PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用探析

陳怡塘

（廈門(mén)京閩能源實(shí)業(yè)有限公司，福建 廈門(mén) 362000）

0 前言

中央空調(diào)是由一個(gè)或多個(gè)冷熱源系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的電器系統(tǒng)。在近幾年工業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)中央空調(diào)電器進(jìn)入新一輪發(fā)展階段，銷(xiāo)量增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好。由智研咨詢(xún)發(fā)布的《2020—2026年中國(guó)中央空調(diào)行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力分析及投資前景趨勢(shì)報(bào)告》可知，我國(guó)中央空調(diào)總體銷(xiāo)量已突破千億元大關(guān)。在中央空調(diào)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的背景下，中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造愈發(fā)受到關(guān)注?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）、變頻器是中央空調(diào)節(jié)能改造主要用的技術(shù)設(shè)備。因此，探究分析PLC、變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用具有非常重要的意義。

1 中央空調(diào)節(jié)能改造前的運(yùn)行情況

在節(jié)能改造前，中央空調(diào)機(jī)組包括冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、主機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)3個(gè)部分，冷凍水循環(huán)系統(tǒng)主體為500Rt的美國(guó)開(kāi)利19XL5151455CQ離心式冷水機(jī)組2臺(tái)，每臺(tái)額定輸入功率410kW，總制冷量1000Rt，配套4臺(tái)75KW冷凍水泵；1臺(tái)230Rt的日立螺桿式冷水機(jī)組，額定輸入功率180kW，配套35kW冷卻凍泵1臺(tái)。空調(diào)主機(jī)為星形－三角形減壓?jiǎn)?dòng)模式。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主體為4座冷卻塔，每臺(tái)冷卻塔配置5kW風(fēng)機(jī)；2臺(tái)500Rt離心式冷水機(jī)組配套4臺(tái)75kW冷卻泵，230Rt螺桿式機(jī)組配套1臺(tái)35kW冷卻水泵?？偣├浣ㄖ娣e為5萬(wàn)平方米，地下2層，地上裙樓4層，主樓部分為28層，副樓部分為17層，年空調(diào)系統(tǒng)耗電約1700000kW·h.

在運(yùn)行過(guò)程中，冷卻泵、冷凍泵電動(dòng)機(jī)全年速度恒定，受繼電器－接觸器控制，回出水溫差在5℃內(nèi)。由于最大負(fù)載按天氣最熱、負(fù)荷最大的最不利狀況確定，因此實(shí)際系統(tǒng)多數(shù)處于部分負(fù)荷狀態(tài)下，電能消耗較大。加之傳統(tǒng)繼電器－接觸器控制模式下，水泵啟動(dòng)/停止環(huán)節(jié)水錘現(xiàn)象出現(xiàn)概率較大。即水輸送過(guò)程中流速突然變化且壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)中管道、閥門(mén)造成了沖擊性破壞，導(dǎo)致中央空調(diào)維修成本大大上升。

2 PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用思路

變頻器是輸出頻率可調(diào)整的交流電力拖動(dòng)設(shè)備，可以經(jīng)大功率整流將供給電機(jī)定子的三相交流工頻電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，進(jìn)而借助正弦波脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)將直流電逆變?yōu)轭l率與幅度可調(diào)的三相交流電。通過(guò)將變頻器增設(shè)到水泵上，可以根據(jù)水流量跟隨平穩(wěn)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)從電網(wǎng)中吸收的電能，實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能。在變頻調(diào)速應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)電機(jī)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速要求，改造操作者可以去除全部管道的繼電器，而是將變頻器裝設(shè)到冷凍泵與冷卻泵的適當(dāng)位置，便于根據(jù)日間多階段冷量要求自適應(yīng)運(yùn)行。

在將變頻器裝設(shè)到中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)后，以PLC為控制核心，經(jīng)光電隔離完成全部起停、保護(hù)信號(hào)向PLC輸入映像寄存器傳輸。在基于PLC的控制模式中，全部時(shí)間繼電器、中間均須去除，并借助專(zhuān)業(yè)編程軟件對(duì)PLC進(jìn)行梯形圖編程，在控制線路一定的情況下，實(shí)現(xiàn)變頻器的啟動(dòng)/關(guān)?？刂?。輸入輸出接線圖如圖1所示。

