基于PLC 和變頻器的中央空調循環水節能系統的綜合控制

白 銀

（宿州職業技術學院，安徽 宿州 234000）

引言

中央空調的系統如圖1 所示由冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、房間風機盤管、壓縮機和冷凝器等組成[1]。冷凍水循環系統如圖1 右半部分，在壓縮機的作用下，冷凍水經過冷凝器和冷凍泵后水溫降低壓力增大，冷卻水經過冷卻泵流入房間風機盤管使房間溫度降低，之后流入冷凍機組完成冷凍水回路的一個周期。冷卻水循環工作示意圖如圖1 左半部分，機組釋放的熱量被冷卻水吸收使水溫增高然后再經由冷卻泵流入冷卻塔，冷卻塔內的冷卻水與大氣接觸后又使水溫降低流回冷凍機組，至此冷卻水回路的一個周期結束。

圖1 中央空調循環水系統工作過程示意圖

在氣溫最高、負載最大的情況下空調的最大負載能力會很充裕，但這情況出現的概率比較小。一般情況下空調設備在工作時大多都是在70%左右的負荷下。為了確保工作狀態的穩定性和工作效率的高效性，在對冷氣需求量要求不高時空調系統可以根據負載的變化自動加載或卸載，但冷卻、冷凍水泵如果仍在強大的負荷下運行會有很大的能量損耗且還會引起一些問題和弊端。

循環水系統水流量太大不僅會導致循環水系統工作環境變得越來越差，還會使循環水的溫差降低，最主要的是主機交換熱量效率的大大降低可以避免不必要的電能損失，除此之外還會加大閥門上的能量損耗，因為冷卻冷凍水流量的調節是通過調整管道上的閥門開關來控制的。由于啟動電流大會引起供電系統的不穩定，所以水泵電機的啟動采用星型—三角形降壓啟動方式。

1 調速節能原理分析

中央空調節能的改造是融入了交流變頻技術，通過設置變頻器參數控制水泵工作。如圖2 所示為水泵的揚程與流量的曲線圖，從圖中可以看到兩種狀態下揚程與流量（H-Q）關系，一是調節閥門時揚程與流量的關系，一是用變頻器調速時揚程與流量的關系[2]。曲線1、2 分別為：泵在轉速v1、v2下的揚程與流量特性圖，曲線3、4 分別為閥門關小和閥門正常時的管阻特性圖。

圖2 揚程-流量（H-Q）的關系曲線

圖3 水泵主電路原理圖

水泵是一種平方轉矩負載，流量Q與轉速v的關為：Q1/Q2=v1/v2；揚程H與轉速v的關系為：

由上式可知，水泵流量與轉速、水泵揚程與轉速的二次方都是正比關系。水泵被驅動時，電動機的軸功率P（kW）計算公式如下：

公式（1）中，P為電動機的軸功率（kW），ρ為液體的密度（kg/m3），Q為流量（m3/s），g為重力加速度（m/s2），H為揚程（m），vc為傳動裝置效率，vf為泵的效率。

由上式可知，泵的軸功率與流量、揚程成正比，因此泵的軸功率與其轉速的3 次方成正比，即：

2 節能技術方案分析

2.1 控制原理分析

在冷凍水循環系統中，PLC 通過溫度傳感器和模擬量模塊讀取出水、回水溫度，再由回水、出水的溫差值控制變頻器的轉速來達到調節水流量和控制交換熱量的速度的目的[3]。由于室內溫度比較高時室內溫差就會比較大此時需增大水泵的轉速，這樣可以通過加快冷凍水系統的循環速度來加快熱量交換的速度使得室溫下降。相反如果室內溫度比較低時室內溫差就會比較小此時需減小水泵的轉速，這樣可以通過減小冷凍水系統的循環速度來放慢熱量交換的速度，防止熱量流失做到節約用電。

和冷凍水循環系統一樣冷卻水循環系統也通過溫度傳感器和模擬量模塊讀取進出水溫度，再由進、出水的溫差控制變頻器的轉速來達到調節水流量和控制交換熱量速度的目的[4]。在冷卻水系統中用進、出水溫差來控制進、出水的恒溫差，如果溫差大則機組產生的熱量多需提升水泵的轉速來提高循環水系統的循環速度以降低機組的熱量；相反如果溫差小則機組產生的熱量就少需通過降低水泵轉速來減慢循環水系統的循環速度。

