PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用

摘要：本文主要針對(duì)PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)原中央空調(diào)系統(tǒng)概況作了介紹，對(duì)變頻節(jié)能改造和系統(tǒng)節(jié)能改造作了系統(tǒng)的論述，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)；PLC；變頻器；節(jié)能改造

1 引言

如今，中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑物中重要的電氣設(shè)施之一，但是由于其耗能非常大，因此，對(duì)中央空調(diào)節(jié)能改造的探索一直沒有停歇。而在中央空調(diào)節(jié)能改造中應(yīng)用PLC及變頻器，不僅可以大幅度節(jié)約電能和提高中央空調(diào)的自動(dòng)化程度，還能使系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡化、維護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，中央空調(diào)的節(jié)能改造都普遍傾向于應(yīng)用PLC及變頻器。

2 原中央空調(diào)系統(tǒng)概況

2.1 系統(tǒng)組成

某商貿(mào)大廈中央空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)，主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)3部分組成。其主要設(shè)備為200kW水冷冷水機(jī)組，單機(jī)制冷量400USRT、25kW冷凍水泵2臺(tái)、35kW冷卻泵2臺(tái)，電動(dòng)機(jī)均采用星形-三角形減壓啟動(dòng)。冷卻塔3座，每座配有風(fēng)機(jī)1臺(tái)，電動(dòng)機(jī)額定功率為5.0kW，采用直接啟動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行狀況

這棟建筑冷凍泵電動(dòng)機(jī)和冷卻泵整年都以恒定速度運(yùn)行，冷卻水和冷凍水回出水溫差大約是2℃，采取繼電-接觸器控制。

原系統(tǒng)的最大負(fù)荷是按最不好的情況（即氣溫最酷熱、負(fù)荷最大的條件）來制定的，并留有一定的余地，但實(shí)際上系統(tǒng)很少在這種極限條件下運(yùn)行，1年中只有幾十天時(shí)間中央空調(diào)處于最大負(fù)荷。這樣中央空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間都是運(yùn)行在部分負(fù)荷狀態(tài)下，也會(huì)增加系統(tǒng)的電能消耗。

由于原系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制，水泵在啟動(dòng)和停止時(shí)，會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，對(duì)管網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊，容易對(duì)管道、閥門等造成破壞，額外增加了設(shè)備維修量和費(fèi)用。

3 變頻節(jié)能改造措施

3.1 水泵變頻調(diào)速的節(jié)能原理

由流體力學(xué)可知，水泵的流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比，揚(yáng)程H（輸出壓力）與其轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，輸出功率P與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。由電機(jī)學(xué)可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，在不考慮機(jī)械傳動(dòng)部分能量損耗的條件下，可以推出水泵的輸出功率P與電源頻率f的三次方成正比。因此，降低電源頻率，水泵的輸出功率將快速下降。

如將水泵電動(dòng)機(jī)的電源頻率由50Hz調(diào)為40Hz，理論上，頻率40Hz與頻率50Hz的輸出功率之比為（40/50）3=0.512，則水泵的節(jié)電率為[1-（40/50）3]×100%=48.8%。

3.2 節(jié)能改造措施

中央空調(diào)各循環(huán)水系統(tǒng)的回水與出水的溫度之差，反映了整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行的熱交換量。因此，根據(jù)回水與出水的溫差來控制循環(huán)水的流量，從而控制熱交換的速度，是首選的節(jié)能控制方法。利用PLC、變頻器和溫度模塊組成溫差閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，跟隨回水與出水溫差的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

3.2.1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的定溫差控制

由于系統(tǒng)中冷卻泵功率為35kW，約占主機(jī)功率的30%，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)受室外環(huán)境溫度和室內(nèi)熱負(fù)荷兩個(gè)因素影響，循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準(zhǔn)確反映該系統(tǒng)的熱交換量。因此，以出水與回水之間的溫差作為控制室內(nèi)溫度是較為合理的節(jié)能方式。在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說明室內(nèi)熱負(fù)荷較大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增加冷卻水循環(huán)的速度，反之，溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速。

