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PLC控制器在中央空调上的应用设计

供稿:ABB(中国)有限公司低压产品业务部 2015/12/12 11:56:00

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摘要: 可编程控制器由于其在工业控制方面的应用意义日趋明显,它具有编译简单、功能强大、使用可靠、维修简单等许多优点,并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。与此同时,智能化中央空调也正被广泛地应用,在将其俩双双结合的情况下,不仅促进了科技的发展,也提高了人民生活水平。
关键词: PLC 控制系统 智能化 编程 控制器
1 概述
1.1 引言   
随着我国经济的不断发展,社会高度信息化,新的高科技技术不断应用到各个方面中,使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动化系统开始。本文主要根据个人工作经验就一台水冷螺杆机组来阐述PLC控制设计与智能化中央空调系统的关系。
1.2 PLC原理及应用
中央空调冷冻系统的控制有3种控制方式:早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。继电器控制系统由于故障率高,系统复杂,功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰,直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反,PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便,抗干扰能力强,适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。
可编程控制器是计算机家族中的一员。于上个世纪中后叶被发明后,在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用,早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller), 即简称为PLC。
PLC具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。对于传统的继电器电路来说,它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制,而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐,难以实现升级,并易发故障,维修复杂,现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。随着科学技术不断的飞跃发展,PLC也不断得到完善和强大,同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围,如联网通信功能和自诊断功能等。因此今天这种装置被我们称作可编程控制器,不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。   
2 PLC的体系结构
PLC结构图
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机,其硬件结构和微机是基本一致的。如图2.1.1所示:

图2.1.1
图2.1.1 PLC硬件的基本结构


PLC主要是模块式的,包含CPU模块、I/O模块等,PLC一端接传感器,另一端接执行器,从传感器得到的数据经PLC读、运算等处理下达给执行器,执行器动作。PLC相当于继电器的作用,其好处是可靠性高,自动化程度高、可进行网络化等。
3 PLC控制系统主要功能与特点
3.1 PLC控制系统功能说明

在中央空调系统上PLC系统有如下功能:
◆ 数据显示功能
显示机组的运行参数,包括冷水出口温度、冷水入口温度、冷却水出口温度、冷却水入口温度、蒸汽压力、蒸汽阀门开度,以及溶液泵、冷剂泵等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息。 历史数据的存储及检索功能 对重要的数据进行在线存储,数据的存储时间最长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据。
◆ 控制功能
根据设定的参数,并考虑经验运行数据,PLC应用反馈数据 (如室内温度等)进行PID调节,以保证运行参数满足系统要求。控制系统有三种运行方式:就地手动、软手动和自动。就地手动就是通过就地手动操作设备对机组进行控制,软手动是通过PLC对机组进行手动控制,自动则是根据编好的控制程序自动控制相关设备的启、停及调节量。采用程序控制方式,杜绝冷剂污染,有效便捷地实现冷水、冷却水的变频控制。通过有效合理地开、停控制,达到启动速度快、停机时间短的目的,即能节省能耗,还能避免结晶,从而提高中央空调系统的安全性和经济性。
◆ 连锁与保护功能
各机组相关设备的启、停具有一定的连锁关系和时间顺序,该功能由PLC的连锁程序完成。同时,为保证机组的可靠运行,对相关参数采取了一定的保护措施,如冷水、冷却水与机组的连锁控制、冷却水系统与冷却塔的连锁控制等。
3.2 系统特点
◆ 灵活性
本控制系统选用可利用公司的小型一体化PLC代替传统空调主机控制系统中的单片机,较大程度地提高了系统配置及控制的灵活性,能更好地满足不同用户的不同需求。同时,明显缩短了程序开发周期。
◆ 高可靠性
PLC控制核心能够在恶劣的环境中长期可靠、无故障运行,并且易接线、易维护、隔离性好、抗腐蚀能力强,能适应较宽的温度变化范围,平均无故障时间间隔(MTBF)大于15年。
◆ 强大的功能
现代的PLC的编程语言遵从易学、易懂、易用的标准。除了具备传统PLC助记符和梯形图编程功能外,还具有结构化语言和顺序功能图编程功能。PLC提供各种功能模块,包括各种通讯功能选择、通讯参数设置,以及可以具体到某年、某月、某日、某个时刻的多种定时器和超长定时器等,方便了各种功能的实现,有利于缩短开发周期和节省程序容量。
4 控制方法
4.1
对于冷冻水系统,其出水温度取决于蒸发器的设定值,而回水温度取决于蒸发器接收的热量,中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为:5℃(比如:出水7℃,回水12℃),现采用在蒸发器出水管和回水管上装有检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统,通过冷冻水温差(如:△T=5℃)控制,即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。

4.2
对于冷冻水系统,由于低温冷冻水的温度取决于冷却塔的工作情况,我们只需控制高温冷冻水( 冷凝器出水)的温度,即可控制温差。现采用温差变送器、 PID 调节器和变频器组成闭环控制系统,冷凝器出水的温度控制在 T2 ( 如: 37℃),使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。

5 系统的设计和应用总结
由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中,许多设计还处于探讨之中,众多功能还未付诸实施。
现在本文就系统改造实现情况作简单介绍:本文的系统调试应分为两步,设备电气控制系统调试和中心网络系统调试。我们就已完成的设备电气控制系统设计、调试及使用情况作一下说明:针对实验室的要求:要求电气系统运行稳定,感温精确度高,维护方便寿命长,并能联网进行管理。除此之外在实际使用中由于压缩机的启动方式采用星三角方式启动,属于硬启动,这种启动方式对接触器的质量要求比较严格,特别是对接触器的灭弧处理等要求很严格。通过我的使用经验,在这些方面ABB做的很好,而且ABB的接触器在更换时比较方便,它的顶盖可以拆卸,更换时不需要拆下接触器底座,直接卸下顶盖更换线圈即可。
当然此系统设计达到了使用要求,它不仅具备基本逻辑控制功能,还具有联网通信功能和管理功能等。另外相对与老的控制系统,它工作稳定、故障率低,并能进行系统自动报警,操作及维护十分简便,维修综合成本(待机时间等)大大降低。
6 结束语   
在智能化中央空调冷冻系统中,采用PLC控制系统是切实可行的,中央空调冷冻系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠,便于维护,且性能价格比高。 同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调主机的控制及两台主机之间的协调控制,具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。

审核编辑(王静)
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