基于PLC與變頻器的節(jié)能控制系統(tǒng)應用探討

楊 雪

YANG Xue

（遼寧機電職業(yè)技術學院，丹東 118000）

0 引言

中央空調是一個不可缺少的基礎設施，在很多的大型建筑物中，通過主機控制不同房間的不同溫度。給人們帶來四季如春的感覺，使人們的生活和辦公更加的舒適。中央空調作為重點的能耗設備，耗電量占整座建筑耗電量的一半左右，由于中央空調系統(tǒng)設計是根據最大負荷和增加一定的余量設計，在一年的實際工作中全負荷運轉最多只有十多天，甚至10多個小時，幾乎大部分時間負載低于70%運行。通常冷凍主機可以自動調節(jié)的季節(jié)性溫度變化。但是與它匹配的冷卻泵、冷凍泵不能自動調整負載，幾乎100%負荷下運行了很長時間，導致浪費能源，使中央空調的運行質量和運行的環(huán)境下降。

隨著變頻技術越來越成熟，使用變頻器結合PLC模塊及傳感器模塊，形成一個閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調節(jié)泵的輸出流量，為系統(tǒng)節(jié)能提供了一個可靠的方法。

1 中央空調的組成及原理

中央空調的原理如圖1所示，它由五部分組成：

制冷主機：制冷主機通過制冷劑在壓縮機作用下快速使循環(huán)水的溫度凍結(通常主機制冷溫度約為7℃為中央空調冷源)，通過冷凍水泵傳入空調房間。

冷凍水泵：制冷劑冷卻的水溫度達到，通過節(jié)流閥，溫度變得更低，水將冷溫帶走稱為冷凍水。冷凍水帶走冷溫后，再到空調系統(tǒng)的末尾（如空調機組、風機管盤等）與空氣換熱，溫度升高后在回到了冷水機組內帶走冷溫，這樣形成一個冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)上的泵稱為冷凍水泵。

冷卻水泵：制冷劑循環(huán)的制冷，溫度上升通過壓縮機。用水降低溫度稱為冷卻水。制冷主機產生的熱量由冷卻水通過冷卻水泵帶走，熱量轉移到空氣通過冷卻塔，在循環(huán)形成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

冷卻塔：冷卻塔是利用水和空氣接觸，蒸發(fā)制冷主機余熱產生的裝置。把溫度較高的水，通過冷卻水泵送到冷卻塔，通過冷卻塔噴頭，讓水流從上到下，一方面，通過自然空氣帶走熱量，另一方面，加速運動，帶走熱量通過空氣同時加快蒸發(fā)，讓水溫度降低。溫度降低冷卻水循環(huán)進入制冷主機了，帶走主機余熱，進行循環(huán)。

風機盤管：風機盤管空調系統(tǒng)是由一個風扇和盤管組成的機組直接在房間里，當工作時盤管根據需要流動的熱水或冷水，風機吸入室內空氣，過濾后經盤管冷卻或加熱后再次回到室內，如此循環(huán)調節(jié)室內溫度和濕度。

圖1 中央空調的原理圖

工作的過程就是能量轉換的過程，運行的理想狀態(tài)是：在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，在凍冷凍水的作用下，在蒸發(fā)器中交換，熱吸收冷卻到7℃被發(fā)送到終端風機和風機盤管空調風機，由冷卻器熱吸收，室內空氣溫度上升為12℃，通過冷凍泵形成一個封閉的循環(huán)主機蒸發(fā)器。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，冷卻泵冷卻水流經冷凍機，凝汽器吸熱溫度達到37℃被送到冷卻塔，在風扇散熱到32℃由冷卻泵再次送到主機，形成一個循環(huán)。

2 系統(tǒng)的節(jié)能方案

針對中央空調的原理及問題的提出，有以下四種改造方案：

1）通過關水閥來控制流量，經測試不能滿足節(jié)能的效果?？刂撇缓脮е吕鋮s水末端壓力低，高層的用戶造成溫度過高，往往會導致更少的冷卻水流量，溫度偏高，因為沒有冷卻水冷卻。

