關于PLC在中央空調控制系統中的應用

岳圓

【摘 要】隨著經濟的發展和日益提高的人民生活水平，中央空調已經成為現代大型建筑物，如酒店、商場、大廈、工廠等大型建筑所不可缺少的基礎設施，用于保持一個恒定的溫度，給人們帶來四季如春，溫馨舒適的環境。中央空調是一種通過集中制冷，然后分別將冷量輸送到各空調房間的設備，以調節各個空調房間內溫度達到適合人辦公或者生活。如今人們對中央空調系統除了舒適的要求外還更加注重了它的節能，也就是在能耗更低的情況下保持室內溫度讓內部人員感覺最舒適。

本篇論文首先介紹了中央空調的結構和工作原理，總結了傳統中央空調的缺點，即冷凍泵、冷卻泵不能自我調節負載，長期處于滿負荷運行，造成了極大的能源浪費，隨著變頻技術日趨成熟，利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器等器件的有機結合，構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量達到節能目的，保證系統根據實際負荷的情況調整流量，實現恒溫控制，同時又可以節約大量能源。本文主要研究PLC在中央空調控制系統中的應用。

【關鍵詞】PLC；中央空調；變頻器；控制系統

一、中央空調系統介紹

中央空調一般包含一下組成部分：制冷系統、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統以及風機盤管系統和冷卻塔組成。某些高級中央空調系統還有新風機、通過控制室內co2含量適量引入室外新風，讓在活動的人感到舒適。

中央空調系統耗電量很大，一般占整個建筑物耗電量的40%左右，尤其是早起設計的中央空調系統，存在很大的冗余，這也是中央空調的節能之所在。

（一）中央空調系統的構成

中央空調一般包含一下組成部分：制冷系統、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統以及風機盤管系統和冷卻塔等組成。

（二）中央空調系統的基本工作原理

典型中央空調機組主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機三部分組成：

1.冷凍水循環系統

該部分由冷凍泵、室內風機及冷凍水管道等組成。從主機蒸發器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進入室內進行熱交換，帶走房間內的熱量，最后回到主機蒸發器（回水）。室內風機用于將空氣吹過冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內熱交換。

2.冷卻水循環部分

該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環系統進行室內熱交換的同時，必將帶走室內大量的熱能。該熱能通過主機內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），使之與大氣進行熱交換，降低溫度后再送回主機冷凝器（回水）。

3.主機

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

首先低壓氣態冷媒被壓縮機加壓進入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過程中冷媒會釋放出大量熱能，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冷媒在流經蒸發器前的節流降壓裝置時，因為壓力的突變而氣化，形成氣液混合物進入蒸發器。冷媒在蒸發器中不斷氣化，同時會吸收冷凍水中的熱量使冷凍水達到較低溫度。最后，蒸發器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進入了壓縮機，如此循環往復。

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程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當可編程邏輯控制器投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。

為了進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構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。

（二）存儲器

存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。

存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

（三）I/O模塊

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

現場輸出接口電路由輸出數據寄存器、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場輸出接口電路向現場的執行部件輸出相應的控制信號。

（四）電源

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

（五）擴展接口

擴展接口用于將擴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

為了實現“人機”或“機機”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、打印機等相連，提供方便的人機交互途徑；也可以與其他PLC、計算機以及現場總線網絡相連，組成多機系統或工業網絡控制系統。

（七）智能模塊

為了滿足更加復雜的控制功能的需要，PLC配有多種職能模塊。如滿足位置調節需要的位置閉環控制模塊、對高速脈沖進行計數和處理的高速計數模塊等，這類職能模塊都有自己的處理器系統。

（八）編程設置

過去的編程設備一般是編程器，其功能僅限于用戶程序讀寫和調試，現在PLC生產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，并可以實現不同編程語言的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以保存和打印，通過網絡，還可以實現遠程編程和傳送。其實時調試功能非常強大，不僅能見識PLC運行過程中的各種參數和程序執行情況，還能進行智能化的故障診斷。

（九）其他部件

PLC可能有存儲卡、電池卡等其他外部設備。

三、PLC控制下的中央空調系統

PLC控制程序有一個主程序、若干子程序構成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC?？刂迫蝿盏耐瓿?，是通過RUN模式下主機循環掃描并連續執行用戶程序來實現的。

（一）PLC控制下的變頻調速系統的工作原理

1.變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

2.PLC控制下變頻調速系統的工作原理，可編程控制器PLC是變頻調速控制系統的關鍵部件。起作用的協調各機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行邏輯切換來實現系統的控制方案。PLC的輸入信號機組選擇信號、運行方式選擇信號、冷卻塔和主機開/關信號、冷卻泵和冷凍泵的起/停信號等。輸入信號經程序運算，發出相應的動作信號，輕微型繼電器及相應的常閉、常開出頭分別控制變頻器及中央空調系統的運行，以及聲、光報警器件的動作。PLC軟件程序設計采用梯形圖語言編程，直觀易懂。[6]

3.通常情況下，變頻調速系統主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機組及溫度監測裝置組成閉環自動控制系統。每臺電機都可以運轉在工頻和變頻兩種狀態下，這由PLC系統根據需要進行切換控制系統?？删幊炭刂破饔肐/O擴展接口分別接入A/D和D/A模塊A/D模塊通過PLC將溫度模擬量轉換為數字量，D/A模塊將PLC輸出的開關量轉換為模擬量，以控制變頻器升速過程及降速過程。需要注意的是，在水泵進行工頻和變頻電網的切換過程盡可能快，個接觸器間互鎖和動作時間要設置好。使用可編程控制器取代繼電接觸器控制系統，電氣系統故障大為減少。有完善的故障處理功能及電源順停（或大幅降壓）后自動在啟動功能。

