PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用

摘 要 當前我國能源緊缺局勢日漸嚴峻，社會發展進程中必須采取有效的節能措施，其中中央空調系統節能改造受到社會各界廣泛關注，并取得了良好的成果。在改造中PLC和變頻器發揮了重要的作用，使得節能改造工作得以順利開展。本文結合具體實例，對中央空調節能改造的可行性進行分析，并探究了PLC和變頻器的具體應用情況，以期能達到理想的節能效果。

【關鍵詞】PLC 變頻器 中央空調 節能改造

近年來，我國大型建筑數量不斷增加，為了調節建筑內部的溫度，建筑單位通常會在建筑中安裝中央空調系統。但是中央空調往往會存在耗電量大等問題，造成不必要的能源浪費。而當前變頻技術發展迅速，為中央空調的節能改造提供了基礎支持，在改造中可通過PLC和變頻器實現對變水系統的改造，進而結合溫度模塊、傳感器和轉換模塊等器件，打造高效的溫差閉環控制系統。

1 PLC和變頻器在中央空調節能改造中應用可行性

本次研究以某綜合性大廈為例，該大廈的一層和二層為餐飲場所，三層以上為辦公場所。大廈的中央空調為一次泵系統，由三臺水冷冷水機組和三臺冷凍水泵組成，均采用兩備一用模式。其中電機功率為85kW，采用自耦變壓器的啟動方式，并且冷卻水泵和冷凍水泵保持電機全年恒速運行狀態，進出水的溫差在2.1～2.4℃之間，通過繼電接觸器實現全面控制。并且，該系統按照天氣最熱且室內熱負荷最高的情況設計，在運行中存在能源浪費情況。因此應根據大廈的實際情況，采取有效措施對中央空調進行節能改造，在反復考察分析的基礎上，工作人員選擇通過溫差閉環自動控制的方法實現節能改造，在改造中將PLC和變頻器應用于冷凍水泵與冷卻水泵之中，以此組成溫差閉環模塊，系統可根據負載的變化情況，自行調整水泵運行頻率，進而達到節能的效果。在具體設計中，工作人員充分考慮了中央空調系統中冷卻水和冷凍水的循環中用電情況，進而參考系統最大負荷的115%～121%設置裝機容量的安全標準。

2 變流量溫差和壓差的控制

在冷凍水變流量控制中，主要采取冷凍水壓差控制方法和冷凍水溫差控制方法，并且后者在一次泵定流量系統改造中作用明顯，施工難度較低。改造中，將水泵設置為主動調節狀態，根據負荷變化情況調整供回水的溫差，并且冷凍水泵的轉速及流量根據溫差進行有效調整。工作人員在供回水的總管上設置溫度傳感器，并通過PLC獲取回水的溫度，在此基礎上計算出實際運行中出水與回水之間的溫度差，并對比系統設定的溫度差。如果其中實際溫度差大于設定的溫度差，則表明室內溫度較高，進而應加快冷凍泵轉動，使得冷凍水循環加速，最終提升熱交換速度。此外，在冷卻水變流量控制中，主要選擇定溫差控制方法，具有主機性能優越的特點，具體控制方法與冷凍水定溫差控制原理類似，其中注意控制進出水溫度即可，控制范圍為5±0.4℃。

3 中央空調節能改造具體設計

3.1 硬件設計方案

選擇觸摸屏、變頻器和PLC組成控制系統，對系統中的2臺冷卻泵和2臺冷凍泵進行改造，具體的硬件設計方案為：利用PLC控制系統中冷卻泵的變頻接觸器，并通過控制器-繼電系統控制工頻接觸器，并在兩者之間設置電氣連鎖保護，以此保證改造后系統的穩定性。并且在控制系統中安裝2個溫度傳感器，收集冷卻水回水與出水溫度信息，進而連接溫度采集模塊，實現模擬量向數字量的轉換，在轉換后將數字信息傳輸給PLC，運算后結果在模擬量的輸出模塊FX2N-2DA的作用下實現轉換，以0-10v（DC）的形式對變頻器的頻率進行控制，進而控制水泵的轉速。

3.2 控制程序設計

控制程序主要包括：

（1）D/A轉換程序，在系統中，數模轉換中的數字量主要存儲在寄存器之中，并在FX2N-2DA模塊的作用下可實現數字量向模擬量的轉換，變頻器接收轉換后的變量，進而通過變頻器轉速的控制實現對水泵轉速的控制；

（2）自動調速程序，考慮冷卻水溫度變化較為緩慢的情況，在設計中將溫差采集周期設置為4s，如果溫差超過5℃，則提升變頻器的運行頻率，每次調整0.5Hz，當溫差低于5℃或者頻率達到55Hz時，不再調整變頻器的頻率。同時，如果溫差低于4℃，則變頻器的頻率會呈現下降趨勢，進而導致能耗增加，因此必須以0.5Hz的標準調整變頻器頻率，當變頻器頻率為45Hz或溫差超過4℃時，方可停止調整作業，只要達到上述標準，便可達到最大的節能效果；

（3）冷卻泵出回水溫差計算程序，在改造中設置兩條通道，一條為冷卻水回水溫度，另一條為冷卻水出水溫度，并單獨設計出回水溫差的寄存通道。

3.3 控制系統的輸入輸出分配情況

根據本次系統改造要求，PLC選擇經濟中型設備，并且內部具有以太網主站的通訊功能，具備CPU模塊一個，數字量輸出模塊2個，模擬量輸出模塊2個和脈沖輸入模塊3個。同時該系統中85kW冷凍水泵選擇三菱FR-E740型號的變頻器，而65kW的冷卻水泵配置的變頻器的型號為22C-D105A105。其中冷卻泵中配置的PLC輸入輸出線路中設計多個參數，其中以變頻器的參數為主，主要包括：上限頻率：55Hz，下限頻率：45Hz，加速時間：4s，減速時間：6s，D/A模塊的輸出電壓為0～10v。

4 結束語

綜上所述，隨著社會發展和經濟進步，大型建筑中中央空調系統日漸普及，在有效調節建筑內部溫度的同時，也消耗了大量的能源。因此在中央空調運行中，工作人員應結合建筑的實際情況，對其進行節能改造。在改造工程中，多利用PLC和變頻器實現中央空調的變頻調速，有效避免了沖擊電流等現象，在節能方面取得了良好的效果，使得中央空調系統具備良好的經濟效益與社會效益。

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作者簡介

李婧（1971-），女，北京市人。大學本科學歷。廣東省江門市新會岡州職業技術學校高中物理一級教師。主要研究方向為電工技術應用。

作者單位

廣東省江門市新會岡州職業技術學校 廣東省江門市 529100