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摘要：本文介绍了由变频器、可编程控制器、触摸屏等组成的控制系统在中央空调中达到节能的应用。通过进水管和出水管温差进行闭环控制，使进水泵和出水泵能随空调热负荷的变化大小而自行调速运行，达到了显著的节能效果，同时采用HMI随时观察水泵设备的运行情况，通过这样直观的显示装置，值班人员可以适时调整使用需求，结合时段需要，进行设置处理，使用方便快捷。
关键词：温差闭环控制；变频器；PLC；触摸屏；中央空调节能系统
一、前言
在我国建筑楼宇中，中央空调涉及到各大企事业机构，大量的数据统计表明，中央空调系统消耗的电能，占所在区域的45-60%。在我们南方地区，四季气候不分明。由于场地的特殊性，我们医院一年四季都需要空调来调节室内的空气，所以空调的运行，占了用电的很大比例。每年的五月—十月是空调全天候24小时使用高峰期，到了十一月份，空调在有些环境就无需使用了。这样就造成不必要的浪费，鉴于这种情况，我对这种控制系统做出改良方案，针对换季时期，空调使用浪费问题做出了些技术性的改良，节能达到了20%左右。
二、问题的提出
1、原系统简介
采用2台冷冻泵组，功率90kw 4极 1450转，2台冷却泵组，功率90kw 4极 1450转 3台冷却塔（11kw管道泵+5.5kw风机）。（如图1）
2、传统控制方案分析：
中央空调启动运行后，因为进、出水泵温度始终处于开环控制状态，在温差变化时，进出水泵全是满负荷运转，造成了不要的浪费。
3、变频器控制方案节电原理：
当实现变频自动调节后，根据系统检测反馈数据自动调节，自动调节水泵转速N，在制冷负荷比较小时候，电机转速N以较低的速度运行（我们在以普通异步电机加装变频时候，考虑到电机低速运转转矩，将最低频率设定在27HZ，电机散热部位加装独立供电的冷却风扇，不随电机频率变化影响散热），从而先显注降低了水泵电机输出功率，降低转速，输出功耗变低，达到节约电能的目的。
4、设计要求：
针对中央空调的使用情况，我们根据空调的运行模式和整个空调系统进行节能设计，必须达到如下几点要求：
1）节约电能
2）稳定性
3）智能化
三、变频调速节能方案分析
采用变频调速技术改造中央空调的循环水系统，具有节能效果好、自动化程度高等优势。对于变频器，U/F=常数，即输出频率降低，输出电压随之下降，电流亦随之降低，电动机输出功率随之降低。他们之间满足如下关系式：
P1/P2=N13/N23 （1）
即功率的变化量是转速的变化量的立方。按一般负责来计算，当变频器输出频率由50HZ下降到40HZ时候，电机输出轴功率下降60%。
1）变频器调速的节能的机理：
由流体力学原理知道，在正常情况下，水泵的转速N与流量Q、扬程H，轴功率P之间有下面的关系式：
N / N0 =Q / Q0 （N / N0）= H /H0 （N /N0）3。= P /P0 （2）
式中：N—转速 N0—初转速 Q—流量 Q0---初流量
H—扬程 H0—初扬程 P—轴功率 P0---初轴功率
由（2）式可以看出，将管网的压力或流量信号传输给变频器，由变频器来调节水泵的转速以满足给水的要求，如果将流量控制在一半时候，则把电机的转速控制到原来的一半就可以实现，而此时所需要的轴功率仅为原来的（1 / 2）3 = 1/8.也就是说，当电机的转速下降到50%时候，功率则下降约60%。因此，在有水泵和风机的机械中，采用调速控制方式调节流量风量，这在节能方面是一个非常有效的方法。
2）制冷系统的节能估算：
（1）设计余量部分节能估算：
比如以设计总负荷的10%余量来计算：
∵（P / N0）= H / H0 =90% ∴（N / N0）=0.95
∵ P/P0 =（N /N0）3=0.903≈0.86
冷却水泵功率为：∵P0=90KW ∴ P=0.86*90=77.4KW
冷冻水泵功率为：∵P0=90KW ∴ P=0.86*90=77.4kw
∴冷却水泵可以节能：90-77.4 =12.6KW
∴冷冻水泵可以节能：90-77.4 =12.6KW
对冷却塔：∵P0=16.5KW*0.86=14.19KW≈14.2
∴冷却塔可节能：16.5-14.2=2.3KW
∴冷冻泵+冷却泵+散热塔=12.6*2+2.3=27.5kw
∴余量节能：27.5kw.