但是由于夏季天氣炎熱，用冷卻水出水和進水的溫差進行控制在一定程度上是不能滿足需求的，因此在氣溫高（即冷卻水進水溫度高）的時候，使用冷卻水出水水溫來控制調速，在氣溫低時自動返回溫差控制調速來達到最佳節能模式。

2.2 技術方案分析

根據上述的控制原理，采用PLC 技術和變頻器技術改造循環水系統可采用如下2 套節能技術方案[5]。

方案1：半變頻方案即正常運行的2 臺電動機，1 臺工頻工作1 臺變頻工作并且可以輪流輪換工作如圖4 所示。其特點是可以節約投資費用，但節能節電效果不如方案2 的全變頻運行。

圖4 一臺工頻、一臺全變頻方案

方案2：全變頻方案即正常工作的兩臺電動機均采用變頻工作方式，如圖5 所示，其特點是投資費用略高，但節能效果十分明顯。

圖5 兩臺全變頻方案

3 軟件設計

3.1 設計思路

根據系統整體控制要求設計的水泵主電路如圖5。其中一個回路由KM1、KM2 交流接觸器連接變頻器和水泵M1、M2，線圈得電時水泵的變速由變頻器控制；另一路KM3、KM4 交流接觸器直接控制水泵M1、M2。不論是變頻電路還是工頻電路相互之間必須有電器互鎖[7]保護。

控制電路連接兩個溫度傳感器進行進出水溫度采樣，再通過4AD 特殊功能模塊把采集的溫度值轉換成數字量傳送給PLC 進行運算，把最終計算數值通過2DA 模擬量模塊將數字量轉換成電壓信號（DC0～10V）來控制變頻器的轉速。進出水的溫差與水泵電機的轉速有關，電機轉速越大溫差越大，反之水泵轉速越小溫差越小，所以溫差可以始終保持在4.5 ℃到5 ℃之間[6]。

3.2 地址分配與變頻器參數設置

PLC 選用的是三菱FX2N 系列，PLC 與觸摸屏的軟元件分配表見表1。

表1 三菱PLC、觸摸屏軟元件分配表

變頻器選用的是三菱FR-E740-1.5K 型，其參數設定見表2。

表2 變頻器參數設定

3.3 觸摸屏人機界面設計

使用MCGS 組態軟件設計中央空調循環水節能系統的操作界面和監視界面如圖6 所示，左圖是系統操作界面由10個按鈕開關組成，有手動/自動方式選擇開關，啟動、停止開關，電機選擇開關，手動加減速開關，變頻器復位開關和界面的切換開關。右圖是系統監視界面，可以實時監測到進出水溫度、溫差，運行時間及報警信號。

圖6 中央空調循環水節能系統的組態界面

3.4 外部接線及調試

外部接線如圖7 所示。接好線后，進行參數設定、程序輸入、連接好觸摸屏和PLC，然后分三步進行調試即手動調速調試、自動調速調試和空載調試[8]。手動調速需調節連接變頻器的模擬量模塊的零點和增益，把D1 000 的當前值設置為2 400 或4 000 其相應的輸出頻率值即為30 Hz 和50 Hz；增益設置使D1 000 每次增加或每次減少40 時觀察變頻器的輸出值，會發現頻率值相應的向上或向下變化0.5 Hz。手動調速完成后把2 個溫控傳感器放入不同溫度的水中進行自動調速調試，觀察變頻器界面的輸出顯示結果，如果出水溫差變化與變頻器輸出的頻率值有出入就進行進出水溫度值修正。空載即不接負載，分別在手動和自動調速情況下對可編程控制器、變頻器和特殊功能模塊進行調試并觀察現象。

圖7 中央空調循環水節能系統的PLC 外部接線圖

4 結論

通過對中央空調系統調速節能分析、對技術方案的分析和計算比較最終設計了全變頻PLC 控制程序。技術改造后冷卻泵和冷凍泵的機械部件的磨損減少，使其使用壽命得到延長，維護周期也得以延長使得經濟效益得到一定改善。變頻器技術的應用降低了電動機的噪聲和溫升使工作效率大大提高，其軟啟動方式有效地抑制了啟動電流并避免了水泵啟動時由于電流太大對其他設備的沖擊，自動化水平提高，故障率降低，提高了中央空調設備運行的安全性和可靠性。