基于PLC的中央空调控制器的现状分析及发展展望.doc

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你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。

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命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中
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二〇一四年十一月

基于PLC的中央空调控制器的现状分析及发展展望
摘要：随着人们生活水平的不断提高，空调已经作为一种必备实用的家庭电器进入千家万户。中央空调更是凭借她优越的节能性深受大众喜欢，目前大型商场、医院、大型娱乐场所等地方中央空调随处可见，方便控制，价格低廉，性能优越会使它越来越普及。直至今日，可编程控制器PLC在我国飞速普及和发展，我们已经能把PLC与中央空调系统联系起来。本文就是主要介绍基于PLC的中央空调的现状分析及发展展望。

关键词：中央空调控制器 PLC 现状 发展

1.课题背景
随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，为了保证温度恒定，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，例如酒店、宾馆、办公大厦、商场、工厂厂房等场所。随着时间的推移，人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了。舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求，希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度。
统计数字显示，传统的中央空调控制系统耗电量极大，且存在巨大的能源浪
费。中央空调系统普遍存在着30％以上的无效能耗，有些中央空调系统的无效
能耗甚至可以高达50％以上。采用新技术降低系统能耗成为当务之急。因为能
源是发展国民经济的重要因素，我国近年来能源短缺的现实，节能减排才是重中
之重。建设节能型社会，促进经济可持续发展，是实现全面建设小康社会宏伟目
标，构建和谐社会的重要基础保障[1]。
在传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、
冷却塔风机系统、风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的，且留有充足
余量。不管在什么时间，负荷的多少，各电机都长期处在工频状态下全速运行，
虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节的功能，而在大多数
时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。有个例子可以很好的
说明这些，中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵，一年四季长期在固定的最大
流量下工作，但由于季节、昼夜和用户负荷的变化，在绝大部分时间内，空调的
实际热负载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比，一年中负载率在50％
以下的小时数约占全部运行时间的60%以上。一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～5℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1～3℃，即在低温差、大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失，严重浪费了水泵运行的输送能量。也就是说，中央空调系统存在着少30％以上的节能空间。这至少30%的节能空间来源于很多方面：
第一，负荷估算值偏大，系统消耗能量大大增加，现在的新型制冷主机可以
根据负载的变化自动加载、卸载，而水泵的流量却不能随制冷主机而调节，必然
存在很大的能量浪费；除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的，
系统并不能做出相应的调节，许多环节上都留有节能空间。
第二，空调主机选型容量加大，在冷负荷估算值加大后，空调主机制冷量也相应的加大。
第三，水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，冷冻水系统和冷却
水系统中消耗了水泵较大的输送能量。在传统的运行方式下，只要启动水泵，就
会在工频满负荷状态下运行。
第四，起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响。起动电流通常为额定值的5倍左右，电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触
点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击和停止时的
承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。
为此，如果能通过冷冻水供回水温度、压差，冷却水泵的流量等工艺参数进
行调整并对空调设备进行优化起停，使空调系统高效、节能运行，将产生非常明显的经济效果。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳
的方法就是采用变频器调速，采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免
了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高调节和控制的精度，
从而方便地实现恒温空调系统[2]。空调节能的目的是有效利用能源，以最小的能耗创造出一个适合人居住、工作的室内环境。空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗，提高能源利用率，对减少温室气体排放，减轻环境污染，实现人类社会的可持续发展。
在这种情况下，只有不断改进中央空调控制器才能提高能源利用率，也能提高中央空调系统的运行环境和运行质量。因此本文通过对基于PLC的中央空调控制器的特点的介绍及现状分析，探究了中央空调控制器的发展展望。
2. 基于PLC的中央空调控制器的特点
2.1 PLC控制系统的特点
（1） 可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中它必须能够在各种不同的工作环境中。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。
