基于PLC的中央空调水控制系统设计与实现

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摘 要：中央空调水控制系统是中央空调控制系统中的重要组成部分，其系统的设计关系到中央空调的能耗及运行效益。文章对中央空调水系统的组成进行了详细的介绍，并分析了基于PLC的中央空调水控制系统设计与实现，为类似系统的设计提供参考。

关键词：PLC；中央空调；水控制系统

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，人们的生活水平日益提高，对建筑的使用性能及舒适性也提出了更高的要求。中央空调系统作为现代建筑中的重要组成部分，能够有效提高建筑使用的舒适性，得到越来越广泛的应用。在中央空调系统中，中央空调水控制系统的设计直接关系到中央空调系统的整体能耗，对其设计展开分析和探讨十分必要。

1 中央空调水系统的组成

中央空调水系统主要由主机制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统等组成，如图1所示。其中主机制冷系统是中央空调系统的核心，由制冷机组、压缩机、蒸发器和冷凝器组成。

压缩机将液态制冷剂送蒸发器中与冷冻水进行热量交换，将冷冻水制冷；制冷剂在吸收热量后蒸发变为气态，气态制冷剂进入冷凝器和冷却水进行热量交换，最后热量被冷却水带走。

2 中央空调水控制系统设计

2.1 水控制系统架构

水控制系统架构如图2所示。

中央空调机房智能管理控制系统，全面采集影响中央空调系统运行的各种变量，传送至系统控制柜，系统控制柜依据模糊推理规则及系统经验数据，推算出系统该时刻所需要的冷量及系统的优化运行参数，并利用变频技术，自动控制水泵转速，以调节空调水系统的循环流量，保证中央空调主机处于最高转换效率，保证中央空调系统在各种负荷条件下，均处于最佳工作状态，从而实现综合优化节能

2.2 PLC硬件设计

可编程逻辑控制器（PLC）选用西门子S7-1500系列模块化的分布式控制系统，且同时支持Prifnet-PN、Profibus-DP 和MODBUS 协议现场总线协议。现场总线适配器采用隔离型。各种接口模块（包括可拆卸端子排、通讯模块、I/O 模块）可带电插拔。系统要求高度的可靠性，是免维护型的系统，支持使用CPU 显示面板就地诊断故障。CPU、I/O 模块、通讯模块、电源等在正常工况下平均无故障时间（MTBF）均不低于50 万小时。

2.3 监控软件设计

系统的软件设计从用户操作使用的方便出发，可采用WINCC、组态王等上位组态软件。用户在主界面上点击任意可控设备即可轻松进入该设备参数的详细显示/控制界面，查看各设备及器件的运行参数，同时还可在该界面进行设备的启停控制。人性化的设计，使得操作极为便利。

2.3.1 运行状态监控

（1）主机状态

主机运行、停止、故障状态；

主机冷冻水供、回水温度；

主机运行电压、电流、实时功率；

（2）冷冻（温）水泵、冷却泵、热回收泵状态

运行、停止、故障状态；

运行频率、电压、电流、实时功率

（3）冷却塔状态

运行、停止、故障状态；

运行频率、电压、电流、实时功率

（4）末端使用区域环境状态

区域温度、温度、CO2浓度值

最不利环路压力值

2.3.2系统控制模式

中央空调节能控制系统提供多种控制模式选择，可适用任何复杂控制环境，且具备自动/手动转换功能。

（1）主机控制模式

设备联锁启停控制、设备轮循运行控制、设备启停时间表控制、设备变频调速控制、设备无扰切换控制、设备故障切换控制；

（2）冷（温）水泵控制模式

温差控制、回水温度控制、压差控制；

（3）冷却泵控制模式

温差控制、出水温度控制；

（4）冷却塔控制模式

比例控制、散热温差温控制、湿球温差控制；

3 实现的功能

3.1 中央空调节能控制能耗计量功能

中央空调控制对系统的每台冷水主机、冷冻泵、冷却泵、热回收泵的设备进行分项计量，并提供能耗数据报表查询功能。如图3所示。

3.2 系统保护功能

中央空调控制系统提供完善的系统保护功能，保障系统的可靠安全运行。

冷却水出水高温保护；

冷却水进水低温保护；

冷冻水回水高温保护；

冷冻水高压差、低压差保护；

水泵故障自切换保护。

3.3 系统通讯管理功能

中央空调控制系统提供友好的人机通讯管理功能，可实时对系统的网络进行全局监视和管理。

3.4 系统泵组优选功能

中央空调控制系统通过群控技术提供泵组的优选功能，系统优先启动最佳节能泵组运行，从而使系统处于最佳节电模式运行。

3.5 系统群控功能

系统在群控控制模式时，无需用户任何操作，系统会根据负荷自动加减机组，在启停机组过程中会根据设备联锁关系，严格按照启停先后顺序启停主机、水泵、冷却塔、阀门等设备，保证各设备安全启停。用户也可通过上位画面联锁启动、停止按键启停设备，无需用户手动逐一按顺序控制相关的设备，有效减少了人工操作的繁琐程度和复杂程度，实现真正意义了一键启停设备。

3.5.1 设备轮循运行控制

系统将自动记录单台设备的累计运行时间，根据设备的累计运行状况来采取超前和滞后控制，尽量使冷水机组达到平均使用，便于用户进行统一的维护和保养。用户也可以通过调整设备的累计运行时间，人为干预设备启停优先级，特别是在新老设备共存的情况下，有必要调整设备的启停优先级。通过群控系统提供的设备轮询控制功能，有力的保证了各设备总运行时间保持平衡，从而确保整个系统设备处于良性的使用状态，有效提高设备的利用率

3.5.2 设备变频调速控制

实现通过群控系统对冷冻泵采用回水温度、温差、压力等多种策略的恒值控制，降低水泵运行速度，达到高效节能；

实现通过群控系统对冷却泵采用出水温度、温差、中点温度等多种策略的恒值控制，降低水泵运行速度，达到高效节能

3.6 系统水力平衡调节功能

中央空调控制系统采用基于冷量需求供应平衡的水力动态调节功能，实现空调管网系统的水力状态自动检测及调节，保证各管网需求水力平衡，同时有效降低输送环节能耗。

4 结语

综上所述，PLC具有编程简单、性价比高、可靠性高、维修方便等优点，在中央空调水控制系统设计中具有良好的应用价值，而组态王以其适应性强、开放性好、经济性好等优点，得到了广泛的应用。该基于PLC和组态王的中央空调水控制系统操作简单，经实际应用，满足中央空调水控制系统设计要求，可供类似系统设计参考。

参考文献：

[1]基于PLC的k公楼宇中央空调控制系统研究[J].魏立明，高伟阳.现代建筑电气.2016（12）

[2]基于PLC的中央空调节能控制系统研究[J].李静，程春.工业控制计算机.2014（03）