基于PLC 和变频器的中央空调循环水节能系统的综合控制

白 银

（宿州职业技术学院，安徽 宿州 234000）

引言

中央空调的系统如图1 所示由冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、房间风机盘管、压缩机和冷凝器等组成[1]。冷冻水循环系统如图1 右半部分，在压缩机的作用下，冷冻水经过冷凝器和冷冻泵后水温降低压力增大，冷却水经过冷却泵流入房间风机盘管使房间温度降低，之后流入冷冻机组完成冷冻水回路的一个周期。冷却水循环工作示意图如图1 左半部分，机组释放的热量被冷却水吸收使水温增高然后再经由冷却泵流入冷却塔，冷却塔内的冷却水与大气接触后又使水温降低流回冷冻机组，至此冷却水回路的一个周期结束。

图1 中央空调循环水系统工作过程示意图

在气温最高、负载最大的情况下空调的最大负载能力会很充裕，但这情况出现的概率比较小。一般情况下空调设备在工作时大多都是在70%左右的负荷下。为了确保工作状态的稳定性和工作效率的高效性，在对冷气需求量要求不高时空调系统可以根据负载的变化自动加载或卸载，但冷却、冷冻水泵如果仍在强大的负荷下运行会有很大的能量损耗且还会引起一些问题和弊端。

循环水系统水流量太大不仅会导致循环水系统工作环境变得越来越差，还会使循环水的温差降低，最主要的是主机交换热量效率的大大降低可以避免不必要的电能损失，除此之外还会加大阀门上的能量损耗，因为冷却冷冻水流量的调节是通过调整管道上的阀门开关来控制的。由于启动电流大会引起供电系统的不稳定，所以水泵电机的启动采用星型—三角形降压启动方式。

1 调速节能原理分析

中央空调节能的改造是融入了交流变频技术，通过设置变频器参数控制水泵工作。如图2 所示为水泵的扬程与流量的曲线图，从图中可以看到两种状态下扬程与流量（H-Q）关系，一是调节阀门时扬程与流量的关系，一是用变频器调速时扬程与流量的关系[2]。曲线1、2 分别为：泵在转速v1、v2下的扬程与流量特性图，曲线3、4 分别为阀门关小和阀门正常时的管阻特性图。

图2 扬程-流量（H-Q）的关系曲线

图3 水泵主电路原理图

水泵是一种平方转矩负载，流量Q与转速v的关为：Q1/Q2=v1/v2；扬程H与转速v的关系为：

由上式可知，水泵流量与转速、水泵扬程与转速的二次方都是正比关系。水泵被驱动时，电动机的轴功率P（kW）计算公式如下：

公式（1）中，P为电动机的轴功率（kW），ρ为液体的密度（kg/m3），Q为流量（m3/s），g为重力加速度（m/s2），H为扬程（m），vc为传动装置效率，vf为泵的效率。

由上式可知，泵的轴功率与流量、扬程成正比，因此泵的轴功率与其转速的3 次方成正比，即：

2 节能技术方案分析

2.1 控制原理分析

在冷冻水循环系统中，PLC 通过温度传感器和模拟量模块读取出水、回水温度，再由回水、出水的温差值控制变频器的转速来达到调节水流量和控制交换热量的速度的目的[3]。由于室内温度比较高时室内温差就会比较大此时需增大水泵的转速，这样可以通过加快冷冻水系统的循环速度来加快热量交换的速度使得室温下降。相反如果室内温度比较低时室内温差就会比较小此时需减小水泵的转速，这样可以通过减小冷冻水系统的循环速度来放慢热量交换的速度，防止热量流失做到节约用电。

和冷冻水循环系统一样冷却水循环系统也通过温度传感器和模拟量模块读取进出水温度，再由进、出水的温差控制变频器的转速来达到调节水流量和控制交换热量速度的目的[4]。在冷却水系统中用进、出水温差来控制进、出水的恒温差，如果温差大则机组产生的热量多需提升水泵的转速来提高循环水系统的循环速度以降低机组的热量；相反如果温差小则机组产生的热量就少需通过降低水泵转速来减慢循环水系统的循环速度。

