PLC和变频器在中央空调系统中的节能应用
介绍一种以plc作为总控制部件，采用变频器控制中央空调冷冻水循环泵，构成恒压循环供水；变频调速循环供水，以及用plc控制一台软启动器分别启动4台井水泵的控制系统。从而实现节能的目的，提高系统的可靠性，确保设备的安全运行。
晶澳太阳能有限公司采用3台设备制冷机组用于生产设备制冷，设备冷冻水循环泵2台，额定功率30kW,一备一用。另采用2台空调制冷机组用于环境制冷，空调冷冻水循环泵3台，额定功率37kW，二用一备。
两种循环水泵均为工频全速运转，由于设备冷冻水采用传统的固定节流方式来满足生产设备恒压供水要求和空调冷冻水采用固定节流的方式实现调节室内温度的目的，造成了大量电能的浪费，减短了水泵和阀门的使用寿命。、
现改造为由PLC作为核心控制部件，由变频器和设备冷冻水泵组成恒压供水系统。空调冷冻水根据温差△T控制原理，由变频器，PID温差控制器，温度变送器，循环泵组成温差△T控制变频调速系统。
现公司有4口水井，井水泵额定功率为75kw，采用工频恒速运行。井水统一供给两种制冷机组冷却水、其它车间用水、消防用水等。由于井水泵的自耦降压启动方式控制机构宠大，故障率高。现改造为由plc控制一台软启动器分别启动4台井水泵的启动方式。
硬件配置
设计选用一台plc作为核心控制部件，控制井水泵的软启动，设备冷冻水恒压供水和空调冷冻水的变频调速。其中，PLC选用SIEMENS公司的s7-200,CPU选用S7-222，电源模块一块，数字扩展模块选用EM223 24VDC 16输入/16输出。共24个输入点，22个输出点。
数字量输入主要有循环泵手/自动运行方式的切换，循环水泵和井水泵的手动启/停操作和井水流量反馈。数字输出点用于19点继电器输出和两个冷冻水系统故障报警和井水流量报警。
变频器选用MicroMaster430系列2台，一台额定功率30kW，用于控制设备冷冻水循环泵，另一台额定功率37kW，用于控制空调冷冻水循环泵。MicroMaster430系列变频器是风机类和水泵类的专用变频器，它拥有内置PID调节器，可以提高供水压力的控制精度，改善系统的动态响应。
软启动器选用SIRIUS 3RW40系列一台，额定功率75kW，用于软启动井水泵。
PID温差控制器一台，选用Transmit(全仕)G-2508系列PID双路温差控制器，用于设定温差，并将PID处理后的4～20mA的模拟信号送至变频器。
压力变送器一个，用于检测设备冷冻水的管网压力，并将压力信号反馈给变频器。
温度变送器两个，用于检测蒸发器两端的温度，并将温度信号送至PID温差控制器。
控制方案设计
图1 总控制设计方案主电路图
1设备冷冻水恒压供水控制方案设计
控制原理如图2所示，设备冷冻水循环系统是一个密闭的系统，由1#，2#循环泵供水，供水压力要求在4.0 ±0.5Mbar。正常情况下，一台循环泵工频全速运转时，出水压力可达7.5 Mbar。具有很大的裕量，为避免电能的浪费，将设备冷冻水循环系统设计为恒压供水系统。方案设计有手动/自动两种工作方式。
在手动方式下，工作人员可以根据实际情况现场决定启/停水泵的变频运行，并设最高优先控制级，不受plc的自动控制，以保证检修或出现故障时的安全使用。
图2
自动方式控制过程：将控制面板上设备冷冻水泵的手动/自动开关，打到“自动”档，由井水泵的运行给定plc设备冷冻水泵的启动信号，PLC控制KM11吸合，并与变频器通讯，由变频器1F软启动1#循环泵。
压力变送器检测设备冷冻水管网压力，转化为4～20mA的模拟信号反馈至变频器1F ,变频器1F通过内置的PID将检测压力与压力给定值进行比较优化计算，输出运行频率调节1# 循环泵的转速。当压力变送器检测到的管网压力低于给定压力时，变频器输出频率上升，增加1#泵的转速，提高管网压力；反之，则频率下降，降低1#水泵的转速。
为防止备用泵在备用期间发生锈蚀现象，在自动控制方式下，将1#、2#循环泵设置起始/停止周期，使其自动定时循环使用。
为避免在水泵切换时，管网压力变化过大，应采取必要的启/停时间协调措施，以尽量保证水压的稳定，并在切换过程中，对压力检测信号进行一定延时的“屏蔽”，防止变频器在较高的压力信号下不启动。
切换过程为：当设定的循环周期已到时，屏蔽压力检测信号。将正在运行的水泵的频率升至50Hz后切换为工频运行，之后将备用泵变频启动（备用泵与运行泵不固定），在频率升至30Hz时，切除工频泵，并取消对压力信号的屏蔽，恢复正常运行，如此循环。
在水泵切换时为了防止KM11与KM12、KM21与KM22、KM11与KM22误动作同时吸合发生故障，须将它们电气互锁和程序互锁。当工作泵发生故障时，则立即停止工作泵，将备用泵投入变频运行，并输出声光报警，提示工作人员及时检修，当变频器发生故障时则停止水泵运行立即输出报警。
图3
2 空调冷冻水系统循环泵变频调速控制方案设计
控制原理如图3所示，空调冷冻水系统的供回水温度之差反映了冷冻水从室内携带热量的情况。温差大，说明室内温度高，应提高冷冻水泵的转速，加快冷冻水循环；反之，温差小，说明室内温度低，可以适当降低冷冻水泵的转速，减缓冷冻水循环。