3.2.2 冷凍泵水循環(huán)系統(tǒng)的控制

冷凍水的出水溫度主要由主機(jī)的制冷效果決定的，通常比較穩(wěn)定，所以冷凍回水溫度可以準(zhǔn)確地反映室內(nèi)的熱負(fù)荷情況。因此，對(duì)于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造，可以采用回水溫度作為控制指標(biāo)，通過變頻器對(duì)冷凍泵流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。

4 系統(tǒng)節(jié)能改造設(shè)計(jì)

為了用戶直觀方便地使用，采用PLC、變頻器、觸摸屏組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2臺(tái)冷卻泵M1、M2和2臺(tái)冷凍水泵M3、M4的轉(zhuǎn)速控制采用變頻節(jié)能改造方案。正常情況下，系統(tǒng)運(yùn)行在變頻節(jié)能狀態(tài)，其上限運(yùn)行頻率為50Hz，下限運(yùn)行頻率為40Hz；當(dāng)變頻節(jié)能系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以啟動(dòng)原水泵的控制回路使電動(dòng)機(jī)投入工頻運(yùn)行；在變頻節(jié)能狀態(tài)下可以自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，每次的調(diào)節(jié)量為0.5Hz。冷凍水泵（或冷卻泵）之間可以進(jìn)行手動(dòng)輪換。

圖1 控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

下面僅以冷卻泵為例介紹其節(jié)能改造的設(shè)計(jì)。

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

冷卻泵M1主電路原理圖如圖2所示。接觸器KM2為M1的變頻接觸器，當(dāng)KM2接通后，M1進(jìn)入變頻節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)，接觸器KM1為M1的工頻接觸器，通過KM1可啟動(dòng)原水泵的控制電路使其投入工頻運(yùn)行；而冷卻泵M2主電路原理圖與M1相似，接觸器KM4、KM3依次為冷卻泵M2變頻接觸器、工頻接觸器，兩臺(tái)冷卻泵的變頻接觸器通過PLC控制，工頻接觸器通過繼電-接觸器系統(tǒng)控制，變頻接觸器和工頻接觸器之間采用電氣聯(lián)鎖保護(hù)。

圖2 冷卻泵主電路原理圖

控制部分通過2個(gè)箔溫度傳感器（PT100）采集冷卻水的出水和回水溫度，然后通過與之連接的模擬量輸入模塊（溫度采集模塊）FX2N-4AD-PT，將采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給PLC，經(jīng)過PLC運(yùn)算后，將運(yùn)算的結(jié)果通過模擬量輸出模塊FX2N-2DA，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量[0-10V（DC）]來控制變頻器的頻率，最終調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。出水和回水的溫差大，則水泵的轉(zhuǎn)速就大；溫差小，則水泵的轉(zhuǎn)速就小，從而使溫差保持在一定的范圍內(nèi)（3.5-4℃），達(dá)到節(jié)能的目的。

4.2 控制系統(tǒng)的輸入/輸出分配及接線

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，PLC選用FX2N-32MR型，模擬量輸入模塊選用FX2N-4AD-PT，模擬量輸出模塊選用FX2N-2DA，人機(jī)界面選用昆侖通態(tài)TPC7062KS型觸摸屏，變頻器選用三菱FR-E740型，PLC的輸入/輸出分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出分配

冷卻泵的PLC控制輸入/輸出接線圖如圖3所示。

圖3 控制冷卻泵PLC 輸入/輸出接線圖

變頻器的參數(shù)設(shè)置：

Pr.1=50Hz（上限頻率）、Pr.2=40Hz（下限頻率）、Pr.7=3s（加速時(shí)間）、Pr.8=5s（減速時(shí)間）、Pr.73=0（D/A模塊輸出電壓給變頻器端子2、5的輸入電壓為0-10V）、Pr.79=2（固定為外部運(yùn)行模式）。

