陈武

摘 要 我国夏季建筑物电量消耗的电量消耗有一半左右都是中央空调的电量消耗，而现在大部分的大型建筑都将中央空调列为必不可少的配套设施。因此，中央空调的节能研究对我国创建资源节约型社会具有重要现实意义。本文通过运用PLC与变频器的控制系统，对某空调系统进行改造达到节能、环保目的，具有重要的实践意义。

关键词 中央空调系统 可编程序控制器 变频器

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2018.04.011

Abstract In Summer of our country， about half of the electricity consumption in buildings is from the one of central air conditioning. And now most of the large buildings regard central air conditioning as an indispensable supporting facility， so the research on energy saving of central air conditioning takes an important practical significance for China to create a resource-saving society. This paper clarifies how to uses the PLC and the control system of frequency converter to transform an air conditioning system to achieve the purpose of energy saving and environmental protection， which has important practical meaning.

Keywords Central air conditioning system； programmable controller； frequency converter

我国夏季建筑物电量消耗的电量消耗有一半左右都是中央空调的电量消耗，而中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行的天数与整个运行季节相比很少，一般最多只有一星期左右。为解决这种设备不能自动调节的问题，可利用目前市面上已经技术成熟的可编程控制器和变频器等配套模块，达到自动调节水泵流量，最终节能的目的。

1 建筑内中央空调系统原理

中央空调系统一般由制冷空调主机、冷却水系统、冷冻水系统、末端系统组成。其中，制冷空调主机的作用是消耗电能将制冷剂进行压缩，让制冷剂通过相变吸收或散发热量。冷冻水系统的工作原理是将制冷主机蒸发器与冷冻水进行热交换，也叫吸热，一般将冷冻水的水温降低5℃左右，冷冻水泵将冷冻水送到各个末端设备的换热盘管内，在由盘管风机进行强制对流换热，最后达到给房间降温的目的。制冷剂在制冷空调主机里经过压缩机的压缩温度会急剧升高，这是就需要使用冷却水系统将制冷主机的冷凝器内的制冷剂温度降下来。冷冻水泵消耗电能把制冷主机内产生的热量通过冷却水的循环给带到室外冷却塔。冷却塔是利用冷却水和空气的自然对流式换热、风机的强制对流换热、冷却塔填料的增大换热面积等方式，将冷却水的水温降低。通过制冷空调系统的工作原理可知，冷冻水系统带走的是房间的热量，通过制冷主机消耗电能利用制冷剂的相变将热量传递给冷却水系统，冷却水的热量又被冷却塔通过换热传递到了室外空气当中，所以说制冷并不是制造了冷量，而是一个热量传递的过程。在这个过程中需要消耗大量的能量，比如制冷主机的压缩机电机、冷却水泵电机、冷冻水泵电机、冷却塔风机、风机盘管风机等。

2 PLC简介

PLC，即可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是使用微处理器为基础的通用型工业控制器装置。可编程序控制器在我国国民经济中应用面十分广阔，具有功能强大使用方便的特点。传统的继电器控制方式是由输入信号设备，如按钮和开关等；各种继电器、接触器和导线连接而成的有一定的逻辑功能的控制线路；各种继电器和指示灯组成的输出电路等三大部份组成。PLC相比传统继电器控制方式则完全不同：首先PLC控制系统的输入继电器、输出继电器、接触器、定时器、计数器等是在PLC内部用软件功能代替了传统继电器控制的硬件，不是真实的硬件，一台小型的PLC模块里有成百上千个可以任意编辑的编程元件，可以通过软件实现非常复杂的控制功能。老式的硬件继电器的接触触电一般不会太多，只有4到8对触点，而使用PLC的软继电器在用户使用编程软件编程时则可以有无限个触点无限的使用，在需要编辑时，可以使用软件来在线修改。相比继电器控制电路控制电路固定，修改时重新接线，既费时又费人工。综上所述，PLC控制方式相比傳统的继电器控制方式在使用方面灵活多变，避免了传统接触器由于触点接触不良，容易出现故障的缺点，PLC本身采取了一系列的软件可硬件抗干扰措施，具有很高的抗干扰能力，是最可靠的工业控制设备之一。

3 案例分析

武汉某厂房空调系统，主要设备有：主机制冷量1000KW，压缩机为螺杆机。两台冷冻水泵和两台冷却水泵，运行方式为一用一备，横流冷却塔一台。原设备使用的是接触器控制水泵系统，控制方式为Y- 启动，启动时电流较大，而且水泵启停市会有水锤现象，震动较大。冷冻水系统如图1所示。

