岳圓

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和日益提高的人民生活水平，中央空調(diào)已經(jīng)成為現(xiàn)代大型建筑物，如酒店、商場、大廈、工廠等大型建筑所不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，用于保持一個(gè)恒定的溫度，給人們帶來四季如春，溫馨舒適的環(huán)境。中央空調(diào)是一種通過集中制冷，然后分別將冷量輸送到各空調(diào)房間的設(shè)備，以調(diào)節(jié)各個(gè)空調(diào)房間內(nèi)溫度達(dá)到適合人辦公或者生活。如今人們對中央空調(diào)系統(tǒng)除了舒適的要求外還更加注重了它的節(jié)能，也就是在能耗更低的情況下保持室內(nèi)溫度讓內(nèi)部人員感覺最舒適。

本篇論文首先介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)和工作原理，總結(jié)了傳統(tǒng)中央空調(diào)的缺點(diǎn)，即冷凍泵、冷卻泵不能自我調(diào)節(jié)負(fù)載，長期處于滿負(fù)荷運(yùn)行，造成了極大的能源浪費(fèi)，隨著變頻技術(shù)日趨成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達(dá)到節(jié)能目的，保證系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的情況調(diào)整流量，實(shí)現(xiàn)恒溫控制，同時(shí)又可以節(jié)約大量能源。本文主要研究PLC在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】PLC；中央空調(diào)；變頻器；控制系統(tǒng)

一、中央空調(diào)系統(tǒng)介紹

中央空調(diào)一般包含一下組成部分：制冷系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和冷卻塔組成。某些高級中央空調(diào)系統(tǒng)還有新風(fēng)機(jī)、通過控制室內(nèi)co2含量適量引入室外新風(fēng)，讓在活動(dòng)的人感到舒適。

中央空調(diào)系統(tǒng)耗電量很大，一般占整個(gè)建筑物耗電量的40%左右，尤其是早起設(shè)計(jì)的中央空調(diào)系統(tǒng)，存在很大的冗余，這也是中央空調(diào)的節(jié)能之所在。

（一）中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成

中央空調(diào)一般包含一下組成部分：制冷系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)和冷卻塔等組成。

（二）中央空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理

典型中央空調(diào)機(jī)組主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)三部分組成：

1.冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

該部分由冷凍泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)及冷凍水管道等組成。從主機(jī)蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，最后回到主機(jī)蒸發(fā)器（回水）。室內(nèi)風(fēng)機(jī)用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內(nèi)熱交換。

2.冷卻水循環(huán)部分

該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí)，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進(jìn)行熱交換，降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器（回水）。

3.主機(jī)

主機(jī)部分由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環(huán)過程如下：

首先低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機(jī)加壓進(jìn)入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會(huì)釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，最終釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態(tài)冷媒在流經(jīng)蒸發(fā)器前的節(jié)流降壓裝置時(shí)，因?yàn)閴毫Φ耐蛔兌鴼饣纬蓺庖夯旌衔镞M(jìn)入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時(shí)會(huì)吸收冷凍水中的熱量使冷凍水達(dá)到較低溫度。最后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進(jìn)入了壓縮機(jī)，如此循環(huán)往復(fù)。

二、PLC的介紹

（一）中央處理單元（CPU）

中央處理單元（CPU）是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。

為了進(jìn)一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

（二）存儲(chǔ)器

存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。

存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。

（三）I/O模塊

現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。

現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。

（四）電源

可編程邏輯控制器的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%（+15%）范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去

（五）擴(kuò)展接口

擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元或功能模塊與基本單元相線連接，使PLC的配置更加靈活。

（六）通信接口

為了實(shí)現(xiàn)“人機(jī)”或“機(jī)機(jī)”之間的對話，PLC配置有多重通信接口，PLC通過這些通信接口可以與接觸屏、打印機(jī)等相連，提供方便的人機(jī)交互途徑；也可以與其他PLC、計(jì)算機(jī)以及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，組成多機(jī)系統(tǒng)或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

（七）智能模塊

為了滿足更加復(fù)雜的控制功能的需要，PLC配有多種職能模塊。如滿足位置調(diào)節(jié)需要的位置閉環(huán)控制模塊、對高速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理的高速計(jì)數(shù)模塊等，這類職能模塊都有自己的處理器系統(tǒng)。

（八）編程設(shè)置

過去的編程設(shè)備一般是編程器，其功能僅限于用戶程序讀寫和調(diào)試，現(xiàn)在PLC生產(chǎn)廠家不再提供編程器，取而代之是給用戶配置在PC上云新的基于Windows的編程軟件。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以保存和打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。其實(shí)時(shí)調(diào)試功能非常強(qiáng)大，不僅能見識(shí)PLC運(yùn)行過程中的各種參數(shù)和程序執(zhí)行情況，還能進(jìn)行智能化的故障診斷。

