基于PLC的楼宇中央空调节能控制方案
2017/2/6 16:00:26
本文中采用西门子S7-226控制器控制技术和变频技术对楼宇节能中中央空调系统进行自动控制，通过按需要调节水泵的输出流量达到现代楼宇的节能效果。
在目前的许多大型建筑物中，中央空调系统是必不可少的配套设施，因此，电能的消耗量非常大，能够占总电能消耗量的50%。中央空调系统的设计是结合最大负载进行的，而在实际的应用中，满负载下运行的天数非常少，最多的也仅仅是十多天，最少的则仅为十多个小时，大多数的情况为负载的70%以下。
可编程逻辑控制器，其主要用途是实现取代继电器的逻辑控制。从本质上讲，可编程控制器为工业控制计算机，硬件结构类似于一般微机控制系统，或者说是相同的系统。可编程序控制器的组成部分包含有CPU存储器，输入/输出模块、编程器和电源等。近些年来，可编程序控制器获得了快速发展，逐渐应用于工业控制装置中。其设计理念是基于成熟而有效的继电器控制概念实现的，通过结合应用目前的各种新技术，逐渐形成了更具特色的产品。
中央空调系统中冷冻主机的负荷能够感应季节气温变化并进行相应的自动调节，而冷冻泵和冷却泵等与冷冻主机相匹配的设备则不能调节，处于100%负载的运行状况，因此，造成了巨大的能量消耗，也降低运行的环境和质量。变频技术不断发展并逐渐成熟化，目前研究开发了结合变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器以及温度模块的温差闭环自动控制系统，能够有效实现节能效果，同时对水泵的输出流量实现自动调节控制。
针对上述问题，本文应用PLC技术和变频技术对楼宇中央空调系统进行自动控制，通过按需要调节水泵的输出流量达到现代楼宇的节能效果。文中楼宇中的中央空调系统如图1所示。
据目前的统计数据显示，传统的中央空调系统冷冻水、冷却水循环用电能够占系统用电的12%~24%，而对于冷冻主机低负荷运行的情况，则电量比率为30%~40%。因此，对于中央空调系统节能改造及自动控制目标的实现，进行冷冻水和冷却水循环系统的控制是非常重要的。
基于节能的中央空调主电路控制设计
结合实际的应用情况以及综合成本的考虑，尽可能的将原有电器设备加以利用，在本研究中，冷冻水泵及冷却水泵的运行方式均为两用一备，备用泵与空调主机的转换时间二者是一致的，具体为一个月转换一次，并且切换频率较低，因此，可以将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备转换为原有电器设备。
另外，每台水泵的拖动只能配备一台变频器，同时使用两台变频器进行拖动会极易造成交流短路事故，而且在任何时间均需要满足，避免出现变频器符合过载情况。
基于PLC的冷冻、冷却泵进行变频控制
对于冷冻泵的PLC控制：PLC控制器采用温度模块及温度传感器读取冷冻机的回水温度和出水温度并保存于控制器中，并计算器温度差；并依据计算获得的回水与出水温度差调节控制变频器的转速和出水量，从而控制热交换的速度；若表现为温差较大，则表示室内温度高，系统运行负荷大，此时应该提高冷冻泵的转速，实现冷冻水循环和流量速度的加快，提升热交换的效率；相反的，则表示室内温度低，系统运行负荷小，通过降低冷却泵的转速来实现冷却水循环量的减少，从而有效节约电能。对于冷却泵的PLC控制：冷冻机组运行过程中，冷却水流经冷却塔进行冷凝器的热交换降温，并通过冷却泵送到冷凝器实现循环过程。
若冷却水进水出水表现为温差大，则表示冷冻机负荷大，冷却水需要完成交换的热量较大，因此，需要通过提升冷却泵的转速以及冷却水的循环量来实现。反之，则表示冷冻机负荷小，应该降低冷却泵的转速以及循环量，从而有效节约电能。其中采用西门子S7-226控制器冷冻水出回水和冷却水进出水的温度检测及温差计算程序如图2所示。
其中对温度进行检测时，设定4个通道的采样数为100次，之后进行4个通道的温度平均值计算，再后为分别对4个通道的温度值进行修正，最后完成冷却水进出水温度和冷冻水出回水计算。
结合上述计算获得的冷冻水出回水温差和冷却水进出水温差，进行冷冻泵和冷却泵变频器的自动调节控制，根据GB/T18430.1等标准设定：若温差表现为变小，则需要降低运行频率，且不能低于30Hz，若温差表现为变大，则需要提升运行频率，且不能超过50Hz，进而实现恒温差的监测调控，使得变频器的运行节能性能最大。而本文对冷却泵的手动调速PLC程序如图3所示。其中设定了冷却泵频率上升和冷却泵频率下降，和冷却泵下限频率和冷却泵上限频率的设定。
其中X14表示冷却泵手动频率上升，X15表示冷却泵手动频率下降，每次频率调整0.5Hz，所有手动频率的上限50Hz，下限30Hz。
采用文中设计的中央空调自动控制过程中对温差采样周期设定为5秒，当计算温差小于4.8℃时进行变频器运行频率下降，其中对每次调整设定成0.5Hz；同时如果计算所得温差大于5.2℃时，此时将变频器运行频率调节为上升，每次调整0.5Hz；如果当冷却进出水温差在4.8～5.2℃时不调整变频器的运行频率。从而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。
文中对楼宇的中央空调进行基于PLC的节能控制，可最大限度地为水泵争取了变频运行的时间，把节能空间争取到最大，文中利用变频器、PLC组成的闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能就要主要重要的意义，也为对现代楼宇的自动控制和节能提供了有效的技术手段。