PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用

黎民樂

【摘?要】中央空調系統經過節能改造之后能有效減少電能的損耗。本文以中山醫科大學附屬第一醫院的中央空調系統為例，通過分析傳統的中央空調系統運行方式，說明了在運行中會出現耗電能高、易損壞等的問題，給出了對中央空調系統用PLC或DDC來進行節能改造，建造了新的閉環控制系統，在重新投入運行后，較以前有了很好的節能效果。

【關鍵詞】中央空調;PLC;控制系統;節能改造

1 引言

隨著我國經濟的不斷增長，許多大型建筑通常都會使用中央空調系統來調節建筑內部的溫度。但是，傳統的中央空調系統在設計時規定了其在運行的時候不能按照四季的變化來調節自身的負荷，這樣就大大地增加了中央空調系統的耗電量。如何對其進行節能改造來達到節能減排的目的成為了人們需要解決的問題。下面結合某實例來進行討論分析。

2 原中央空調系統概況

2.1 系統組成

中山醫附屬第一醫院中央空調機組系統，主要由3部分組成：（1）冷凍水循環系統、（2）冷卻水循環系統、（3）主機。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

該大樓冷卻泵和冷凍泵電動機全年均以恒速運行，冷卻水和冷凍水回出水溫差都約為2℃，采用繼電-接觸器控制。

原系統的最大負載是按最不利狀況（即天氣最熱、負荷最大的條件）來確定的，并留有一定的余量，但實際上系統很少在這種極限條件下運行，1年中只有幾個月時間及每天只有白天的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 PLC原理及應用

中央空調冷凍系統的控制有三種控制方式：早期的繼電器控制系統、直接數字式控制器DDC以及PLC（可編程序控制器）控制系統。繼電器控制系統由于故障率高，系統復雜，功耗高等明顯的缺點已逐漸被人們所淘汰，直接數字式控制器DDC雖然在智能化方面有了很大的發展。但由于DDC其本身的抗干擾能力問題和分級分步式結構的局限性而限制了其應用范圍。相反，PLC控制系統以其運行可靠、使用與維護均很方便，抗干擾能力強，適合新型高速網絡結構這些顯著的優點使其逐步得到廣泛的應用。

PLC即可編程邏輯控制器，是以微處理器為核心，綜合現代自動化技術、計算機技術、傳統的繼電器控制技術和通信技術的一種新的技術形式，是一種新型的自動化控制裝置。對于傳統的繼電器電路來說，它難以實現復雜邏輯功能的和數字式控制，而且要實現一定規模的邏輯控制功能不僅設計繁瑣，難以實現升級，并易發故障，維修復雜，現在已被大中型設備的控制系統所拋棄。而PLC正被廣泛的應用并且已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。

4 變頻節能改造措施

4.1 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）=0.512，則水泵的節電率為[1-（40/50）]×100%=48.8%。

4.2 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。

4.2.1 冷卻水循環系統的定溫差控制

由于系統中冷卻泵功率為90kW，約占主機功率的40%，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。

4.2.2 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。

5 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。

5.1 系統硬件設計方案

根據冷卻泵M1主電路原理圖，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。

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。

5.2 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。

冷卻泵的PLC控制輸入/輸出接線圖如圖2所示。

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）。

5.3 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。

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3所示。

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3所示。系統上電后觸摸屏上顯示的歡迎畫面如圖3（a），在該畫面上觸摸“操作畫面”按鈕，進入操作畫面如圖3（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3（c），該畫面上會實時顯示當前系統運行的相關數據。

5.4 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可知，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。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。

手動調速程序，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。

自動調整程序。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。

變頻器、水泵啟停報警的程序，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。

6 結語

由上可見，中山醫一院的中央空調系統通過變頻節能技術改造后，取用了?PLC作為主控設備，變頻器能夠自動調控管道中水的流量，最終達到了設計的節能效果。在重新投入使用后結果說明比原運行更加節約能源，為企業帶來了顯著的經濟效益。

參考文獻：

[1] 孫明原.中央空調變頻節能改造技術的分析與研究[M].大連理工大學，2012年.

（作者單位：廣東重工建設監理有限公司）