2）根據制冷時間主機間歇停機，但當負載較輕的時候，重新開啟主機，主機負荷較大，實際上并不省電，冷熱不均，環(huán)境不舒適。

3）使用變頻器調速，通過手動調整，根據負載進行頻率調整，這種方法人為因素較大，雖然投資小，但不能達到最大節(jié)能效果。

4）使用變頻器結合PLC模塊及傳感器模塊，形成一個閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調節(jié)水泵運行頻率根據負載大小，人為誤差因素被消除。盡管一次投入的成本較高，但這種方法已被廣泛應用，高效節(jié)能的方法已被證明是可行的。

通過分析我們選擇第4種方案改造冷凍泵和冷卻泵。在中央空調系統(tǒng)設計、制冷、冷卻泵能力采取最大負載容量增加10%～20%余量作為設計安全系數。據統(tǒng)計，冷凍水、冷卻水循環(huán)電力消耗約占12%到24%，冷凍主機低負荷運行，冷卻水，冷卻水循環(huán)利用率為30%～40%。冷凍水、冷卻水循環(huán)改造是節(jié)能的重要組成部分。

實現節(jié)能方案同時考慮控制成本，原電氣設備盡可能利用上。冷凍水泵和冷卻水泵都采用兩用一備的操作模式，由于轉換時間備用泵和空調主機在同一時間，轉換時間為一個月一次，開關頻率不高，決定主開關控制使用原來的電氣設備，通過接觸器，停止按鈕，開關切換到電氣和機械聯鎖。確保每個泵只有一個變頻器拖動，避免兩個變頻器拖動同一泵在同一時間造成短路事故;每個逆變器只能拖動一個泵在任何時候，以避免變頻器拖動兩個泵而過載。圖2和圖3為冷凍水泵一、二次接線圖。冷卻水泵接線圖與冷凍水泵接線圖同理。

圖2 冷凍水泵一次接線圖

3 系統(tǒng)的控制

3.1 冷凍水系統(tǒng)控制

圖3 冷凍水泵二次接線圖

冷凍水系統(tǒng)是一個最為關鍵的循環(huán)在中央空調控制中，我們之所以使用中央空調是為了調整室內空氣溫度，所以一定要保證供應冷凍水系統(tǒng)合適的冷(熱)量。根據空調專業(yè)人員多年來的研究，冷凍水出口溫度保持在7℃，冷卻水回水溫度在12℃，在最節(jié)能狀態(tài)，所以首先，我們設置了水溫度和回水溫度，并設置好回水和出水溫差為5℃，PLC主機通過FROM指令讀取實時模擬輸入模塊AD1#CH0、AD1 CH1、AD1CH2，AD1#CH3溫度，實際的回水溫度減去實際的出水溫度，進行PID控制對他與實際的溫度差異。PID控制圖如圖4。PLC與變頻器的控制圖如圖5所示。

3.2 冷卻水系統(tǒng)控制

冷凍水系統(tǒng)是其中最關鍵的循環(huán)在中央空調控制中，必須確保正常工作的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)主機才能正常的工作，否則冷卻主機產生余熱不能分散，導致熱保護動作，從而冷卻主機停機。根據專業(yè)人員多年研究，水的溫度在37℃冷卻水，冷卻水回水溫度在32℃，是最節(jié)能狀態(tài)，所以首先，我們設置好回水和出水溫差為5℃，設置出水溫度為5℃，PLC主機通過FROM指令實時讀取模擬輸入模塊AD2 # CH0，AD2 # CH1溫度，實際的回水溫度減去實際的出水溫度，進行PID控制對他與實際的溫度差異。

圖4 PID控制圖

圖5 PLC與變頻器控制圖

4 結論

通過PLC與變頻器控制，中央空調系統(tǒng)的水、風系統(tǒng)功耗可以減少30%～60%，可以使主機系統(tǒng)節(jié)電10%以上，整體系統(tǒng)節(jié)能可達40%。用戶可以運行設備幾個周期后，可以在節(jié)省的電費中收回投資成本。所以應用變頻節(jié)能中央空調控制系統(tǒng)不僅具有良好的經濟效益，還可以節(jié)省能源消耗，有利于環(huán)境保護。

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