（九）其他部件

PLC可能有存儲(chǔ)卡、電池卡等其他外部設(shè)備。

三、PLC控制下的中央空調(diào)系統(tǒng)

PLC控制程序有一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC?？刂迫蝿?wù)的完成，是通過RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。

（一）PLC控制下的變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

1.變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

2.PLC控制下變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，可編程控制器PLC是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。起作用的協(xié)調(diào)各機(jī)組與變頻柜之間的電氣連接，通過接觸器與變頻器柜的繼電器盒接觸器進(jìn)行邏輯切換來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案。PLC的輸入信號(hào)機(jī)組選擇信號(hào)、運(yùn)行方式選擇信號(hào)、冷卻塔和主機(jī)開/關(guān)信號(hào)、冷卻泵和冷凍泵的起/停信號(hào)等。輸入信號(hào)經(jīng)程序運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，輕微型繼電器及相應(yīng)的常閉、常開出頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，以及聲、光報(bào)警器件的動(dòng)作。PLC軟件程序設(shè)計(jì)采用梯形圖語言編程，直觀易懂。[6]

3.通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機(jī)組及溫度監(jiān)測裝置組成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。每臺(tái)電機(jī)都可以運(yùn)轉(zhuǎn)在工頻和變頻兩種狀態(tài)下，這由PLC系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行切換控制系統(tǒng)。可編程控制器用I/O擴(kuò)展接口分別接入A/D和D/A模塊A/D模塊通過PLC將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，D/A模塊將PLC輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量，以控制變頻器升速過程及降速過程。需要注意的是，在水泵進(jìn)行工頻和變頻電網(wǎng)的切換過程盡可能快，個(gè)接觸器間互鎖和動(dòng)作時(shí)間要設(shè)置好。使用可編程控制器取代繼電接觸器控制系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)故障大為減少。有完善的故障處理功能及電源順停（或大幅降壓）后自動(dòng)在啟動(dòng)功能。

（二）PLC控制下的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制要求

1.設(shè)手動(dòng)/自動(dòng)亮中運(yùn)行方式，并根據(jù)要求設(shè)定相應(yīng)的壓力、溫度監(jiān)測點(diǎn)，并以開關(guān)量心事控制各回路的工作狀況切換（運(yùn)行/停機(jī)），達(dá)到制冷量自動(dòng)切換目的。

2.要求在計(jì)算機(jī)和控制柜上均能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)兩種運(yùn)行方式的控制，在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示個(gè)檢測點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)及系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3.壓縮機(jī)一次啟動(dòng)并保持時(shí)間間隔，壓縮機(jī)有吸、排氣壓力保護(hù)，溫度保護(hù)，過載保護(hù)。

4.為保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，壓縮機(jī)與水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有連鎖控制，即冷卻塔、水泵不運(yùn)行，水回路斷水，冷凍水出口溫度過低等，壓縮機(jī)均不能運(yùn)行。

5.機(jī)組采用真空停機(jī)方式。

6.能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（三）PLC編程算法二 模擬量的計(jì)算：

1. -10—10V。-10V—10V的電壓時(shí)，在6000分辨率時(shí)被轉(zhuǎn)換為F448—0BB8Hex（-3000—3000）；12000分辨率時(shí)被轉(zhuǎn)換為E890—1770Hex（-6000—6000）。

2. 0—10V。0—10V的電壓時(shí)，在12000分辨率時(shí)被轉(zhuǎn)換為0—1770Hex（0—6000）；12000分辨率時(shí)被轉(zhuǎn)換為0—2EE0Hex（0—12000）。

（1）使用屏蔽雙絞線，但不連接屏蔽層。

（2）當(dāng)一個(gè)輸入不使用的時(shí)候，將VIN和COM端子短接。

（3）模擬信號(hào)線與電源線隔離（AC電源線，高壓線等）。

（4）當(dāng)電源線上有干擾時(shí)，在輸入部分和電源單元之間安裝一個(gè)濾波器。

（5）確認(rèn)正確的接線后，首先給CPU單元上電，然后再給負(fù)載上電。

（6）斷電時(shí)先切斷負(fù)載的電源，然后再切斷CPU的電源。

（四）PLC編程算法三 脈沖量的計(jì)算：

脈沖量的控制多用于步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的角度控制、距離控制、位置控制等。以下是以步進(jìn)電機(jī)為例來說明各控制方式。

1.步進(jìn)電機(jī)的角度控制。首先要明確步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，然后確定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的總脈沖數(shù)。計(jì)算“角度百分比=設(shè)定角度/360°（即一圈）”“角度動(dòng)作脈沖數(shù)=一圈總脈沖數(shù)*角度百分比。”

公式為：角度動(dòng)作脈沖數(shù)=一圈總脈沖數(shù)*（設(shè)定角度/360°）。

2.步進(jìn)電機(jī)的距離控制。首先明確步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需要的總脈沖數(shù)。然后確定步進(jìn)電機(jī)滾輪直徑，計(jì)算滾輪周長。計(jì)算每一脈沖運(yùn)行距離。最后計(jì)算設(shè)定距離所要運(yùn)行的脈沖數(shù)。

