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关于制冷空调设备电气与控制的研究
发表时间:2019-04-15 9:46:56

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1、引言


通过电气控制手段,制冷空调设备的安全运转以及运行过程中的节能性与经济性提升均可获得有力支持,但笔者在实际调研中发现,电气控制手段落后的情况仍广泛存在于我国制冷空调设备电气控制领域,为了尽可能提升制冷空调设备电气控制水平,本文围绕该课题开展具体研究。


2、制冷空调设备控制方式


2.1 机械控制

作为较为传统的制冷空调设备控制方式,机械控制主要以开关、接触器作为控制元件,电动机则为控制提供动力,相应的控制工作也需要通过人为的方式完成。在应用机械控制的制冷空调设备控制中,人工感应温度属于控制的关键,但随着经济与社会的快速发展,机械控制已无法满足制冷空调设备控制需要,控制能力较差、易引发安全事故属于该控制方式存在的不足,这些都使得机械控制方式逐渐被淘汰[1]。


2。2 电子元件控制

电子元件控制属于现阶段较为常见的制冷空调设备电气控制方式之一,该控制方式的应用需得到集成电路中硬件的支持,接触器、继电器器件的控制以此即可实现。在制冷空调设备的电子元件控制中,该控制可基于实际情况自动设置精准温度,并能够在温度值出现变化时自动采取相应制动措施,这些都使得电子元件控制具备较高的安全性和稳定性。


2.3 智能控制

随着计算机技术的快速发展。基于微电脑、控制系统的智能化控制方式广泛应用于我国各领域,该控制方式也属于制冷空调设备的主流控制方式。在智能控制支持下,电气器件信息处理和控制功能可合理融入机械装置中,信息、电子、机械等各项技术的合理应用自然能够实现制冷空调设备的最优化控制。智能控制属于自动化程度较高的控制方式,其具备的自动调节、自动控制、自动补偿功能可保证制冷空调设备始终处于最佳运行状态,其性能也能够由此实现长足提升,由此可见智能控制的应用价值[2]。


3、基于能效优化的制冷空调设备电气控制


3.1 结构与原理分析

为提升研究的实践价值,本文选择某高层建筑的中央空调制冷系统作为研究对象,该系统由制冷主机、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、末端风机盘管系统、电气控制系统组成。结合相关研究不难发现,变水量控制系统、可变冷媒控制系统、变风量控制系统、冷冻水变流量控制系统、冷却水变流量节能控制系统均属于较为常见的中央空调制冷系统节能控制方式,本文研究则基于中央空调制冷系统的传统节能指标、能效指标、水系统能效影响因子,提出了基于能效优化的电气控制设计。


3.2 硬件设计

3.2.1 整体设计

在中央空调冷冻机房设置控制系统,主控柜配置机架式SC501PLC,冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵各配置一台SC20PLC,冷机通讯卡负责主机与主站PLC通讯,从站的PLC运行状态直接由主站PLC控制,从站PLC则负责辅助设备的控制,如通过控制继电器实现风机、水泵启、停及变频运行,图1为基于能效优化的制冷空调设备电气控制结构图。结合图1,即可开展主控柜结构及配电图、SC501PLC模块、SC20PLC模块、电动蝶阀、变频器的硬件设计。

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图1 基于能效优化的制冷空调设备电气控制结构图

3。2。2 PLC 设计

SC501PLC模块、SC20PLC模块的设计如下:

(1)SC501模块设计。该模块采用24V直流供电,并与冷却泵进水压力传感器、冷却泵出水压力传感器接线连接,冷冻水总管流量、冷冻水供水总管压力、冷冻水回水总管压力、冷冻水供水总管温度、冷冻水回水总管温度、冷却水进水总管温度、冷却水出水总管温度、室外温度均能够接入SC501模块。


(2)SC20PLC模块设计。整个中央空调制冷系统的冷却塔风机、冷却水泵、冷冻水平均SC20型号的PLC作为控制器,在接收主站指令、现场设备状态反馈支持下,SC20PLC可开展变频器频率控制,中央空调制冷系统的节能将由此实现。其中,SC20PLC模块需连接控制电源、断路器、控制器电源、频率表电源、变频信号回路,并由此开展紧急旁路控制、接触器控制、系统故障指示[3]。


3。2。3 主控柜结构设计

主控柜属于基于能效优化的制冷空调设备电气控制核心之一,采用了长800mm、宽600mm、高1000mm的立式柜子作为主控柜,柜体分上中下三部分,柜子顶部中央开孔用于安装散热风扇,其中上部、中部、下部分别用于安装开关电源和断路器、主控PLC、接线端子。


3.2.4 电动蝶阀与变频器控制设计

具体设计如下:

