基于PLC和變頻技術的中央空調控制系統改造設計

張 濤， 張 麗， 尚 希

(1.河南中煙工業有限責任公司南陽卷煙廠，河南南陽 473000;

2.河南工業職業技術學院電氣工程系，河南南陽 473000;

3.河南工業職業技術學院光電工程系，河南南陽 473000)

0 引言

隨著科技的發展以及人民生活水平的提高，中央空調已經被廣泛應用于工業及民用建筑中。據統計，中央空調的用電量占各類大型建筑總用電量的30%～60%以上，電能的消耗非常大。傳統的中央空調系統的設計是以當地氣象資料的極端條件，即以其最大冷(熱)負荷的1.1～1.5倍去確定空調負荷，但我國大多數的中央空調，全年之中有70%以上的時間都運行在設計負荷的50%以下，無論季節、晝夜和用戶負荷怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態下全速運行，對水流量的控制方案多是通過擋板和閥門來調節的，導致電能的嚴重浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。世界正在提倡節能減排，因而中央空調的節能改造便成必然。

1 中央空調系統的一般結構與工作原理

如圖1所示，中央空調一般由制冷壓縮機組、冷凍水循環系統、冷卻水循環系統、風機盤管系統、風機和冷卻塔系統等組成。作為中央空調的制冷源，制冷壓縮機組將制冷劑壓縮成液態后送入蒸發器中變為低溫冷凍水(稱為冷凍水出水)，在冷凍水循環系統中由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過盤管風機吹送到各個房間，吸收房間內的熱量，使房間內的溫度降低，然后流回制冷機組(該水稱為冷凍水回水)。冷卻循環水系統將常溫水通過冷卻水泵壓入冷凝器熱交換盤管后，帶走冷凍主機所產生的熱量，使冷凍主機降溫，再將已變熱的冷卻水(稱為冷卻水出水)送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進行自然冷卻或通過冷卻塔風機對其進行噴淋式強迫風冷，與大氣之間進行充分熱交換，使冷卻水變回常溫(稱為冷卻水回水)，以便再循環使用。

圖1 中央空調結構原理圖

2 中央空調的變頻節能控制原理

風機水泵類負載:其電機轉速n、流量Q、揚程H及軸功率P的關系如下:

式中:n1，n2——電機轉速;

Q1，Q2——流量;

H1，H2——揚程;

P1，P2——軸功率。

即流量、揚程、軸功率正比于轉速的一次方、平方、立方。根據式(1)分析，如果能根據負載情況實時改變電機的轉速即可達到節能的目的。例如:電機功率為15 kW，當轉速降到70%時，流量減少到70%，而軸功率卻下降到額定功率的(70%)3≈34.3% ，即耗電功率為 5.1 kW，節電65.7%，從而大大節約電能。顯然當通過降低轉速以減少流量來達到節流目的時，所消耗的功率將降低很多。

根據異步電機原理:

式中:f——電源頻率;

p——極對數;

s——轉差率。

由式(2)可見，可以通過改變電源頻率、電機磁極對數、轉差率三種方式實現調速，但變頻調速因為調速范圍大、靜態穩定性好、運行效率高、易控制成為首選。因此，通過頻率改變使風機、水泵的轉速、消耗的功率迅速下降，達到節能目的。

3 中央空調的控制系統改造設計

中央空調控制系統的改造，主要是對冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻風機進行變頻改造控制。下面以某公司中央空調控制系統為例進行設計。

已知該系統配備型號為三氧溴化鋰的100 kW制冷壓縮主機2臺，平時1備1用，高峰時2臺并聯運行;揚程28 m、45 kW的冷凍水泵3臺，1備2用;15 kW的冷卻水泵3臺，1備2用;5.5 kW冷卻塔電機5臺，1備4用，每2臺并聯運行。當其中一臺水泵或電機出現故障時，備用設備會自動投入工作。

3.1 改造方案

對水流量的傳統控制方案是通過擋板和閥門來調節的，許多電能被白白浪費在擋板和閥門上。本設計對水循環系統不再采用定流量法，而是采用PLC和變頻控制相結合實施變流量溫差法控制。如圖2所示為改造后的控制系統框圖，由PLC、變頻器、主接觸器、水泵機組及溫度檢測裝置組成。分別在主機蒸發器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實時檢測管網的溫度并反饋給PLC，通過變頻器調節水泵轉速，從而調節各循環水的熱交換速度，最終實現對室內恒溫的控制。

PLC主機通過接觸器與變頻器的繼電器和接觸器進行邏輯切換來實現對系統的自動控制。PLC用I/O擴展板接口分別接入A/D和D/A模塊，A/D模塊通過傳感器將溫度和壓力模擬量送入PLC轉換為數字量，PLC的輸入信號有機組選擇信號、運行方式選擇信號、冷卻塔和主機開/關信號、冷凍泵和冷卻泵的起/停信號等。輸入信號經程序運算，發出相應的動作信號，經微型繼電器及相應的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調系統的運行，以及聲、光報警器件的動作。PLC的D/A模塊將PLC輸出的開關量轉換為模擬量，以控制變頻器升速過程及降速過程，從而實現對水泵及風機的速度控制。PLC控制3臺變頻器，分別實現1拖3(2用1備)或1拖5(4用1備)控制。

