PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用

黎民乐

【摘 要】中央空调系统经过节能改造之后能有效减少电能的损耗。本文以中山医科大学附属第一医院的中央空调系统为例，通过分析传统的中央空调系统运行方式，说明了在运行中会出现耗电能高、易损坏等的问题，给出了对中央空调系统用PLC或DDC来进行节能改造，建造了新的闭环控制系统，在重新投入运行后，较以前有了很好的节能效果。

【关键词】中央空调;PLC;控制系统;节能改造

1 引言

随着我国经济的不断增长，许多大型建筑通常都会使用中央空调系统来调节建筑内部的温度。但是，传统的中央空调系统在设计时规定了其在运行的时候不能按照四季的变化来调节自身的负荷，这样就大大地增加了中央空调系统的耗电量。如何对其进行节能改造来达到节能减排的目的成为了人们需要解决的问题。下面结合某实例来进行讨论分析。

2 原中央空调系统概况

2.1 系统组成

中山医附属第一医院中央空调机组系统，主要由3部分组成：（1）冷冻水循环系统、（2）冷却水循环系统、（3）主机。其主要设备为200kW水冷冷水机组，单机制冷量400USRT、25kW冷冻水泵2台、35kW冷却泵2台，电动机均采用星形-三角形减压启动。冷却塔3座，每座配有风机1台，电动机额定功率為5.0kW，采用直接启动。

2.2 系统运行状况

该大楼冷却泵和冷冻泵电动机全年均以恒速运行，冷却水和冷冻水回出水温差都约为2℃，采用继电-接触器控制。

原系统的最大负载是按最不利状况（即天气最热、负荷最大的条件）来确定的，并留有一定的余量，但实际上系统很少在这种极限条件下运行，1年中只有几个月时间及每天只有白天的时间中央空调处于最大负荷。这样中央空调系统大部分时间都是运行在部分负荷状态下，也会增加系统的电能消耗。

由于原系统采用传统的继电-接触器控制，水泵在启动和停止时，会出现水锤现象，对管网产生较大的冲击，容易对管道、阀门等造成破坏，额外增加了设备维修量和费用。

3 PLC原理及应用

中央空调冷冻系统的控制有三种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC（可编程序控制器）控制系统。继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。

PLC即可编程逻辑控制器，是以微处理器为核心，综合现代自动化技术、计算机技术、传统的继电器控制技术和通信技术的一种新的技术形式，是一种新型的自动化控制装置。对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。

4 变频节能改造措施

4.1 水泵变频调速的节能原理

由流体力学可知，水泵的流量Q与其转速n成正比，扬程H（输出压力）与其转速n的二次方成正比，输出功率P与其转速n的三次方成正比。由电机学可知，电动机的转速与电源的频率成正比，在不考虑机械传动部分能量损耗的条件下，可以推出水泵的输出功率P与电源频率f的三次方成正比。因此，降低电源频率，水泵的输出功率将快速下降。如将水泵电动机的电源频率由50Hz调为40Hz，理论上，频率40Hz与频率50Hz的输出功率之比为（40/50）=0.512，则水泵的节电率为[1-（40/50）]×100%=48.8%。

4.2 节能改造措施

中央空调各循环水系统的回水与出水的温度之差，反映了整个系统需要进行的热交换量。因此，根据回水与出水的温差来控制循环水的流量，从而控制热交换的速度，是首选的节能控制方法。利用PLC、变频器和温度模块组成温差闭环的自动控制系统，跟随回水与出水温差的变化，自动调节水泵的输出流量，实现节能的目的。

4.2.1 冷却水循环系统的定温差控制

由于系统中冷却泵功率为90kW，约占主机功率的40%，冷却水循环系统同时受室外环境温度和室内热负荷两个因素影响，循环水管道单侧的水温不能准确反映该系统的热交换量。因此，以出水与回水之间的温差作为控制室内温度是较为合理的节能方式。在外界环境温度不变的情况下，温差大，说明室内热负荷较大，应提高冷却泵的转速，增加冷却水循环的速度，反之，温差小则减小冷却泵转速。

4.2.2 冷冻泵水循环系统的控制

冷冻水的出水温度主要由主机的制冷效果决定的，通常比较稳定，所以冷冻回水温度可以准确地反映室内的热负荷情况。因此，对于冷冻水循环系统的节能改造，可以采用回水温度作为控制指标，通过变频器对冷冻泵流量的自动调节来实现对室内温度的控制。

5 系统节能改造设计

为了用户直观方便地使用，采用PLC、变频器、触摸屏组成的控制系统结构如图1所示。2台冷却泵M1、M2和2台冷冻水泵M3、M4的转速控制采用变频节能改造方案。正常情况下，系统运行在变频节能状态，其上限运行频率为50Hz，下限运行频率为40Hz;当变频节能系统出现故障时，可以启动原水泵的控制回路使电动机投入工频运行;在变频节能状态下可以自动调节频率，也可以手动调节频率，每次的调节量为0.5Hz。冷冻水泵（或冷却泵）之间可以进行手动轮换。

