基于PLC的樓宇中央空調(diào)節(jié)能控制方法研究

曹 暉，劉一鷗

（1.西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院陜西 西安710004；2.西安外事學(xué)院 陜西 西安710077）

基于PLC的樓宇中央空調(diào)節(jié)能控制方法研究

曹 暉1，劉一鷗2

（1.西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院陜西 西安710004；2.西安外事學(xué)院 陜西 西安710077）

針對現(xiàn)代化智能樓宇多采用樓宇智能控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制這一問題，本文采用西門子S7-226控制器控制技術(shù)和變頻技術(shù)相結(jié)合的方法對樓宇節(jié)能中的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，通過應(yīng)用表明：本文所進(jìn)行的基于PLC的樓宇中央空調(diào)節(jié)能控制方法可通過按需要調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達(dá)到現(xiàn)代樓宇的節(jié)能效果，樓宇節(jié)能提高了20%。

PLC；樓宇控制；節(jié)能；中央空調(diào)

現(xiàn)代化智能樓宇的應(yīng)用對象主要為大型建筑，分布有各種機(jī)電設(shè)備，不僅種類豐富而且位置也較為分散[1]。樓宇自控系統(tǒng)是基于先進(jìn)的樓宇自控裝置設(shè)計(jì)而成的，樓宇內(nèi)部的空調(diào)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、送排風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及電梯運(yùn)行狀態(tài)都是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的，能夠及時(shí)檢測。對于整個(gè)大樓而言，樓宇自控系統(tǒng)是維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本系統(tǒng)[2-3]。其不僅能夠?yàn)閱T工提供較為舒適的環(huán)境，而且對于降低能源等的消耗也有一定的促進(jìn)作用，同時(shí)也能夠降低管理等人力成本，不僅能夠使得設(shè)備運(yùn)行正常，且能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守以及經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性較高的效果。而PLC為目前流行的控制系統(tǒng)，其通過進(jìn)行相關(guān)控制程序的寫入進(jìn)而控制相關(guān)裝置的自動(dòng)運(yùn)行，相關(guān)文獻(xiàn)也有說報(bào)道，如：文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了基于ZigBee的樓宇自動(dòng)化安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和嵌入式技術(shù)的樓宇安防系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]介紹了一種將LonWorks和L-PLC技術(shù)應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)方案以及利用新型MiniEVK工具進(jìn)行開發(fā)的方法。文獻(xiàn)[6]則進(jìn)行了PLC、變頻器在中央空調(diào)冷卻水泵節(jié)能循環(huán)控制中的應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[7]通過PLC、變頻器等構(gòu)建了溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)，以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)中央空調(diào)冷卻泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)降低能耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。通過上述文獻(xiàn)可以確定：采用PLC技術(shù)進(jìn)行樓宇的自動(dòng)控制可以很好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，因此，文中采用采用西門子S7-226控制器控制技術(shù)和變頻技術(shù)對樓宇節(jié)能中的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，通過按需要調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達(dá)到現(xiàn)代樓宇的節(jié)能效果。

1 相關(guān)理論背景

1.1 樓宇自動(dòng)化控制理論

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)是基于建筑技術(shù)與高科技信息技術(shù)來完成的，不僅能夠促進(jìn)人們快速適應(yīng)目前社會(huì)信息化的發(fā)展速度，而且能夠促進(jìn)其盡快適應(yīng)全球經(jīng)濟(jì)國際化的發(fā)展模式。智能樓宇的研究逐漸成為了新興的交叉學(xué)科和產(chǎn)業(yè)，表現(xiàn)為：智能化、舒適化和節(jié)能化等符合新時(shí)代發(fā)展要求的系統(tǒng)。樓宇自動(dòng)控制內(nèi)容較多包括：制冷站系統(tǒng)監(jiān)控（或熱源）、熱交換系統(tǒng)監(jiān)控、新風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控、空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)測量、送排風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控、給排水系統(tǒng)監(jiān)控、消防系統(tǒng)監(jiān)視、變配電系統(tǒng)監(jiān)控、電梯系統(tǒng)監(jiān)控以及照明控制等[8-9]。

1.2 PLC工作原理

PLC（Programmable Logic Controller）中文全名為:可編程邏輯控制器，其主要用途是實(shí)現(xiàn)取代繼電器的邏輯控制。從本質(zhì)上講，可編程控制器為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，硬件結(jié)構(gòu)類似于一般微機(jī)控制系統(tǒng)，或者說是相同的系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鞯慕M成部分包含有CPU存儲(chǔ)器，輸入/輸出模塊、編程器和電源等[10-12]。近些年來，可編程序控制器獲得了快速發(fā)展，逐漸應(yīng)用于工業(yè)控制裝置中。其設(shè)計(jì)理念是基于成熟而有效的繼電器控制概念實(shí)現(xiàn)的，通過結(jié)合應(yīng)用目前的各種新技術(shù)，逐漸形成了更具特色的產(chǎn)品。

PLC的核心為微處理器，在其應(yīng)用中結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等，相較于傳統(tǒng)的繼電器，PLC具有如下特點(diǎn)：