但是由于夏季天气炎热，用冷却水出水和进水的温差进行控制在一定程度上是不能满足需求的，因此在气温高（即冷却水进水温度高）的时候，使用冷却水出水水温来控制调速，在气温低时自动返回温差控制调速来达到最佳节能模式。

2.2 技术方案分析

根据上述的控制原理，采用PLC 技术和变频器技术改造循环水系统可采用如下2 套节能技术方案[5]。

方案1：半变频方案即正常运行的2 台电动机，1 台工频工作1 台变频工作并且可以轮流轮换工作如图4 所示。其特点是可以节约投资费用，但节能节电效果不如方案2 的全变频运行。

图4 一台工频、一台全变频方案

方案2：全变频方案即正常工作的两台电动机均采用变频工作方式，如图5 所示，其特点是投资费用略高，但节能效果十分明显。

图5 两台全变频方案

3 软件设计

3.1 设计思路

根据系统整体控制要求设计的水泵主电路如图5。其中一个回路由KM1、KM2 交流接触器连接变频器和水泵M1、M2，线圈得电时水泵的变速由变频器控制；另一路KM3、KM4 交流接触器直接控制水泵M1、M2。不论是变频电路还是工频电路相互之间必须有电器互锁[7]保护。

控制电路连接两个温度传感器进行进出水温度采样，再通过4AD 特殊功能模块把采集的温度值转换成数字量传送给PLC 进行运算，把最终计算数值通过2DA 模拟量模块将数字量转换成电压信号（DC0～10V）来控制变频器的转速。进出水的温差与水泵电机的转速有关，电机转速越大温差越大，反之水泵转速越小温差越小，所以温差可以始终保持在4.5 ℃到5 ℃之间[6]。

3.2 地址分配与变频器参数设置

PLC 选用的是三菱FX2N 系列，PLC 与触摸屏的软元件分配表见表1。

表1 三菱PLC、触摸屏软元件分配表

变频器选用的是三菱FR-E740-1.5K 型，其参数设定见表2。

表2 变频器参数设定

3.3 触摸屏人机界面设计

使用MCGS 组态软件设计中央空调循环水节能系统的操作界面和监视界面如图6 所示，左图是系统操作界面由10个按钮开关组成，有手动/自动方式选择开关，启动、停止开关，电机选择开关，手动加减速开关，变频器复位开关和界面的切换开关。右图是系统监视界面，可以实时监测到进出水温度、温差，运行时间及报警信号。

图6 中央空调循环水节能系统的组态界面

3.4 外部接线及调试

外部接线如图7 所示。接好线后，进行参数设定、程序输入、连接好触摸屏和PLC，然后分三步进行调试即手动调速调试、自动调速调试和空载调试[8]。手动调速需调节连接变频器的模拟量模块的零点和增益，把D1 000 的当前值设置为2 400 或4 000 其相应的输出频率值即为30 Hz 和50 Hz；增益设置使D1 000 每次增加或每次减少40 时观察变频器的输出值，会发现频率值相应的向上或向下变化0.5 Hz。手动调速完成后把2 个温控传感器放入不同温度的水中进行自动调速调试，观察变频器界面的输出显示结果，如果出水温差变化与变频器输出的频率值有出入就进行进出水温度值修正。空载即不接负载，分别在手动和自动调速情况下对可编程控制器、变频器和特殊功能模块进行调试并观察现象。

图7 中央空调循环水节能系统的PLC 外部接线图

4 结论

通过对中央空调系统调速节能分析、对技术方案的分析和计算比较最终设计了全变频PLC 控制程序。技术改造后冷却泵和冷冻泵的机械部件的磨损减少，使其使用寿命得到延长，维护周期也得以延长使得经济效益得到一定改善。变频器技术的应用降低了电动机的噪声和温升使工作效率大大提高，其软启动方式有效地抑制了启动电流并避免了水泵启动时由于电流太大对其他设备的冲击，自动化水平提高，故障率降低，提高了中央空调设备运行的安全性和可靠性。