PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用探析

陈怡塘

（厦门京闽能源实业有限公司，福建 厦门 362000）

0 前言

中央空调是由一个或多个冷热源系统、空气调节系统组成的电器系统。在近几年工业经济快速发展过程中，我国中央空调电器进入新一轮发展阶段，销量增长态势良好。由智研咨询发布的《2020—2026年中国中央空调行业市场竞争力分析及投资前景趋势报告》可知，我国中央空调总体销量已突破千亿元大关。在中央空调应用范围不断扩大的背景下，中央空调系统的节能改造愈发受到关注。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、变频器是中央空调节能改造主要用的技术设备。因此，探究分析PLC、变频器在中央空调节能改造中的应用具有非常重要的意义。

1 中央空调节能改造前的运行情况

在节能改造前，中央空调机组包括冷冻水循环系统、主机、冷却水循环系统3个部分，冷冻水循环系统主体为500Rt的美国开利19XL5151455CQ离心式冷水机组2台，每台额定输入功率410kW，总制冷量1000Rt，配套4台75KW冷冻水泵；1台230Rt的日立螺杆式冷水机组，额定输入功率180kW，配套35kW冷却冻泵1台。空调主机为星形－三角形减压启动模式。冷却水循环系统主体为4座冷却塔，每台冷却塔配置5kW风机；2台500Rt离心式冷水机组配套4台75kW冷却泵，230Rt螺杆式机组配套1台35kW冷却水泵。总供冷建筑面积为5万平方米，地下2层，地上裙楼4层，主楼部分为28层，副楼部分为17层，年空调系统耗电约1700000kW·h.

在运行过程中，冷却泵、冷冻泵电动机全年速度恒定，受继电器－接触器控制，回出水温差在5℃内。由于最大负载按天气最热、负荷最大的最不利状况确定，因此实际系统多数处于部分负荷状态下，电能消耗较大。加之传统继电器－接触器控制模式下，水泵启动/停止环节水锤现象出现概率较大。即水输送过程中流速突然变化且压强大幅度波动，对管网系统中管道、阀门造成了冲击性破坏，导致中央空调维修成本大大上升。

2 PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用思路

变频器是输出频率可调整的交流电力拖动设备，可以经大功率整流将供给电机定子的三相交流工频电转变为直流，进而借助正弦波脉宽调节技术将直流电逆变为频率与幅度可调的三相交流电。通过将变频器增设到水泵上，可以根据水流量跟随平稳自动调节水泵电机转速，降低电机从电网中吸收的电能，实现变频节能。在变频调速应用过程中，根据电机宽范围内平滑调速要求，改造操作者可以去除全部管道的继电器，而是将变频器装设到冷冻泵与冷却泵的适当位置，便于根据日间多阶段冷量要求自适应运行。

在将变频器装设到中央空调水循环系统后，以PLC为控制核心，经光电隔离完成全部起停、保护信号向PLC输入映像寄存器传输。在基于PLC的控制模式中，全部时间继电器、中间均须去除，并借助专业编程软件对PLC进行梯形图编程，在控制线路一定的情况下，实现变频器的启动/关停控制。输入输出接线图如图1所示。

如图1所示，冷却泵启动020、冷冻泵启动021、冷却泵停止022、冷冻泵停止023、冷却泵故障024、冷冻泵故障025分别与I0.0、I0.1、Q0.0、Q0.1、I0.3、I0.4相连接。1#变频器故障信号024、2#变频器故障信号025则分别与I1.0、I1.2相连接。基于PLC和变频器的中央空调节能控制方案通信接口较强大，可与上位电脑连接，满足未来联网控制要求。

图1 输入输出接线图

3 PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用方案

3.1 硬件配置

鉴于当前PLC规格类型多样，功能差异较大，为达到温度手动、自动控制要求，可以根据可靠性高、性价比优、功能适宜的原则，将FX2N16EX作为主机，配合VFD-B系列变频器和DEWE2-M7S铂电阻温度采集模块、CompactDAQ温度模拟量特殊输入模块以及Pro-face接触器、LA45-A电器按钮，实现手动控制。

