摘 要：本文介紹了應(yīng)用固態(tài)繼電器及可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)的控制全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的方法。使用這種方法設(shè)計(jì)的空調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)在有效控制機(jī)組的這風(fēng)溫度的同時(shí)大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；全新風(fēng)系統(tǒng)；可編程邏輯控制器；脈寬調(diào)制；占空比；導(dǎo)通角
Application of SSR for All Fresh Air System
QIU Zhaoguang ZHOU Yah
（Guangdong Shenling Air—conditioning Equipment Co．Ltd．，F(xiàn)oshan 528313，China）
Abstract：Presents a new method to control discharge air temperature in an all fresh air package unit with the application of SSR and PLC，which can control the discharge air temperature as well as a very low cost．
Key words：SSR；All fresh air system ；PLC；PWM ；Duty Cycle；Conduction Angle
1 控制空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的原因
在傳統(tǒng)的采用單元式空調(diào)機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)中，其風(fēng)系統(tǒng)通常都是一個(gè)循環(huán)的系統(tǒng)?？諝饨?jīng)空調(diào)機(jī)組處理后由送風(fēng)管送到受控環(huán)境，與受控環(huán)境的空氣混合后再由回風(fēng)管回到空調(diào)機(jī)組。如果其中對空氣品質(zhì)有一定的要求，則在空調(diào)機(jī)組的進(jìn)風(fēng)口再引入定量的新風(fēng)，再在受控環(huán)境的出風(fēng)口將定量的空氣經(jīng)排風(fēng)管排走即可。這種情況下對受控環(huán)境的溫度控制通常是控制空調(diào)機(jī)的回風(fēng)溫度，其控制方法已非常成熟。
然而，在某些特定的使用環(huán)境如汽車發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)室、動物實(shí)驗(yàn)艙等地方，由于空氣流過受控環(huán)境后會變得有毒或有異味，不能再循環(huán)利用，必須全部排走。這時(shí)的風(fēng)系統(tǒng)里面就沒有了回風(fēng)的部份，稱為全新風(fēng)系統(tǒng)。全新風(fēng)系統(tǒng)中如果受控環(huán)境特別小，而風(fēng)量又很大，即換氣次數(shù)特別多，在這種情況下對它的溫度控制就只能是控制空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)溫度。
2 控制空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的難點(diǎn)
采用壓縮機(jī)制冷的空調(diào)機(jī)組要控制它的送風(fēng)溫度，主要存在如下難點(diǎn)：
首先，實(shí)驗(yàn)環(huán)境對空調(diào)機(jī)組的控制精度要求較高，一般要求溫度精度波動范圍為±1℃ ，甚至是±0．5℃ 。這樣的要求即使在全回風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)中，也要費(fèi)很多的功夫才能做到。
其次，單元式空調(diào)機(jī)的壓縮機(jī)是一個(gè)典型的開關(guān)部件，而出于成本及制造工藝方面的考慮，單元式空調(diào)機(jī)組通常只配一至兩個(gè)的壓縮機(jī)，這使得壓縮機(jī)運(yùn)行與停機(jī)時(shí)的送風(fēng)溫度相差達(dá)10℃ 以上。并且，由于制冷系統(tǒng)壓力平衡和回油的需要，壓縮機(jī)的運(yùn)行和停機(jī)都有嚴(yán)格的時(shí)間限制。所以，單元式空調(diào)機(jī)組單純靠壓縮機(jī)制冷來控制送風(fēng)溫度幾乎無法做到。這也是從前的空調(diào)系統(tǒng)在需要控制送風(fēng)溫度時(shí)極少選用單元式柜機(jī)而多用制冷量連續(xù)可調(diào)的冷水機(jī)組加末端的主要原因。
要解決上述難點(diǎn)，其關(guān)鍵是要盡量使單元式空調(diào)機(jī)組的壓縮機(jī)長時(shí)間地保持穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)用其他連續(xù)可調(diào)的控制方法對制冷量（或加熱量）進(jìn)行微調(diào)，才能有效地對空調(diào)機(jī)組的出風(fēng)溫度進(jìn)行控制。
3 用固態(tài)繼電器及PLC 實(shí)現(xiàn)的送風(fēng)溫度控制
3．1 控制系統(tǒng)的工作原理
對于單元式空調(diào)機(jī)組而言，由于前面提到的壓縮機(jī)控制上的缺陷，要對壓縮機(jī)的制冷量進(jìn)行微調(diào)不太現(xiàn)實(shí)。因此，只能從機(jī)組的另一可進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的部件—— 加熱器處入手。如果可以通過加熱器進(jìn)行熱補(bǔ)償，抵消壓縮機(jī)多余的冷量，那么就可以達(dá)到對制冷量進(jìn)行微調(diào)的目的?；谶@個(gè)理論，人們開始應(yīng)用可控硅功率調(diào)節(jié)器通過導(dǎo)通角的變換來控制電加熱器的輸入功率，進(jìn)入加熱量的調(diào)節(jié)。但是可控硅功率調(diào)節(jié)器自身的發(fā)熱量大，需要大型的散熱片和專用的散熱風(fēng)扇，因而體積較大而且成本通常比較高，達(dá)到500元／kW 左右。
