行，压缩机与水系统应设有连锁控制，即冷却塔、水泵不运行，水回路断水，冷冻水出口温度过低等，压缩机均不能运行。
5.机组采用真空停机方式。
6.能实现远程控制。
（三）PLC编程算法二 模拟量的计算：
1. -10—10V。-10V—10V的电压时，在6000分辨率时被转换为F448—0BB8Hex（-3000—3000）；12000分辨率时被转换为E890—1770Hex（-6000—6000）。
2. 0—10V。0—10V的电压时，在12000分辨率时被转换为0—1770Hex（0—6000）；12000分辨率时被转换为0—2EE0Hex（0—12000）。
（1）使用屏蔽双绞线，但不连接屏蔽层。
（2）当一个输入不使用的时候，将VIN和COM端子短接。
（3）模拟信号线与电源线隔离（AC电源线，高压线等）。
（4）当电源线上有干扰时，在输入部分和电源单元之间安装一个滤波器。
（5）确认正确的接线后，首先给CPU单元上电，然后再给负载上电。
（6）断电时先切断负载的电源，然后再切断CPU的电源。
（四）PLC编程算法三 脉冲量的计算：
脉冲量的控制多用于步进电机、伺服电机的角度控制、距离控制、位置控制等。以下是以步进电机为例来说明各控制方式。
1.步进电机的角度控制。首先要明确步进电机的细分数，然后确定步进电机转一圈所需要的总脉冲数。计算＂角度百分比=设定角度/360°（即一圈）＂＂角度动作脉冲数=一圈总脉冲数*角度百分比。＂
公式为：角度动作脉冲数=一圈總脉冲数*（设定角度/360°）。
2.步进电机的距离控制。首先明确步进电机转一圈所需要的总脉冲数。然后确定步进电机滚轮直径，计算滚轮周长。计算每一脉冲运行距离。最后计算设定距离所要运行的脉冲数。
公式为：设定距离脉冲数=设定距离/[（滚轮直径*3.14）/一圈总脉冲数]
3.步进电机的位置控制就是角度控制与距离控制的综合。
四、PLC控制下的变频节能
中央空调系统的复合式随天气状况逐渐变化的，在中央空调系统运行的大部分时间内都是工作在部分负荷状态下，但相对与变化的符合，空调系统水泵、风机的选型都是根据系统的最大负荷来选择的，同时水泵、风机金配用机电的功率往往大于其所需要实际功率。但空调系统处于部分负荷时，水泵、风机还一直运行在工频满负荷状态，这就造成了电能浪费。采用PLC控制下的变频控制中央空调控制系统，具有非常重要的意义，提高系统的运行效率，具有较好的节电效果。
制冷主机：制冷主机通过压缩机让制冷剂迅速冷冻循环水的温度快速减低（一般经过这冷主机制冷后的水温在7度左右），这是中央空调冷源提供的地方，通过制冷主机冷冻的冷媒水由冷冻水泵送入空调房间。
冷冻水泵：制冷主机的制冷剂被降到冷却水的温度后，经过节流阀，温度变得更低，这时用水将冷量带走，这部分水称为冷冻水，冷冻水带走制冷剂的冷量后，在空调系统末端（如风机盘管，空调机组）与空气换热，温度升高后再回到冷水机组内带走制冷剂冷量，这样构成冷冻水循环系统，在这个系统上的泵称为冷冻水泵。
冷却水泵：制冷剂在冷水机组里循环，经过压缩机是温度升高，这时用水将温度降下来，这部分水称为冷却水，冷却水通过冷却水泵把制冷主机所产生的热量带走，在经过冷却塔把热量是放到空气中，然后回到冷水机组，这样构成一个冷却水循环系统，在这个系统上的泵是冷却水泵。要清楚，空调系统通过三个循环把室内的热量传导室外：冷冻水循环，制冷剂循环，冷却水循环。
冷却塔：冷却塔是利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去制冷主机所产生的废热的一种设备。通过冷却水泵将温度较高的水送上冷却塔，通过冷却塔喷头，让水自上而下流动，一方面，通过自然空气带走水中热量；另一方面，通过冷却风机带动空气加速运动，通过空气带走热量的同时加快蒸发，让水温降低。温度降低后的冷却水再次循环进入制冷主机，带走制冷主机产生的废热，如此循环。
风机盘管：风机盘管空调系统是将有风机和盘管组成的机组直接放在房间内，工作室盘管内根据需要流动热水或冷水，风机把室内空氣吸进机组，经过过滤后再经盘管冷却或加热后送回室内，如此循环已达到调节室内温度和适度的目的。
五、结束语
在中央空调制冷系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠，便于维护，且性能价格比高。同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调两台压缩机之间的协调控制，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。
在科技日新月异的今天，积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。