PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用探析

陳怡塘

（廈門京閩能源實業有限公司，福建 廈門 362000）

0 前言

中央空調是由一個或多個冷熱源系統、空氣調節系統組成的電器系統。在近幾年工業經濟快速發展過程中，我國中央空調電器進入新一輪發展階段，銷量增長態勢良好。由智研咨詢發布的《2020—2026年中國中央空調行業市場競爭力分析及投資前景趨勢報告》可知，我國中央空調總體銷量已突破千億元大關。在中央空調應用范圍不斷擴大的背景下，中央空調系統的節能改造愈發受到關注。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、變頻器是中央空調節能改造主要用的技術設備。因此，探究分析PLC、變頻器在中央空調節能改造中的應用具有非常重要的意義。

1 中央空調節能改造前的運行情況

在節能改造前，中央空調機組包括冷凍水循環系統、主機、冷卻水循環系統3個部分，冷凍水循環系統主體為500Rt的美國開利19XL5151455CQ離心式冷水機組2臺，每臺額定輸入功率410kW，總制冷量1000Rt，配套4臺75KW冷凍水泵；1臺230Rt的日立螺桿式冷水機組，額定輸入功率180kW，配套35kW冷卻凍泵1臺。空調主機為星形－三角形減壓啟動模式。冷卻水循環系統主體為4座冷卻塔，每臺冷卻塔配置5kW風機；2臺500Rt離心式冷水機組配套4臺75kW冷卻泵，230Rt螺桿式機組配套1臺35kW冷卻水泵。總供冷建筑面積為5萬平方米，地下2層，地上裙樓4層，主樓部分為28層，副樓部分為17層，年空調系統耗電約1700000kW·h.

在運行過程中，冷卻泵、冷凍泵電動機全年速度恒定，受繼電器－接觸器控制，回出水溫差在5℃內。由于最大負載按天氣最熱、負荷最大的最不利狀況確定，因此實際系統多數處于部分負荷狀態下，電能消耗較大。加之傳統繼電器－接觸器控制模式下，水泵啟動/停止環節水錘現象出現概率較大。即水輸送過程中流速突然變化且壓強大幅度波動，對管網系統中管道、閥門造成了沖擊性破壞，導致中央空調維修成本大大上升。

2 PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用思路

變頻器是輸出頻率可調整的交流電力拖動設備，可以經大功率整流將供給電機定子的三相交流工頻電轉變為直流，進而借助正弦波脈寬調節技術將直流電逆變為頻率與幅度可調的三相交流電。通過將變頻器增設到水泵上，可以根據水流量跟隨平穩自動調節水泵電機轉速，降低電機從電網中吸收的電能，實現變頻節能。在變頻調速應用過程中，根據電機寬范圍內平滑調速要求，改造操作者可以去除全部管道的繼電器，而是將變頻器裝設到冷凍泵與冷卻泵的適當位置，便于根據日間多階段冷量要求自適應運行。

在將變頻器裝設到中央空調水循環系統后，以PLC為控制核心，經光電隔離完成全部起停、保護信號向PLC輸入映像寄存器傳輸。在基于PLC的控制模式中，全部時間繼電器、中間均須去除，并借助專業編程軟件對PLC進行梯形圖編程，在控制線路一定的情況下，實現變頻器的啟動/關停控制。輸入輸出接線圖如圖1所示。

如圖1所示，冷卻泵啟動020、冷凍泵啟動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024、2#變頻器故障信號025則分別與I1.0、I1.2相連接。基于PLC和變頻器的中央空調節能控制方案通信接口較強大，可與上位電腦連接，滿足未來聯網控制要求。

圖1 輸入輸出接線圖

3 PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用方案

3.1 硬件配置

鑒于當前PLC規格類型多樣，功能差異較大，為達到溫度手動、自動控制要求，可以根據可靠性高、性價比優、功能適宜的原則，將FX2N16EX作為主機，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，實現手動控制。