3.1 PLC控制器的选择

市场上PLC种类繁多，有施耐德、欧姆龙、三菱，还有许多国产的品牌。不过从性价比、扩展性能、稳定性等多方面考虑，西门子PLC优越性较强。西门子S7-200系列PLC广泛应用于各行各业的中小型工业控制邻域，性能稳定可靠，价格不高，所以我们暂采用此系列PLC。

考虑到我们采用触摸屏做为输入及监控设备，需要占用一个串口；短信报警、温度等数据存档、GPRS数据传输、手机或PC远程监控等功能扩展需要占用一个串口，所以我们采用双串口的CPU226或CPU224XP都行，由于我们不需要太多的I/O口，从成本考虑CPU224XP比较合适。

选择CPU224XP还有一个优点，PLC带一个模拟量输出接口，可以直接控制一个变频器。

由于我们需要控制两个变频器，只再增加一个模拟量就可以了，比较合适的选择是扩展一个EM235模块。刚好两个压力输入模拟量和两个温度输入模拟量及一个输出模拟量端口全都是用上了。

3.2 变频器的选择

一台西门子PLC通过一个串口，使用USS专用控制程序可控制很多台MM430变频器，由于西门子变频器昂贵，而市场上变频器种类繁多，当控制的变频器数量少，且不是一定强调使用高端设备的情况下，我们可以选择更通用和便宜一些的台达水泵专用变频器VFD300CP4。

PLC与变频器的连接非常方便，只要一根两芯屏蔽线就可以，PLC端接M和V，变频器端接ACM和+10V就可以了。

变频器默认控制是面板输入频率控制，我们需要修改00-30项参数为2，其余参数可以采用默认值。PLC模拟量输出控制冷却水泵变频器，EM235模拟量输出控制冷冻水泵变频器。虽然是0～10V模拟量控制变频器，对应于0～50HZ频率。但由于限定水泵在30～50赫兹之间变频运行，所以PLC程序必须限定模拟量输出在6～10V之间变化。

3.3 冷冻水泵的变频控制

由于中央空调冷冻水一般在7～12℃范围，当冷冻水温高于12℃时变频器全速运行，只在出水温低于12℃时采取检测温差，运行变频节能，启动程序如图2。以PLC内部设置T101为水温差检测定时器，检测周期10秒钟，同时计算温差值。

由于PLC内模拟量值输出在0～32000间变化对应0～10伏及0～50赫兹，所以，我们变化0.5赫兹对应于3200变化量。同时50赫兹对应32000，30赫兹对应19200。

程序第一行：当到达检测周期，温差值小于5.2度，同时频率小于50赫兹时，输出值就以3200增加。

程序第二行：当到达检测周期，温差值大于4.8度，同时频率大于30赫兹时，输出值就以3200减少。

最后运行结果就是冷冻水温度差值稳定在4.8～5.2度之间。这里AQW0就是输出端口数据，其电压值可在0～10V之间变化。由于程序限制，实际在6～10之间变化。

3.4 冷却水泵的变频控制

为保证制冷主机的制冷效率最大，制冷系统的高压和低压压差比不能频繁的变化，而冷却水进出温差会显著改变制冷系统的压差比，所以冷却水系统不能使用冷冻水系统那样的控制方法，可以直接采用冷凝压力控制变频器的方法。以R22系统为例，如果制冷系统的蒸发温度是0度左右，其对应的蒸发压力为0.45～0.5MPa，取压差比是2.9的情况下，那么这个系统的冷凝压力应在1.5MPa左右。实际工作中这个压力值是跟制冷系统的传热效率，环境温度有关。为减少误差值，我们可以在低压系统安装一个低压传感器，监控系统运行稳定后的低压压力平均值，在乘以压差比2.9之后就得到高压压力值。

冷却水泵控制说明：

PLC每10秒采样高压数据，压力低于14kg/cm2时，变频器以0.5赫兹频率减小水泵功率，最低頻率设定在30赫兹。压力高于15公斤时，变频器以0.5赫兹频率递增水泵功率，最高频率设设定在50赫兹。冷凝压力处于14～15 kg/cm2之间水泵功率保持不变。

当然根据环境条件变化，这些参数是可以在触摸屏上微调设定的，以达到最佳节能效果。

3.5 触摸屏控制

目前PLC和触摸屏搭配控制是个趋势，其优点是没有了机械按键等容易损坏的输入零件。可以直接显示各项参数、系统图等。图3是本项目的一个主界面，采用的是西门子SMART 700触摸屏。

4 结论

通过对原系统的改造，经过一年多的运行观察，改造后比改造前平均节能约30%左右，而改造的成本在空调系统运行一年后即可收回，从长远的经济利益来看是值得，该系统改造达到了设计效果。

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