控制系統的基本操作功能設置為手動和自動兩種選擇，手動功能主要是對設備單機試運轉和維護保養時所選用，而自動功能是由車間內的各組空調處理機組或新風機組的起停來控制泵組工作的。在手動或自動的起停操作時，注意各設備的程序聯動。起動時的順序為冷卻塔風機—冷卻水泵—冷凍水泵—冷水機組;停止為冷水機組—冷凍水泵—冷卻水泵—冷卻塔風機，以確保各組設備保持正常的操作狀態。

圖2 系統控制框圖

3.2 控制設計

冷凍水的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從房間帶走的熱量和循環水的流動速度，所以一般把溫差作為控制依據［4］。溫差控制法就是通過控制溫差不變，使流量隨空調負荷變化而變化。為使冷凍水系統處于最佳節能狀態，一般設計冷凍水出水溫度保持在7℃(一般基本不變)，回水溫度保持在12℃，即回水出水的溫差設定為5℃。PLC主機首先控制冷凍水出水和回水閥門，延時5 s起動冷凍水循環泵，由變頻器控制一臺冷凍水泵變頻運行。PLC會自動檢測冷凍水出水和回水傳感器的狀態，通過A/D轉換實時讀取實際回水溫度與實際出水溫度。冷凍水系統的PLC控制溫度原理如圖3所示。

圖3 PLC控制溫度原理圖

變頻器頻率由模擬量D/A模塊輸出電流信號控制。實際回水溫度減去實際出水溫度，PLC把獲得的實際溫差作為反饋信號，與設定溫差做比較進行PID控制。當實際溫差大于設定溫差時，表明實際供冷量不足以滿足空調房間需要，需要增加冷量，PLC通過指令使D/A模塊輸出電流增加，控制變頻器提高輸出頻率，從而提高冷凍泵轉速以使實際供冷量增加，則實際溫差會逐漸減小直至接近設定溫差。當1號泵已達到額定功率時，如果還達不到要求則可起動2號泵變頻運行。這樣不斷調整控制，可使其達到最佳效果。同理，當實際溫差小于設定溫差時，表明實際供冷量有富余，超過了空調房間的需要，須減小冷量，PLC通過指令控制D/A模塊輸出電流減小，控制變頻器降低輸出頻率，從而降低冷凍泵轉速以使實際供冷量減小，則實際溫差會逐漸增大直至接近設定溫差。當2號泵頻率降低至下限頻率仍達不到要求，則令2號泵停機，1號泵仍處于變頻運行的狀態。

為了確保最高樓層的冷凍水具有足夠的壓力，常在空調房間末端，即冷凍水回水管上接壓力傳感器，如果回水壓力低于規定值，則PLC控制電機的轉速不再下降。

要保證制冷壓縮機正常工作，就必須保證冷卻循環水系統正常工作。一般冷卻水出水溫度保持在37℃，冷凍水回水溫度保持在32～28℃，出水回水的溫差設定為5～7℃。當回水溫度高于32℃時，溫差設定為5℃，而回水溫度低于28℃時，溫差設定為7℃。和冷凍水循環系統控制一樣，當冷卻水系統實際溫差小于設定溫差時，表明主機產生熱量少，可以控制變頻器減小輸出頻率，從而降低冷卻泵轉速，減緩冷卻水的循環;當實際溫差大于設定溫差時，則表明主機產生熱量多，PLC控制變頻器提高輸出頻率，從而提高冷卻泵的轉速。冷卻塔系統控制和冷卻水系統控制也是根據溫差變化實時改變冷卻塔風機的頻率實現溫度控制的。

3.3 變頻器主要參數設置

變頻器主要參數設置如表1所示。

表1 變頻器主要參數設置

4 變頻調速后的節能分析

設該空調系統夏天運行5個月，150 d，每天20 h。以水循環系統為例，傳統控制下的耗電量為

若采用變頻控制，中央空調開機后在較短的時間內，各空調區域達到設定的溫度后，所需的冷負荷相應減少，此時變頻系統的各變頻器開始發生作用，使送出的冷負荷跟所消耗的冷負荷相匹配。空調區域達到設定溫度之后其他時間以不超過70%的轉速運轉，假設冷凍泵和冷卻泵各1臺處于變頻運行。根據上述使用情況，則耗電為

(15+45)kW×20 h×150 d+(15+45)kW×20 h×150 d×(0.7)3=240 740 kW·h

兩相比較，采用變頻系統后每年可節電119 260 kW·h，平均節能約33%，節能效果十分顯著，一般改造后投入運行1～2年即可收回成本。

據統計，一臺中央空調從安裝到淘汰，其初安裝費占總成本的10%，運行費用和維修費占了近90%。中央空調節能改造費用僅占安裝費的10%，即占全部費用的1%，而這1%卻對90%產生了不可估量的作用。近年來由于電價的不斷上漲，使得中央空調系統運行費用急劇上升，所以中央空調的節能改造潛力巨大。

5 結語

本文基于PLC和變頻控制原理，對中央空調控制系統實施改造，使整個中央空調系統處于最佳運行狀態，對于提升中央空調自動化水平、降低能耗、減少對電網的沖擊、延長機械及管網的使用壽命，減小國家的電力投資等都具有重要的意義，具有較好的實用價值和發展前景，值得進一步研究和完善。

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