PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用

李红图

摘 要：建筑业能耗是我国能源总能耗中较为突出的一项能耗，包括照明、电梯、空调、通风等。其中，中央空调能耗占的比例最大，占据整个建筑物运行能耗的至少40%以上，并有不断扩大的趋势，严重影响了区域能源的供需平衡。对中央空调自动化系统节能技术进行分析和研究是优化中央空调能耗系统、降低中央空调系统能耗的重要途徑，对提高我国建筑行业能源利用率、促进国家经济的可持续发展具有非常重要的意义。

关键词：中央空调；PLC；变频器；节能改造；运营管理

引言

随着科技的发展进步与人民生活水平的不断提高，中央空调越来越多的进入各类建筑物中，并给人们创造出舒适的环境，但是它的能耗是一个不容忽视的大问题。传统的中央空调系统有70%以上的时间都运行在满负荷50%以下，各个电机长期工作在工频状态下，并通过挡板和阀门来调节水流量，这样会加重电能的浪费，也使中央空调的运行环境和运行质量进一步恶化。所以，对中央空调的节能改造是当前迫切需要解决的问题。

1中央空调系统的结构和原理

中央空调系统主要是由风机子系统、冷冻水子系统、冷却水子系统等多个子系统组成，通过控制一台主机连接风道过风和冷热水管，然后连接多个末端来控制不同房间的温度以达到调节室内空气温度的效果。实现温度调节最为主要的系统是制冷主机系统，调节室内温度的来源就是制冷主机系统所产生的冷气，制冷主机系统也是占据中央空调的大部分能耗，包括风机系统和水系统在内的系统功率大小直接影响空调主机的运行。

中央空调的制冷过程是由两大水循环系统配合制冷主机系统和风机系统共同协调完成。整个过程遵循热量守恒定律，由制冷主机产生低温冷冻水并送至风机中与高温空气交换热量，到达一定温度后，风机盘管中的空气会被送至室内调节温度，此时低温冷冻水吸收热量变回高温水，再送回制冷机组与低温制冷液交融放出热量，重新转换成低温冷冻水，这个过程一直重复循环，实现了调节室内温度的目的。

2中央空调节能改造具体设计

PIC与变频器在中央空调节能改造中的具体应用模式如图1所示。文章分别从硬件和软件两部分介绍中央空调的节能改造。

2.1硬件设计方案

选择触摸屏、变频器和PLC组成控制系统，对中央空调系统中的冷却泵和冷冻泵进行改造，具体的硬件设计方案为：利用PLC控制系统中冷却泵的变频接触器，并通过控制器-继电系统控制工频接触器，并在两者之间设置电气连锁保护，以此保证改造后系统的稳定性。并且在控制系统中安装2个温度传感器，收集冷却水回水与出水温度信息，进而连接温度采集模块，实现模拟量向数字量的转换，在转换后将数字信息传输给PLC，运算后结果在模拟量的输出模块FX2N-2DA的作用下实现转换，以0～10v（DC）的形式对变频器的频率进行控制，进而控制水泵的转速。

2.2控制程序软件设计

控制程序主要包括：第一，D/A转换程序。在系统中，数模转换中的数字量主要存储在寄存器之中，并在FX2N-2DA模块的作用下可实现数字量向模拟量的转换，变频器接收转换后的变量，进而通过变频器转速的控制实现对水泵转速的控制；第二，自动调速程序，考虑冷却水温度变化较为缓慢的情况，在设计中将温差采集周期设置为4s，如果温差超过5℃，则提升变频器的运行频率，每次调整0.5Hz，当温差低于5℃或者频率达到55Hz时，不再调整变频器的频率。同时，如果温差低于4℃，则变频器的频率会呈现下降趋势，进而导致能耗增加，因此必须以0.5Hz的标准调整变频器频率，当变频器频率为45Hz或温差超过4℃时，方可停止调整作业，只要达到上述标准，便可达到最大的节能效果；第三，冷却泵出回水温差计算程序，在改造中设置两条通道，一条为冷却水回水温度，另一条为冷却水出水温度，并单独设计回水温差的寄存通道。

3 PLC模块与变频器的型号选择

在选择变频器的过程中，应该注重对设备可靠性的充分考虑，在进行机械配置变频器生产的时候，最主要的目的是为了促进生产效率的提升，如果稳定性较差的话，各种工业生产的需求都难以得到有效的满足。在选择PLC自动控制系统的时候，应该综合考虑到通信联网能力、特殊功能模块、容量、I/O模块、机型等各个方面因素，另外在进行型号选择的时候，需要对其线路连接方式、电压等级、输入信号类型等各个方面的因素进行综合考虑。

4基于PLC和变频器控制的中央空调的后期运营管理

4.1冷却塔

冷却塔为中央空调系统中不可或缺的辅助设备，其在主机制冷效率与节能降耗中发挥着巨大作用，当巡检时应认真检查水流情况，确定风机运转是否正常，皮带磨损和松紧情况。仔细检查布水，保障布水槽满水量，布水槽和积水盘没有铁锈和微生物等异物。严格检查补水系统，保障浮球阀一直处于正常工作状态。

4.2水泵

水泵的作用是冷冻水与冷却水之间的传递与循环。当巡检时，检查水泵进出口压力是否正常、稳定，电机电流是否在额定范围内。检查水泵各部分是否漏水，认真辨别运转声响，明确轴承部位的实际运行情况。

4.3冷冻水机组

冷冻水机组是中央空调的核心设备，冷冻水主机正式开机前，应对冷冻水主机和各个部件进行外观的检查。检查制冷剂系统压力，按照SOP进行检漏。确保约克主机的冷冻冷却阀门在打开状态，并对安全阀进行检漏。检查控制柜主电源，机组控制线连接情况，确认所有接头连接紧固，线型与线径连接正确。检查控制室约克主机启动柜，开关是否到位，控制柜内是否整洁，检查保险丝断路器是否完好。用兆欧表摇电机、电缆和电机绕组绝缘，确保绝缘等级在所规定的范围内。完成上述工作后，可以对冷冻水机组进行供电，供电后检测控制柜的三相供电电压是否符合约克机组要求。

结语

中央空调系统作为现代大型建筑物必备的配套设施，为了给人们提供更舒适的生活和工作环境，需要不断创新和改善中央空调的自动化系统节能技术，在研究中央空调节能环保性能时，可以采用自动化控制的方式提升中央空调控制系统的稳定性，结合变频器和PLC控制系统进一步扩大中央空调的功效，进而实现节能减排的最大化。

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