1）通用性好，接線操作簡單，選配相應(yīng)的模塊，能夠應(yīng)用于各控制系統(tǒng)。

2）功能強(qiáng)大，能夠通過編程控制任意復(fù)雜應(yīng)用。不僅具備了邏輯控制功能，而且還能夠控制模擬量、順序、位置以及高速計(jì)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等。

3）可靠性穩(wěn)定性好，無機(jī)械觸點(diǎn)，能夠有效消除電弧損害，接觸不良，具有較長的使用壽命。

4）定時(shí)準(zhǔn)確，定時(shí)范圍寬。

5）體積小，耗電小。

6）編程和接線二者能夠同步操作，擴(kuò)展靈活，同時(shí)維修也非常方便。

文中采用西門子S7-226控制器控制技術(shù)和變頻技術(shù)對樓宇節(jié)能中中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，通過按需要調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達(dá)到現(xiàn)代樓宇的節(jié)能效果。

2 基于PLC的樓宇中央空調(diào)節(jié)能控制方案設(shè)計(jì)

2.1 中央空調(diào)工作原理介紹

在目前的許多大型建筑物中，中央空調(diào)系統(tǒng)是必不可少的配套設(shè)施，因此，電能的消耗量非常大，能夠占總電能消耗量的50%。中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是結(jié)合最大負(fù)載進(jìn)行的，而在實(shí)際的應(yīng)用中，滿負(fù)載下運(yùn)行的天數(shù)非常少，最多的也僅僅是十多天，最少的則僅為十多個(gè)小時(shí)，大多數(shù)的情況為負(fù)載的70%以下。中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能夠感應(yīng)季節(jié)氣溫變化并進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，而冷凍泵和冷卻泵等與冷凍主機(jī)相匹配的設(shè)備則不能調(diào)節(jié)，處于100%負(fù)載的運(yùn)行狀況，因此，造成了巨大的能量消耗，也降低運(yùn)行的環(huán)境和質(zhì)量。變頻技術(shù)不斷發(fā)展并逐漸成熟化，目前研究開發(fā)了結(jié)合變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器以及溫度模塊的溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，同時(shí)對水泵的輸出流量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制[13-14]。

針對上述問題，本文應(yīng)用PLC技術(shù)和變頻技術(shù)對樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，通過按需要調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達(dá)到現(xiàn)代樓宇的節(jié)能效果。文中樓宇中的中央空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程中會(huì)不斷進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換以及熱交換。其理想運(yùn)行狀態(tài)是：在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，冷凍水流通過冷凍泵的作用流向冷凍主機(jī)，并在蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)吸熱降溫的熱交換過程，之后被送到終端盤管風(fēng)機(jī)或空調(diào)風(fēng)機(jī)，再通過中央空調(diào)表冷器吸收空調(diào)室內(nèi)空氣熱量的吸收升溫，最后通過冷凍泵送到主機(jī)蒸發(fā)器，完成整個(gè)閉合循環(huán)過程[15-16]。在整個(gè)的循環(huán)過程中，冷凍水、冷卻水充當(dāng)著能量傳遞的角色，冷凍泵、冷卻泵為其傳遞提供能量并且在各自管道里進(jìn)行不斷循環(huán)，因此將能量通過冷凍機(jī)由冷卻塔排出。在圖1中，中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，冷凍泵、冷卻泵的裝機(jī)容量是按照最大負(fù)荷再增加10%～20%余量設(shè)定。據(jù)目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍水、冷卻水循環(huán)用電能夠占系統(tǒng)用電的12%～24%，而對于冷凍主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行的情況，則電量比率為30%～40%。因此，對于中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動(dòng)控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制是非常重要的。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于節(jié)能的中央空調(diào)主電路控制設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用情況以及綜合成本的考慮，盡可能的將原有電器設(shè)備加以利用，在本研究中，冷凍水泵及冷卻水泵的運(yùn)行方式均為兩用一備，備用泵與空調(diào)主機(jī)的轉(zhuǎn)換時(shí)間二者是一致的，具體為一個(gè)月轉(zhuǎn)換一次，并且切換頻率較低，因此，可以將冷凍水泵和冷卻水泵電機(jī)的主備轉(zhuǎn)換為原有電器設(shè)備。另外，每臺(tái)水泵的拖動(dòng)只能配備一臺(tái)變頻器，同時(shí)使用兩臺(tái)變頻器進(jìn)行拖動(dòng)會(huì)極易造成交流短路事故，而且在任何時(shí)間均需要滿足，避免出現(xiàn)變頻器符合過載情況。

2.3 基于PLC的冷凍、冷卻泵進(jìn)行變頻控制

對于冷凍泵的PLC控制：PLC控制器采用溫度模塊及溫度傳感器讀取冷凍機(jī)的回水溫度和出水溫度并保存于控制器中，并計(jì)算器溫度差；并依據(jù)計(jì)算獲得的回水與出水溫度差調(diào)節(jié)控制變頻器的轉(zhuǎn)速和出水量，從而控制熱交換的速度；若表現(xiàn)為溫差較大，則表示室內(nèi)溫度高，系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷大，此時(shí)應(yīng)該提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)冷凍水循環(huán)和流量速度的加快，提升熱交換的效率；相反的，則表示室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷小，通過降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)量的減少，從而有效節(jié)約電能。