5.1 系统硬件设计方案

根据冷却泵M1主电路原理图，接触器KM2为M1的变频接触器，当KM2接通后，M1进入变频节能运行状态，接触器KM1为M1的工频接触器，通过KM1可启动原水泵的控制电路使其投入工频运行;而冷却泵M2主电路原理图与M1相似，接触器KM4、KM3依次为冷却泵M2变频接触器、工频接触器，两台冷却泵的变频接触器通过PLC控制，工频接触器通过继电-接触器系统控制，变频接触器和工频接触器之间采用电气联锁保护。

控制部分通过2个箔温度传感器（PT100）采集冷却水的出水和回水温度，然后通过与之连接的模拟量输入模块（温度采集模块）FX2N-4AD-PT，将采集的模拟量转換成数字量传送给PLC，经过PLC运算后，将运算的结果通过模拟量输出模块FX2N-2DA，将数字量转换为模拟量[0-10V（DC）]来控制变频器的频率，最终调节水泵的转速。出水和回水的温差大，则水泵的转速就大;温差小，则水泵的转速就小，从而使温差保持在一定的范围内（3.5-4℃），达到节能的目的。

5.2 控制系统的输入/输出分配及接线

根据系统控制要求，PLC选用FX2N-32MR型，模拟量输入模块选用FX2N-4AD-PT，模拟量输出模块选用FX2N-2DA，人机界面选用昆仑通态TPC7062KS型触摸屏，变频器选用三菱FR-E740型。

冷却泵的PLC控制输入/输出接线图如图2所示。

变频器的参数设置：Pr.1=50Hz（上限频率）、Pr.2=40Hz（下限频率）、Pr.7=3s（加速时间）、Pr.8=5s（减速时间）、Pr.73=0（D/A模块输出电压给变频器端子2、5的输入电压为0-10V）、Pr.79=2（固定为外部运行模式）。

5.3 人机界面画面的制作与操作

组态画面各元件对应的PLC地址，如表2所示。

利用MCGS组态软件，制作的人机界面欢迎画面、操作画面和监视画面如图3所示。

中央空调系统节能改造以后，其运行控制是在触摸屏上操作相应画面实现的，该控制系统的触摸屏3个操作画面如图3所示。系统上电后触摸屏上显示的欢迎画面如图3（a），在该画面上触摸“操作画面”按钮，进入操作画面如图3（b），此时，通过触摸切换开关“手动/自动”可选择手动和自动运行方式。假如，当前需进行手动操作，将切换开关打到手动位置（左边），然后根据运行实际情况的需要在触摸屏上触摸相应的按钮即可实现操作，操作完成后，触摸“切换到监视”按钮即进入运行监视画面如图3（c），该画面上会实时显示当前系统运行的相关数据。

5.4 控制程序设计

控制程序组成：冷却水出回水温度检测及温差计算程序、D/A转换程序、手动调速程序、自动调速程序和变频器、水泵启停报警的控制程序。

冷却泵出回水温度检测及温差计算程序可知，CH1通道为冷却水回水温度（D20），CH2通道为冷却水出水温度（D21），D25用于寄存冷却水出回水温差。

D/A转换程序。进行D/A数模转换的数字量存放在数据寄存器D1010中，它通过FX2N-2DA模块将数字量转换成模拟量，由CH1通道输出给变频器，从而控制变频器的转速以达到调节水泵转速的目的。

手动调速程序，M22为冷却泵手动转速上升，每按一次频率上升0.5Hz，M23为冷却泵手动转速下降，每按一次频率下降0.5Hz，冷却泵的手动/自动频率调整的上限都为50Hz，下限都为40Hz。

自动调整程序。因冷却水温度变化缓慢，温差采集周期4s比较符合实际情况。当温差大于4℃时，变频器运行频率开始上升，每次调整0.5Hz，直到温差小于4℃或者频率升到50Hz时才停止上升;当温差小于3.5℃时，变频器运行频率开始下降，每次调整0.5Hz，直到温差大于3.5℃或者频率下降到40Hz时才停止下降。这样，保证了冷却水出回水的恒温差（3.5-4℃）运行，从而达到了最大限度的节能。

变频器、水泵启停报警的程序，变频器的启、停、报警、复位，冷却泵的轮换及变频器频率的设定、频率和时间的显示等均采用基本逻辑指令控制。

6 结语

由上可见，中山医一院的中央空调系统通过变频节能技术改造后，取用了 PLC作为主控设备，变频器能够自动调控管道中水的流量，最终达到了设计的节能效果。在重新投入使用后结果说明比原运行更加节约能源，为企业带来了显著的经济效益。

参考文献：

[1] 孙明原.中央空调变频节能改造技术的分析与研究[M].大连理工大学，2012年.

（作者单位：广东重工建设监理有限公司）