基于PLC的楼宇中央空调节能控制方法研究

曹 晖，刘一鸥

（1.西安交通大学第二附属医院陕西 西安710004；2.西安外事学院 陕西 西安710077）

基于PLC的楼宇中央空调节能控制方法研究

曹 晖1，刘一鸥2

（1.西安交通大学第二附属医院陕西 西安710004；2.西安外事学院 陕西 西安710077）

针对现代化智能楼宇多采用楼宇智能控制系统进行节能控制这一问题，本文采用西门子S7-226控制器控制技术和变频技术相结合的方法对楼宇节能中的中央空调系统进行自动控制设计，通过应用表明：本文所进行的基于PLC的楼宇中央空调节能控制方法可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，楼宇节能提高了20%。

PLC；楼宇控制；节能；中央空调

现代化智能楼宇的应用对象主要为大型建筑，分布有各种机电设备，不仅种类丰富而且位置也较为分散[1]。楼宇自控系统是基于先进的楼宇自控装置设计而成的，楼宇内部的空调系统、变配电系统、给排水系统、送排风系统、照明系统以及电梯运行状态都是通过计算机系统控制的，能够及时检测。对于整个大楼而言，楼宇自控系统是维持其正常运转的基本系统[2-3]。其不仅能够为员工提供较为舒适的环境，而且对于降低能源等的消耗也有一定的促进作用，同时也能够降低管理等人力成本，不仅能够使得设备运行正常，且能够实现无人值守以及经济性和节能性较高的效果。而PLC为目前流行的控制系统，其通过进行相关控制程序的写入进而控制相关装置的自动运行，相关文献也有说报道，如：文献[4]进行了基于ZigBee的楼宇自动化安防系统设计，其设计了一种基于ZigBee和嵌入式技术的楼宇安防系统。文献[5]介绍了一种将LonWorks和L-PLC技术应用于楼宇自动化系统的技术方案以及利用新型MiniEVK工具进行开发的方法。文献[6]则进行了PLC、变频器在中央空调冷却水泵节能循环控制中的应用研究。文献[7]通过PLC、变频器等构建了温差闭环控制系统，以达到自动调节中央空调冷却泵的输出流量，实现降低能耗，提高系统稳定性的目的。通过上述文献可以确定：采用PLC技术进行楼宇的自动控制可以很好的实现节能效果，因此，文中采用采用西门子S7-226控制器控制技术和变频技术对楼宇节能中的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。

1 相关理论背景

1.1 楼宇自动化控制理论

楼宇自动化系统的开发实现是基于建筑技术与高科技信息技术来完成的，不仅能够促进人们快速适应目前社会信息化的发展速度，而且能够促进其尽快适应全球经济国际化的发展模式。智能楼宇的研究逐渐成为了新兴的交叉学科和产业，表现为：智能化、舒适化和节能化等符合新时代发展要求的系统。楼宇自动控制内容较多包括：制冷站系统监控（或热源）、热交换系统监控、新风系统监控、空调系统监控、环境参数测量、送排风系统监控、给排水系统监控、消防系统监视、变配电系统监控、电梯系统监控以及照明控制等[8-9]。

1.2 PLC工作原理

PLC（Programmable Logic Controller）中文全名为: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[10-12]。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。

PLC的核心为微处理器，在其应用中结合了计算机技术、半导体存储技术以及自动控制技术等，相较于传统的继电器，PLC具有如下特点：

1）通用性好，接线操作简单，选配相应的模块，能够应用于各控制系统。

2）功能强大，能够通过编程控制任意复杂应用。不仅具备了逻辑控制功能，而且还能够控制模拟量、顺序、位置以及高速计数和网络通信等。

3）可靠性稳定性好，无机械触点，能够有效消除电弧损害，接触不良，具有较长的使用寿命。

4）定时准确，定时范围宽。

5）体积小，耗电小。

6）编程和接线二者能够同步操作，扩展灵活，同时维修也非常方便。

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。

2 基于PLC的楼宇中央空调节能控制方案设计

2.1 中央空调工作原理介绍

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。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[13-14]。

