中央空調實訓模擬系統及其PLC核心控制

摘 要：本文設計了中央空調模擬系統，用于制冷專業的實習教學。此系統采用風機盤管加新風系統的組合形式，利用PLC作為控制的核心，通過對中央空調系統開、停的順序控制，充分展示了PLC控制器的優越之處。

關鍵詞：中央空調 實訓模擬系統 PLC核心控制

空氣調節的任務，就是通過特定的專用設備和技術手段，使建筑物內空氣的溫度、相對濕度、潔凈度和氣流速度達到舒適性和工藝性的要求。空氣調節設備和調節方式多種多樣，其中中央空調因其功能齊全、調節完善而廣泛用于現代化的建筑中。近年來空氣調節技術越來越受到重視，伴隨設備的調節技術手段呈現多樣性和復雜性，其涉及的相關學科和技術領域也越來越廣，尤其是在控制手段方面，越趨智能化，這就給管理人員和維修人員提出了更高的要求。為了使學生在學校掌握更多的中央空調相關知識，特設計組裝了中央空調實習模擬系統，用于制冷專業學生的實習教學。

一、中央空調實訓模擬系統設計思路及其工作原理

1.制冷系統的設計思路

采用風機盤管加新風系統的組合形式，展示中央空調的各組成部分。系統設有制冷系統、冷卻水系統、冷凍水系統和風系統。其中制冷系統要求有最基本的四大件，冷卻水系統采用兩管制，風系統用簡單裝置代替，采用全新風系統。

2.系統工作原理示意圖（圖1）

圖1 模擬系統制冷原理圖

（1）制冷系統：由壓縮機、殼管式冷凝器、儲液器、干燥過濾器、電磁閥、熱力膨脹閥、殼管式蒸發器等組成。壓縮機用于壓縮低溫低壓的制冷劑氣體，提高其壓力；冷凝器把高溫高壓的制冷劑氣體冷卻成為常溫高壓的液體，儲存于儲液器中；熱力膨脹閥將高壓的制冷劑液體節流降壓，然后進入蒸發器中進行蒸發吸熱，獲得冷凍水。當壓縮機開機時，電磁閥通電打開，停機時，電磁閥失電關閉。

（2）冷卻水系統：由冷卻泵、冷卻塔和殼管式冷凝器等組成。它的作用是把冷凝器放出的熱量通過水散發到空氣中。如果冷卻水不夠或沒有冷卻水，要求壓縮機停止工作。

（3）冷凍水系統：由冷凍水水泵、殼管式蒸發器、兩臺風機盤管和一個模擬風系統組成。作用是把由蒸發器獲得的冷量輸送到空調房間。冷凍水泵啟動前，電磁閥等管道閥門先打開。

（4）風系統：由模擬風系統代替，任務是把新風送入空調房間。

二、中央空調實訓模擬系統控制設計思路及PLC核心控制

1.以PLC為核心的控制系統設計思路

為了滿足制冷實習的需要，此控制系統應達到下列幾個要求。

（1）把PLC控制技術應用于系統的控制，區別于傳統的繼電器控制，使學生對PLC有初步的認識。

（2）以PLC控制器為核心，把中央空調的控制要求體現出來，重點表現在開機和停機時的順序控制。如圖2所示。

圖2 順序控制示意框圖

（3）利用PLC，使設備有運行指示、停機指示、故障報警指示。

（4）利用PLC，對各個電動機有安全保護控制。

（5）能夠在該系統中進行人為故障的設置。

（6）利用PLC，把溫控器的溫度信號進行處理，控制壓縮機的切換。

為此，整個控制系統設計了兩種運行模式，一是自動運行，即按下啟動按鈕后，電動機依次按一定的順序啟動并運行；按下停止按鈕，各電動機依次按一定的順序停機。二是單機運行，即每臺電動機有獨立的啟動按鈕和停止按鈕，便于單機的檢修及人為故障設置。兩種模式的切換可以通過PLC來完成。控制主電路圖如圖3所示。