（2） 使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定而且在需要时可以随时更换。近年来，PLC的特殊模块增多这些满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活多变。
（3） 编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等。程序简洁，明了适合各类工程人员编程习惯，即使是没有计算机知识的人员也能统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。
2.2中央空调控制器
中央空调控制器是通过对整个空调系统新风、回风的温度、湿度、送风风机运行状态、初中效过滤段的压差等现场信号的采集、控制送风风机的变频调速、加湿器的加湿、新、回风阀门开度、冷热水阀的开度大小等来达到设定的空气状态，即使空气状态发生人为的变化[3]。
3. 基于PLC的中央空调控制器的发展回顾和现状分析
3.1在单室内机的房间空调器方面
变频技术、微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件。我国自90年代初开始研究空调器的智能控制，现已研制出多种形式的变频空调器或智能空调器，对推进我国空调业的进步作出了贡献。西安交大朱瑞琪于1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术。李家朋针对我国房间空调器普遍采用单相压缩机的现状，探索开发出两相变频器，并应用电子膨胀阀进行变流量控制，利用16位微机并引进模糊概念提高空调器的控制功能，为变频空调器国产化作出了大胆的探索。李家朋在空调器舒适性和节能运行的控制中，提出了用表征房间热负荷大小的“热容C”和表征房间漏热程度的
“热阻R”进行模糊辩识的方法。研究表明，用此方法研制的模糊控制空调器会按季节、气温、漏热情况等条件，自动地选择合适的工作模式，保证了空调环境的舒适度和制冷系统的节能要求。
3.2 在多室内机的房间空调器(一机多挂系统)方面
由于多室内机空调器的节能和舒适性控制，涉及到必须对系统中的工质循环
量和进入各室内机的工质流量加以严格精确地控制问题，它不仅与系统的控制有
关，同时也与系统的设计有着密切的关系。在这方面，目前国内主要是在研制一
拖二和一拖三空调器，根据其结构形式和运转特点可分为如下四种方式。
(1)一台定速压缩机对应一台室内机的多制冷系统。这种机型在控制上难度最小，但结构复杂、体积大、成本高，不能体现一机多挂系统的价格优势和节能优势。
(2)单台定速压缩机多台室内机间歇供冷(热)系统。由于制冷工质按时间交替
分配给各室内机，所以根本不能满足室内环境的舒适性要求。
(3)单台定速压缩机多台室内机同时供冷(热)系统。这种系统采用定速压缩机，降低了空调器成本，并能减少压缩机的启停次数，较好地实现房间的舒适性
控制。但并不能从本质上解决压缩机的起停损失和对电网的冲击，不能提高空调
器的能效比和季节性能比。
(4)单台变频压缩机多台室内机同时供冷(热)系统。通过采用电子膨胀阀调节
进入各室内机的工质流量，使之满足各室内的冷(热)负荷要求，改变压缩机的运
转频率调节制冷系统所需要的工质循环量，并采用软硬件相结合的方式调节室内
外风扇转速、四通阀、室内机的风向调节板等可控部件，实现室内环境的高舒适性和系统的节能控制。
随着智能建筑在中国的飞速发展，楼宇自动控制技术和装置也得到快速的发
展。对于楼宇自动控制而言，在确保建筑内舒适和安全的办公环境的同时，还要
实现高效节能目的。因此诞生了综合现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术和现代图形显示技术的集散型控制系统。集散型中央空调监控系统在我国的
智能建筑中得到广泛应用，其自动监视、测量、控制和管理功能是相当优越的，
自动化程度高，节约了大量的劳动力和运行费用[4]。20世纪90年代未至21世纪初，我国在中央空调系统的控制领域，同时推出两项节能技术和产品：中央空调变频调速控制节能系统和中央空调变流量控制节能系统。将这两项技术相结合，在集散型中央空调监控系统的基础上，增加PLC和变频技术，并且与智能控制方法相结合，将原有的定流量系统改为变流量控制系统，从而使中央空调的各泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化，就能够在保证负荷需求的前提下，实现中央空调系统的最大节能。
国内还有一些科研机构和企业的科研团体，也都开展了智能空调器的研制工
作，其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的研
究，其研究成果还未见公开发表。智能型空调器是一个综合技术的聚合体，开发
难度较大，现在的样机或产品在控制模式上、控制系统的稳定性和鲁棒性方面相
比国际先进技术还存在很大的差距，有待于进一步的研究和提高。
目前，中央空调控制方法有双位ON／OFF控制、PID控制、最优控制、模
糊控制等方法。以PID算法为核心的各种DDC控制系统是目前中央空调工程和设备较普遍的使用方法，这种控制方法在工况较稳定的情况下，可以得到较好的控制效果。
4. 基于PLC的中央空调控制器的发展展望
由国内PLC在中央空调中的应用研究开发情况及国外PLC的发展情况看，中央空调开发的重点是PLC。这就需要发展开放式PLC。PLC的市场全球化的后果是竞争空前剧烈，从而要求制造商具有较强的市场适应能力，因而市场对适合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。这一趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。这一系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，而且为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。PLC的发展对于中央空调向操作简单化，功能丰富，运行可靠等方面发展起决定作用。
5. 结语
随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，工艺性和舒适性中央空调的应用日趋增多，且要求越来越高，同时对中央空调的能耗低，效率高提出更高要求，这就要求对中央空调控制器作出更大改进。而PLC作为中央空调的主控制器，因此我们需要对基于PLC的中央空调控制器的发展历程和现状更加了解，再根据相关特点，探究未来中央空调控制器的发展趋势。
参考文献：
1 赵彬．中央空调变频节能的应用及展望．厦门大学学报：2000，20(1)：25~42
2 李怿峰，中央空调节能智能控制系统的研究与实现.华南理工大学硕士论文，2002：42~52
3 邱黎辉，中央空调控制器的研制与开发，上海交通大学硕士论文，2011:31~35
4陈鑫，模糊控制技术在空调监控系统中的应用，福州大学硕士论文，2004:50~56

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