PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用

摘要：本文主要針對PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用展開了探討，通過結合具體的工程實例，對原中央空調系統概況作了介紹，對變頻節能改造和系統節能改造作了系統的論述，以期能為有關方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：中央空調；PLC；變頻器；節能改造

1 引言

如今，中央空調是現代建筑物中重要的電氣設施之一，但是由于其耗能非常大，因此，對中央空調節能改造的探索一直沒有停歇。而在中央空調節能改造中應用PLC及變頻器，不僅可以大幅度節約電能和提高中央空調的自動化程度，還能使系統具有運行可靠、結構簡化、維護維修方便等優點。因此，中央空調的節能改造都普遍傾向于應用PLC及變頻器。

2 原中央空調系統概況

2.1 系統組成

某商貿大廈中央空調機組系統，主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及主機3部分組成。其主要設備為200kW水冷冷水機組，單機制冷量400USRT、25kW冷凍水泵2臺、35kW冷卻泵2臺，電動機均采用星形-三角形減壓啟動。冷卻塔3座，每座配有風機1臺，電動機額定功率為5.0kW，采用直接啟動。

2.2 系統運行狀況

這棟建筑冷凍泵電動機和冷卻泵整年都以恒定速度運行，冷卻水和冷凍水回出水溫差大約是2℃，采取繼電-接觸器控制。

原系統的最大負荷是按最不好的情況（即氣溫最酷熱、負荷最大的條件）來制定的，并留有一定的余地，但實際上系統很少在這種極限條件下運行，1年中只有幾十天時間中央空調處于最大負荷。這樣中央空調系統大部分時間都是運行在部分負荷狀態下，也會增加系統的電能消耗。

由于原系統采用傳統的繼電-接觸器控制，水泵在啟動和停止時，會出現水錘現象，對管網產生較大的沖擊，容易對管道、閥門等造成破壞，額外增加了設備維修量和費用。

3 變頻節能改造措施

3.1 水泵變頻調速的節能原理

由流體力學可知，水泵的流量Q與其轉速n成正比，揚程H（輸出壓力）與其轉速n的二次方成正比，輸出功率P與其轉速n的三次方成正比。由電機學可知，電動機的轉速與電源的頻率成正比，在不考慮機械傳動部分能量損耗的條件下，可以推出水泵的輸出功率P與電源頻率f的三次方成正比。因此，降低電源頻率，水泵的輸出功率將快速下降。

如將水泵電動機的電源頻率由50Hz調為40Hz，理論上，頻率40Hz與頻率50Hz的輸出功率之比為（40/50）3=0.512，則水泵的節電率為[1-（40/50）3]×100%=48.8%。

3.2 節能改造措施

中央空調各循環水系統的回水與出水的溫度之差，反映了整個系統需要進行的熱交換量。因此，根據回水與出水的溫差來控制循環水的流量，從而控制熱交換的速度，是首選的節能控制方法。利用PLC、變頻器和溫度模塊組成溫差閉環的自動控制系統，跟隨回水與出水溫差的變化，自動調節水泵的輸出流量，實現節能的目的。

3.2.1 冷卻水循環系統的定溫差控制

由于系統中冷卻泵功率為35kW，約占主機功率的30%，冷卻水循環系統同時受室外環境溫度和室內熱負荷兩個因素影響，循環水管道單側的水溫不能準確反映該系統的熱交換量。因此，以出水與回水之間的溫差作為控制室內溫度是較為合理的節能方式。在外界環境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內熱負荷較大，應提高冷卻泵的轉速，增加冷卻水循環的速度，反之，溫差小則減小冷卻泵轉速。

3.2.2 冷凍泵水循環系統的控制

冷凍水的出水溫度主要由主機的制冷效果決定的，通常比較穩定，所以冷凍回水溫度可以準確地反映室內的熱負荷情況。因此，對于冷凍水循環系統的節能改造，可以采用回水溫度作為控制指標，通過變頻器對冷凍泵流量的自動調節來實現對室內溫度的控制。

4 系統節能改造設計

為了用戶直觀方便地使用，采用PLC、變頻器、觸摸屏組成的控制系統結構如圖1所示。2臺冷卻泵M1、M2和2臺冷凍水泵M3、M4的轉速控制采用變頻節能改造方案。正常情況下，系統運行在變頻節能狀態，其上限運行頻率為50Hz，下限運行頻率為40Hz；當變頻節能系統出現故障時，可以啟動原水泵的控制回路使電動機投入工頻運行；在變頻節能狀態下可以自動調節頻率，也可以手動調節頻率，每次的調節量為0.5Hz。冷凍水泵（或冷卻泵）之間可以進行手動輪換。

圖1 控制系統的功能結構圖

下面僅以冷卻泵為例介紹其節能改造的設計。

4.1 系統硬件設計方案

冷卻泵M1主電路原理圖如圖2所示。接觸器KM2為M1的變頻接觸器，當KM2接通后，M1進入變頻節能運行狀態，接觸器KM1為M1的工頻接觸器，通過KM1可啟動原水泵的控制電路使其投入工頻運行；而冷卻泵M2主電路原理圖與M1相似，接觸器KM4、KM3依次為冷卻泵M2變頻接觸器、工頻接觸器，兩臺冷卻泵的變頻接觸器通過PLC控制，工頻接觸器通過繼電-接觸器系統控制，變頻接觸器和工頻接觸器之間采用電氣聯鎖保護。

