一种基于PLC和变频器的中央空调循环水节能控制系统设计

秦 冲

（三门峡职业技术学院，三门峡 472000）

随着科学技术的发展，中央空调已成为现代住房的主流，它可以实现取暖和制冷的效果。制冷过程中，中央空调的重要组成部分冷冻机组所起的作用是把冷冻水进行热交换，系统中的冷冻泵所起的作用是增加冷冻水压力并且进入循环系统的末端设备，这样就可以起到降温的作用，循环后的水最终流入冷冻机组中。

在使用的过程中，中央空调主要存在的问题是：循环水温度过高会使得主机的工作条件降低，从而造成其热效率下降，损耗较大；流量的过大造成泵的阀门上的能量损失较大。一般情况下，泵的启动方式为直接启动，启动电流过大会造成对泵的损害过大，整个循环系统也会遭受很大的损失；泵不能实现软启动和软停止，整个泵的冲击现象较为严重。正因为中央空调在使用的过程中存在以上问题，所以要对其进行技能改造。

1 中央空调循环水能系统控制要求及控制方案设计

根据中央空调循环水能系统的控制要求，本系统共需要冷却水泵电机两个，冷冻水泵电机两个。在使用的过程中，一台作为正常使用，另外一台作为备用。电机均由变频器控制，实现节能控制，在运行过程中的调频范围为30～50Hz，如果在运行过程中节能系统不能正常运行，可以采用手动进行工频调节，调节量是0.5Hz；温差可以通过PLC的PID控制进行调节。通过分析可以得出，控制方案包含两个部分，主电路和控制电路，主电路的四台电机分别由KM1、KM2、KM3、KM4四个接触器来控制，KM1、KM2为变频接触器，是由PLC来控制，KM3、KM4是工频接触器，由继电器电路控制。温度感知部分采用两个传感器进行冷水的进水和出水的温度采集，再把采集的信息输入到PLC的特殊模块，PLC进行运算输出后可以改变变频器的频率，从而改变电机速度，实现节能的效果。

2 中央空调循环水能系统控制控制系统设计

2.1 软元件设计

中央空调循环水能系统控制系统的软元件部分设计主要包含触摸屏的输入，输出信号分配，PLC中按钮开关、接触器、报警器、变频器等元件的信号分配。其触摸屏输入信号分配如表1、表2所示。

表1 中央空调循环水能系统控制系统的软元件分配（一）

表2 中央空调循环水能系统控制系统的软元件分配（二）

2.2 硬件设计

根据中央空调循环水控制系统的控制要求，选用PLC的FX2N-4AD-PT温度传感特殊功能模块、X2N-2DA变频器调速模块，实现零点和增益。根据PLC的控制原理和其特殊功能原理及I/O分配情况，设计出的PLC外围接线图，如图1所示。

图1 中央空调PLC外围接线图

2.3 PLC程序设计

根据系统的控制要求，该控制程序主要由以下几个程序段组成，图2为冷却水出进水温检测及温差计算程序，CH1通道为冷却水进水温度（D20），CH2通道为冷却水出水温度（D21），D25为冷却水出进水温差。该程序段主要实现冷却水进水出水的水温计算和反馈。图3为D/A转换程序，进行D/A转换的数字量存放在数据寄存器D1010中，它通过FX2N-2DA模块将数字量编程模拟量，由CH1通道输出个变频器，从而控制变频器的转速达到调节水泵转速的目的。图4为自动调速程序段，由于冷却水温的变化缓慢，温差采集周期4s比较符合实际需要。当温差大于5℃时，变频器运行频率开始上升，每次调整0.5Hz，直到温差小于5℃或者频率升到50Hz时才停止上升；当温差小于4.5℃时，变频器运行频率开始下降，每次调整0.5Hz，直到温差大于4.5℃或者频率下降到30Hz时才停止下降。这样保证了冷却水出进水的恒温差运行，从而达到最大限度的节能。此外，变频器的启、停、报警、复位、冷却泵的轮换及变频器频率的设定、频率和时间的显示等均采用基本逻辑指令控制，其控制程序如图5所示。

图2 冷却水进出水温度检测及温差计算程序

图3 D/A转换程序段

图4 自动调速程序段

3 变频器参数设计

变频器的参数设定主要包含上限频率、下限频率、基底频率、加速时间、减速时间、额定电流、启动频率、输出功率、智能模式的选择和操作模式的选择等，根据本文所设计的恒压供水系统的使用情况，笔者设定了变频器参数，如表3所示。

图5 变频器、水泵启停与报警控制程序段

表3 恒压供水系统变频器参数设定

4 系统调试

根据图1所示的接线图进行PLC外围硬件接线，把PLC、变频器及PLC特殊模块进行连接，然后把变频器的参数进行调试完成，在PLC软件中进行程序编制，在通电状态下进行程序导入，调节特殊模块的零点和增益，D1010调整值为2400～4000，此时变频器的输出频率为30～50Hz；D1010的频率增量为0.5Hz。手动调整完后，所采用的两个温度传感器与两个不同温度的线接触，观察变频器的界面所显示的变频器输出频率是否达到要求，若不符合要求，可以改变两个水温，最终保证出水温度差和频率输出值对应。若还不能满足要求，就再检查整个系统的接线是否正确、重设变频器的参数进行调整、检测PLC程序是否有误或是否与变频器的接口设定值相对应，最终保证满足要求。

5 结语

本文利用PLC、变频器及PLC的特殊功能模块，设计了中央空调节能循环系统控制系统。本控制系统的应用可以实现温度的自动采集和运算，系统利用PLC的PID调节功能自动进行温差控制，可实现温度恒定。本系统还能实现报警控制的作用，报警控制可以减少泵零件磨损，保障泵的使用寿命，降低维修率，增加综合经济效益。采用软启动和软停止方式可以大大降低启动电流，使得对电机及变频器的影响降到最低，为设备的安全运行和变压器系统提供良好的技术保障。采用变频器控制可以提高工作效率,降低噪声和振动，实现空调自动化和节能控制。

[1]基于PLC和变频技术的中央空调控制系统改造设计[J].电机与控制应用，2012，（7）：102-104.

[2]基于变频器内置PID模块的中央空调控制系统[J].电子设计工程，2015，（10）：88-90.

[3]基于PLC的变频中央空调系统的设计[J].华北水利水电学院学报，2013，（2）：59-61.

[4]基于PLC控制的恒压供水系统设计[J].计算机测量与控制，2013，（8）：75-78.