卓晓冬

（江苏联合职业技术学院南京分院，南京 210019）

变频器主要应用于电气系统的滤波、逆变、驱动以及制动等能耗单元。这些能耗单元大多存在过流、过压、过载的风险，导致变频器在工作时普遍存在高能耗问题。PLC技术具有采集和处理复杂数据、实现电气系统电路实时监控的能力[1]。在变频器控制系统中引入实现节能功能的PLC软系统，理论上能够弥补变频器自身无法精准控制变频能耗等问题，实现对变频机变频调速过程的节能自动化控制。因此，本文以能耗较大的中央空调控制系统为例，基于PLC技术探讨中央空调制冷模块水泵变频器控制系统的节能改造。

1 基于PLC技术的中央空调变频器节能控制系统设计方案

1.1 变频控制需求分析

中央空调的变频器控制系统与一般的自动化电气控制系统相比的主要优势在于节约能耗[2]。它主要通过变频器对空调冷冻水泵、冷却水泵以及冷却风机这3个高能耗的作业单元进行变频控制，实现整个中央空调系统的自动化变频调速，达到节能运行的目的。

1.2 变频节能控制流程

冷冻、冷却水泵的控制方案均依据水温来控制，通过传感器实时监测冷却水与冷冻水的温差，然后采用PLC预编程模块实现对水泵的变频控制。具体控制流程如图1所示。

图1 冷冻水流量变频控制流程

PLC通过温度传感模块实时监测冷冻冷却水的出水温度和回水温度，然后将这些监测数据传入PLC主控模块的内存，由主控模块根据既定节能控制程序依据进出水温差值实时控制变频器的转速。温度传感器监测的数据为模拟数据，需要通过数模转换器转换为数字数据传入PLC主控模块，然后由PLC程序生成水泵变频器的控制指令，控制水泵实时根据冷却冷冻温差来调节水泵转速。

以冷冻水泵的流量变频控制为例，可以在蒸发器的出水与回水管道上加装温度传感器，由传感器将温度数值反馈给温差调节器，再由温差调节器生产水流进出温差模拟数据，经由模数转换器转换为数字数据后传输给PLC主控模块，由PLC主控模块根据预设的节能控制规则生成流量变频控制指令，然后经由数模转换器转换为模拟信号传输给水泵电机[3]。

2 中央空调变频器节能控制系统硬件配置

2.1 PLC主控模块

根据PLC主控模块的功能，可以将PLC组件类型划分为4个类型，其中最为主要的元器件主要为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器、输入/输出（Input/Output，I/O）系统、其他可拓展系统4种[4]。

存储器是PLC用于存储逻辑运算数据、仿真模块监控模组运行数据、故障诊断模组数据以及程序编程器等外界设备产生的运行数据的数据存储区。这些数据主要包括程序运行过程中产生的日志性质的数据以及系统各模组运行产生的各类参数。在PLC系统运行过程中，CPU需要依据各功能性模组发布的数据调用改写任务、访问数据存储区读取或改写其中的数据。

I/O系统是内嵌式PLC系统与外界进行交互的通信通道。通过将控制系统中的各类现场信号转换为标准的逻辑电平信号，输入给CPU进行逻辑运算后，将CPU输出的逻辑信号转换为执行元器件能够识别的参数性质信号。可选部件主要指PCL系统外部挂载的编程器、模拟盘、扩展器以及拓展I/O接口等。这些组件不是PLC运行的必需组件，但可以大大提高PLC系统的可操作性和可扩展性。

根据变频节能控制系统的功能需求和控制流程，本文建议选用西门子S7-200CPU226型号的PLC芯片作为主控芯片。该芯片能够提供8个回来比例-积分-导数（Proportion-Integral-Differential，PID）功能，尤其擅长按照PID控制规律来执行自动化微调控制程序。因为PID功能的实现需要向外实时输出微调控制指令的模拟信号，所以需要为该PLC主控模块搭载一个模拟信号的输入、输出模块。另外，S7-200CPU226型号PLC自带两个RS-485接口，能够实现与触摸屏之间的数据互通，实现人机交互功能。

