基于PLC的中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能及高效應(yīng)用設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中智能建筑大量增加，這些建筑大都采用中央空調(diào)提供舒適的辦公或居住環(huán)境。但是中央空調(diào)能耗高的問(wèn)題也在制約著中央空調(diào)的發(fā)展，因此節(jié)能、高效是中央空調(diào)系統(tǒng)的重要課題。下面以某寫(xiě)字樓的中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為對(duì)象，介紹該系統(tǒng)在節(jié)能、高效應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)組成

1.1中央空調(diào)系統(tǒng)的組成

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷熱源、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔和空調(diào)末端等組成。與一般中央空調(diào)系統(tǒng)不同的地方是該系統(tǒng)的冷源是靠水冷機(jī)組提供的，熱源是使用市政蒸汽通過(guò)熱板換進(jìn)行熱量交換增加循環(huán)水水溫來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用兩臺(tái)130KW的壓縮式冷水機(jī)組提供冷源，用于制冷；采用兩套熱板換進(jìn)行熱交換增加循環(huán)水水溫，用于制熱。這種冷熱源的配置方式達(dá)到了較好的節(jié)能效果?？照{(diào)末端采用的是新風(fēng)空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤(pán)管兩種類型，新風(fēng)機(jī)組主要用于保證室內(nèi)新鮮空氣的質(zhì)量，控制送風(fēng)溫濕度；風(fēng)機(jī)盤(pán)管通過(guò)熱交換為室內(nèi)提供冷量和熱量。

1.2控制系統(tǒng)的組成

目前，中央空調(diào)的控制方法主要有：繼電器控制、可編程邏輯控制（PLC控制）、直接數(shù)字控制器（DDC控制），更先進(jìn)的則是采用建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）對(duì)中央空調(diào)等建筑設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和系統(tǒng)集成。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗高等缺點(diǎn)已逐漸被淘汰。傳統(tǒng)的中央空調(diào)控制方法是采用DDC控制方式，將各個(gè)溫度、濕度檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)連接到多臺(tái)DDC上，進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)控。但是由于現(xiàn)代智能建筑樓層較多，多組中央空調(diào)設(shè)備位于不同樓層，溫濕度檢測(cè)點(diǎn)分布于各個(gè)房間，采用DDC方式進(jìn)行控制有著線路復(fù)雜、施工不便、資源浪費(fèi)、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性不高等缺點(diǎn)。PLC控制集成度低于DDC，可以自由編寫(xiě)，價(jià)格低，且運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)，使用與維護(hù)均很方便，這些優(yōu)點(diǎn)使其得到廣泛的應(yīng)用。

中央空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有一臺(tái)西門子的S7-200CPU226PLC作為主控制器；兩個(gè)EM223數(shù)字量輸入輸出模塊，分別為32DI/32DO和8DI/8DO；一個(gè)EM2318AI模擬量輸入模塊；一個(gè)EM2324AQ模擬量輸出模塊；一個(gè)EM321RTD熱電阻輸入模塊，提供兩路模擬量輸入；一個(gè)MP277觸摸屏最為上位機(jī)。上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并保存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)應(yīng)用及功能

2.1冷水機(jī)組的應(yīng)用及功能

冷水機(jī)組為整個(gè)系統(tǒng)提供冷源。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)冷水機(jī)組后，將循環(huán)水水溫降低。然后通過(guò)冷凍水泵、集水器供給空調(diào)末端。由于冷水機(jī)組的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，本文不介紹其內(nèi)部工作原理。為了滿足不同冷量的需求，在冷水機(jī)組較為成熟的基礎(chǔ)上，對(duì)冷水機(jī)組的投入數(shù)量以及冷量進(jìn)行精確群控，以達(dá)到控制房間溫度恒定，且處于功耗平衡的目的。相對(duì)于單冷水機(jī)組的中央空調(diào)系統(tǒng)，群控?fù)碛懈嗟睦淞咳哂嗪透?jié)能的運(yùn)行策略，可以滿足建筑群的不同時(shí)段對(duì)冷量的不同需求。

2.2控制系統(tǒng)的選型特點(diǎn)與功能

控制系統(tǒng)由S7-200系列PLC及HMI設(shè)備組成。在選型方面，由于西門子PLC的穩(wěn)定性較強(qiáng)，而對(duì)于中央空調(diào)群控來(lái)說(shuō)，無(wú)需大量冗余。所以可以選擇西門子S7-200系列PLC來(lái)?yè)?dān)當(dāng)控制部分。由西門子EM231模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度和流量進(jìn)行采集，以便于運(yùn)算出當(dāng)前系統(tǒng)冷量是否充足。通過(guò)調(diào)節(jié)冷凍水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)冷量的輸送能力。由于中央空調(diào)的冷水機(jī)組可以通過(guò)出水水溫和回水水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)自身工作負(fù)荷。所以此類控制由冷水機(jī)組自行處理，不在群控PLC中予以干涉。