该案例的制冷站改造时，在保留原有控制设备的同时增加了PLC控制柜，选择FX2N16EX型号PLC控制器作为主控设备，选用Pro-faceSP5000触摸屏为辅助控制装置。配置VFD-B系列75kW变频器4台，75kW冷冻、冷却水泵各配置2台，配置VFD-B系列35kW变频器2台，35kW冷冻、冷却水泵各配置1台。DEWE2-M7S铂电阻温度采集模块4套，冷冻、冷却水主管道各安装1套。

FX2N16EX型号PLC控制器是一种广泛应用的可编程逻辑控制器，扩展功能丰富、可靠性强、抗干扰能力突出，且具备极高的可读性、实时内置集成性与通信能力。控制器包括RUN、STOP、TERM三种工作模式。在RUN工作模式下，CPU将执行与控制要求相关的用户程序，实现功能控制；在STOP工作模式下，可完成PLC内用户程序、硬件设置装设以及编程软件计算机通信；在TERM模式下，PLC会开展自由口通信管控。主机技术指标中用户程序区CPU为8KB，数据存储区CPU为5KB，主机数字量输入/输出点数为24/16，模拟量输入/输出点数为32/32，1条指令扫描时间为0.37μs，最大输入输出点数为256，位存储区与定时器、计数器点数为256，时钟功能为内置，数字量输入滤波与模拟量输入滤波为标准，高速计数器为6个30kHz。

VFD-B系列变频器由微控制程序与专用脉宽调制，降噪效果显著，且安装便捷、响应迅速、适应性强。变频器内涵多个模拟量输出端口、继电器输出端口与带隔离数字量输出端口，可实现过温保护、接地故障保护与过压/欠压保护、短路保护、参数联锁等。

Pro-face触摸屏是PLC正常控制系统的输入输出端，具有广泛连接性，抗震、高亮、宽温、防水防尘，可同时作为数据中心与控制终端应用。在实际应用中，中央空调Proface触摸屏显示内容包括巡检点以及对应温度、室内设置温度、风机全速运行、风机中速运行、风机低速运行、启动/停止、温度上升/下降等。

需要注意的是，Pro-faceSP5000触摸屏通信含RS-232口、RS-422口，前者用于PC端，后者用于PLC、变频器通信，在从DEWE2-M7S采集模块到FX2N16EX型号PLC模数转换输出模块的电线连接应尽可能选择双绞屏蔽电缆，并与接地端连接，确保系统稳定运行。同时应对温度、电流电压模拟量进行操作，由PLC电源接口提供24V直流电，由温度变送器将检测的冷却水进回水温度、冷冻水出回水温度分别传送到模拟量输入模块、PLC控制中心，进而由变频器接收模拟量，输入模块处理后，数据控制水泵运转速度，实现变频调速。而在底层硬件电路中，则采用三相380V交流供电，每一个供电段均配置含指示功能的自动/手动开关，在显示水泵运行状态的同时允许根据接触式开关进行水泵的启动/停止，满足设备维护状态下低层冷冻泵变频运行要求。

3.2 软件设计

基于PLC和变频器的中央空调节能改造方案的中心是数据传输，包括DEWE2-M7S铂电阻温度采集、FX2N16EXPLC模数转换输出以及Pro-faceSP5000触摸屏。为了满足Pro-faceSP5000触摸屏温度参数值自动/手动设定，可以由DEWE2-M7S出发，经Port口将数据传输给风机电机变频器数字量控制端。进而借助风机电机变频器数字量控制端RH、RL与RM模块进行超温报警、风机电机转速、温度数据接收控制。最后经PLC内部计算传递给DEWE2-M7S并显示。其中Port口主要采用DEWE2-M7SPLC自带的PPI串口将数据传输到数据存储器，并在关闭接收中断的基础上，每间隔100ms发送一次温度数据、接收1次终端数据，完成1组数据接收/发送后，进行第二组数据的发送/接收，同时进行中断程序处理。

整个过程中涉及的通信协议为通用串行接口协议（Universal Serial Interface Protocol，USS），为主从接口，由USS总线搭载1个主站、31个从站，从站地址唯一，主站可以根据从站地址发送报文，从站则可做出响应。数据传输过程中，PLC可作为主站，以轮询的形式访问各从站地址，变频器则作为从站，根据主站指令产生应答。根据工控要求，技术人员可以根据用户手册进行通信参数设置，参数及对应含义如下。

