PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用

李紅圖

摘 要：建筑業能耗是我國能源總能耗中較為突出的一項能耗，包括照明、電梯、空調、通風等。其中，中央空調能耗占的比例最大，占據整個建筑物運行能耗的至少40%以上，并有不斷擴大的趨勢，嚴重影響了區域能源的供需平衡。對中央空調自動化系統節能技術進行分析和研究是優化中央空調能耗系統、降低中央空調系統能耗的重要途徑，對提高我國建筑行業能源利用率、促進國家經濟的可持續發展具有非常重要的意義。

關鍵詞：中央空調；PLC；變頻器；節能改造；運營管理

引言

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。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。

1中央空調系統的結構和原理

中央空調系統主要是由風機子系統、冷凍水子系統、冷卻水子系統等多個子系統組成，通過控制一臺主機連接風道過風和冷熱水管，然后連接多個末端來控制不同房間的溫度以達到調節室內空氣溫度的效果。實現溫度調節最為主要的系統是制冷主機系統，調節室內溫度的來源就是制冷主機系統所產生的冷氣，制冷主機系統也是占據中央空調的大部分能耗，包括風機系統和水系統在內的系統功率大小直接影響空調主機的運行。

中央空調的制冷過程是由兩大水循環系統配合制冷主機系統和風機系統共同協調完成。整個過程遵循熱量守恒定律，由制冷主機產生低溫冷凍水并送至風機中與高溫空氣交換熱量，到達一定溫度后，風機盤管中的空氣會被送至室內調節溫度，此時低溫冷凍水吸收熱量變回高溫水，再送回制冷機組與低溫制冷液交融放出熱量，重新轉換成低溫冷凍水，這個過程一直重復循環，實現了調節室內溫度的目的。

2中央空調節能改造具體設計

PIC與變頻器在中央空調節能改造中的具體應用模式如圖1所示。文章分別從硬件和軟件兩部分介紹中央空調的節能改造。

2.1硬件設計方案

選擇觸摸屏、變頻器和PLC組成控制系統，對中央空調系統中的冷卻泵和冷凍泵進行改造，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。

2.2控制程序軟件設計

控制程序主要包括：第一，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；第二，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；第三，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，并單獨設計回水溫差的寄存通道。

3 PLC模塊與變頻器的型號選擇

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。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。

4基于PLC和變頻器控制的中央空調的后期運營管理

4.1冷卻塔

冷卻塔為中央空調系統中不可或缺的輔助設備，其在主機制冷效率與節能降耗中發揮著巨大作用，當巡檢時應認真檢查水流情況，確定風機運轉是否正常，皮帶磨損和松緊情況。仔細檢查布水，保障布水槽滿水量，布水槽和積水盤沒有鐵銹和微生物等異物。嚴格檢查補水系統，保障浮球閥一直處于正常工作狀態。

4.2水泵

水泵的作用是冷凍水與冷卻水之間的傳遞與循環。當巡檢時，檢查水泵進出口壓力是否正常、穩定，電機電流是否在額定范圍內。檢查水泵各部分是否漏水，認真辨別運轉聲響，明確軸承部位的實際運行情況。

4.3冷凍水機組

冷凍水機組是中央空調的核心設備，冷凍水主機正式開機前，應對冷凍水主機和各個部件進行外觀的檢查。檢查制冷劑系統壓力，按照SOP進行檢漏。確保約克主機的冷凍冷卻閥門在打開狀態，并對安全閥進行檢漏。檢查控制柜主電源，機組控制線連接情況，確認所有接頭連接緊固，線型與線徑連接正確。檢查控制室約克主機啟動柜，開關是否到位，控制柜內是否整潔，檢查保險絲斷路器是否完好。用兆歐表搖電機、電纜和電機繞組絕緣，確保絕緣等級在所規定的范圍內。完成上述工作后，可以對冷凍水機組進行供電，供電后檢測控制柜的三相供電電壓是否符合約克機組要求。

結語

中央空調系統作為現代大型建筑物必備的配套設施，為了給人們提供更舒適的生活和工作環境，需要不斷創新和改善中央空調的自動化系統節能技術，在研究中央空調節能環保性能時，可以采用自動化控制的方式提升中央空調控制系統的穩定性，結合變頻器和PLC控制系統進一步擴大中央空調的功效，進而實現節能減排的最大化。

參考文獻：

[1]陳武.PLC與變頻器在中央空調系統節能系統的應用[J].科技風，2017（12）：285-286.

[2]吳廷鑫.PLC與變頻器在中央空調系統節能改造中的應用[J].環球市場信息導報，2017（41）：129-130.

[3]葉高文.酒店中央空調節能改造控制系統設計[J].工業控制計算機，2017（12）：134-135.

[4]王章寬.PLC在中央空調節能改造中的應用[J].機電工程技術，2017，46（8）：70-73.