PLC与变频器、触摸屏在中央空调节能改造技术中

    一、中央空调系统概述    中央空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、房间风机盘管及循环水系统（包括冷却水和冷冻水系统）、新风机等组成。    在冷冻水循环系统中，冷冻水在冷机组中进行热交换，在冷冻泵的作用下，将温度降低了的冷冻水加压后送入末端设备，使房间的温度下降，然后流回冷冻机组，如此反复循环。    在冷却水循环系统中，冷却水吸收冷冻机组释放的热量，在冷却泵的作用下，将温度升高了的冷却水压人冷却塔，在冷却塔中与大气进行热交换，然后温度降低了的冷却水又流进冷冻机组，如此不断循环。    中央空调循环水系统的工作示意图如图13 - 26所示。
    图13 - 26    中央空调循环水系统的工作示意图    二、中央空调水系统的节能分析    目前国内仍有许多大型建筑中央空调水系统为定流量系统，水系统的能耗一般约占空调系统总能耗的15%～20%。    现行定水量系统都是按设计工况进行设计的，它以最不利工况为设计标准，因此冷水机组和水泵容量往往过大。但几乎所有空调系统，最大负荷出现的时间很少。    中央空调系统中的冷冻水系统、冷却水系统是完成外部热交换的两个循环水系统。以前，对水流量的控制是通过挡板和阀门来调节的，许多电能被白白浪费在此上面。如果换成交流调速系统，可把这部分能量节省下来。每台冷冻水泵、冷却水泵平均节能效果就很乐观。故用交流变频技术控制水泵的运行，是目前中央空调水系统节能改造的有效途径。    三、中央空调节能改造实例    1．大厦原中央空调系统概况    某大厦中央空调为一次泵系统，该大厦冷冻水泵和冷却泵电动机全年运行，冷冻水和冷却水温差约为2℃，采用继电器接触器控制。    (1)冷水机组：采用两台（一用一备），电动机功率为300kW。    (2)冷冻水泵：两台（一用一备），电动机功率为55kW，电动机启动方式为自耦变频器降压启动。    (3)冷却水泵：两台（一用一备），电动机功率为75kW，电动机启动方式为自耦变频器降压启动。    (4)冷却塔风机：三座，每座风机台数为一台，风机功率为5.5kW，电动机启动方式为直接启动。    系统存在的问题如下：    (1)水流量过大使循环水系统的温差降低，恶化了主机的工作条件，引起主机热交换效率下降，造成额外的电能损失。    (2)水泵采用自耦变频器启动，电动机的启动电流较大，会对供电系统带来一定冲击。    (3)传统的水泵启、停控制不能实现软启、软停，在水泵启停时，会出现水锤现角，对管网造成较大冲击。    2．节能改造措施    结合原中央空调的实际情况，确定水系统节能改造措施如下：    (1)由于系统中冷却水泵功率为75kW，占主机功率的30%，故对冷却水系统和冷冻水系统进行变流量改造，在保证机组安全可靠运行的情况下，取得最大化的节能效果。    (2)冷冻水系统的控制方案采用温差控制方法，因为冷冻水系统的温差控制适宜用于一次泵定流量的改造，施工较容易，将冷冻水的送回水温差控制在4.5～5.0℃。冷冻水控制方法：PLC通过温度传感器及温度模块将冷冻水的出水温度和回水温度读入PLC，根据回水和出水的温度差来控制变频器的转速，从而调节冷冻水的流量，控制热交换的速度。温度大，说明室内温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度以增加流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，可降低冷冻泵的转速，减少冷冻水的循环速度以降低流量，减速缓热交换的速度，达到节能的目的。    (3)冷却水系统的控制方案也采用定温差控制方法。因为冷却水系统定温差控制的主机性能优于冷却水出水温度控制，将冷却水的进出水温差控制在4.5～5.0℃，控制过程也与冷冻水类似。    (4)由于冷却塔风机的额定功率为5.5kW，故不考虑对风机进行变频调速。    (5)两台冷却水泵M1、M2和两台冷冻水泵M3、M4的转速控制采用变频器改造。正常情况下，系统运行在变频节能的状态，其上限运行频率为50Hz，下限为30Hz；当节能系统出现故障时，可启动原水泵的控制回路使电动机投人工频运行；在变频节能状态下可以自动调节频率，也可以手动调节频率。两台冷冻水泵（或冷却水泵）可进行手动轮换。    3．节能改造控制系统的功能结构图    用触摸屏、PLC、变频器来对系统进行自动控制。控制系统功能框图如图13 - 27所示。
    图13 - 27    控制系统功能框图    4．控制系统改造设计    因篇幅有限，下面对冷却水泵为例介绍其节能改造控制系统。    (1)设计方案。冷却水泵M1主回路电气原理图，如图13 - 28所示。冷却水泵M2主回路电气原理图与M1相似。    温度检测用两个箔温度传感器(PT100)采集冷却水的出水和进水温度，然后通过与之连接的FX2N- 4AD - PT特殊功能模块，将采集的模拟量进行A/D转换，送入PLC。再通过PLC运算，将运算结果通过FX2N- 2DA进行D/A转换，转换成0～10V (DC)来控制变频器转速。    (2)控制系统的I/O分配与系统接线。选用F940GOT - SWD触摸屏，PLC选用FX2N-48MR，I/O分配如表13 - 11所示，PLC接线如图13-29所示。    (3)触摸屏画面制作。制作触摸屏监控画面如图13 - 30所示。    (4)编写程序。程序主要由以下几部分组成：冷却水出进水温度检测及温差计算程序、D/A转换程序、手动调速程序、自动调速程序和变频器、水泵启停报警的控制程序等。控制程序如图13 - 31所示。
    图13 - 28   冷却水泵M1主电路电气原理图    表13 - 11   I/O分配表

    图13 - 29   PLC接线
    图13 - 30   触摸屏监控画面    (a)主画面；(b)操作画面；(c)监视画面


    图13 - 31   PLC控制程序