技师论文

应用于中央空调节能改造中的PLC

摘要：针对大部分中央空调系统由于冷冻泵、冷却泵不能自动调节负载而长期满负荷运转造成能量极大浪费的现象，本文利用变频器、PLC等器件构成温差闭环自动控制系统，此系统通过自动调节水泵的输出流量，提高了冷冻机组的工作效率和系统的自动化水平，既降低了电能消耗又优化了系统的运行环境和运行质量。

关键词：PLC 变频器中央空调节能改造

一、前言

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，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。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，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。

随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，为中央空调的长期运行达到节能目的提供了可靠的技术条件。

二、问题的提出

1、原系统简介

某中央空调系统的主要设备和控制方式：450吨冷气主机2台，型号为特灵二极式离心机，2台并联运行；冷冻水泵和冷却水泵各有3台，型号均为TS-200-150315，扬程32米，配用功率37 KW，均采用两用一备的方式运行；冷却塔3台，风扇电机5.5KW，并联运行。

2、原系统的运行及存在问题

老式中央空调是用阀门、自动阀调节管路流量，不仅增大了系统节流损失，而且对空调的调节是阶段性的，造成整个空调系统工作在波动状态。另外，由于冷冻泵输送的冷量不能跟随系统实际负荷变化，使其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度和大流量小温差来掩盖。这样，不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。

为了解决以上问题，我们打算利用变频器、PLC、数模转换模块、、温度模块、温度传感器等器件的有机结合，构成的温差闭环自动调速系统，自动调节水泵的输出流量，以达到节能的目的。

三、节能改造的可行性分析

改造方案是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，排除了人为操作错误的因素，同时根据冷却水温度的高低，自动切投冷却塔散热风机，以达到节能效果。以下是分析过程：

1、系统的工作过程

中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中，在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，吸热降温后被送到终端盘管风机或空调风机，

经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后，再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中，冷却水在冷却泵的作用下流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后被送到冷却塔，经风扇散热后再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，从冷冻泵、冷却泵处得到的动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排除。 用户回水出水出水

冷

却水系统

回水冷冻水系统

冷凝器

蒸发器

冷却塔

压力表

手柄式蝶阀温度计水泵

形过滤器防震器

中央空调系统结构图

2、泵的特性分析与节能原理

1）泵的特性分析 泵是一种平方转矩负载，其流量Q 、扬程H 及泵的

轴功率与转速n 的关系如下：

)/(),/(),/(3231212221212121n n T T n n H H n n Q Q N N === （1）

上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴的功率P （KW ），可按下式计算：

p=ρQh/ηc ηF ×10-2 （2）

式中 P ——电动机的轴功率（KW ）

Q ——流量（m 3/s ）

Ρ——液体的密度（kg/m 3）

ηc ——传动装置效率

ηF ——泵的效率

H ——全扬程（m ）

2）节能分析

如图曲线1是当阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为A 点：流量Q A 、扬程H A 。由前式2可知电动机轴功率与面积OQ A AH A 成正比。若要将流量减少为Q B ，主要的调节方法有两种：

⑴转速不变，将阀关小。这时阻力特性如曲线3所示，工作点移到B 点：流量Q B 、扬程H A 。电动机的轴功率与面积OQ B BH B 成正比。

⑵阀门开度不变，降低转速。这时，扬程特性曲线如曲线4所示，工作移至C 点，流量仍为Q B ，但扬程为H C 。电动机的轴功率与面积QQ B CH C 成正比。

对比这两种方法，可以十分明显看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节能的方法。

3、冷却塔的控制

以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数，非常容易造成能源的浪费现象，现在根据冷却水的温度，由温度传感器传送信号至PLC，由PLC经计算后对冷却塔风机依次开启，以28℃为基数，温度每上升2℃，开启两台散热风机，每下降2℃，延时5分钟后停止2台风机，以达到节能效果。

四、节能改造的具体方案

1、主电路的控制设计

根据具体情况，同时考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备的方式运行，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，均为一个月转换一次，切换频率不高，所以冷冻水泵和冷却水泵电动机的主备切换控制仍然利用原有电气设备，通过接触器、启动按钮、转换开关进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动，避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故。并且每台变频器同

时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。冷冻水泵与冷却水泵改造后的主电路和控制电路如下图所示，M3和M6为备用泵

以下为冷冻水泵与冷却水泵一次接线图： 变频器

变频器

变频器

变频器

2、功能控制方式

工作流程：

开机：开启冷水及冷却水泵，由PLC 控制冷水及冷却水泵的启停，由冷水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号，开启制冷机，由变频器、温度传感器、温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工作流量，同时PLC 控制冷却塔根据温度传感器信号自动选择开启台数。

停机：关闭制冷机，冷水及冷却水泵以及冷却塔延时十分钟后自动关闭。 保护：由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护，压力偏低时自动开启补水泵补水。

五、变频节能改造

中央空调的变频节能系统结构如下图所示。变频器的启停及频率自动调节由PLC 、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC 控制。下图为变频节能系统示意图 冷冻出水温度冷冻回水温度冷却出水温度冷却进水温度37变频器

37变频器37变频器37

变频器转换模块温度模/数转换

三菱控制器

1、对冷冻泵进行变频改造

PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度。温差大，说明室内温度高，系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的速度，减缓冷冻水的循环和流量，减缓热交换的速度以节约电能。

2、对冷却泵进行变频改造

由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。

六、实际调试注意事项

1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。

2、冷冻泵和冷却水运行的下限频率应根据实际情况调整在25~35之间较好。

3、用高精度温度计及时检测各点温度，以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。

七、技术改造后的运行效果比较

1、节能效果及投资回报

进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素

有一定关系。根据以往运行参数的统计与改造后的节能预测，平均节能应在20－30%以上。经济效益十分显著。

2、对系统的正面影响

由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来启动时大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了启停水泵产生的水锤现象对管道、阀门、压力表等的损害;消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长；由于水泵大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及震动都大大减少，电气故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。

由于采用了温差闭环变频调速，提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平，减少了人为因数的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量。

八、结束语

在科技日新月异，能源日益匮乏的今天，为了节能降耗，积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以节能降耗、提高生产效率，创造可观的经济效益，而且对环保等社会效益同样有着重要的意义。

参考文献：

(1)、宋峰青,陈立香.变频技术.中国劳动社会保障出版社,2004,6

(2)、程子华,刘小明. PLC原理与编程实例分析.国防工业出版社,2007,1

(3)、翟彩萍,陈栗宋,周秀群.PLC应用技术.中国劳动社会保障出版

社,2006,7