PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用

黎民樂

【摘?要】中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)過節(jié)能改造之后能有效減少電能的損耗。本文以中山醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)為例，通過分析傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)運行方式，說明了在運行中會出現(xiàn)耗電能高、易損壞等的問題，給出了對中央空調(diào)系統(tǒng)用PLC或DDC來進行節(jié)能改造，建造了新的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在重新投入運行后，較以前有了很好的節(jié)能效果。

【關(guān)鍵詞】中央空調(diào);PLC;控制系統(tǒng);節(jié)能改造

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷增長，許多大型建筑通常都會使用中央空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部的溫度。但是，傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時規(guī)定了其在運行的時候不能按照四季的變化來調(diào)節(jié)自身的負荷，這樣就大大地增加了中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電量。如何對其進行節(jié)能改造來達到節(jié)能減排的目的成為了人們需要解決的問題。下面結(jié)合某實例來進行討論分析。

2 原中央空調(diào)系統(tǒng)概況

2.1 系統(tǒng)組成

中山醫(yī)附屬第一醫(yī)院中央空調(diào)機組系統(tǒng)，主要由3部分組成：（1）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、（2）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、（3）主機。其主要設(shè)備為200kW水冷冷水機組，單機制冷量400USRT、25kW冷凍水泵2臺、35kW冷卻泵2臺，電動機均采用星形-三角形減壓啟動。冷卻塔3座，每座配有風(fēng)機1臺，電動機額定功率為5.0kW，采用直接啟動。

2.2 系統(tǒng)運行狀況

該大樓冷卻泵和冷凍泵電動機全年均以恒速運行，冷卻水和冷凍水回出水溫差都約為2℃，采用繼電-接觸器控制。

原系統(tǒng)的最大負載是按最不利狀況（即天氣最熱、負荷最大的條件）來確定的，并留有一定的余量，但實際上系統(tǒng)很少在這種極限條件下運行，1年中只有幾個月時間及每天只有白天的時間中央空調(diào)處于最大負荷。這樣中央空調(diào)系統(tǒng)大部分時間都是運行在部分負荷狀態(tài)下，也會增加系統(tǒng)的電能消耗。

由于原系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制，水泵在啟動和停止時，會出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，對管網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊，容易對管道、閥門等造成破壞，額外增加了設(shè)備維修量和費用。

3 PLC原理及應(yīng)用

中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)的控制有三種控制方式：早期的繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器DDC以及PLC（可編程序控制器）控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高，系統(tǒng)復(fù)雜，功耗高等明顯的缺點已逐漸被人們所淘汰，直接數(shù)字式控制器DDC雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展。但由于DDC其本身的抗干擾能力問題和分級分步式結(jié)構(gòu)的局限性而限制了其應(yīng)用范圍。相反，PLC控制系統(tǒng)以其運行可靠、使用與維護均很方便，抗干擾能力強，適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這些顯著的優(yōu)點使其逐步得到廣泛的應(yīng)用。

PLC即可編程邏輯控制器，是以微處理器為核心，綜合現(xiàn)代自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新的技術(shù)形式，是一種新型的自動化控制裝置。對于傳統(tǒng)的繼電器電路來說，它難以實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的和數(shù)字式控制，而且要實現(xiàn)一定規(guī)模的邏輯控制功能不僅設(shè)計繁瑣，難以實現(xiàn)升級，并易發(fā)故障，維修復(fù)雜，現(xiàn)在已被大中型設(shè)備的控制系統(tǒng)所拋棄。而PLC正被廣泛的應(yīng)用并且已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。

4 變頻節(jié)能改造措施

4.1 水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理

由流體力學(xué)可知，水泵的流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比，揚程H（輸出壓力）與其轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，輸出功率P與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。由電機學(xué)可知，電動機的轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，在不考慮機械傳動部分能量損耗的條件下，可以推出水泵的輸出功率P與電源頻率f的三次方成正比。因此，降低電源頻率，水泵的輸出功率將快速下降。如將水泵電動機的電源頻率由50Hz調(diào)為40Hz，理論上，頻率40Hz與頻率50Hz的輸出功率之比為（40/50）=0.512，則水泵的節(jié)電率為[1-（40/50）]×100%=48.8%。

