一種基于PLC和變頻器的中央空調循環水節能控制系統設計

秦 沖

（三門峽職業技術學院，三門峽 472000）

隨著科學技術的發展，中央空調已成為現代住房的主流，它可以實現取暖和制冷的效果。制冷過程中，中央空調的重要組成部分冷凍機組所起的作用是把冷凍水進行熱交換，系統中的冷凍泵所起的作用是增加冷凍水壓力并且進入循環系統的末端設備，這樣就可以起到降溫的作用，循環后的水最終流入冷凍機組中。

在使用的過程中，中央空調主要存在的問題是：循環水溫度過高會使得主機的工作條件降低，從而造成其熱效率下降，損耗較大；流量的過大造成泵的閥門上的能量損失較大。一般情況下，泵的啟動方式為直接啟動，啟動電流過大會造成對泵的損害過大，整個循環系統也會遭受很大的損失；泵不能實現軟啟動和軟停止，整個泵的沖擊現象較為嚴重。正因為中央空調在使用的過程中存在以上問題，所以要對其進行技能改造。

1 中央空調循環水能系統控制要求及控制方案設計

根據中央空調循環水能系統的控制要求，本系統共需要冷卻水泵電機兩個，冷凍水泵電機兩個。在使用的過程中，一臺作為正常使用，另外一臺作為備用。電機均由變頻器控制，實現節能控制，在運行過程中的調頻范圍為30～50Hz，如果在運行過程中節能系統不能正常運行，可以采用手動進行工頻調節，調節量是0.5Hz；溫差可以通過PLC的PID控制進行調節。通過分析可以得出，控制方案包含兩個部分，主電路和控制電路，主電路的四臺電機分別由KM1、KM2、KM3、KM4四個接觸器來控制，KM1、KM2為變頻接觸器，是由PLC來控制，KM3、KM4是工頻接觸器，由繼電器電路控制。溫度感知部分采用兩個傳感器進行冷水的進水和出水的溫度采集，再把采集的信息輸入到PLC的特殊模塊，PLC進行運算輸出后可以改變變頻器的頻率，從而改變電機速度，實現節能的效果。

2 中央空調循環水能系統控制控制系統設計

2.1 軟元件設計

中央空調循環水能系統控制系統的軟元件部分設計主要包含觸摸屏的輸入，輸出信號分配，PLC中按鈕開關、接觸器、報警器、變頻器等元件的信號分配。其觸摸屏輸入信號分配如表1、表2所示。

表1 中央空調循環水能系統控制系統的軟元件分配（一）

表2 中央空調循環水能系統控制系統的軟元件分配（二）

2.2 硬件設計

根據中央空調循環水控制系統的控制要求，選用PLC的FX2N-4AD-PT溫度傳感特殊功能模塊、X2N-2DA變頻器調速模塊，實現零點和增益。根據PLC的控制原理和其特殊功能原理及I/O分配情況，設計出的PLC外圍接線圖，如圖1所示。

圖1 中央空調PLC外圍接線圖

2.3 PLC程序設計

根據系統的控制要求，該控制程序主要由以下幾個程序段組成，圖2為冷卻水出進水溫檢測及溫差計算程序，CH1通道為冷卻水進水溫度（D20），CH2通道為冷卻水出水溫度（D21），D25為冷卻水出進水溫差。該程序段主要實現冷卻水進水出水的水溫計算和反饋。圖3為D/A轉換程序，進行D/A轉換的數字量存放在數據寄存器D1010中，它通過FX2N-2DA模塊將數字量編程模擬量，由CH1通道輸出個變頻器，從而控制變頻器的轉速達到調節水泵轉速的目的。圖4為自動調速程序段，由于冷卻水溫的變化緩慢，溫差采集周期4s比較符合實際需要。當溫差大于5℃時，變頻器運行頻率開始上升，每次調整0.5Hz，直到溫差小于5℃或者頻率升到50Hz時才停止上升；當溫差小于4.5℃時，變頻器運行頻率開始下降，每次調整0.5Hz，直到溫差大于4.5℃或者頻率下降到30Hz時才停止下降。這樣保證了冷卻水出進水的恒溫差運行，從而達到最大限度的節能。此外，變頻器的啟、停、報警、復位、冷卻泵的輪換及變頻器頻率的設定、頻率和時間的顯示等均采用基本邏輯指令控制，其控制程序如圖5所示。

圖2 冷卻水進出水溫度檢測及溫差計算程序

圖3 D/A轉換程序段

圖4 自動調速程序段

3 變頻器參數設計

變頻器的參數設定主要包含上限頻率、下限頻率、基底頻率、加速時間、減速時間、額定電流、啟動頻率、輸出功率、智能模式的選擇和操作模式的選擇等，根據本文所設計的恒壓供水系統的使用情況，筆者設定了變頻器參數，如表3所示。

圖5 變頻器、水泵啟停與報警控制程序段

表3 恒壓供水系統變頻器參數設定

4 系統調試

根據圖1所示的接線圖進行PLC外圍硬件接線，把PLC、變頻器及PLC特殊模塊進行連接，然后把變頻器的參數進行調試完成，在PLC軟件中進行程序編制，在通電狀態下進行程序導入，調節特殊模塊的零點和增益，D1010調整值為2400～4000，此時變頻器的輸出頻率為30～50Hz；D1010的頻率增量為0.5Hz。手動調整完后，所采用的兩個溫度傳感器與兩個不同溫度的線接觸，觀察變頻器的界面所顯示的變頻器輸出頻率是否達到要求，若不符合要求，可以改變兩個水溫，最終保證出水溫度差和頻率輸出值對應。若還不能滿足要求，就再檢查整個系統的接線是否正確、重設變頻器的參數進行調整、檢測PLC程序是否有誤或是否與變頻器的接口設定值相對應，最終保證滿足要求。

5 結語

本文利用PLC、變頻器及PLC的特殊功能模塊，設計了中央空調節能循環系統控制系統。本控制系統的應用可以實現溫度的自動采集和運算，系統利用PLC的PID調節功能自動進行溫差控制，可實現溫度恒定。本系統還能實現報警控制的作用，報警控制可以減少泵零件磨損，保障泵的使用壽命，降低維修率，增加綜合經濟效益。采用軟啟動和軟停止方式可以大大降低啟動電流，使得對電機及變頻器的影響降到最低，為設備的安全運行和變壓器系統提供良好的技術保障。采用變頻器控制可以提高工作效率,降低噪聲和振動，實現空調自動化和節能控制。

[1]基于PLC和變頻技術的中央空調控制系統改造設計[J].電機與控制應用，2012，（7）：102-104.

[2]基于變頻器內置PID模塊的中央空調控制系統[J].電子設計工程，2015，（10）：88-90.

[3]基于PLC的變頻中央空調系統的設計[J].華北水利水電學院學報，2013，（2）：59-61.

[4]基于PLC控制的恒壓供水系統設計[J].計算機測量與控制，2013，（8）：75-78.