2.2 变频器模块

变频器是变频节能控制系统的主要作业模块。该模块稳定的性能、较快的响应速度以及与PLC主控模块的配合度都至关重要。本文建议中央空调冷却、冷冻水循环变频控制系统选用2台MicroMaster430系列的变频器。MM430变频器是水泵类电动机的专用变频器，擅长对中小功率的电动机进行分级节能控制，同时支持自动和手动两种控制模式，与本文变频节能控制系统的设计思路相契合。该型号变频器的额定功率为7.5～250 kW，满足系统需求。

2.3 触摸屏人机交互模块

触摸屏人机交互模块主要负责实现两个功能[5]。一是负责接收PLC模块发出的模拟信号，生成水泵实时功率、水泵运转情况、变频器工作状态、水循环系统温差值等数据进行实时显示。操作人员可以通过触摸屏直观获取中央空调水循环系统的变频控制系统运转情况，可以通过触摸屏人机交互模块加载一个PLC技术的过载、过压、过流报警器，通过接收数据实时判断变频器控制下的水循环系统是否存在上述问题，然后由操作人员直观判断是否需要人工介入。

2.4 温度传感模块

温度传感模块是整个PLC自动化控制系统的关键，是主要控制输入信号的来源。在该系统中，温度传感模块主要用于监测水循环系统水流的进出温差值。本系统采用PT100温度传感器，集传感变送于一体，结构紧凑，安装方便，精度高、功耗低，温度测量划分为0 ℃、300 ℃、500 ℃、1 200 ℃，输出信号电流为4～20 mA。

3 中央空调变频器节能控制系统程序设计

3.1 PLC主控程序设计

中央空调水循环系统的PLC变频节能控制程序可以细分为PLC主控程序、触摸屏操作子程序、变频器子程序、通信子程序以及温度传感子程序。PLC主控程序是整个系统控制程序的核心，通过适时调用子程序实现各个功能模块的配合协作。根据中央空调水循环系统的PLC变频节能控制流程，PLC主控程序采用S7-200型号芯片的PID控制功能，通过预设的节能控制规则计算判断变频器当下应该采取的最小能耗功率值，然后生产对变频器输出电压的控制信号，分别调用F1、F2两个变频器的子程序，实现对变频器电压控制参数的实时控制。要想实现这一功能，需要将PLC控制模块与温度传感器、变频器、通信模块、触摸屏模块进行电路互联。具体PLC主控程序硬件电路接线图如图2所示。

图2 PLC主控系统硬件接线图

主控程序在运行过程中需要调用各类子程序使各个功能性模块完成工作，配合实现对水泵电机功率的自动化节能控制。先进行程序初始化，然后调用温度传感器模块子程序进行蒸发器进出水温的采集，调用触摸屏子程序接收触摸屏输入的节能控制规则参数。PLC主程序判断接收到启动指令后，控制水循环系统水泵变频器启动。水循环系统水泵启动后，实时判断触摸屏是否输入了急停、调档等人工操作指令。在这一过程中，通过在PLC运行PID控制功能时预设节能控制规则，实现对变频器启动、急停、调档等功能的节能控制。

3.2 触摸屏操作程序设计

触摸屏采用的组态软件为西门子的WinCCflexible 2008，具有报警记录、报表打印以及趋势曲线等多种功能。本系统在其基础上进行了丰富的画面设计，主要有主画面、系统设置、PID参数设置、运行模式选择、温度显示、故障报警及复位等界面等，其中包括冷冻水泵和冷却水泵的操作画面和监视画面。操作画面主要是冷冻泵/冷却泵的启停、电动机的选择、手动加速/减速以及变频器的报警复位。监视画面有进水温度、出水温度、进出水温差、运行时间以及运行频率等。操作画面与监控画面可随时切换。通过整个触摸屏系统不但可以进行组态，而且能监控下位机的运行，实现一体化的现场管理。

4 结语

本文以中央空调水循环系统的变频节能控制系统为例，从变频节能控制的原理出发，结合中央空调水循环系统实例的变频控制需求，从功能可行性、稳定性和节能性能3个方面给出了中央空调冷却、冷冻水泵流量变频节能控制系统设计思路，然后根据控制系统的PLC主控模块、变频器模块、触摸屏模块以及温度传感模块4个主要功能性模块的设备、元器件选型给出具体建议，并对PLC主控程序的设计给出具体思路，可为PLC技术在变频节能控制系统中的应用研究提供理论参考。