4.2 節(jié)能改造措施

中央空調(diào)各循環(huán)水系統(tǒng)的回水與出水的溫度之差，反映了整個系統(tǒng)需要進行的熱交換量。因此，根據(jù)回水與出水的溫差來控制循環(huán)水的流量，從而控制熱交換的速度，是首選的節(jié)能控制方法。利用PLC、變頻器和溫度模塊組成溫差閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)，跟隨回水與出水溫差的變化，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)節(jié)能的目的。

4.2.1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的定溫差控制

由于系統(tǒng)中冷卻泵功率為90kW，約占主機功率的40%，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時受室外環(huán)境溫度和室內(nèi)熱負荷兩個因素影響，循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準確反映該系統(tǒng)的熱交換量。因此，以出水與回水之間的溫差作為控制室內(nèi)溫度是較為合理的節(jié)能方式。在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內(nèi)熱負荷較大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增加冷卻水循環(huán)的速度，反之，溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速。

4.2.2 冷凍泵水循環(huán)系統(tǒng)的控制

冷凍水的出水溫度主要由主機的制冷效果決定的，通常比較穩(wěn)定，所以冷凍回水溫度可以準確地反映室內(nèi)的熱負荷情況。因此，對于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造，可以采用回水溫度作為控制指標，通過變頻器對冷凍泵流量的自動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。

5 系統(tǒng)節(jié)能改造設(shè)計

為了用戶直觀方便地使用，采用PLC、變頻器、觸摸屏組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2臺冷卻泵M1、M2和2臺冷凍水泵M3、M4的轉(zhuǎn)速控制采用變頻節(jié)能改造方案。正常情況下，系統(tǒng)運行在變頻節(jié)能狀態(tài)，其上限運行頻率為50Hz，下限運行頻率為40Hz;當(dāng)變頻節(jié)能系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以啟動原水泵的控制回路使電動機投入工頻運行;在變頻節(jié)能狀態(tài)下可以自動調(diào)節(jié)頻率，也可以手動調(diào)節(jié)頻率，每次的調(diào)節(jié)量為0.5Hz。冷凍水泵（或冷卻泵）之間可以進行手動輪換。

5.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

根據(jù)冷卻泵M1主電路原理圖，接觸器KM2為M1的變頻接觸器，當(dāng)KM2接通后，M1進入變頻節(jié)能運行狀態(tài)，接觸器KM1為M1的工頻接觸器，通過KM1可啟動原水泵的控制電路使其投入工頻運行;而冷卻泵M2主電路原理圖與M1相似，接觸器KM4、KM3依次為冷卻泵M2變頻接觸器、工頻接觸器，兩臺冷卻泵的變頻接觸器通過PLC控制，工頻接觸器通過繼電-接觸器系統(tǒng)控制，變頻接觸器和工頻接觸器之間采用電氣聯(lián)鎖保護。

控制部分通過2個箔溫度傳感器（PT100）采集冷卻水的出水和回水溫度，然后通過與之連接的模擬量輸入模塊（溫度采集模塊）FX2N-4AD-PT，將采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給PLC，經(jīng)過PLC運算后，將運算的結(jié)果通過模擬量輸出模塊FX2N-2DA，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量[0-10V（DC）]來控制變頻器的頻率，最終調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。出水和回水的溫差大，則水泵的轉(zhuǎn)速就大;溫差小，則水泵的轉(zhuǎn)速就小，從而使溫差保持在一定的范圍內(nèi)（3.5-4℃），達到節(jié)能的目的。

5.2 控制系統(tǒng)的輸入/輸出分配及接線

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，PLC選用FX2N-32MR型，模擬量輸入模塊選用FX2N-4AD-PT，模擬量輸出模塊選用FX2N-2DA，人機界面選用昆侖通態(tài)TPC7062KS型觸摸屏，變頻器選用三菱FR-E740型。