對于冷卻泵的PLC控制：冷凍機(jī)組運(yùn)行過程中，冷卻水流經(jīng)冷卻塔進(jìn)行冷凝器的熱交換降溫，并通過冷卻泵送到冷凝器實(shí)現(xiàn)循環(huán)過程。若冷卻水進(jìn)水出水表現(xiàn)為溫差大，則表示冷凍機(jī)負(fù)荷大，冷卻水需要完成交換的熱量較大，因此，需要通過提升冷卻泵的轉(zhuǎn)速以及冷卻水的循環(huán)量來實(shí)現(xiàn)。反之，則表示冷凍機(jī)負(fù)荷小，應(yīng)該降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速以及循環(huán)量，從而有效節(jié)約電能。其中采用西門子S7-226控制器冷凍水出回水和冷卻水進(jìn)出水的溫度檢測及溫差計(jì)算程序如圖2所示。其中對溫度進(jìn)行檢測時(shí)，設(shè)定4個(gè)通道的采樣數(shù)為100次，之后進(jìn)行4個(gè)通道的溫度平均值計(jì)算，再后為分別對4個(gè)通道的溫度值進(jìn)行修正，最后完成冷卻水進(jìn)出水溫度和冷凍水出回水計(jì)算。

圖2 冷卻泵一次接線圖

結(jié)合上述計(jì)算獲得的冷凍水出回水溫差和冷卻水進(jìn)出水溫差，進(jìn)行冷凍泵和冷卻泵變頻器的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，根據(jù)GB/T18430.1等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定：若溫差表現(xiàn)為變小，則需要降低運(yùn)行頻率，且不能低于30 Hz，若溫差表現(xiàn)為變大，則需要提升運(yùn)行頻率，且不能超過50 Hz，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒溫差的監(jiān)測調(diào)控，使得變頻器的運(yùn)行節(jié)能性能最大。而本文對冷卻泵的手動(dòng)調(diào)速PLC程序如圖3所示。其中設(shè)定了冷卻泵頻率上升和冷卻泵頻率下降，和冷卻泵下限頻率和冷卻泵上限頻率的設(shè)定。

圖3 溫度檢測及溫差計(jì)算程序

其中X14表示冷卻泵手動(dòng)頻率上升，X15表示冷卻泵手動(dòng)頻率下降，每次頻率調(diào)整0.5 Hz，所有手動(dòng)頻率的上限50 Hz，下限30 Hz。

采用文中設(shè)計(jì)的中央空調(diào)自動(dòng)控制過程中對溫差采樣周期設(shè)定為5秒，當(dāng)計(jì)算溫差小于4.8℃時(shí)進(jìn)行變頻器運(yùn)行頻率下降，其中對每次調(diào)整設(shè)定成0.5 Hz；同時(shí)如果計(jì)算所得溫差大于5.2℃時(shí)，此時(shí)將變頻器運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)為上升，每次調(diào)整0.5 Hz；如果當(dāng)冷卻進(jìn)出水溫差在4.8～5.2℃時(shí)不調(diào)整變頻器的運(yùn)行頻率。從而保證冷卻泵進(jìn)出水的溫差恒定，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。文中對樓宇的中央空調(diào)進(jìn)行基于PLC的節(jié)能控制，可最大限度地為水泵爭取了變頻運(yùn)行的時(shí)間，把節(jié)能空間爭取到最大，文中利用變頻器、PLC組成的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能就要主要重要的意義，也為對現(xiàn)代樓宇的自動(dòng)控制和節(jié)能提供了有效的技術(shù)手段。

3 結(jié)束語

文中結(jié)合現(xiàn)代樓宇自動(dòng)化控制和節(jié)能需要，采用了PLC技術(shù)對某樓宇中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，通過有效結(jié)合變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器以及溫度模塊，構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量的溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而為實(shí)現(xiàn)節(jié)能利用提供有效的技術(shù)支持。為對現(xiàn)代樓宇的自動(dòng)控制和節(jié)能提供了有效的技術(shù)手段。

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Research on energy saving control of building central air conditioning system based on PLC technology

CAO Hui1，LIU Yi-ou2
（1.The Second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710004，China；2.Xi’an International University，Xi’an 710077，China）

Intelligent control system is applied for modern intelligent buildings frequently，which can reduce the consumption of energy.Due to this problem，this paper adopts SIEMENS PLC controller（S7-226）and frequency conversion technology for automatic control design of the central air conditioning system in building energy saving.The application indicates that the energy saving effect of modern buildings is achieved by adjusting the output flow of the pump based on PLC technology，the building energy efficiency is increased by 20%.

PLC；building control；energy saving；central air conditioning

TN-9

A

1674－6236（2016）24-0067-03

2015-12-06 稿件編號：201512061

2015年陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（15JK2113）；2015年陜西省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（15J37）；2016年西安市社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金項(xiàng)目（16IN13）

曹 暉（1978—），女，陜西西安人，助工。研究方向：通信與自動(dòng)控制。