表1 基于USS协议的通信参数及含义

在PLC总控柜程序设计时，需要进行主控PLCI/O分配。如I0.0为冷却泵启动，Q0.0为变频器故障切换信号，I0.1为冷冻泵启动，I0.2为变频器故障指示信号，I0.3为冷却泵停止，Q0.2为冷冻泵变频工作信号等。同时应对存储器地址及功能进行明确，如VD108为传感器反馈电压值，T33为关断变频脉冲信号，M0.0/M0.1为初始化完成标志位等。

在输入输出信号与存储器地址分配完毕后，工程师可以借助STEP7-Micro/WIN32编程软件，书写主控程序，促使PLC从DEWE2-M7S外部采集数据传输到内部储存器。进而经内部储存器完成数据四则运算，将运算结果传递给变频器，为温度幅值控制提供依据。

在运行控制过程中，PLC的Y001、Y000、Y002分别控制变频器的RL、RH、RM数字输入端子，并从DEWE2-M7S模数转换输出模块采集数据（-10℃～60℃），将采集的数据放入指定的存储器内[4]。同时计算转换后温度数据平均值与采集值之间差值，将差值存入存储器，便于在采样温度上升或下降时进行冷冻水泵、冷却水泵电动机运转速度的控制。在部分负荷运行的情况下，通过控制水泵电动机运转速度，调节冷量的供应量，便于空调主机能及时卸载，以尽可能地降低电力资源损耗量，有效避免了“大马拉小车”导致能耗的浪费。一般情况下，在设备接通电源时，冷冻、冷却水泵控制标准为当实际温度与设定温度差值在5℃以上，变频器控制水泵电机全速运行。当实际温度与设定温度相差值小于5℃但大于3℃时，变频器控制水泵电机中速运行。当实际温度与设定温度相差值小于等于3℃时，变频器控制水泵电机低速运行。但是，为规避水泵电动机速度变换过于频繁而导致的电机运行失稳甚至元器件受损，应在恰当选取室内温度反馈检测点的基础上结合水泵的运行负荷，控制温度变换幅度在3℃以内。

4 PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用效果

4.1 节能效果

由离心泵的相似定律可知，泵流量与频率成正相关，泵扬程与频率的二次方成正相关，水泵功率与频率的三次方成正相关。此时，通过了解不同频率下的节能率以及闭环PID（比例Proportion－积分Integral－微分Differential）算法下的流量、功率、功率比例度，就可以分析PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用效果。具体见表2。

表2 不同频率下的中央空调控制器参数与节能率

由表2可知，在闭环PID算法中，流量、转速、功率均为被控制量，其比例度与节能率存在较大关系。通过变频器将泵流量与转速比例度均设定为60%，功率比例度设定为21.7%，则节能率达到最高，为78.3%。而经变频调速后中央空调节能效果较为显著，节能率显著提升。表明利用PLC和变频器调速可以促使中央空调转速趋于稳定，降低温度变化幅度，减少电力能源损耗。

4.2 经济效益

根据中央空调和变频器节能改造前资料可知，该制冷站改造前年空调系统耗电约1700000kW·h，通过节能改造增加PLC控制设备、变频器及配套的控制设备实现系统运行自动化，改造共投入约14万元。投入使用后年用电量下降约6%，每年可节约用电约102000kW·h，按平均电价0.7元/kW·h计算，每年可节约电费用支出约7.14万元，两年便可收加改造成本。改造案例表明通过PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用，可以有效降低中央空调运行成本，经济效益较为显著。

5 总结

综上所述，基于PLC和变频器的中央空调节能改造方案节电效果较为显著，可以对电机实现软启动/制动，降低启动电流对电机、电网的冲击，且电机温升幅度较小，可以实现负载平滑运行。因此，在中央空调节能改造过程中，技术人员可以PLC控制为核心，将变频器安装到冷冻水循环系统与冷却水循环系统的恰当位置，搭建软启动控制框架，降低水锤现象发生概率，提高中央空调运行效益。