基于PLC的中央空调系统节能及高效应用设计

随着我国经济的发展，城市中智能建筑大量增加，这些建筑大都采用中央空调提供舒适的办公或居住环境。但是中央空调能耗高的问题也在制约着中央空调的发展，因此节能、高效是中央空调系统的重要课题。下面以某写字楼的中央空调系统的设计为对象，介绍该系统在节能、高效应用方面的设计。

1系统组成

1.1中央空调系统的组成

中央空调系统主要由冷热源、冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔和空调末端等组成。与一般中央空调系统不同的地方是该系统的冷源是靠水冷机组提供的，热源是使用市政蒸汽通过热板换进行热量交换增加循环水水温来实现的。采用两台130KW的压缩式冷水机组提供冷源，用于制冷；采用两套热板换进行热交换增加循环水水温，用于制热。这种冷热源的配置方式达到了较好的节能效果。空调末端采用的是新风空调机组和风机盘管两种类型，新风机组主要用于保证室内新鲜空气的质量，控制送风温湿度；风机盘管通过热交换为室内提供冷量和热量。

1.2控制系统的组成

目前，中央空调的控制方法主要有：继电器控制、可编程逻辑控制（PLC控制）、直接数字控制器（DDC控制），更先进的则是采用建筑设备自动化系统（BAS）对中央空调等建筑设备进行监控和系统集成。继电器控制系统由于故障率高、系统复杂、功耗高等缺点已逐渐被淘汰。传统的中央空调控制方法是采用DDC控制方式，将各个温度、湿度检测点和控制点连接到多台DDC上，进行多点监控。但是由于现代智能建筑楼层较多，多组中央空调设备位于不同楼层，温湿度检测点分布于各个房间，采用DDC方式进行控制有着线路复杂、施工不便、资源浪费、系统的实时性和可靠性不高等缺点。PLC控制集成度低于DDC，可以自由编写，价格低，且运行可靠，抗干扰能力强，使用与维护均很方便，这些优点使其得到广泛的应用。

中央空调系统的现场设备有一台西门子的S7-200CPU226PLC作为主控制器；两个EM223数字量输入输出模块，分别为32DI/32DO和8DI/8DO；一个EM2318AI模拟量输入模块；一个EM2324AQ模拟量输出模块；一个EM321RTD热电阻输入模块，提供两路模拟量输入；一个MP277触摸屏最为上位机。上位机负责对整个系统的运行情况进行监测和控制，对各参数进行实时记录，并保存入实时数据库，系统的结构如图1所示：

图1中央空调系统结构图

2系统应用及功能

2.1冷水机组的应用及功能

冷水机组为整个系统提供冷源。冷冻水循环系统通过冷水机组后，将循环水水温降低。然后通过冷冻水泵、集水器供给空调末端。由于冷水机组的发展已经趋于成熟，本文不介绍其内部工作原理。为了满足不同冷量的需求，在冷水机组较为成熟的基础上，对冷水机组的投入数量以及冷量进行精确群控，以达到控制房间温度恒定，且处于功耗平衡的目的。相对于单冷水机组的中央空调系统，群控拥有更多的冷量冗余和更节能的运行策略，可以满足建筑群的不同时段对冷量的不同需求。

2.2控制系统的选型特点与功能

控制系统由S7-200系列PLC及HMI设备组成。在选型方面，由于西门子PLC的稳定性较强，而对于中央空调群控来说，无需大量冗余。所以可以选择西门子S7-200系列PLC来担当控制部分。由西门子EM231模块对现场温度和流量进行采集，以便于运算出当前系统冷量是否充足。通过调节冷冻水泵的转速来调节冷量的输送能力。由于中央空调的冷水机组可以通过出水水温和回水水温自动调节自身工作负荷。所以此类控制由冷水机组自行处理，不在群控PLC中予以干涉。

当楼群的冷量需求较大时，群控PLC通过压差信号和流量计算当前所需冷量，是否大于当前冷水机组额定冷量的80%.如果大于，在对冷冻水出水温度与回水温度比较是否大于允许的设定数值（如冷冻水出水温度是否大于7℃，回水温度是否大于12℃），如果大于该数值，且当前第一组冷水机组已经工作在80%的额定状态，则进行加机操作，使另外一台冷水机组投入运行。在系统运行过程中，如果系统计算得出的冷量，小于冷水机组减1的80%额定冷量，且出水水温和回水水温都在设定值之下。则可以执行减机操作。在系统中将一台冷水机组停止。

综上所述，控制系统的S7-200PLC主要的功能是对系统冷量进行运算，以达到加机运行和减机运行的目的。使用此类控制系统，结合多台小功率冷水机组，组成的群控系统。使得楼群输送冷量更容易满足要求，且能一直保持在所需冷量与消耗冷量持平的方式运行。提高了中央空调的舒适度，也防止了能源浪费。

由于本文所述的系统控制部分均放在楼群的底层（-1层）。所以在选择监视和控制机构时选择使用更能适用于当前环境的触摸屏（MP277-10寸）作为主要设备。此款触摸屏除拥有基本的控制和监视功能外，还可以满足系统报表和数据统计的需求，且符合工业标准。

2.3冷冻水循环系统

冷冻水循环系统在整个系统中起到将冷量或者热量传输的功能。使用3台37KW的变频调速电机作为动力源。在制冷过程中，冷冻水泵将从冷水机组中流出的冷冻水输送到楼群末端进行热交换。在制热过程中亦是如此。

不同的地方在于，本系统中的3台冷冻水泵由一台MM440变频器驱动。借用恒压供水中的一台变频驱动多台电机的方法。始终只有一台泵处于变频调速状态，这样可以有效的减少硬件成本。而对于泵的工频与变频切换部分，也由群控PLC来完成。

2.4冷却水循环系统

在冷水机组工作过程中，冷冻水回水水温由于已经在空调末端参与了热量交换。在热交换过程中，水温升高。冷水机组在通过热交换，对冷冻水水温进行降温。在降温过程中产生的热量，便是由冷却水循环系统来释放。冷却水循环系统将冷水机组热交换中产生的热量带入冷却塔中。在由冷却塔进行释放。本例中冷却水循环系统由2台冷却水循环泵，和2个冷却塔组成。所有的电机均由冷水机组内部程序单独控制，在群控系统中不予以干涉。

2.5热板换制热部分

本系统采用热板换内供入市政蒸汽来加热水温的方法实现制热。由冷冻水循环系统来传导热量到楼群末端。由于后期国家对供热蒸汽计量的不断实施。所以在市政蒸汽供热端使用流量计和可调节的比例阀来控制。对流量统计且可以调节流量大小。市政蒸汽的调节方式加上冷冻水泵在制热循环系统中的变频调节，达到防止能源浪费的目的。而以上的控制部分也是由群控PLC来完成。

在制热过程中，群控PLC通过回水温度与出水温度的差值来判断泵的投入数量和市政端比例阀开启的程度。以上控制通过PID来实现。

3系统功能必要性总结

在本系统的实施过程中，基于当前中央空调行业冷水机组的技术不断趋于成熟为起点，对楼群制冷和制热方面进行分配和能源管理优化为目的，使用多台小功率（相对于总制冷功率）冷水机组为系统分散式冷源，然后加以群控为手段，来达到冷量可调节范围更宽，能量利用效率提高的目的。