基于PLC技術的變頻器節能控制系統設計研究

卓曉冬

（江蘇聯合職業技術學院南京分院，南京 210019）

變頻器主要應用于電氣系統的濾波、逆變、驅動以及制動等能耗單元。這些能耗單元大多存在過流、過壓、過載的風險，導致變頻器在工作時普遍存在高能耗問題。PLC技術具有采集和處理復雜數據、實現電氣系統電路實時監控的能力[1]。在變頻器控制系統中引入實現節能功能的PLC軟系統，理論上能夠彌補變頻器自身無法精準控制變頻能耗等問題，實現對變頻機變頻調速過程的節能自動化控制。因此，本文以能耗較大的中央空調控制系統為例，基于PLC技術探討中央空調制冷模塊水泵變頻器控制系統的節能改造。

1 基于PLC技術的中央空調變頻器節能控制系統設計方案

1.1 變頻控制需求分析

中央空調的變頻器控制系統與一般的自動化電氣控制系統相比的主要優勢在于節約能耗[2]。它主要通過變頻器對空調冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻風機這3個高能耗的作業單元進行變頻控制，實現整個中央空調系統的自動化變頻調速，達到節能運行的目的。

1.2 變頻節能控制流程

冷凍、冷卻水泵的控制方案均依據水溫來控制，通過傳感器實時監測冷卻水與冷凍水的溫差，然后采用PLC預編程模塊實現對水泵的變頻控制。具體控制流程如圖1所示。

圖1 冷凍水流量變頻控制流程

PLC通過溫度傳感模塊實時監測冷凍冷卻水的出水溫度和回水溫度，然后將這些監測數據傳入PLC主控模塊的內存，由主控模塊根據既定節能控制程序依據進出水溫差值實時控制變頻器的轉速。溫度傳感器監測的數據為模擬數據，需要通過數模轉換器轉換為數字數據傳入PLC主控模塊，然后由PLC程序生成水泵變頻器的控制指令，控制水泵實時根據冷卻冷凍溫差來調節水泵轉速。

以冷凍水泵的流量變頻控制為例，可以在蒸發器的出水與回水管道上加裝溫度傳感器，由傳感器將溫度數值反饋給溫差調節器，再由溫差調節器生產水流進出溫差模擬數據，經由模數轉換器轉換為數字數據后傳輸給PLC主控模塊，由PLC主控模塊根據預設的節能控制規則生成流量變頻控制指令，然后經由數模轉換器轉換為模擬信號傳輸給水泵電機[3]。

2 中央空調變頻器節能控制系統硬件配置

2.1 PLC主控模塊

根據PLC主控模塊的功能，可以將PLC組件類型劃分為4個類型，其中最為主要的元器件主要為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲器、輸入/輸出（Input/Output，I/O）系統、其他可拓展系統4種[4]。

存儲器是PLC用于存儲邏輯運算數據、仿真模塊監控模組運行數據、故障診斷模組數據以及程序編程器等外界設備產生的運行數據的數據存儲區。這些數據主要包括程序運行過程中產生的日志性質的數據以及系統各模組運行產生的各類參數。在PLC系統運行過程中，CPU需要依據各功能性模組發布的數據調用改寫任務、訪問數據存儲區讀取或改寫其中的數據。

I/O系統是內嵌式PLC系統與外界進行交互的通信通道。通過將控制系統中的各類現場信號轉換為標準的邏輯電平信號，輸入給CPU進行邏輯運算后，將CPU輸出的邏輯信號轉換為執行元器件能夠識別的參數性質信號。可選部件主要指PCL系統外部掛載的編程器、模擬盤、擴展器以及拓展I/O接口等。這些組件不是PLC運行的必需組件，但可以大大提高PLC系統的可操作性和可擴展性。

根據變頻節能控制系統的功能需求和控制流程，本文建議選用西門子S7-200CPU226型號的PLC芯片作為主控芯片。該芯片能夠提供8個回來比例-積分-導數（Proportion-Integral-Differential，PID）功能，尤其擅長按照PID控制規律來執行自動化微調控制程序。因為PID功能的實現需要向外實時輸出微調控制指令的模擬信號，所以需要為該PLC主控模塊搭載一個模擬信號的輸入、輸出模塊。另外，S7-200CPU226型號PLC自帶兩個RS-485接口，能夠實現與觸摸屏之間的數據互通，實現人機交互功能。