圖2 冷卻泵主電路原理圖

控制部分通過2個箔溫度傳感器（PT100）采集冷卻水的出水和回水溫度，然后通過與之連接的模擬量輸入模塊（溫度采集模塊）FX2N-4AD-PT，將采集的模擬量轉換成數字量傳送給PLC，經過PLC運算后，將運算的結果通過模擬量輸出模塊FX2N-2DA，將數字量轉換為模擬量[0-10V（DC）]來控制變頻器的頻率，最終調節水泵的轉速。出水和回水的溫差大，則水泵的轉速就大；溫差小，則水泵的轉速就小，從而使溫差保持在一定的范圍內（3.5-4℃），達到節能的目的。

4.2 控制系統的輸入/輸出分配及接線

根據系統控制要求，PLC選用FX2N-32MR型，模擬量輸入模塊選用FX2N-4AD-PT，模擬量輸出模塊選用FX2N-2DA，人機界面選用昆侖通態TPC7062KS型觸摸屏，變頻器選用三菱FR-E740型，PLC的輸入/輸出分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出分配

冷卻泵的PLC控制輸入/輸出接線圖如圖3所示。

圖3 控制冷卻泵PLC 輸入/輸出接線圖

變頻器的參數設置：

Pr.1=50Hz（上限頻率）、Pr.2=40Hz（下限頻率）、Pr.7=3s（加速時間）、Pr.8=5s（減速時間）、Pr.73=0（D/A模塊輸出電壓給變頻器端子2、5的輸入電壓為0-10V）、Pr.79=2（固定為外部運行模式）。

4.3 人機界面畫面的制作與操作

組態畫面各元件對應的PLC地址，如表2所示。

表2 觸摸屏組態畫面各元件對應的PLC地址

利用MCGS組態軟件，制作的人機界面歡迎畫面、操作畫面和監視畫面如圖4所示。

圖4 觸摸屏畫面

中央空調系統節能改造以后，其運行控制是在觸摸屏上操作相應畫面實現的，該控制系統的觸摸屏3個操作畫面如圖4所示。系統上電后觸摸屏上顯示的歡迎畫面如圖4（a），在該畫面上觸摸“操作畫面”按鈕，進入操作畫面如圖4（b），此時，通過觸摸切換開關“手動/自動”可選擇手動和自動運行方式。假如，當前需進行手動操作，將切換開關打到手動位置（左邊），然后根據運行實際情況的需要在觸摸屏上觸摸相應的按鈕即可實現操作，操作完成后，觸摸“切換到監視”按鈕即進入運行監視畫面如圖4（c），該畫面上會實時顯示當前系統運行的相關數據。

4.4 控制程序設計

控制程序組成：冷卻水出回水溫度檢測及溫差計算程序、D/A轉換程序、手動調速程序、自動調速程序和變頻器、水泵啟停報警的控制程序。

冷卻泵出回水溫度檢測及溫差計算程序，如圖5所示。CH1通道為冷卻水回水溫度（D20），CH2通道為冷卻水出水溫度（D21），D25用于寄存冷卻水出回水溫差。

D/A轉換程序，如圖6所示。進行D/A數模轉換的數字量存放在數據寄存器D1010中，它通過FX2N-2DA模塊將數字量轉換成模擬量，由CH1通道輸出給變頻器，從而控制變頻器的轉速以達到調節水泵轉速的目的。

圖5 冷卻泵出回水溫度檢測及溫度計算程序

圖6 D/A轉換程序

手動調速程序，如圖7所示。M22為冷卻泵手動轉速上升，每按一次頻率上升0.5Hz，M23為冷卻泵手動轉速下降，每按一次頻率下降0.5Hz，冷卻泵的手動/自動頻率調整的上限都為50Hz，下限都為40Hz。

圖7 手動調速程序

自動調整程序，如圖8所示。因冷卻水溫度變化緩慢，溫差采集周期4s比較符合實際情況。當溫差大于4℃時，變頻器運行頻率開始上升，每次調整0.5Hz，直到溫差小于4℃或者頻率升到50Hz時才停止上升；當溫差小于3.5℃時，變頻器運行頻率開始下降，每次調整0.5Hz，直到溫差大于3.5℃或者頻率下降到40Hz時才停止下降。這樣，保證了冷卻水出回水的恒溫差（3.5-4℃）運行，從而達到了最大限度的節能。

圖8 自動調速程序

變頻器、水泵啟停報警的程序，如圖9所示。變頻器的啟、停、報警、復位，冷卻泵的輪換及變頻器頻率的設定、頻率和時間的顯示等均采用基本邏輯指令控制。

圖9 變頻器、水泵啟停及報警程序

5 結束語

綜上所述，中央空調系統是對樓宇及建筑內空氣進行調節的系統，也是現代建筑中不可缺少的重要設施，但其耗電量大，因此，必須對其進行節能改造。綜上所述，本文就PLC及變頻器在中央空調節能改造中的應用進行了探討，相信對有關方面的需要能有一定幫助。

參考文獻：

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