如圖1所示，冷卻泵啟動(dòng)020、冷凍泵啟動(dòng)021、冷卻泵停止022、冷凍泵停止023、冷卻泵故障024、冷凍泵故障025分別與I0.0、I0.1、Q0.0、Q0.1、I0.3、I0.4相連接。1#變頻器故障信號(hào)024、2#變頻器故障信號(hào)025則分別與I1.0、I1.2相連接?；赑LC和變頻器的中央空調(diào)節(jié)能控制方案通信接口較強(qiáng)大，可與上位電腦連接，滿(mǎn)足未來(lái)聯(lián)網(wǎng)控制要求。

圖1 輸入輸出接線圖

3 PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用方案

3.1 硬件配置

鑒于當(dāng)前PLC規(guī)格類(lèi)型多樣，功能差異較大，為達(dá)到溫度手動(dòng)、自動(dòng)控制要求，可以根據(jù)可靠性高、性?xún)r(jià)比優(yōu)、功能適宜的原則，將FX2N16EX作為主機(jī)，配合VFD-B系列變頻器和DEWE2-M7S鉑電阻溫度采集模塊、CompactDAQ溫度模擬量特殊輸入模塊以及Pro-face接觸器、LA45-A電器按鈕，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

該案例的制冷站改造時(shí)，在保留原有控制設(shè)備的同時(shí)增加了PLC控制柜，選擇FX2N16EX型號(hào)PLC控制器作為主控設(shè)備，選用Pro-faceSP5000觸摸屏為輔助控制裝置。配置VFD-B系列75kW變頻器4臺(tái)，75kW冷凍、冷卻水泵各配置2臺(tái)，配置VFD-B系列35kW變頻器2臺(tái)，35kW冷凍、冷卻水泵各配置1臺(tái)。DEWE2-M7S鉑電阻溫度采集模塊4套，冷凍、冷卻水主管道各安裝1套。

FX2N16EX型號(hào)PLC控制器是一種廣泛應(yīng)用的可編程邏輯控制器，擴(kuò)展功能豐富、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力突出，且具備極高的可讀性、實(shí)時(shí)內(nèi)置集成性與通信能力?？刂破靼≧UN、STOP、TERM三種工作模式。在RUN工作模式下，CPU將執(zhí)行與控制要求相關(guān)的用戶(hù)程序，實(shí)現(xiàn)功能控制；在STOP工作模式下，可完成PLC內(nèi)用戶(hù)程序、硬件設(shè)置裝設(shè)以及編程軟件計(jì)算機(jī)通信；在TERM模式下，PLC會(huì)開(kāi)展自由口通信管控。主機(jī)技術(shù)指標(biāo)中用戶(hù)程序區(qū)CPU為8KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)CPU為5KB，主機(jī)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為24/16，模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為32/32，1條指令掃描時(shí)間為0.37μs，最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為256，位存儲(chǔ)區(qū)與定時(shí)器、計(jì)數(shù)器點(diǎn)數(shù)為256，時(shí)鐘功能為內(nèi)置，數(shù)字量輸入濾波與模擬量輸入濾波為標(biāo)準(zhǔn)，高速計(jì)數(shù)器為6個(gè)30kHz。

VFD-B系列變頻器由微控制程序與專(zhuān)用脈寬調(diào)制，降噪效果顯著，且安裝便捷、響應(yīng)迅速、適應(yīng)性強(qiáng)。變頻器內(nèi)涵多個(gè)模擬量輸出端口、繼電器輸出端口與帶隔離數(shù)字量輸出端口，可實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)、接地故障保護(hù)與過(guò)壓/欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、參數(shù)聯(lián)鎖等。

Pro-face觸摸屏是PLC正?？刂葡到y(tǒng)的輸入輸出端，具有廣泛連接性，抗震、高亮、寬溫、防水防塵，可同時(shí)作為數(shù)據(jù)中心與控制終端應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，中央空調(diào)Proface觸摸屏顯示內(nèi)容包括巡檢點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)溫度、室內(nèi)設(shè)置溫度、風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行、風(fēng)機(jī)中速運(yùn)行、風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行、啟動(dòng)/停止、溫度上升/下降等。