該案例的制冷站改造時，在保留原有控制設備的同時增加了PLC控制柜，選擇FX2N16EX型號PLC控制器作為主控設備，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，75kW冷凍、冷卻水泵各配置2臺，配置VFD-B系列35kW變頻器2臺，35kW冷凍、冷卻水泵各配置1臺。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PLC控制器是一種廣泛應用的可編程邏輯控制器，擴展功能豐富、可靠性強、抗干擾能力突出，且具備極高的可讀性、實時內置集成性與通信能力。控制器包括RUN、STOP、TERM三種工作模式。在RUN工作模式下，CPU將執行與控制要求相關的用戶程序，實現功能控制；在STOP工作模式下，可完成PLC內用戶程序、硬件設置裝設以及編程軟件計算機通信；在TERM模式下，PLC會開展自由口通信管控。主機技術指標中用戶程序區CPU為8KB，數據存儲區CPU為5KB，主機數字量輸入/輸出點數為24/16，模擬量輸入/輸出點數為32/32，1條指令掃描時間為0.37μs，最大輸入輸出點數為256，位存儲區與定時器、計數器點數為256，時鐘功能為內置，數字量輸入濾波與模擬量輸入濾波為標準，高速計數器為6個30kHz。

VFD-B系列變頻器由微控制程序與專用脈寬調制，降噪效果顯著，且安裝便捷、響應迅速、適應性強。變頻器內涵多個模擬量輸出端口、繼電器輸出端口與帶隔離數字量輸出端口，可實現過溫保護、接地故障保護與過壓/欠壓保護、短路保護、參數聯鎖等。

Pro-face觸摸屏是PLC正常控制系統的輸入輸出端，具有廣泛連接性，抗震、高亮、寬溫、防水防塵，可同時作為數據中心與控制終端應用。在實際應用中，中央空調Proface觸摸屏顯示內容包括巡檢點以及對應溫度、室內設置溫度、風機全速運行、風機中速運行、風機低速運行、啟動/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PLC模數轉換輸出模塊的電線連接應盡可能選擇雙絞屏蔽電纜，并與接地端連接，確保系統穩定運行。同時應對溫度、電流電壓模擬量進行操作，由PLC電源接口提供24V直流電，由溫度變送器將檢測的冷卻水進回水溫度、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，進而由變頻器接收模擬量，輸入模塊處理后，數據控制水泵運轉速度，實現變頻調速。而在底層硬件電路中，則采用三相380V交流供電，每一個供電段均配置含指示功能的自動/手動開關，在顯示水泵運行狀態的同時允許根據接觸式開關進行水泵的啟動/停止，滿足設備維護狀態下低層冷凍泵變頻運行要求。

3.2 軟件設計

基于PLC和變頻器的中央空調節能改造方案的中心是數據傳輸，包括DEWE2-M7S鉑電阻溫度采集、FX2N16EXPLC模數轉換輸出以及Pro-faceSP5000觸摸屏。為了滿足Pro-faceSP5000觸摸屏溫度參數值自動/手動設定，可以由DEWE2-M7S出發，經Port口將數據傳輸給風機電機變頻器數字量控制端。進而借助風機電機變頻器數字量控制端RH、RL與RM模塊進行超溫報警、風機電機轉速、溫度數據接收控制。最后經PLC內部計算傳遞給DEWE2-M7S并顯示。其中Port口主要采用DEWE2-M7SPLC自帶的PPI串口將數據傳輸到數據存儲器，并在關閉接收中斷的基礎上，每間隔100ms發送一次溫度數據、接收1次終端數據，完成1組數據接收/發送后，進行第二組數據的發送/接收，同時進行中斷程序處理。

整個過程中涉及的通信協議為通用串行接口協議（Universal Serial Interface Protocol，USS），為主從接口，由USS總線搭載1個主站、31個從站，從站地址唯一，主站可以根據從站地址發送報文，從站則可做出響應。數據傳輸過程中，PLC可作為主站，以輪詢的形式訪問各從站地址，變頻器則作為從站，根據主站指令產生應答。根據工控要求，技術人員可以根據用戶手冊進行通信參數設置，參數及對應含義如下。