冷卻泵的PLC控制輸入/輸出接線圖如圖2所示。

變頻器的參數(shù)設(shè)置：Pr.1=50Hz（上限頻率）、Pr.2=40Hz（下限頻率）、Pr.7=3s（加速時間）、Pr.8=5s（減速時間）、Pr.73=0（D/A模塊輸出電壓給變頻器端子2、5的輸入電壓為0-10V）、Pr.79=2（固定為外部運行模式）。

5.3 人機界面畫面的制作與操作

組態(tài)畫面各元件對應(yīng)的PLC地址，如表2所示。

利用MCGS組態(tài)軟件，制作的人機界面歡迎畫面、操作畫面和監(jiān)視畫面如圖3所示。

中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造以后，其運行控制是在觸摸屏上操作相應(yīng)畫面實現(xiàn)的，該控制系統(tǒng)的觸摸屏3個操作畫面如圖3所示。系統(tǒng)上電后觸摸屏上顯示的歡迎畫面如圖3（a），在該畫面上觸摸“操作畫面”按鈕，進入操作畫面如圖3（b），此時，通過觸摸切換開關(guān)“手動/自動”可選擇手動和自動運行方式。假如，當(dāng)前需進行手動操作，將切換開關(guān)打到手動位置（左邊），然后根據(jù)運行實際情況的需要在觸摸屏上觸摸相應(yīng)的按鈕即可實現(xiàn)操作，操作完成后，觸摸“切換到監(jiān)視”按鈕即進入運行監(jiān)視畫面如圖3（c），該畫面上會實時顯示當(dāng)前系統(tǒng)運行的相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.4 控制程序設(shè)計

控制程序組成：冷卻水出回水溫度檢測及溫差計算程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、手動調(diào)速程序、自動調(diào)速程序和變頻器、水泵啟停報警的控制程序。

冷卻泵出回水溫度檢測及溫差計算程序可知，CH1通道為冷卻水回水溫度（D20），CH2通道為冷卻水出水溫度（D21），D25用于寄存冷卻水出回水溫差。

D/A轉(zhuǎn)換程序。進行D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存放在數(shù)據(jù)寄存器D1010中，它通過FX2N-2DA模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，由CH1通道輸出給變頻器，從而控制變頻器的轉(zhuǎn)速以達到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的目的。

手動調(diào)速程序，M22為冷卻泵手動轉(zhuǎn)速上升，每按一次頻率上升0.5Hz，M23為冷卻泵手動轉(zhuǎn)速下降，每按一次頻率下降0.5Hz，冷卻泵的手動/自動頻率調(diào)整的上限都為50Hz，下限都為40Hz。

自動調(diào)整程序。因冷卻水溫度變化緩慢，溫差采集周期4s比較符合實際情況。當(dāng)溫差大于4℃時，變頻器運行頻率開始上升，每次調(diào)整0.5Hz，直到溫差小于4℃或者頻率升到50Hz時才停止上升;當(dāng)溫差小于3.5℃時，變頻器運行頻率開始下降，每次調(diào)整0.5Hz，直到溫差大于3.5℃或者頻率下降到40Hz時才停止下降。這樣，保證了冷卻水出回水的恒溫差（3.5-4℃）運行，從而達到了最大限度的節(jié)能。

變頻器、水泵啟停報警的程序，變頻器的啟、停、報警、復(fù)位，冷卻泵的輪換及變頻器頻率的設(shè)定、頻率和時間的顯示等均采用基本邏輯指令控制。

6 結(jié)語

由上可見，中山醫(yī)一院的中央空調(diào)系統(tǒng)通過變頻節(jié)能技術(shù)改造后，取用了?PLC作為主控設(shè)備，變頻器能夠自動調(diào)控管道中水的流量，最終達到了設(shè)計的節(jié)能效果。在重新投入使用后結(jié)果說明比原運行更加節(jié)約能源，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] 孫明原.中央空調(diào)變頻節(jié)能改造技術(shù)的分析與研究[M].大連理工大學(xué)，2012年.

（作者單位：廣東重工建設(shè)監(jiān)理有限公司）