需要注意的是，Pro-faceSP5000觸摸屏通信含RS-232口、RS-422口，前者用于PC端，后者用于PLC、變頻器通信，在從DEWE2-M7S采集模塊到FX2N16EX型號(hào)PLC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出模塊的電線連接應(yīng)盡可能選擇雙絞屏蔽電纜，并與接地端連接，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)應(yīng)對(duì)溫度、電流電壓模擬量進(jìn)行操作，由PLC電源接口提供24V直流電，由溫度變送器將檢測(cè)的冷卻水進(jìn)回水溫度、冷凍水出回水溫度分別傳送到模擬量輸入模塊、PLC控制中心，進(jìn)而由變頻器接收模擬量，輸入模塊處理后，數(shù)據(jù)控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。而在底層硬件電路中，則采用三相380V交流供電，每一個(gè)供電段均配置含指示功能的自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)，在顯示水泵運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)允許根據(jù)接觸式開(kāi)關(guān)進(jìn)行水泵的啟動(dòng)/停止，滿(mǎn)足設(shè)備維護(hù)狀態(tài)下低層冷凍泵變頻運(yùn)行要求。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

基于PLC和變頻器的中央空調(diào)節(jié)能改造方案的中心是數(shù)據(jù)傳輸，包括DEWE2-M7S鉑電阻溫度采集、FX2N16EXPLC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出以及Pro-faceSP5000觸摸屏。為了滿(mǎn)足Pro-faceSP5000觸摸屏溫度參數(shù)值自動(dòng)/手動(dòng)設(shè)定，可以由DEWE2-M7S出發(fā)，經(jīng)Port口將數(shù)據(jù)傳輸給風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻器數(shù)字量控制端。進(jìn)而借助風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻器數(shù)字量控制端RH、RL與RM模塊進(jìn)行超溫報(bào)警、風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度數(shù)據(jù)接收控制。最后經(jīng)PLC內(nèi)部計(jì)算傳遞給DEWE2-M7S并顯示。其中Port口主要采用DEWE2-M7SPLC自帶的PPI串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并在關(guān)閉接收中斷的基礎(chǔ)上，每間隔100ms發(fā)送一次溫度數(shù)據(jù)、接收1次終端數(shù)據(jù)，完成1組數(shù)據(jù)接收/發(fā)送后，進(jìn)行第二組數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收，同時(shí)進(jìn)行中斷程序處理。

整個(gè)過(guò)程中涉及的通信協(xié)議為通用串行接口協(xié)議（Universal Serial Interface Protocol，USS），為主從接口，由USS總線搭載1個(gè)主站、31個(gè)從站，從站地址唯一，主站可以根據(jù)從站地址發(fā)送報(bào)文，從站則可做出響應(yīng)。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，PLC可作為主站，以輪詢(xún)的形式訪問(wèn)各從站地址，變頻器則作為從站，根據(jù)主站指令產(chǎn)生應(yīng)答。根據(jù)工控要求，技術(shù)人員可以根據(jù)用戶(hù)手冊(cè)進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置，參數(shù)及對(duì)應(yīng)含義如下。

表1 基于USS協(xié)議的通信參數(shù)及含義

在PLC總控柜程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行主控PLCI/O分配。如I0.0為冷卻泵啟動(dòng)，Q0.0為變頻器故障切換信號(hào)，I0.1為冷凍泵啟動(dòng)，I0.2為變頻器故障指示信號(hào)，I0.3為冷卻泵停止，Q0.2為冷凍泵變頻工作信號(hào)等。同時(shí)應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)器地址及功能進(jìn)行明確，如VD108為傳感器反饋電壓值，T33為關(guān)斷變頻脈沖信號(hào)，M0.0/M0.1為初始化完成標(biāo)志位等。

在輸入輸出信號(hào)與存儲(chǔ)器地址分配完畢后，工程師可以借助STEP7-Micro/WIN32編程軟件，書(shū)寫(xiě)主控程序，促使PLC從DEWE2-M7S外部采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)部?jī)?chǔ)存器。進(jìn)而經(jīng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存器完成數(shù)據(jù)四則運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果傳遞給變頻器，為溫度幅值控制提供依據(jù)。