2.2 變頻器模塊

變頻器是變頻節能控制系統的主要作業模塊。該模塊穩定的性能、較快的響應速度以及與PLC主控模塊的配合度都至關重要。本文建議中央空調冷卻、冷凍水循環變頻控制系統選用2臺MicroMaster430系列的變頻器。MM430變頻器是水泵類電動機的專用變頻器，擅長對中小功率的電動機進行分級節能控制，同時支持自動和手動兩種控制模式，與本文變頻節能控制系統的設計思路相契合。該型號變頻器的額定功率為7.5～250 kW，滿足系統需求。

2.3 觸摸屏人機交互模塊

觸摸屏人機交互模塊主要負責實現兩個功能[5]。一是負責接收PLC模塊發出的模擬信號，生成水泵實時功率、水泵運轉情況、變頻器工作狀態、水循環系統溫差值等數據進行實時顯示。操作人員可以通過觸摸屏直觀獲取中央空調水循環系統的變頻控制系統運轉情況，可以通過觸摸屏人機交互模塊加載一個PLC技術的過載、過壓、過流報警器，通過接收數據實時判斷變頻器控制下的水循環系統是否存在上述問題，然后由操作人員直觀判斷是否需要人工介入。

2.4 溫度傳感模塊

溫度傳感模塊是整個PLC自動化控制系統的關鍵，是主要控制輸入信號的來源。在該系統中，溫度傳感模塊主要用于監測水循環系統水流的進出溫差值。本系統采用PT100溫度傳感器，集傳感變送于一體，結構緊湊，安裝方便，精度高、功耗低，溫度測量劃分為0 ℃、300 ℃、500 ℃、1 200 ℃，輸出信號電流為4～20 mA。

3 中央空調變頻器節能控制系統程序設計

3.1 PLC主控程序設計

中央空調水循環系統的PLC變頻節能控制程序可以細分為PLC主控程序、觸摸屏操作子程序、變頻器子程序、通信子程序以及溫度傳感子程序。PLC主控程序是整個系統控制程序的核心，通過適時調用子程序實現各個功能模塊的配合協作。根據中央空調水循環系統的PLC變頻節能控制流程，PLC主控程序采用S7-200型號芯片的PID控制功能，通過預設的節能控制規則計算判斷變頻器當下應該采取的最小能耗功率值，然后生產對變頻器輸出電壓的控制信號，分別調用F1、F2兩個變頻器的子程序，實現對變頻器電壓控制參數的實時控制。要想實現這一功能，需要將PLC控制模塊與溫度傳感器、變頻器、通信模塊、觸摸屏模塊進行電路互聯。具體PLC主控程序硬件電路接線圖如圖2所示。

圖2 PLC主控系統硬件接線圖

主控程序在運行過程中需要調用各類子程序使各個功能性模塊完成工作，配合實現對水泵電機功率的自動化節能控制。先進行程序初始化，然后調用溫度傳感器模塊子程序進行蒸發器進出水溫的采集，調用觸摸屏子程序接收觸摸屏輸入的節能控制規則參數。PLC主程序判斷接收到啟動指令后，控制水循環系統水泵變頻器啟動。水循環系統水泵啟動后，實時判斷觸摸屏是否輸入了急停、調檔等人工操作指令。在這一過程中，通過在PLC運行PID控制功能時預設節能控制規則，實現對變頻器啟動、急停、調檔等功能的節能控制。

3.2 觸摸屏操作程序設計

觸摸屏采用的組態軟件為西門子的WinCCflexible 2008，具有報警記錄、報表打印以及趨勢曲線等多種功能。本系統在其基礎上進行了豐富的畫面設計，主要有主畫面、系統設置、PID參數設置、運行模式選擇、溫度顯示、故障報警及復位等界面等，其中包括冷凍水泵和冷卻水泵的操作畫面和監視畫面。操作畫面主要是冷凍泵/冷卻泵的啟停、電動機的選擇、手動加速/減速以及變頻器的報警復位。監視畫面有進水溫度、出水溫度、進出水溫差、運行時間以及運行頻率等。操作畫面與監控畫面可隨時切換。通過整個觸摸屏系統不但可以進行組態，而且能監控下位機的運行，實現一體化的現場管理。

4 結語

本文以中央空調水循環系統的變頻節能控制系統為例，從變頻節能控制的原理出發，結合中央空調水循環系統實例的變頻控制需求，從功能可行性、穩定性和節能性能3個方面給出了中央空調冷卻、冷凍水泵流量變頻節能控制系統設計思路，然后根據控制系統的PLC主控模塊、變頻器模塊、觸摸屏模塊以及溫度傳感模塊4個主要功能性模塊的設備、元器件選型給出具體建議，并對PLC主控程序的設計給出具體思路，可為PLC技術在變頻節能控制系統中的應用研究提供理論參考。