中央空调实训系统中PLC控制应用分析

空气调节的任务，就是通过特定的专用设备和技术手段，使建筑物内空气的温度、相对湿度、洁净度和气流速度达到舒适性和工艺性的要求。空气调节设备和调节方式多种多样，其中中央空调因其功能齐全、调节完善而广泛用于现代化的建筑中。近年来空气调节技术越来越受到重视，伴随设备的调节技术手段呈现多样性和复杂性，其涉及的相关学科和技术领域也越来越广，尤其是在控制手段方面，越趋智能化，这就给管理人员和维修人员提出了更高的要求。为了使学生在学校掌握更多的中央空调相关知识，特设计组装了中央空调实习模拟系统，用于制冷专业学生的实习教学。
一、中央空调实训模拟系统设计思路及其工作原理
1.制冷系统的设计思路
采用风机盘管加新风系统的组合形式，展示中央空调的各组成部分。系统设有制冷系统、冷却水系统、冷冻水系统和风系统。其中制冷系统要求有最基本的四大件，冷却水系统采用两管制，风系统用简单装置代替，采用全新风系统。
2.系统工作原理示意图（图1）

图1　模拟系统制冷原理图
（1）制冷系统：由压缩机、壳管式冷凝器、储液器、干燥过滤器、电磁阀、热力膨胀阀、壳管式蒸发器等组成。
压缩机用于压缩低温低压的制冷剂气体，提高其压力；冷凝器把高温高压的制冷剂气体冷却成为常温高压的液体，储存于储液器中；热力膨胀阀将高压的制冷剂液体节流降压，然
后进入蒸发器中进行蒸发吸热，获得冷冻水。当压缩机开机时，电磁阀通电打开，停机时，电磁阀失电关闭。
（2）冷却水系统：由冷却泵、冷却塔和壳管式冷凝器等组成。它的作用是把冷凝器放出的热量通过水散发到空气中。如果冷却水不够或没有冷却水，要求压缩机停止工作。
（3）冷冻水系统：由冷冻水水泵、壳管式蒸发器、两台风机盘管和一个模拟风系统组成。作用是把由蒸发器获得的冷量输送到空调房间。冷冻水泵启动前，电磁阀等管道阀门先打开。
（4）风系统：由模拟风系统代替，任务是把新风送入空调房间。
二、中央空调实训模拟系统控制设计思路及PLC核心控制
1.以PLC为核心的控制系统设计思路为了满足制冷实习的需要，此控制系统应达到下列几个要求。
（1）把PLC控制技术应用于系统的控制，区别于传统的继电器控制，使学生对PLC有初步的认识。
（2）以PLC控制器为核心，把中央空调的控制要求体现出来，重点表现在开机和停机时的顺序控制。如图2所示。

图2　顺序控制示意框图
（3）利用PLC，使设备有运行指示、停机指示、故障报警指示。
（4）利用PLC，对各个电动机有安全保护控制。
（5）能够在该系统中进行人为故障的设置。
（6）利用PLC，把温控器的温度信号进行处理，控制压缩机的切换。
为此，整个控制系统设计了两种运行模式，一是自动运行，即按下启动按钮后，电动机依次按一定的顺序启动并运行；按下停止按钮，各电动机依次按一定的顺序停机。二是单机运行，即每台电动机有独立的启动按钮和停止按钮，便于单机的检修及人为故障设置。两种模式的切换可以通过PLC来完成。控制主电路图如图3所示。

图3　中央空调实习模拟系统电拖主电路接线图
2.压缩机的高压保护
其目的是防止排气压力过高而发生事故。产生压力过高的原因可能是冷凝器断水或水量不足，或者启动时排气管路的阀门未打开，或者制冷剂灌注过多，或者因系统不凝性气体过多等。保护控制的方法是在压缩机排气阀侧引一导压管，接到压力控制器上。例如：当1#压缩机排气压力超过设定值时，控制器立即动作，由PLC控制器X10端子输入信号，通过逻辑判断驱动Y3线圈断开，控制外部负载交流接触器KM4断电，切断1#压缩机电源，同时通过Y15驱动报警信号，红灯HL14闪烁。
3.压缩机的低压保护
压缩机吸气压力低也是不允许的。如果吸气压力低于要求值时，一方面由于吸气压力过低，使冷冻水温度过低；另一方面因低压侧压力过低，空气容易渗入。其方法是在压缩机吸气侧引出一导压管，接到低压控制器上。例如：当1#压缩机吸气压力低于设定值时，控制器动作，由PLC控制器X10端子输入信号，通过逻辑判断驱动Y3线圈断开，控制外部负载交流接触器KM4断电，切断1#压缩机的电源，同时通过Y15驱动报警信号，红灯HL14闪烁。
4.冷冻水断水保护
冷却水系统中的水量不够时，将会引起压缩机排气温度升高，系统无法正常工作。保护控制方法是在冷却水回路上安装水流指示仪，当水量不够时，水流指示仪触点断开，由PLC控制器X34端子输入信号，通过逻辑判断，延时30秒后驱动Y3和Y4线圈断开，控制外部负载交流接触器KM4、KM5断电，切断压缩机的电源，同时通过Y15和Y16线圈驱动报警信号，红灯HL14、HL15闪烁。
5.冷冻水的温度控制
为了防止冷冻水温度过低而结冰，设有两个电子式温控器，分别控制1#压缩机和2#压缩机的开停。当冷冻水的温度降低至7℃时，2#压缩机停机；如果温度继续下降至5℃时，1#压缩机停机；而当温度回升至7℃时，1#压缩机开机；如果温度继续回升至9℃时，2#压缩机开机。
6.输入、输出分配图

图4　PLC的I/O连接示意图
本控制选用FX2N-64MR可编程控制器，根据控制要求，PLC可编程序控制器的I/O分配图如图4所示。图中设置启动按钮SB0、停止按钮SB1，工作模式用两位按钮开关控制，闭合时自动运行，断开时单机启停。
中央空调实习模拟系统给教学带来了很大的方便，一方面能够结合课本知识，加快学生对中央空调的理解；另一方面丰富了制冷实习的内涵，尤其是引入PLC控制技术，拓宽了专业知识面，提高了学生对控制技术的兴趣，收到了很好的教学效果。但是由于此模拟系统针对制冷教学，重在基础知识学习，很多辅助设备都没有安装，和现实生活中的中央空调还是存在一定的差别，所以会使学生对中央空调的理解过于简单化，因此还有许多地方值得改进。
另外，考虑到与新技术的结合，在有两台机组的情况下，可引入变频技术，一台用工频控制，一台用变频器控制，这样更能体现此模拟系统的教学价值。