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)自動控制系統(tǒng),自動調(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)實際負(fù)荷的情況調(diào)整流量,實現(xiàn)恒溫控制,同時又可以節(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),讓在活動的人感到舒適。
中央空調(diào)系統(tǒng)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(shè)計的中央空調(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,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,因為壓力的突變而氣化,形成氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化,同時會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從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài),并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時,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CPU出現(xiàn)故障,整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。
(二)存儲器
存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
(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。
(四)電源
可編程邏輯控制器的電源在整個系統(tǒng)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(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)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+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)行計數(shù)和處理的高速計數(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中的程序上傳到計算機(jī)。程序可以保存和打印,通過網(wǎng)絡(luò),還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。其實時調(diào)試功能非常強(qiáng)大,不僅能見識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控制程序有一個主程序、若干子程序構(gòu)成,程序的編制在計算機(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)、制動單元、驅(qū)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(dá)到改變電源電壓的目的,根據(jù)電機(jī)的實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)行邏輯切換來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案。PLC的輸入信號機(jī)組選擇信號、運(yùn)行方式選擇信號、冷卻塔和主機(jī)開/關(guān)信號、冷卻泵和冷凍泵的起/停信號等。輸入信號經(jīng)程序運(yùn)算,發(fā)出相應(yīng)的動作信號,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、光報警器件的動作。PLC軟件程序設(shè)計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)自動控制系統(tǒng)。每臺電機(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)??删幊炭刂破饔肐/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,個接觸器間互鎖和動作時間要設(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)后自動在啟動功能。
(二)PLC控制下的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的控制要求
1.設(shè)手動/自動亮中運(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)到制冷量自動切換目的。
2.要求在計算機(jī)和控制柜上均能實現(xiàn)手動/自動兩種運(yùn)行方式的控制,在計算機(jī)上實時顯示個檢測點(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)一次啟動并保持時間間隔,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.能實現(xiàn)遠(yuǎn)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(zhuǎn)換為F448—0BB8Hex(-3000—3000);12000分辨率時被轉(zhuǎn)換為E890—1770Hex(-6000—6000)。
2. 0—10V。0—10V的電壓時,在12000分辨率時被轉(zhuǎn)換為0—1770Hex(0—6000);12000分辨率時被轉(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(dāng)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(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)。計算“角度百分比=設(shè)定角度/360°(即一圈)”“角度動作脈沖數(shù)=一圈總脈沖數(shù)*角度百分比?!?/p>
公式為:角度動作脈沖數(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,計算滾輪周長。計算每一脈沖運(yùn)行距離。最后計算設(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,同時水泵、風(fēng)機(jī)金配用機(jī)電的功率往往大于其所需要實際功率。但空調(diào)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷時,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)成一個冷卻水循環(huán)系統(tǒng),在這個系統(tǒng)上的泵是冷卻水泵。要清楚,空調(diào)系統(tǒng)通過三個循環(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,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)帶動空氣加速運(yùn)動,通過空氣帶走熱量的同時加快蒸發(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),且性能價格比高。同時以PLC為核心的高可靠的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對空調(diào)兩臺壓縮機(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)保等社會效益同樣有著重要的意義。