（二）PLC控制下的中央空調系統設計的控制要求

1.設手動/自動亮中運行方式，并根據要求設定相應的壓力、溫度監測點，并以開關量心事控制各回路的工作狀況切換（運行/停機），達到制冷量自動切換目的。

2.要求在計算機和控制柜上均能實現手動/自動兩種運行方式的控制，在計算機上實時顯示個檢測點的狀態參數及系統各設備的運行狀態。

3.壓縮機一次啟動并保持時間間隔，壓縮機有吸、排氣壓力保護，溫度保護，過載保護。

4.為保證系統的安全可靠運行，壓縮機與水系統應設有連鎖控制，即冷卻塔、水泵不運行，水回路斷水，冷凍水出口溫度過低等，壓縮機均不能運行。

5.機組采用真空停機方式。

6.能實現遠程控制。

（三）PLC編程算法二 模擬量的計算：

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

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

（1）使用屏蔽雙絞線，但不連接屏蔽層。

（2）當一個輸入不使用的時候，將VIN和COM端子短接。

（3）模擬信號線與電源線隔離（AC電源線，高壓線等）。

（4）當電源線上有干擾時，在輸入部分和電源單元之間安裝一個濾波器。

（5）確認正確的接線后，首先給CPU單元上電，然后再給負載上電。

（6）斷電時先切斷負載的電源，然后再切斷CPU的電源。

（四）PLC編程算法三 脈沖量的計算：

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

1.步進電機的角度控制。首先要明確步進電機的細分數，然后確定步進電機轉一圈所需要的總脈沖數。計算“角度百分比=設定角度/360°（即一圈）”“角度動作脈沖數=一圈總脈沖數*角度百分比?！?/p>

公式為：角度動作脈沖數=一圈總脈沖數*（設定角度/360°）。

2.步進電機的距離控制。首先明確步進電機轉一圈所需要的總脈沖數。然后確定步進電機滾輪直徑，計算滾輪周長。計算每一脈沖運行距離。最后計算設定距離所要運行的脈沖數。

公式為：設定距離脈沖數=設定距離/[（滾輪直徑*3.14）/一圈總脈沖數]

3.步進電機的位置控制就是角度控制與距離控制的綜合。

四、PLC控制下的變頻節能

中央空調系統的復合式隨天氣狀況逐漸變化的，在中央空調系統運行的大部分時間內都是工作在部分負荷狀態下，但相對與變化的符合，空調系統水泵、風機的選型都是根據系統的最大負荷來選擇的，同時水泵、風機金配用機電的功率往往大于其所需要實際功率。但空調系統處于部分負荷時，水泵、風機還一直運行在工頻滿負荷狀態，這就造成了電能浪費。采用PLC控制下的變頻控制中央空調控制系統，具有非常重要的意義，提高系統的運行效率，具有較好的節電效果。

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

冷凍水泵：制冷主機的制冷劑被降到冷卻水的溫度后，經過節流閥，溫度變得更低，這時用水將冷量帶走，這部分水稱為冷凍水，冷凍水帶走制冷劑的冷量后，在空調系統末端（如風機盤管，空調機組）與空氣換熱，溫度升高后再回到冷水機組內帶走制冷劑冷量，這樣構成冷凍水循環系統，在這個系統上的泵稱為冷凍水泵。

冷卻水泵：制冷劑在冷水機組里循環，經過壓縮機是溫度升高，這時用水將溫度降下來，這部分水稱為冷卻水，冷卻水通過冷卻水泵把制冷主機所產生的熱量帶走，在經過冷卻塔把熱量是放到空氣中，然后回到冷水機組，這樣構成一個冷卻水循環系統，在這個系統上的泵是冷卻水泵。要清楚，空調系統通過三個循環把室內的熱量傳導室外：冷凍水循環，制冷劑循環，冷卻水循環。

冷卻塔：冷卻塔是利用水和空氣的接觸，通過蒸發作用來散去制冷主機所產生的廢熱的一種設備。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，一方面，通過自然空氣帶走水中熱量；另一方面，通過冷卻風機帶動空氣加速運動，通過空氣帶走熱量的同時加快蒸發，讓水溫降低。溫度降低后的冷卻水再次循環進入制冷主機，帶走制冷主機產生的廢熱，如此循環。

風機盤管：風機盤管空調系統是將有風機和盤管組成的機組直接放在房間內，工作室盤管內根據需要流動熱水或冷水，風機把室內空氣吸進機組，經過過濾后再經盤管冷卻或加熱后送回室內，如此循環已達到調節室內溫度和適度的目的。

五、結束語

在中央空調制冷系統用PLC控制可以有效地保證其工作穩定、可靠，便于維護，且性能價格比高。同時以PLC為核心的高可靠的監控系統實現了對空調兩臺壓縮機之間的協調控制，具有先進、可靠、經濟、靈活等顯著特點。

在科技日新月異的今天，積極推廣高新技術的應用，使其轉化為生產力，是我們工程技術人員應盡的社會責任。對落后的設備生產工藝進行技術革新，不僅可以提高生產質量、生產效率，創造可觀的經濟效益。對節能、環保等社會效益同樣有著重要的意義。