4.3 人機(jī)界面畫面的制作與操作

組態(tài)畫面各元件對(duì)應(yīng)的PLC地址，如表2所示。

表2 觸摸屏組態(tài)畫面各元件對(duì)應(yīng)的PLC地址

利用MCGS組態(tài)軟件，制作的人機(jī)界面歡迎畫面、操作畫面和監(jiān)視畫面如圖4所示。

圖4 觸摸屏畫面

中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造以后，其運(yùn)行控制是在觸摸屏上操作相應(yīng)畫面實(shí)現(xiàn)的，該控制系統(tǒng)的觸摸屏3個(gè)操作畫面如圖4所示。系統(tǒng)上電后觸摸屏上顯示的歡迎畫面如圖4（a），在該畫面上觸摸“操作畫面”按鈕，進(jìn)入操作畫面如圖4（b），此時(shí)，通過觸摸切換開關(guān)“手動(dòng)/自動(dòng)”可選擇手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行方式。假如，當(dāng)前需進(jìn)行手動(dòng)操作，將切換開關(guān)打到手動(dòng)位置（左邊），然后根據(jù)運(yùn)行實(shí)際情況的需要在觸摸屏上觸摸相應(yīng)的按鈕即可實(shí)現(xiàn)操作，操作完成后，觸摸“切換到監(jiān)視”按鈕即進(jìn)入運(yùn)行監(jiān)視畫面如圖4（c），該畫面上會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.4 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序組成：冷卻水出回水溫度檢測(cè)及溫差計(jì)算程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、手動(dòng)調(diào)速程序、自動(dòng)調(diào)速程序和變頻器、水泵啟停報(bào)警的控制程序。

冷卻泵出回水溫度檢測(cè)及溫差計(jì)算程序，如圖5所示。CH1通道為冷卻水回水溫度（D20），CH2通道為冷卻水出水溫度（D21），D25用于寄存冷卻水出回水溫差。

D/A轉(zhuǎn)換程序，如圖6所示。進(jìn)行D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存放在數(shù)據(jù)寄存器D1010中，它通過FX2N-2DA模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，由CH1通道輸出給變頻器，從而控制變頻器的轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的目的。

圖5 冷卻泵出回水溫度檢測(cè)及溫度計(jì)算程序

圖6 D/A轉(zhuǎn)換程序

手動(dòng)調(diào)速程序，如圖7所示。M22為冷卻泵手動(dòng)轉(zhuǎn)速上升，每按一次頻率上升0.5Hz，M23為冷卻泵手動(dòng)轉(zhuǎn)速下降，每按一次頻率下降0.5Hz，冷卻泵的手動(dòng)/自動(dòng)頻率調(diào)整的上限都為50Hz，下限都為40Hz。

圖7 手動(dòng)調(diào)速程序

自動(dòng)調(diào)整程序，如圖8所示。因冷卻水溫度變化緩慢，溫差采集周期4s比較符合實(shí)際情況。當(dāng)溫差大于4℃時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率開始上升，每次調(diào)整0.5Hz，直到溫差小于4℃或者頻率升到50Hz時(shí)才停止上升；當(dāng)溫差小于3.5℃時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率開始下降，每次調(diào)整0.5Hz，直到溫差大于3.5℃或者頻率下降到40Hz時(shí)才停止下降。這樣，保證了冷卻水出回水的恒溫差（3.5-4℃）運(yùn)行，從而達(dá)到了最大限度的節(jié)能。

圖8 自動(dòng)調(diào)速程序

變頻器、水泵啟停報(bào)警的程序，如圖9所示。變頻器的啟、停、報(bào)警、復(fù)位，冷卻泵的輪換及變頻器頻率的設(shè)定、頻率和時(shí)間的顯示等均采用基本邏輯指令控制。

圖9 變頻器、水泵啟停及報(bào)警程序

5 結(jié)束語

綜上所述，中央空調(diào)系統(tǒng)是對(duì)樓宇及建筑內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，也是現(xiàn)代建筑中不可缺少的重要設(shè)施，但其耗電量大，因此，必須對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造。綜上所述，本文就PLC及變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，相信對(duì)有關(guān)方面的需要能有一定幫助。

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