通過對加熱器的深入研究我們發(fā)現(xiàn)，單元式空調(diào)機(jī)組通常使用的是電阻式加熱器。電阻式加熱器的加熱功率與輸入功率的關(guān)系為
Q=kP 公式（1）
上式中的k為常數(shù)值，表示加熱器的效率。
而電加熱器的輸入功率與輸入電壓之間的關(guān)系式
公式（2）
上式中的R值是加熱器的電阻值，為常數(shù)。
綜合上述2個(gè)公式，我們可以得下式
Q∝（U） 公式（3）
也就是說，電阻式加熱器的加熱功率是加載在電阻兩端的電壓值U的函數(shù)。
由于交流電信號在加載到電阻性負(fù)載上時(shí)等同于電壓值為其有效值的直流信號。而以固定的頻率開斷該電流信號時(shí)，輸出電壓的有效值與其占空比（即接通時(shí)間與波長時(shí)間之比）成正比例關(guān)系。因此當(dāng)單元式空調(diào)機(jī)組的壓縮機(jī)長期處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)（即長時(shí)間地運(yùn)行或長時(shí)間地停機(jī)）時(shí)，只要想辦法改變加載在電加熱器兩端的電壓信號的占空比，就能做到微調(diào)空調(diào)機(jī)組的加熱量（或制冷量）。
3．2 固態(tài)繼電器的工作原理
交流固態(tài)繼電器SSR（Solid state relays）是一種無觸點(diǎn)通斷電子開關(guān)，為四端有源器件。其中兩個(gè)端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，中間采用光電隔離，作為輸入輸出之間電氣隔離（浮空）。在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無信號時(shí)呈阻斷狀態(tài)），從而控制較大負(fù)載。整個(gè)器件無可動部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用的機(jī)械式電磁繼電器一樣的功能。由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、不受開關(guān)壽命限制．對外界干擾小，能與邏輯電路兼容、抗干擾能，0強(qiáng)、開關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。另外，固態(tài)繼電器的成本較低，用于15kW 加熱器的固態(tài)繼電器成本大約1000元。只有可控硅功率調(diào)節(jié)器的成本十分之一。
3．3 控制系統(tǒng)的硬件組成及工作過程
控制系統(tǒng)的主控制器采用德國西門子公司的S7—224型PLC，因?yàn)橐c固態(tài)繼電器的輸入信號匹配，因此PLC的數(shù)字量輸出點(diǎn)必須是直流輸出型而不能用繼電器輸出型。S7—224屬于小型PLC，共有14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。其中第1和第2個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)可作脈寬調(diào)制（PWM）輸出。實(shí)際應(yīng)用中我們把第2個(gè)輸出點(diǎn)用作電加熱器的控制。人機(jī)界面選用西門子公司的TD200文本顯示器。該型號顯示器可同屏顯示2X20字符，帶背景光并支持中文顯示。
溫度變送器選用兩個(gè)抗干擾能力較強(qiáng)的電流型變送器，分別置于空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)口及回風(fēng)口。溫度變送器的輸出信號經(jīng)模擬量模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字化的溫度數(shù)據(jù)讀入到PLC中。電加熱器主電路的通斷控制用固態(tài)繼電器替代通常的交流接觸器。
主控制器根據(jù)新風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度與設(shè)定送風(fēng)溫度的偏差值控制壓縮機(jī)的開停機(jī)，作為送風(fēng)溫度的粗調(diào)。其目的是使空氣到達(dá)加熱器前的溫度略低于設(shè)定的送風(fēng)溫度。為了使壓縮機(jī)不會頻繁啟停，壓縮機(jī)開機(jī)溫度與停機(jī)溫度之間的溫度差設(shè)定了一個(gè)較大的值。而加熱器的作用則是對出風(fēng)溫度進(jìn)行微調(diào)。設(shè)定送風(fēng)溫度和實(shí)測送風(fēng)溫度這兩個(gè)溫度值用作一個(gè)PID回路運(yùn)算的輸入，PID運(yùn)算的結(jié)果則用于加熱器輸出點(diǎn)的PWM輸出控制，以控制固態(tài)繼電器的 得到了用戶的一致好評。通斷動作。控制軟件的流程圖參見圖1。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器及固態(tài)繼電器進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，自動化程度高，以較低的投資成本達(dá)到了控制空調(diào)機(jī)組出風(fēng)溫度的目的。一臺5HP的單元式空調(diào)，應(yīng)用此方案重新設(shè)計(jì)后，在重慶某汽車生產(chǎn)廠的一個(gè)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過近兩年的現(xiàn)場使用，送風(fēng)溫度的精度可控制在±0．5cc以內(nèi)。并且運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，
參考文獻(xiàn)：
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（轉(zhuǎn)載）
