PLC在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能中的運(yùn)用

陳武

摘 要 我國夏季建筑物電量消耗的電量消耗有一半左右都是中央空調(diào)的電量消耗，而現(xiàn)在大部分的大型建筑都將中央空調(diào)列為必不可少的配套設(shè)施。因此，中央空調(diào)的節(jié)能研究對(duì)我國創(chuàng)建資源節(jié)約型社會(huì)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本文通過運(yùn)用PLC與變頻器的控制系統(tǒng)，對(duì)某空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造達(dá)到節(jié)能、環(huán)保目的，具有重要的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞 中央空調(diào)系統(tǒng) 可編程序控制器 變頻器

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.04.011

Abstract In Summer of our country， about half of the electricity consumption in buildings is from the one of central air conditioning. And now most of the large buildings regard central air conditioning as an indispensable supporting facility， so the research on energy saving of central air conditioning takes an important practical significance for China to create a resource-saving society. This paper clarifies how to uses the PLC and the control system of frequency converter to transform an air conditioning system to achieve the purpose of energy saving and environmental protection， which has important practical meaning.

Keywords Central air conditioning system； programmable controller； frequency converter

我國夏季建筑物電量消耗的電量消耗有一半左右都是中央空調(diào)的電量消耗，而中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行的天數(shù)與整個(gè)運(yùn)行季節(jié)相比很少，一般最多只有一星期左右。為解決這種設(shè)備不能自動(dòng)調(diào)節(jié)的問題，可利用目前市面上已經(jīng)技術(shù)成熟的可編程控制器和變頻器等配套模塊，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵流量，最終節(jié)能的目的。

1 建筑內(nèi)中央空調(diào)系統(tǒng)原理

中央空調(diào)系統(tǒng)一般由制冷空調(diào)主機(jī)、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、末端系統(tǒng)組成。其中，制冷空調(diào)主機(jī)的作用是消耗電能將制冷劑進(jìn)行壓縮，讓制冷劑通過相變吸收或散發(fā)熱量。冷凍水系統(tǒng)的工作原理是將制冷主機(jī)蒸發(fā)器與冷凍水進(jìn)行熱交換，也叫吸熱，一般將冷凍水的水溫降低5℃左右，冷凍水泵將冷凍水送到各個(gè)末端設(shè)備的換熱盤管內(nèi)，在由盤管風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，最后達(dá)到給房間降溫的目的。制冷劑在制冷空調(diào)主機(jī)里經(jīng)過壓縮機(jī)的壓縮溫度會(huì)急劇升高，這是就需要使用冷卻水系統(tǒng)將制冷主機(jī)的冷凝器內(nèi)的制冷劑溫度降下來。冷凍水泵消耗電能把制冷主機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過冷卻水的循環(huán)給帶到室外冷卻塔。冷卻塔是利用冷卻水和空氣的自然對(duì)流式換熱、風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對(duì)流換熱、冷卻塔填料的增大換熱面積等方式，將冷卻水的水溫降低。通過制冷空調(diào)系統(tǒng)的工作原理可知，冷凍水系統(tǒng)帶走的是房間的熱量，通過制冷主機(jī)消耗電能利用制冷劑的相變將熱量傳遞給冷卻水系統(tǒng)，冷卻水的熱量又被冷卻塔通過換熱傳遞到了室外空氣當(dāng)中，所以說制冷并不是制造了冷量，而是一個(gè)熱量傳遞的過程。在這個(gè)過程中需要消耗大量的能量，比如制冷主機(jī)的壓縮機(jī)電機(jī)、冷卻水泵電機(jī)、冷凍水泵電機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)機(jī)等。