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。中央空调系统的工作过程中会不断进行能量的转换以及热交换。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中，冷冻水流通过冷冻泵的作用流向冷冻主机，并在蒸发器实现吸热降温的热交换过程，之后被送到终端盘管风机或空调风机，再通过中央空调表冷器吸收空调室内空气热量的吸收升温，最后通过冷冻泵送到主机蒸发器，完成整个闭合循环过程[15-16]。在整个的循环过程中，冷冻水、冷却水充当着能量传递的角色，冷冻泵、冷却泵为其传递提供能量并且在各自管道里进行不断循环，因此将能量通过冷冻机由冷却塔排出。在图1中，中央空调系统的设计过程中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是按照最大负荷再增加10%～20%余量设定。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。

图1 中央空调系统结构图

2.2 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。

2.3 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。

图2 冷却泵一次接线图

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30 Hz，若温差表现为变大，则需要提升运行频率，且不能超过50 Hz，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。

图3 温度检测及温差计算程序

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0.5 Hz，所有手动频率的上限50 Hz，下限30 Hz。

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0.5 Hz；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0.5 Hz；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。

3 结束语

文中结合现代楼宇自动化控制和节能需要，采用了PLC技术对某楼宇中央空调系统进行自动控制，通过有效结合变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器以及温度模块，构建能够实现自动调节水泵的输出流量的温差闭环自动控制系统，从而为实现节能利用提供有效的技术支持。为对现代楼宇的自动控制和节能提供了有效的技术手段。

[1]刘孝生.自动控制系统在智能楼宇中应用研究[J].山东工业技术，2014（21）:146.

[2]赵贞丽，王硕.关于智能楼宇电气自动化发展模块的分析[J].科技创新与应用，2014（9）:245.

[3]孙杰，刘译泽，金楠.浅析智能化技术在建筑中的节能效益[J].现代建筑电气，2013（11）:55-59.

[4]宋岐国，吕希胜，苗淼.基于ZigBee的楼宇自动化安防系统设计[J].机电产品开发与创新，2013（1）:142-144.

[5]王振朝，马金龙，薛文玲，等.基于LonWorks和L-PLC的楼宇自动化系统设计[J].低压电器，2009（6）:22-26.

[6]吕艳.PLC、变频器在中央空调冷却水泵节能循环控制中的应用[J].自动化技术与应用，2010（8）:122-124.

[7]陈力，雷汝海，吕亭亭，等.基于PLC与WinCC在中央空调系统中的应用[J].仪表技术，2011（7）:48-50.

[8]倪燕欣.基于楼宇自动化系统设备节能管理的研究[J].智能建筑电气技术，2013（6）:48-51.

[9]邢炜.自动化控制技术在智能建筑中的应用分析[J].自动化与仪器仪表，2015（4）:3-5.

[10]刘静雅.西门子PLC技术特性分析与应用[J].中国新技术新产品，2014（2）:14.

[11]刘晋玮.PLC在工业自动化控制中的应用研究[J].中小企业管理与科技，2015（9）:239-240.

[12]王亮，李虹.PLC对机械手的定位控制[J].机械工程与自动化，2012（4）:135-137.

[13]翟力，黄文美，宋桂英.智能楼宇中央空调节能控制研究[J].电气应用，2011（18）:32-34.

[14]雷秋增.浅谈智能楼宇中央空调系统节能管理与维护[J].中国城市经济，2010（9）:134-135.

[15]于东霞.PLC、变频器在中央空调节能工程中的应用[J].内江科技，2013（2）:126-127.

[16]魏立明，李晨.基于PLC的办公楼宇中央空调控制系统仿真设计[J].电气应用，2013（12）:34-36.

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 稿件编号：201512061

2015年陕西省教育厅科学研究项目（15JK2113）；2015年陕西省高等教育教学改革研究项目（15J37）；2016年西安市社会科学规划基金项目（16IN13）

曹 晖（1978—），女，陕西西安人，助工。研究方向：通信与自动控制。