一般中央空调冷冻水系统设计温差为5ºC~7ºC。通过温差△T控制，控制冷冻水系统的循环状态，可以降低能源损耗，延长水泵的寿命。此外，空调冷冻水系统是一个密闭的系统不必考虑恒压问题。
具体采用PLC、变频器、温度变送器，PID温差控制器和循环泵温差闭环变频调速系统，控制冷冻水泵的转速随着室内热负载的变化而变化。
工作过程为：温度变送器1、2分别在空调机组蒸发器输入和输出端测得温度后，转换为4～20mA的标准信号送入PID温差控制器，经PID与给定温差值比较处理后，输出4～20mA的标准信号到变频器2F的模拟量输入端，变频器2F输出相应频率，调节循环水泵的转速，达到控制温度的目的，形成一个完整的闭环控制系统。系统设计为手动和自动两种控制方式
手动方式工作过程与设备冷冻水泵手动工作方式类似
自动控制过程为：将控制面板上的空调冷冻水循环泵手动/自动控制开关打到“自动”档，系统将在自动方式下运行，由井水泵的运行给定PLC空调冷冻水泵启动指令后，首先控制KM31吸合投入3#循环泵变频运行，由温度变送器1、2检测蒸发器两端的温度，并将温度信号送到PID温差控制器，PID温差控制器将检测到的温差与给定温差比较处理后的标准信号反馈给变频器2F。
若检测到的温差大于温差给定值时，变频器2F提升输出频率，提高水泵的转速，加快冷冻水的循环；反之，则降低频率，降低水泵转速。在自动运行方式下，将3台水泵设定自动循环周期，定时自动循环使用。
3台水泵的开闭顺序为“先开先关”的顺序，当室内热负荷加大时，若变频器2F的输出频率已升至50Hz，经一定延时（如20分钟），当检测温差值仍大于温差给定值时，通过PLC程序控制，把3#水泵切换为工频运行，再投入4#水泵变频运行，如此循环，直到变频运行5#水泵。
当3台水泵被全部投入运行，且变频泵频率已至50Hz，经延时若频率仍没下降，则由PLC输出报警，提醒工作人员及时修改空调机组设定值；相反，当室内热负荷减小时，变频器2F降低输出频率，降低5#泵的转速，当频率降到20Hz时，若检测温差值仍低于温差给定值时，经延时（如20分钟），停止3#泵，依此类推。
为保证变频器2F只控制一台水泵，将KM31、KM41和KM51电气互锁和程序互锁，同时须将KM31与KM32、KM41与KM42、KM51与KM52电气互锁。当变频器2F或水泵发生故障时，由PLC输出声光报警，提示工作人员及时检修。
3 井水泵软启动控制方案设计
如图1所示，利用PLC控制一台软启动器，即可分别启动4台井水泵.将井水泵的运行方式设计为手动方式。具体控制过程为：按下控制面板上相应的启动按钮，如按下6#泵启动按钮，PLC控制KM61吸合并运行软启动器，软启动6#井水泵。
当软启动器启动完毕后利用其辅助触点反馈信号给PLC，PLC断开KM61并立即闭合KM62，将6#井水泵切入工频运行，并停止运行软启动器，依此类推。为防止软启动器同时启动两台以上的井水泵，须将KM61、KM71、KM81、KM91电气互锁和程序互锁，另须将KM61与KM62、KM71与KM72、KM81与KM82、KM91与KM92电气互锁，
S7-200与MM430变频器的通讯设置
S7-200PLC作为核心控制部件，它有总线访问权，可以读取或改写变频器的状态，控制软启动器的运行状态，从而达到控制和监视设备运行状态的目的。
系统采用总线式拓扑结构，两台变频器采用总线接插件连入总线。S7-200选用S7-222CPU，软件采用WIN3.2。采用西门子Profibus屏蔽电缆及9针D形网络连接头。利用S7-222的自由通讯口功能，即RS485通讯口.由用户程序实现USS协议与两台MM430变频器通信。
在硬件连接完毕后，需要对两台MM430变频器的通讯参数进行设置，如表1所示。在S7-200PLC程序中，需在内存里作一个14字节长的USS协议表。
软件设计
在应用设计中，PLC起到'总监总控'的角色，可以对两台变频器的状态进行查询和控制。程序首先将S7-222的通信口初始化为自由通信口方式，然后程序进入一个顺序控制逻辑功能块。控制顺序为：手动启动井水泵，在井水流量满足要求的情况下，自动运行设备冷冻水循环泵和空调冷冻水循环泵。
在PLC的程序中设计了井水泵的手动软启动井水泵控制、设备冷冻水循环泵和空调冷冻水循环泵自动定时循环程序；同时设计了设备冷冻水循环泵和空调冷冻水循环泵的手动控制程序。在本系统中采用了变频器自身控制的方法，这样就省去了对PLC的PID算法的编程。
结论
本系统设计实际应用运行一个夏季后，得出与上个季度循环水泵电能消耗数据及故障次数如表2所示：数据显示，系统改造后节能达30%以上，并且在春，秋，冬季节空调冷冻水循环泵的节能效果会更加明显；并且故障发生次数大幅下降。
因此采用调速调节流量的方式，可以大幅度降低截流能量的损耗，具有显著的节能效果，并能延长水泵的寿命，提高系统运行的稳定性，降低生产成本，提高生产效率。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“PLC和变频器在中央空调系统中的节能应用”，作者为徐如敬。）