在運(yùn)行控制過(guò)程中，PLC的Y001、Y000、Y002分別控制變頻器的RL、RH、RM數(shù)字輸入端子，并從DEWE2-M7S模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出模塊采集數(shù)據(jù)（-10℃～60℃），將采集的數(shù)據(jù)放入指定的存儲(chǔ)器內(nèi)[4]。同時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)換后溫度數(shù)據(jù)平均值與采集值之間差值，將差值存入存儲(chǔ)器，便于在采樣溫度上升或下降時(shí)進(jìn)行冷凍水泵、冷卻水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的控制。在部分負(fù)荷運(yùn)行的情況下，通過(guò)控制水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，調(diào)節(jié)冷量的供應(yīng)量，便于空調(diào)主機(jī)能及時(shí)卸載，以盡可能地降低電力資源損耗量，有效避免了“大馬拉小車(chē)”導(dǎo)致能耗的浪費(fèi)。一般情況下，在設(shè)備接通電源時(shí)，冷凍、冷卻水泵控制標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度差值在5℃以上，變頻器控制水泵電機(jī)全速運(yùn)行。當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差值小于5℃但大于3℃時(shí)，變頻器控制水泵電機(jī)中速運(yùn)行。當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相差值小于等于3℃時(shí)，變頻器控制水泵電機(jī)低速運(yùn)行。但是，為規(guī)避水泵電動(dòng)機(jī)速度變換過(guò)于頻繁而導(dǎo)致的電機(jī)運(yùn)行失穩(wěn)甚至元器件受損，應(yīng)在恰當(dāng)選取室內(nèi)溫度反饋檢測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上結(jié)合水泵的運(yùn)行負(fù)荷，控制溫度變換幅度在3℃以?xún)?nèi)。

4 PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用效果

4.1 節(jié)能效果

由離心泵的相似定律可知，泵流量與頻率成正相關(guān)，泵揚(yáng)程與頻率的二次方成正相關(guān)，水泵功率與頻率的三次方成正相關(guān)。此時(shí)，通過(guò)了解不同頻率下的節(jié)能率以及閉環(huán)PID（比例Proportion－積分Integral－微分Differential）算法下的流量、功率、功率比例度，就可以分析PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用效果。具體見(jiàn)表2。

表2 不同頻率下的中央空調(diào)控制器參數(shù)與節(jié)能率

由表2可知，在閉環(huán)PID算法中，流量、轉(zhuǎn)速、功率均為被控制量，其比例度與節(jié)能率存在較大關(guān)系。通過(guò)變頻器將泵流量與轉(zhuǎn)速比例度均設(shè)定為60%，功率比例度設(shè)定為21.7%，則節(jié)能率達(dá)到最高，為78.3%。而經(jīng)變頻調(diào)速后中央空調(diào)節(jié)能效果較為顯著，節(jié)能率顯著提升。表明利用PLC和變頻器調(diào)速可以促使中央空調(diào)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，降低溫度變化幅度，減少電力能源損耗。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)中央空調(diào)和變頻器節(jié)能改造前資料可知，該制冷站改造前年空調(diào)系統(tǒng)耗電約1700000kW·h，通過(guò)節(jié)能改造增加PLC控制設(shè)備、變頻器及配套的控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化，改造共投入約14萬(wàn)元。投入使用后年用電量下降約6%，每年可節(jié)約用電約102000kW·h，按平均電價(jià)0.7元/kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)用支出約7.14萬(wàn)元，兩年便可收加改造成本。改造案例表明通過(guò)PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用，可以有效降低中央空調(diào)運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。

5 總結(jié)

綜上所述，基于PLC和變頻器的中央空調(diào)節(jié)能改造方案節(jié)電效果較為顯著，可以對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)/制動(dòng)，降低啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)、電網(wǎng)的沖擊，且電機(jī)溫升幅度較小，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平滑運(yùn)行。因此，在中央空調(diào)節(jié)能改造過(guò)程中，技術(shù)人員可以PLC控制為核心，將變頻器安裝到冷凍水循環(huán)系統(tǒng)與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的恰當(dāng)位置，搭建軟啟動(dòng)控制框架，降低水錘現(xiàn)象發(fā)生概率，提高中央空調(diào)運(yùn)行效益。