PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用

姜富寬

【摘要】隨著科技的發展進步與人民生活水平的不斷提高，中央空調越來越多的進入各類建筑物中，并給人們創造出舒適的環境，但是它的能耗是一個不容忽視的大問題，所以說，能耗問題已成為影響中央空調發展的一個瓶頸。傳統的中央空調系統有70%以上的時間都運行在滿負荷50%以下，各個電機長期工作在工頻狀態下，并通過擋板和閥門來調節水流量，這樣會加重電能的浪費，也使中央空調的運行環境和運行質量進一步惡化。所以，對中央空調的節能改造是當前迫切需要解決的問題，較為有效的措施是變頻調速技術。本文提出基于PLC和變頻技術的改造設計思路，通過節能分析說明了所提方法的正確性和有效性，降低了能耗，達到了節能和環保的目的。

【關鍵詞】PLC 變頻器 中央空調 節能改造

【中圖分類號】TB657.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）09-0244-01

一、中央空調工作原理

中央空調系統是一個極其復雜的系統，其主要由兩個部分組成：水系統部分和空氣處理系統部分。中央空調水系統是本課題研究的主要對象，水系統主要是由制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等組成。其中，制冷機組為中央空調系統的正常運行提供所需要的冷負荷，不僅將制造的冷量傳遞給冷凍水循環系統，而且把工作過程中釋放的熱量傳遞給冷卻水循環系統，是中央空調系統中最重要的組成部分。冷卻水泵、冷凍水泵以及冷卻塔為中央空調系統提供水循環，是進行熱交換的載體。冷凍水將制冷機組制造的冷量帶到風機盤管系統中與室內空氣進行熱交換，并將室內熱量帶回到制冷機組中；冷卻水將制冷機組在工作和熱交換中產生的大量廢熱排放到室外空氣中，經過冷卻塔降溫后的冷卻水又流回制冷機組的冷凝器中進行熱交換，如此循環往復。中央空調系統的制冷過程就是不斷地把熱量從室內傳遞到室外進行熱交換的過程。中央空調空氣處理系統是空調系統的末端裝置，通過空氣循環流動，將空氣中的熱量帶到冷凍水系統中，并提供適量的新風保證房間所需的濕度和溫度等。

二、PLC模塊與變頻器的型號選擇

在進行變頻器選擇的時候其主要的選擇標準就是工藝要求的適應度，而并不是僅僅單一的追求多樣化的性能種類。除此之外，對于電機負荷來說，也具有一定的差異性，這樣在選擇變頻器的時候就能夠充分的考慮到電機負荷的具體情況，而且對各種類型的機械運行需求來說，也應該得到充分的滿足。在選擇變頻器的過程中，應該注重對設備可靠性的充分考慮，在進行機械配置變頻器生產的時候，最主要的目的是為了促進生產效率的提升，如果穩定性較差的話，各種工業生產的需求都難以得到有效的滿足。總的來說，在選擇PLC自動控制系統的時候，應該綜合考慮到通信聯網能力、特殊功能模塊、容量、I/O模塊、機型等各個方面因素，另外在進行型號選擇的時候，需要對其線路連接方式、電壓等級、輸入信號類型等各個方面的因素進行綜合考慮。

三、中央空調節能改造具體設計

1.硬件設計方案

選擇觸摸屏、變頻器和PLC組成控制系統，對系統中的2臺冷卻泵和2臺冷凍泵進行改造，具體的硬件設計方案為：利用PLC控制系統中冷卻泵的變頻接觸器，并通過控制器-繼電系統控制工頻接觸器，并在兩者之間設置電氣連鎖保護，以此保證改造后系統的穩定性。并且在控制系統中安裝2個溫度傳感器，收集冷卻水回水與出水溫度信息，進而連接溫度采集模塊，實現模擬量向數字量的轉換，在轉換后將數字信息傳輸給PLC，運算后結果在模擬量的輸出模塊FX2N-2DA的作用下實現轉換，以0-10v（DC）的形式對變頻器的頻率進行控制，進而控制水泵的轉速。

2.控制程序設計

控制程序主要包括：D/A轉換程序，在系統中，數模轉換中的數字量主要存儲在寄存器之中，并在FX2N-2DA模塊的作用下可實現數字量向模擬量的轉換，變頻器接收轉換后的變量，進而通過變頻器轉速的控制實現對水泵轉速的控制；自動調速程序，考慮冷卻水溫度變化較為緩慢的情況，在設計中將溫差采集周期設置為4s，如果溫差超過5℃，則提升變頻器的運行頻率，每次調整0.5Hz，當溫差低于5℃或者頻率達到55Hz時，不再調整變頻器的頻率。同時，如果溫差低于4℃，則變頻器的頻率會呈現下降趨勢，進而導致能耗增加，因此必須以0.5Hz的標準調整變頻器頻率，當變頻器頻率為45Hz或溫差超過4℃時，方可停止調整作業，只要達到上述標準，便可達到最大的節能效果；冷卻泵出回水溫差計算程序，在改造中設置兩條通道，一條為冷卻水回水溫度，另一條為冷卻水出水溫度，并單獨設計出回水溫差的寄存通道。

3.控制系統的輸入輸出分配情況

根據本次系統改造要求，PLC選擇經濟中型設備，并且內部具有以太網主站的通訊功能，具備CPU模塊一個，數字量輸出模塊2個，模擬量輸出模塊2個和脈沖輸入模塊3個。同時該系統中85kW冷凍水泵選擇三菱FR-E740型號的變頻器，而65kW的冷卻水泵配置的變頻器的型號為22C-D105A105。其中冷卻泵中配置的PLC輸入輸出線路中設計多個參數，其中以變頻器的參數為主，主要包括：上限頻率：55Hz，下限頻率：45Hz，加速時間：4s，減速時間：6s，D/A模塊的輸出電壓為0～10v。

四、結束語

綜上所述，當前中央空調系統在建筑工程中得到了廣泛的應用，采取有效的措施減少中央空調系統的能源消耗，對實現建筑的節能減排具有重要的現實意義。因此，在中央空調系統運行中，要采取有效的措施降低系統各個組成部分的能耗，同時，相關管理人員要做好中央空調系統的運行管理工作，從而降低系統整體的能源消耗，實現建筑節能減排的目標。

參考文獻：

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