2 PLC簡介

PLC，即可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是使用微處理器為基礎(chǔ)的通用型工業(yè)控制器裝置?？删幊绦蚩刂破髟谖覈鴩窠?jīng)濟(jì)中應(yīng)用面十分廣闊，具有功能強(qiáng)大使用方便的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的繼電器控制方式是由輸入信號(hào)設(shè)備，如按鈕和開關(guān)等；各種繼電器、接觸器和導(dǎo)線連接而成的有一定的邏輯功能的控制線路；各種繼電器和指示燈組成的輸出電路等三大部份組成。PLC相比傳統(tǒng)繼電器控制方式則完全不同：首先PLC控制系統(tǒng)的輸入繼電器、輸出繼電器、接觸器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等是在PLC內(nèi)部用軟件功能代替了傳統(tǒng)繼電器控制的硬件，不是真實(shí)的硬件，一臺(tái)小型的PLC模塊里有成百上千個(gè)可以任意編輯的編程元件，可以通過軟件實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。老式的硬件繼電器的接觸觸電一般不會(huì)太多，只有4到8對(duì)觸點(diǎn)，而使用PLC的軟繼電器在用戶使用編程軟件編程時(shí)則可以有無限個(gè)觸點(diǎn)無限的使用，在需要編輯時(shí)，可以使用軟件來在線修改。相比繼電器控制電路控制電路固定，修改時(shí)重新接線，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)人工。綜上所述，PLC控制方式相比傳統(tǒng)的繼電器控制方式在使用方面靈活多變，避免了傳統(tǒng)接觸器由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障的缺點(diǎn)，PLC本身采取了一系列的軟件可硬件抗干擾措施，具有很高的抗干擾能力，是最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。

3 案例分析

武漢某廠房空調(diào)系統(tǒng)，主要設(shè)備有：主機(jī)制冷量1000KW，壓縮機(jī)為螺桿機(jī)。兩臺(tái)冷凍水泵和兩臺(tái)冷卻水泵，運(yùn)行方式為一用一備，橫流冷卻塔一臺(tái)。原設(shè)備使用的是接觸器控制水泵系統(tǒng)，控制方式為Y- 啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流較大，而且水泵啟停市會(huì)有水錘現(xiàn)象，震動(dòng)較大。冷凍水系統(tǒng)如圖1所示。

3.1 PLC控制器的選擇

市場上PLC種類繁多，有施耐德、歐姆龍、三菱，還有許多國產(chǎn)的品牌。不過從性價(jià)比、擴(kuò)展性能、穩(wěn)定性等多方面考慮，西門子PLC優(yōu)越性較強(qiáng)。西門子S7-200系列PLC廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的中小型工業(yè)控制鄰域，性能穩(wěn)定可靠，價(jià)格不高，所以我們暫采用此系列PLC。

考慮到我們采用觸摸屏做為輸入及監(jiān)控設(shè)備，需要占用一個(gè)串口；短信報(bào)警、溫度等數(shù)據(jù)存檔、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、手機(jī)或PC遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能擴(kuò)展需要占用一個(gè)串口，所以我們采用雙串口的CPU226或CPU224XP都行，由于我們不需要太多的I/O口，從成本考慮CPU224XP比較合適。

選擇CPU224XP還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，PLC帶一個(gè)模擬量輸出接口，可以直接控制一個(gè)變頻器。

由于我們需要控制兩個(gè)變頻器，只再增加一個(gè)模擬量就可以了，比較合適的選擇是擴(kuò)展一個(gè)EM235模塊。剛好兩個(gè)壓力輸入模擬量和兩個(gè)溫度輸入模擬量及一個(gè)輸出模擬量端口全都是用上了。

3.2 變頻器的選擇

一臺(tái)西門子PLC通過一個(gè)串口，使用USS專用控制程序可控制很多臺(tái)MM430變頻器，由于西門子變頻器昂貴，而市場上變頻器種類繁多，當(dāng)控制的變頻器數(shù)量少，且不是一定強(qiáng)調(diào)使用高端設(shè)備的情況下，我們可以選擇更通用和便宜一些的臺(tái)達(dá)水泵專用變頻器VFD300CP4。

PLC與變頻器的連接非常方便，只要一根兩芯屏蔽線就可以，PLC端接M和V，變頻器端接ACM和+10V就可以了。

變頻器默認(rèn)控制是面板輸入頻率控制，我們需要修改00-30項(xiàng)參數(shù)為2，其余參數(shù)可以采用默認(rèn)值。PLC模擬量輸出控制冷卻水泵變頻器，EM235模擬量輸出控制冷凍水泵變頻器。雖然是0～10V模擬量控制變頻器，對(duì)應(yīng)于0～50HZ頻率。但由于限定水泵在30～50赫茲之間變頻運(yùn)行，所以PLC程序必須限定模擬量輸出在6～10V之間變化。