公式為：設(shè)定距離脈沖數(shù)=設(shè)定距離/[（滾輪直徑*3.14）/一圈總脈沖數(shù)]

3.步進(jìn)電機(jī)的位置控制就是角度控制與距離控制的綜合。

四、PLC控制下的變頻節(jié)能

中央空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)合式隨天氣狀況逐漸變化的，在中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的大部分時(shí)間內(nèi)都是工作在部分負(fù)荷狀態(tài)下，但相對與變化的符合，空調(diào)系統(tǒng)水泵、風(fēng)機(jī)的選型都是根據(jù)系統(tǒng)的最大負(fù)荷來選擇的，同時(shí)水泵、風(fēng)機(jī)金配用機(jī)電的功率往往大于其所需要實(shí)際功率。但空調(diào)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷時(shí)，水泵、風(fēng)機(jī)還一直運(yùn)行在工頻滿負(fù)荷狀態(tài)，這就造成了電能浪費(fèi)。采用PLC控制下的變頻控制中央空調(diào)控制系統(tǒng)，具有非常重要的意義，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，具有較好的節(jié)電效果。

制冷主機(jī)：制冷主機(jī)通過壓縮機(jī)讓制冷劑迅速冷凍循環(huán)水的溫度快速減低（一般經(jīng)過這冷主機(jī)制冷后的水溫在7度左右），這是中央空調(diào)冷源提供的地方，通過制冷主機(jī)冷凍的冷媒水由冷凍水泵送入空調(diào)房間。

冷凍水泵：制冷主機(jī)的制冷劑被降到冷卻水的溫度后，經(jīng)過節(jié)流閥，溫度變得更低，這時(shí)用水將冷量帶走，這部分水稱為冷凍水，冷凍水帶走制冷劑的冷量后，在空調(diào)系統(tǒng)末端（如風(fēng)機(jī)盤管，空調(diào)機(jī)組）與空氣換熱，溫度升高后再回到冷水機(jī)組內(nèi)帶走制冷劑冷量，這樣構(gòu)成冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)上的泵稱為冷凍水泵。

冷卻水泵：制冷劑在冷水機(jī)組里循環(huán)，經(jīng)過壓縮機(jī)是溫度升高，這時(shí)用水將溫度降下來，這部分水稱為冷卻水，冷卻水通過冷卻水泵把制冷主機(jī)所產(chǎn)生的熱量帶走，在經(jīng)過冷卻塔把熱量是放到空氣中，然后回到冷水機(jī)組，這樣構(gòu)成一個(gè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)上的泵是冷卻水泵。要清楚，空調(diào)系統(tǒng)通過三個(gè)循環(huán)把室內(nèi)的熱量傳導(dǎo)室外：冷凍水循環(huán)，制冷劑循環(huán)，冷卻水循環(huán)。

冷卻塔：冷卻塔是利用水和空氣的接觸，通過蒸發(fā)作用來散去制冷主機(jī)所產(chǎn)生的廢熱的一種設(shè)備。通過冷卻水泵將溫度較高的水送上冷卻塔，通過冷卻塔噴頭，讓水自上而下流動(dòng)，一方面，通過自然空氣帶走水中熱量；另一方面，通過冷卻風(fēng)機(jī)帶動(dòng)空氣加速運(yùn)動(dòng)，通過空氣帶走熱量的同時(shí)加快蒸發(fā)，讓水溫降低。溫度降低后的冷卻水再次循環(huán)進(jìn)入制冷主機(jī)，帶走制冷主機(jī)產(chǎn)生的廢熱，如此循環(huán)。

風(fēng)機(jī)盤管：風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)是將有風(fēng)機(jī)和盤管組成的機(jī)組直接放在房間內(nèi)，工作室盤管內(nèi)根據(jù)需要流動(dòng)熱水或冷水，風(fēng)機(jī)把室內(nèi)空氣吸進(jìn)機(jī)組，經(jīng)過過濾后再經(jīng)盤管冷卻或加熱后送回室內(nèi)，如此循環(huán)已達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和適度的目的。

五、結(jié)束語

在中央空調(diào)制冷系統(tǒng)用PLC控制可以有效地保證其工作穩(wěn)定、可靠，便于維護(hù)，且性能價(jià)格比高。同時(shí)以PLC為核心的高可靠的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對空調(diào)兩臺(tái)壓縮機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制，具有先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)、靈活等顯著特點(diǎn)。

在科技日新月異的今天，積極推廣高新技術(shù)的應(yīng)用，使其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，是我們工程技術(shù)人員應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。對落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)革新，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對節(jié)能、環(huán)保等社會(huì)效益同樣有著重要的意義。