世紀長秋PLC、變頻器在北海賓館中央空調冷凍泵、冷卻泵控制系統改造中應用

摘要：
　　本文介紹了利用可編程控制器、變頻器改造賓館中央空調冷凍泵、冷卻泵控制系統，實現了技術升級、確保設備低耗運行，并提高了電氣控制系統運行的可靠性。

關鍵詞：
　　賓館 中央空調 控制系統 PLC 變頻器 改造

1 引言

　　汽包水位 給水流量 蒸汽流量 三沖量 自動控制系統 燃燒過程控制在賓館里，中央空調是不可決少的，耗電非常大，空調主要是用來實現室內的恒溫，中央空調主要由制冷機、冷卻水循環系統、風機盤管系統、風機和冷卻塔等組成。中央空調工作原理圖如圖1所示。通常冷凍水泵的容量是按最高溫度、滿住率，并在此基礎上留有10-20%的余量設計，在一年四季中，水泵系統長期在固定的最大水流量工作，由于季節、晝夜及住房率變化大，空調實際的熱負載在絕大部分時間內遠比設計負載低。與決定水泵流量和壓力的最大設計負載（負荷率100%）相比，一年中負荷率在50%以下的運行時間將近一半，一般冷凍水設計溫度為5---7℃，而事實上在全年決大部分時間冷凍水的溫度僅為2---4℃，即水泵卻是全功率運行，增加了管道能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。這就存在能量的無效使用，而通過變頻調速技術就能實現自動調節流量并顯著節能的效果，用PLC改造傳統電氣控制系統的則使運行可靠性大大加強。

2 變頻調速功能

2.1 變頻器節能原理：
　　變頻器是輸出頻率可改變的交流電力拖動設備。變頻器調速的主要工作原理是將供給 電機定子的三相交流工頻電經大功率整流元件整流，變成直流，再將直流電用正弦波脈寬調節技術逆變為頻率可調、幅度也隨之改變的三相交流電，以此為電源再供給電機使用。
　　由水泵的工作原理可知：風機、水泵特性：Q∝n H∝n2 P∝n3
即流量與轉速成正比，壓力與轉速平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。
根據公式：轉速

　　其中f為電源頻率，我國工頻為50HZ，P為極對數，S為轉差率，那么調節電動機電源頻率就可調節電動機轉速，調節電機轉速也就是調節它的負載轉速，那么，根據風機、水泵特性可知，調節風機水泵的轉速可以達到調節流（風）量的目的，同時，顯著調節軸功率。通過在水泵加裝變頻器，，則可實現自動調節控制，可使系統工作平緩穩定。并通過變頻節能收回投資。如圖2所示，圖中陰影部分為同一臺水泵的工頻運行狀態與變頻運行狀態在隨著流量變化所耗的功率差。因此，隨熱負載而改變水量的變流量空調水系統顯示了巨大的優越性。

2.2 變頻技術應用：
　　中央空調系統采用變頻調速技術，電機可在很寬范圍內平滑調速，可將所有節流閥去掉，使管道暢通，可免去節流損耗。通過改變電機轉速而改變水的流速，從而改變水流量，達 到制冷機正常工作要求和平衡熱負荷所需冷量要求，達到節能目的。采用變頻調速技術的關鍵是電機轉速的可調和可控。電機的變頻調速系統是由PLC控制器進行切換和控制的。

3 PLC控制變頻調速系統工作原理：

　　3.1 采用性能可靠的松下系列PLC為控制核心，所有輸入信號起停，保護都通過光電隔離輸入到PLC的輸入口，利用專用編程軟件，根據控制要求對PLC進行梯形圖編程，PLC輸出控制變頻器的起停。采用PLC控制后，可取消全部時間繼電器和中間繼電器，所有邏輯控制通過梯形圖軟編程，在不用改變控制線路的情況下，可隨時按控制要求修改程序，實現新的控制方案，靈活性相當高；并具有強大的通訊接口，可與上位電腦相連，，實現遠程監控，為將來聯網控制留 有接口，具有良好的擴展性，能與其他控制系統協調工作。變頻器調速控制電路簡單， 克服傳統線路易出故障的缺點，降低了事故發生。

3.2 根據空調系統的實際情況，設計應包括以下幾點：
（1）冷卻系統、冷凍系統各裝1臺變頻器。
（2）可根據一天內不同階段的冷量要求，設置不同要求運行。
（3）常用與備用可切換。
（4）變頻控制與原控制間可換，確保設備正常運行。

3.3 控制系統的主電路圖

3.4 冷凍泵、冷卻泵PLC的控制系統圖

　　PLC軟件采用梯形圖語言，實現各種邏輯控制、變頻器啟動控制及手動/自動，工頻/變頻轉換和故障自動切換等功能。
（1）I/O接口圖

（2）系統軟件編程圖

4、結束語

　　（1）新的控制方案已于2004年底在北海公路賓館投入使用，達到大幅度節電效果，具體比較如下：

在冷凍泵、冷卻泵上應用變頻器，一般都有40%的節電率。
　　每天節約的電費=電機功率×每天運行時間×節電率×電價
=（45KW+55KW）×24小時×40%×0.81/度
　　而改造費大約十萬元，投資回收期=100000÷583≈170（天）
　　通過以上分析計算，改造后系統經濟效益可觀，符合《中華人民共和國節約能源法》。
　　（2）對電機實現了軟起動、軟制動，大大降低了起動電流、避免了對電機和電網的沖擊；
　　（3）電機運行噪音減小、溫升降低、震動減少、負載運行順滑平衡；
　　（4）大幅度改善電機的功率因素；
　　（5）具有過流、過壓、短路、缺相等多種保護功能，增強了對電機及所帶負載的保護功能。
　　（6）在任意一設定的頻率下，電機都能以最佳效率運行；
　　（7）能檢測負載輕微的變化，并迅速調整輸出功率，顯示在操作屏上；
　　（8）利用PLC 實現各種邏輯控制、變頻器啟動控制及手動/自動，工頻/變頻轉換和故障自動切換等功能，是系統控制靈活方便，功能齊全。

參 考 文 獻
[1] 日本日立變頻技術手冊
[2] 松下PLC編程技術手冊