當(dāng)樓群的冷量需求較大時(shí)，群控PLC通過(guò)壓差信號(hào)和流量計(jì)算當(dāng)前所需冷量，是否大于當(dāng)前冷水機(jī)組額定冷量的80%.如果大于，在對(duì)冷凍水出水溫度與回水溫度比較是否大于允許的設(shè)定數(shù)值（如冷凍水出水溫度是否大于7℃，回水溫度是否大于12℃），如果大于該數(shù)值，且當(dāng)前第一組冷水機(jī)組已經(jīng)工作在80%的額定狀態(tài)，則進(jìn)行加機(jī)操作，使另外一臺(tái)冷水機(jī)組投入運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果系統(tǒng)計(jì)算得出的冷量，小于冷水機(jī)組減1的80%額定冷量，且出水水溫和回水水溫都在設(shè)定值之下。則可以執(zhí)行減機(jī)操作。在系統(tǒng)中將一臺(tái)冷水機(jī)組停止。

綜上所述，控制系統(tǒng)的S7-200PLC主要的功能是對(duì)系統(tǒng)冷量進(jìn)行運(yùn)算，以達(dá)到加機(jī)運(yùn)行和減機(jī)運(yùn)行的目的。使用此類控制系統(tǒng)，結(jié)合多臺(tái)小功率冷水機(jī)組，組成的群控系統(tǒng)。使得樓群輸送冷量更容易滿足要求，且能一直保持在所需冷量與消耗冷量持平的方式運(yùn)行。提高了中央空調(diào)的舒適度，也防止了能源浪費(fèi)。

由于本文所述的系統(tǒng)控制部分均放在樓群的底層（-1層）。所以在選擇監(jiān)視和控制機(jī)構(gòu)時(shí)選擇使用更能適用于當(dāng)前環(huán)境的觸摸屏（MP277-10寸）作為主要設(shè)備。此款觸摸屏除擁有基本的控制和監(jiān)視功能外，還可以滿足系統(tǒng)報(bào)表和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的需求，且符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

冷凍水循環(huán)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中起到將冷量或者熱量傳輸?shù)墓δ?。使?臺(tái)37KW的變頻調(diào)速電機(jī)作為動(dòng)力源。在制冷過(guò)程中，冷凍水泵將從冷水機(jī)組中流出的冷凍水輸送到樓群末端進(jìn)行熱交換。在制熱過(guò)程中亦是如此。

不同的地方在于，本系統(tǒng)中的3臺(tái)冷凍水泵由一臺(tái)MM440變頻器驅(qū)動(dòng)。借用恒壓供水中的一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的方法。始終只有一臺(tái)泵處于變頻調(diào)速狀態(tài)，這樣可以有效的減少硬件成本。而對(duì)于泵的工頻與變頻切換部分，也由群控PLC來(lái)完成。

2.4冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

在冷水機(jī)組工作過(guò)程中，冷凍水回水水溫由于已經(jīng)在空調(diào)末端參與了熱量交換。在熱交換過(guò)程中，水溫升高。冷水機(jī)組在通過(guò)熱交換，對(duì)冷凍水水溫進(jìn)行降溫。在降溫過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，便是由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)來(lái)釋放。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)將冷水機(jī)組熱交換中產(chǎn)生的熱量帶入冷卻塔中。在由冷卻塔進(jìn)行釋放。本例中冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由2臺(tái)冷卻水循環(huán)泵，和2個(gè)冷卻塔組成。所有的電機(jī)均由冷水機(jī)組內(nèi)部程序單獨(dú)控制，在群控系統(tǒng)中不予以干涉。

2.5熱板換制熱部分

本系統(tǒng)采用熱板換內(nèi)供入市政蒸汽來(lái)加熱水溫的方法實(shí)現(xiàn)制熱。由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)來(lái)傳導(dǎo)熱量到樓群末端。由于后期國(guó)家對(duì)供熱蒸汽計(jì)量的不斷實(shí)施。所以在市政蒸汽供熱端使用流量計(jì)和可調(diào)節(jié)的比例閥來(lái)控制。對(duì)流量統(tǒng)計(jì)且可以調(diào)節(jié)流量大小。市政蒸汽的調(diào)節(jié)方式加上冷凍水泵在制熱循環(huán)系統(tǒng)中的變頻調(diào)節(jié)，達(dá)到防止能源浪費(fèi)的目的。而以上的控制部分也是由群控PLC來(lái)完成。

在制熱過(guò)程中，群控PLC通過(guò)回水溫度與出水溫度的差值來(lái)判斷泵的投入數(shù)量和市政端比例閥開(kāi)啟的程度。以上控制通過(guò)PID來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3系統(tǒng)功能必要性總結(jié)

在本系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程中，基于當(dāng)前中央空調(diào)行業(yè)冷水機(jī)組的技術(shù)不斷趨于成熟為起點(diǎn)，對(duì)樓群制冷和制熱方面進(jìn)行分配和能源管理優(yōu)化為目的，使用多臺(tái)小功率（相對(duì)于總制冷功率）冷水機(jī)組為系統(tǒng)分散式冷源，然后加以群控為手段，來(lái)達(dá)到冷量可調(diào)節(jié)范圍更寬，能量利用效率提高的目的。