3.3 冷凍水泵的變頻控制

由于中央空調(diào)冷凍水一般在7～12℃范圍，當(dāng)冷凍水溫高于12℃時(shí)變頻器全速運(yùn)行，只在出水溫低于12℃時(shí)采取檢測溫差，運(yùn)行變頻節(jié)能，啟動(dòng)程序如圖2。以PLC內(nèi)部設(shè)置T101為水溫差檢測定時(shí)器，檢測周期10秒鐘，同時(shí)計(jì)算溫差值。

由于PLC內(nèi)模擬量值輸出在0～32000間變化對(duì)應(yīng)0～10伏及0～50赫茲，所以，我們變化0.5赫茲對(duì)應(yīng)于3200變化量。同時(shí)50赫茲對(duì)應(yīng)32000，30赫茲對(duì)應(yīng)19200。

程序第一行：當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測周期，溫差值小于5.2度，同時(shí)頻率小于50赫茲時(shí)，輸出值就以3200增加。

程序第二行：當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測周期，溫差值大于4.8度，同時(shí)頻率大于30赫茲時(shí)，輸出值就以3200減少。

最后運(yùn)行結(jié)果就是冷凍水溫度差值穩(wěn)定在4.8～5.2度之間。這里AQW0就是輸出端口數(shù)據(jù)，其電壓值可在0～10V之間變化。由于程序限制，實(shí)際在6～10之間變化。

3.4 冷卻水泵的變頻控制

為保證制冷主機(jī)的制冷效率最大，制冷系統(tǒng)的高壓和低壓壓差比不能頻繁的變化，而冷卻水進(jìn)出溫差會(huì)顯著改變制冷系統(tǒng)的壓差比，所以冷卻水系統(tǒng)不能使用冷凍水系統(tǒng)那樣的控制方法，可以直接采用冷凝壓力控制變頻器的方法。以R22系統(tǒng)為例，如果制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度是0度左右，其對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力為0.45～0.5MPa，取壓差比是2.9的情況下，那么這個(gè)系統(tǒng)的冷凝壓力應(yīng)在1.5MPa左右。實(shí)際工作中這個(gè)壓力值是跟制冷系統(tǒng)的傳熱效率，環(huán)境溫度有關(guān)。為減少誤差值，我們可以在低壓系統(tǒng)安裝一個(gè)低壓傳感器，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后的低壓壓力平均值，在乘以壓差比2.9之后就得到高壓壓力值。

冷卻水泵控制說明：

PLC每10秒采樣高壓數(shù)據(jù)，壓力低于14kg/cm2時(shí)，變頻器以0.5赫茲頻率減小水泵功率，最低頻率設(shè)定在30赫茲。壓力高于15公斤時(shí)，變頻器以0.5赫茲頻率遞增水泵功率，最高頻率設(shè)設(shè)定在50赫茲。冷凝壓力處于14～15 kg/cm2之間水泵功率保持不變。

當(dāng)然根據(jù)環(huán)境條件變化，這些參數(shù)是可以在觸摸屏上微調(diào)設(shè)定的，以達(dá)到最佳節(jié)能效果。

3.5 觸摸屏控制

目前PLC和觸摸屏搭配控制是個(gè)趨勢，其優(yōu)點(diǎn)是沒有了機(jī)械按鍵等容易損壞的輸入零件?？梢灾苯语@示各項(xiàng)參數(shù)、系統(tǒng)圖等。圖3是本項(xiàng)目的一個(gè)主界面，采用的是西門子SMART 700觸摸屏。

4 結(jié)論

通過對(duì)原系統(tǒng)的改造，經(jīng)過一年多的運(yùn)行觀察，改造后比改造前平均節(jié)能約30%左右，而改造的成本在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行一年后即可收回，從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)利益來看是值得，該系統(tǒng)改造達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。

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