圖3 中央空調實習模擬系統電拖主電路接線圖

2.壓縮機的高壓保護

其目的是防止排氣壓力過高而發生事故。產生壓力過高的原因可能是冷凝器斷水或水量不足，或者啟動時排氣管路的閥門未打開，或者制冷劑灌注過多，或者因系統不凝性氣體過多等。保護控制的方法是在壓縮機排氣閥側引一導壓管，接到壓力控制器上。例如：當1#壓縮機排氣壓力超過設定值時，控制器立即動作，由PLC控制器X10端子輸入信號，通過邏輯判斷驅動Y3線圈斷開，控制外部負載交流接觸器KM4斷電，切斷1#壓縮機電源，同時通過Y15驅動報警信號，紅燈HL14閃爍。

3.壓縮機的低壓保護

壓縮機吸氣壓力低也是不允許的。如果吸氣壓力低于要求值時，一方面由于吸氣壓力過低，使冷凍水溫度過低；另一方面因低壓側壓力過低，空氣容易滲入。其方法是在壓縮機吸氣側引出一導壓管，接到低壓控制器上。例如：當1#壓縮機吸氣壓力低于設定值時，控制器動作，由PLC控制器X10端子輸入信號，通過邏輯判斷驅動Y3線圈斷開，控制外部負載交流接觸器KM4斷電，切斷1#壓縮機的電源，同時通過Y15驅動報警信號，紅燈HL14閃爍。

4.冷凍水斷水保護

冷卻水系統中的水量不夠時，將會引起壓縮機排氣溫度升高，系統無法正常工作。保護控制方法是在冷卻水回路上安裝水流指示儀，當水量不夠時，水流指示儀觸點斷開，由PLC控制器X34端子輸入信號，通過邏輯判斷，延時30秒后驅動Y3和Y4線圈斷開，控制外部負載交流接觸器KM4、KM5斷電，切斷壓縮機的電源，同時通過Y15和Y16線圈驅動報警信號，紅燈HL14、HL15閃爍。

5.冷凍水的溫度控制

為了防止冷凍水溫度過低而結冰，設有兩個電子式溫控器，分別控制1#壓縮機和2#壓縮機的開停。當冷凍水的溫度降低至7℃時，2#壓縮機停機；如果溫度繼續下降至5℃時，1#壓縮機停機；而當溫度回升至7℃時，1#壓縮機開機；如果溫度繼續回升至9℃時，2#壓縮機開機。

6.輸入、輸出分配圖

圖4 PLC的I/O連接示意圖

本控制選用FX2N-64MR可編程控制器，根據控制要求，PLC可編程序控制器的I/O分配圖如圖4所示。圖中設置啟動按鈕SB0、停止按鈕SB1，工作模式用兩位按鈕開關控制，閉合時自動運行，斷開時單機啟停。

中央空調實習模擬系統給教學帶來了很大的方便，一方面能夠結合課本知識，加快學生對中央空調的理解；另一方面豐富了制冷實習的內涵，尤其是引入PLC控制技術，拓寬了專業知識面，提高了學生對控制技術的興趣，收到了很好的教學效果。但是由于此模擬系統針對制冷教學，重在基礎知識學習，很多輔助設備都沒有安裝，和現實生活中的中央空調還是存在一定的差別，所以會使學生對中央空調的理解過于簡單化，因此還有許多地方值得改進。另外，考慮到與新技術的結合，在有兩臺機組的情況下，可引入變頻技術，一臺用工頻控制，一臺用變頻器控制，這樣更能體現此模擬系統的教學價值。

參考文獻：

[1]梁耀光，余文烋.現代電工新技術教程[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[2]劉守操，余文烋等.可編程序控制器與變頻技術[M].廣州：廣東工業大學出版社，1999.

（作者單位：廣東省韶關市第二技師學院）