(1)电动蝶阀控制设计。电动蝶阀存在就地控制与远程控制两种控制模式,在基于能效优化的制冷空调设备电气控制系统维护或升级时,可应用就地控制进行电动蝶阀控制,远程控制则用于一般情况下的控制。

(2)变频器控制设计。该环节控制需重点关注变频器电源进线和电机动力线,以此避免二者接反,否则将导致变频器的烧毁,其中71、72管脚分别用于0~10V输出、4~20mA输出,485+与485-则用于作为变频器的通讯接口并需要采用带屏蔽线的通讯线。


3.3 软件设计

3.3.1 整体设计

基于能效优化的制冷空调设备电气控制系统硬件设计,即可开展系统的软件设计,由于制冷站主控制柜为中央调度中心,因此其需要负责现场采集的流量、压力、温度等数据分析,并以此进行设备运行状态、系统负荷状态的分析与计算,通过统一分配冷却塔控制柜、冷却泵控制柜、冷冻泵控制柜功能,即可保证基于能效优化的制冷空调设备电气控制系统安全、有序运行,冷却水总管流量、冷冻水总管流量、冷却水总管压力、冷冻水总管压力、冷却塔风机瞬时电功率、冷却泵瞬时电功率、冷冻泵瞬时电功率、冷水机组瞬时电功率、室外环境温湿度、冷冻水供回水总管温差、冷却水供回水总管温差属于用于分析和计算的主要数据。


3.3.2 系统设备联锁控制设计

为了保证基于能效优化的制冷空调设备电气控制系统在开始、停止运行时均可按照严格遵循特定顺序,必须开展系统设备联锁控制设计,其中系统设备的启动顺序可概括为:“开始→开启电动蝶阀→冷却塔蝶阀开到位→开启冷却塔→冷却泵蝶阀开到位→开启冷却泵→冷冻泵蝶阀开到位→开启冷冻泵→水泵延时完成→开启冷机→结束”,而系统设备的停止顺序则可以概括为:“开始→关闭冷机→冷机关闭完毕→水泵稀释运行→关闭冷却塔→冷却水泵稀释完毕→关闭冷却水泵→冷冻水泵稀释完毕→关闭冷冻水泵→关闭电动蝶阀→结束”。


3.3.3 制冷主机、主机加载控制设计

除上述设计外,基于能效优化的制冷空调设备电气控制系统软件设计还包括制冷主机控制设计、主机加载控制设计,具体设计如下:

(1)制冷主机控制设计。制冷主机的开机控制流程可概括为:“开始→负荷计算→回水温度>13。5℃→冷机负荷>95%→需开冷机→冷机启动→结束”,停止控制流程则为:“开始→负荷计算→回水温度<10。5℃→冷机负荷<60%→需关冷机→冷机关闭→结束”,该设计是为了最大化主机能效,建筑瞬时冷负荷的计算属于其中关键。

(2)主机加载控制设计。中央空调系统设备多为大功率设备,这就使得其设备的加载顺序有着较为严格的要求,因此设计人员确定了如下设备的加载顺序:“开始→回水温度>13.5℃→平均负荷>95%→延长时间>20min→启动冷却水泵并延时→开启冷却水阀门→启动冷冻水泵并延时→开启冷冻水阀门→阀门开到位→加载冷机→结合”,由此即可避免停机、事故的发生。


3.3.4 程序与界面设计

采用了SCWinPP编程软件用于中央空调主控柜程序编写,由此即可开展主控制器IP配置、I/O模块配置、程序的上传与下载等内容的设计;中央空调系统人机界面设计则采用了北京亚控公司的组态王软件作为上位机软件,由此即可开展系统流程监控、设备控制台、冷机参数、PID参数设置、系统控制模式等界面的设计。


3.4 节能效果分析

基于能效优化的制冷空调设备电气控制系统于2017年10月投入运用,至本文撰写前(2018年8月6日),该系统共节约193323。09kW•h电能,节约电费185574。64元,可见该系统具备的较高应用价值。


4、结论


综上所述,制冷空调设备的电气控制具备较高现实意义,在此基础上,本文涉及的结构与原理分析、硬件设计、软件设计、节能效果分析等内容,则提供了可行性较高的制冷空调设备电气控制路径,而为了实现更高质量的电气控制,水泵的变流量策略、冷却塔的节能改造均需要得到重点关注。


参考文献

[1] 孙建波,王海鸣,曾伟明. 分布式户用光伏与冰蓄冷空调协调控制研究[J].三峡大学学报(自然科学版),2018,40(04): 68-73.

[2] 朱琴跃,管蕾,陶灵. 商业建筑空调系统能耗优化控制研究[J]. 机电一体化,2018,24(01): 27-34.

[3] 原金凤。 制冷与空调设备电气自动控制技术探讨研究[J]。 山东工业技术,2017(21): 131。




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