表1 基于USS協議的通信參數及含義

在PLC總控柜程序設計時，需要進行主控PLCI/O分配。如I0.0為冷卻泵啟動，Q0.0為變頻器故障切換信號，I0.1為冷凍泵啟動，I0.2為變頻器故障指示信號，I0.3為冷卻泵停止，Q0.2為冷凍泵變頻工作信號等。同時應對存儲器地址及功能進行明確，如VD108為傳感器反饋電壓值，T33為關斷變頻脈沖信號，M0.0/M0.1為初始化完成標志位等。

在輸入輸出信號與存儲器地址分配完畢后，工程師可以借助STEP7-Micro/WIN32編程軟件，書寫主控程序，促使PLC從DEWE2-M7S外部采集數據傳輸到內部儲存器。進而經內部儲存器完成數據四則運算，將運算結果傳遞給變頻器，為溫度幅值控制提供依據。

在運行控制過程中，PLC的Y001、Y000、Y002分別控制變頻器的RL、RH、RM數字輸入端子，并從DEWE2-M7S模數轉換輸出模塊采集數據（-10℃～60℃），將采集的數據放入指定的存儲器內[4]。同時計算轉換后溫度數據平均值與采集值之間差值，將差值存入存儲器，便于在采樣溫度上升或下降時進行冷凍水泵、冷卻水泵電動機運轉速度的控制。在部分負荷運行的情況下，通過控制水泵電動機運轉速度，調節冷量的供應量，便于空調主機能及時卸載，以盡可能地降低電力資源損耗量，有效避免了“大馬拉小車”導致能耗的浪費。一般情況下，在設備接通電源時，冷凍、冷卻水泵控制標準為當實際溫度與設定溫度差值在5℃以上，變頻器控制水泵電機全速運行。當實際溫度與設定溫度相差值小于5℃但大于3℃時，變頻器控制水泵電機中速運行。當實際溫度與設定溫度相差值小于等于3℃時，變頻器控制水泵電機低速運行。但是，為規避水泵電動機速度變換過于頻繁而導致的電機運行失穩甚至元器件受損，應在恰當選取室內溫度反饋檢測點的基礎上結合水泵的運行負荷，控制溫度變換幅度在3℃以內。

4 PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用效果

4.1 節能效果

由離心泵的相似定律可知，泵流量與頻率成正相關，泵揚程與頻率的二次方成正相關，水泵功率與頻率的三次方成正相關。此時，通過了解不同頻率下的節能率以及閉環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節能改造中的應用效果。具體見表2。

表2 不同頻率下的中央空調控制器參數與節能率

由表2可知，在閉環PID算法中，流量、轉速、功率均為被控制量，其比例度與節能率存在較大關系。通過變頻器將泵流量與轉速比例度均設定為60%，功率比例度設定為21.7%，則節能率達到最高，為78.3%。而經變頻調速后中央空調節能效果較為顯著，節能率顯著提升。表明利用PLC和變頻器調速可以促使中央空調轉速趨于穩定，降低溫度變化幅度，減少電力能源損耗。

4.2 經濟效益

根據中央空調和變頻器節能改造前資料可知，該制冷站改造前年空調系統耗電約1700000kW·h，通過節能改造增加PLC控制設備、變頻器及配套的控制設備實現系統運行自動化，改造共投入約14萬元。投入使用后年用電量下降約6%，每年可節約用電約102000kW·h，按平均電價0.7元/kW·h計算，每年可節約電費用支出約7.14萬元，兩年便可收加改造成本。改造案例表明通過PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用，可以有效降低中央空調運行成本，經濟效益較為顯著。

5 總結

綜上所述，基于PLC和變頻器的中央空調節能改造方案節電效果較為顯著，可以對電機實現軟啟動/制動，降低啟動電流對電機、電網的沖擊，且電機溫升幅度較小，可以實現負載平滑運行。因此，在中央空調節能改造過程中，技術人員可以PLC控制為核心，將變頻器安裝到冷凍水循環系統與冷卻水循環系統的恰當位置，搭建軟啟動控制框架，降低水錘現象發生概率，提高中央空調運行效益。