基于PLC与变频器的节能控制系统应用探讨

杨 雪

YANG Xue

（辽宁机电职业技术学院，丹东 118000）

0 引言

中央空调是一个不可缺少的基础设施，在很多的大型建筑物中，通过主机控制不同房间的不同温度。给人们带来四季如春的感觉，使人们的生活和办公更加的舒适。中央空调作为重点的能耗设备，耗电量占整座建筑耗电量的一半左右，由于中央空调系统设计是根据最大负荷和增加一定的余量设计，在一年的实际工作中全负荷运转最多只有十多天，甚至10多个小时，几乎大部分时间负载低于70%运行。通常冷冻主机可以自动调节的季节性温度变化。但是与它匹配的冷却泵、冷冻泵不能自动调整负载，几乎100%负荷下运行了很长时间，导致浪费能源，使中央空调的运行质量和运行的环境下降。

随着变频技术越来越成熟，使用变频器结合PLC模块及传感器模块，形成一个闭环自动控制系统，自动调节泵的输出流量，为系统节能提供了一个可靠的方法。

1 中央空调的组成及原理

中央空调的原理如图1所示，它由五部分组成：

制冷主机：制冷主机通过制冷剂在压缩机作用下快速使循环水的温度冻结(通常主机制冷温度约为7℃为中央空调冷源)，通过冷冻水泵传入空调房间。

冷冻水泵：制冷剂冷却的水温度达到，通过节流阀，温度变得更低，水将冷温带走称为冷冻水。冷冻水带走冷温后，再到空调系统的末尾（如空调机组、风机管盘等）与空气换热，温度升高后在回到了冷水机组内带走冷温，这样形成一个冷冻水循环系统，系统上的泵称为冷冻水泵。

冷却水泵：制冷剂循环的制冷，温度上升通过压缩机。用水降低温度称为冷却水。制冷主机产生的热量由冷却水通过冷却水泵带走，热量转移到空气通过冷却塔，在循环形成冷却水循环系统。

冷却塔：冷却塔是利用水和空气接触，蒸发制冷主机余热产生的装置。把温度较高的水，通过冷却水泵送到冷却塔，通过冷却塔喷头，让水流从上到下，一方面，通过自然空气带走热量，另一方面，加速运动，带走热量通过空气同时加快蒸发，让水温度降低。温度降低冷却水循环进入制冷主机了，带走主机余热，进行循环。

风机盘管：风机盘管空调系统是由一个风扇和盘管组成的机组直接在房间里，当工作时盘管根据需要流动的热水或冷水，风机吸入室内空气，过滤后经盘管冷却或加热后再次回到室内，如此循环调节室内温度和湿度。

图1 中央空调的原理图

工作的过程就是能量转换的过程，运行的理想状态是：在冷冻水循环系统中，在冻冷冻水的作用下，在蒸发器中交换，热吸收冷却到7℃被发送到终端风机和风机盘管空调风机，由冷却器热吸收，室内空气温度上升为12℃，通过冷冻泵形成一个封闭的循环主机蒸发器。在循环冷却水系统中，冷却泵冷却水流经冷冻机，凝汽器吸热温度达到37℃被送到冷却塔，在风扇散热到32℃由冷却泵再次送到主机，形成一个循环。

2 系统的节能方案

针对中央空调的原理及问题的提出，有以下四种改造方案：

1）通过关水阀来控制流量，经测试不能满足节能的效果。控制不好会导致冷却水末端压力低，高层的用户造成温度过高，往往会导致更少的冷却水流量，温度偏高，因为没有冷却水冷却。

2）根据制冷时间主机间歇停机，但当负载较轻的时候，重新开启主机，主机负荷较大，实际上并不省电，冷热不均，环境不舒适。

3）使用变频器调速，通过手动调整，根据负载进行频率调整，这种方法人为因素较大，虽然投资小，但不能达到最大节能效果。

4）使用变频器结合PLC模块及传感器模块，形成一个闭环自动控制系统，自动调节水泵运行频率根据负载大小，人为误差因素被消除。尽管一次投入的成本较高，但这种方法已被广泛应用，高效节能的方法已被证明是可行的。

通过分析我们选择第4种方案改造冷冻泵和冷却泵。在中央空调系统设计、制冷、冷却泵能力采取最大负载容量增加10%～20%余量作为设计安全系数。据统计，冷冻水、冷却水循环电力消耗约占12%到24%，冷冻主机低负荷运行，冷却水，冷却水循环利用率为30%～40%。冷冻水、冷却水循环改造是节能的重要组成部分。

实现节能方案同时考虑控制成本，原电气设备尽可能利用上。冷冻水泵和冷却水泵都采用两用一备的操作模式，由于转换时间备用泵和空调主机在同一时间，转换时间为一个月一次，开关频率不高，决定主开关控制使用原来的电气设备，通过接触器，停止按钮，开关切换到电气和机械联锁。确保每个泵只有一个变频器拖动，避免两个变频器拖动同一泵在同一时间造成短路事故;每个逆变器只能拖动一个泵在任何时候，以避免变频器拖动两个泵而过载。图2和图3为冷冻水泵一、二次接线图。冷却水泵接线图与冷冻水泵接线图同理。

图2 冷冻水泵一次接线图

3 系统的控制

3.1 冷冻水系统控制

图3 冷冻水泵二次接线图

冷冻水系统是一个最为关键的循环在中央空调控制中，我们之所以使用中央空调是为了调整室内空气温度，所以一定要保证供应冷冻水系统合适的冷(热)量。根据空调专业人员多年来的研究，冷冻水出口温度保持在7℃，冷却水回水温度在12℃，在最节能状态，所以首先，我们设置了水温度和回水温度，并设置好回水和出水温差为5℃，PLC主机通过FROM指令读取实时模拟输入模块AD1#CH0、AD1 CH1、AD1CH2，AD1#CH3温度，实际的回水温度减去实际的出水温度，进行PID控制对他与实际的温度差异。PID控制图如图4。PLC与变频器的控制图如图5所示。

3.2 冷却水系统控制

冷冻水系统是其中最关键的循环在中央空调控制中，必须确保正常工作的冷却循环水系统主机才能正常的工作，否则冷却主机产生余热不能分散，导致热保护动作，从而冷却主机停机。根据专业人员多年研究，水的温度在37℃冷却水，冷却水回水温度在32℃，是最节能状态，所以首先，我们设置好回水和出水温差为5℃，设置出水温度为5℃，PLC主机通过FROM指令实时读取模拟输入模块AD2 # CH0，AD2 # CH1温度，实际的回水温度减去实际的出水温度，进行PID控制对他与实际的温度差异。

图4 PID控制图

图5 PLC与变频器控制图

4 结论

通过PLC与变频器控制，中央空调系统的水、风系统功耗可以减少30%～60%，可以使主机系统节电10%以上，整体系统节能可达40%。用户可以运行设备几个周期后，可以在节省的电费中收回投资成本。所以应用变频节能中央空调控制系统不仅具有良好的经济效益，还可以节省能源消耗，有利于环境保护。

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