2）变负荷运行节能估算：
由于过渡季节和夜间运行时的实需冷负荷比较低，一年内以实需冷却水和冷冻水平均流量为额定流量的90%考虑，则：
实需流量为：Q= Q0 *90% =0.9 Q0
∵P / P0 =（N /N0）3 =（Q /Q0）3=0.93=0.73
∴P =0.73P0
对冷却水泵：P=0.73 P0=0.73*90=65.7kw
∴冷却水泵可节能：90-65.7=24.3kw
对冷冻水泵：P=0.73 P0=0.73*90=65.7kw
∴冷冻水泵可节能：90-65.7=24.3kw
所以共节能：24.3+24.3=48.6kw
综上所述：1）和2）共节能48.6+27.5=76.1kw.总节电率为：76.1/376.5=20%
四、循环水系统节能改造方案实施
1、中央空调控制系统主要有泵组、控制柜、和检测仪表，人机界面、变频器、可编程控制器
五、PLC主要程序设计思路
本节能控制系统在总体上划分为互相关联的两部分：
（1）冷冻泵系统节能控制。冷冻泵系统节能控制是整个节能控制关键，首先根据实需冷负荷量控制1台机组的启停以实现冷负荷的粗调，然后根据压缩机进出口的温差控制冷冻水泵的变频运行以实现冷负荷的精调整。工作原理如图2所示。
图3 冷却泵变频节能工作原理图
控制方法如下：
A.冷冻泵系统：取主管进、回水温差/回水温度信号实现双点控制。
1.进回水温差大于设定值，频率无极上调；小于设定值，频率无极下调
2.回水温度大于设定温度，频率优先自动上调最大；小于设定温度，频率按进水温差变化调节；
3.最高点最小回水压力设定：根据编程的参数而定。
B.冷却系统：取主管回水温差、回水温度信号实现双点控制。
1.进回水温差大于设定值，频率无极上调；小于设定值，频率无极下调；
2.回水温度大于设定温度，频率优先自动上调最大；小于设定温度，频率按进回水温差变化调节。
图9
（1）设备稳定性：控制系统采用优质进口低功耗产品；在设备安装之前，通过反复性能测试，有力的保障了产品稳定性；界面操作简易，有独立的手动自动控制2种方式选择。确保运行中所有方案都能进行。
（2）高效节能：每台水泵独立的变频器装置，多路控制信号，互不干扰。温度传感器采集温度----PLC温度模块—CPU系统处理---PLC模块输出各种模拟信号（电压 电流、CAN）----变频器----执行电机工作。构成一个闭环控制回路。
（3）先进合理：每台机组运行，先投入和后投入切换不分先后，任意设置启停。根据实需冷负荷量的变化进行自动循环运行，一台冷水机组主用，一台备用，当某台发生故障时，备用泵自动投入运行，同时系统发出故障指示报警提示！
（4）安全稳定：该设备自动化程度高，保护功能齐全。该系统设有欠压、过载、过热、缺相等保护停机功能，并采取了有效的抗干扰措施，系统出现故障后，能人工复位处理，硬件故障了，排除后，也可以复位！
七、结论
通过对中央空调的变频改造后，调温动态性能明显提高，调温精度高；噪声低，机械损耗小，机械使用寿命得到延长，故障率比原来降低；实现了软启动、软停止，消除了原来启动时大电流对电网的冲击，功率因数得到提高，用电环境得到了改善。增加了人机界面使值班人员可通过界面了解冷却\冷冻水循环系统的运行情况，并可能过人机界面实行部分操作，大大方便了值班人员的工作。增设了多项报警指示，使系统运行出现故障时能容易找到故障点，排除故障，减轻维修压力。因此对该系统的节能改造是可行的，基本达到设计的预期效果。
九、结束语
社会不断进步，科技不断发展，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责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，既可提高生产质量和效率，又能为企业创造可观的经济效益，还能在节能、环保方面为社会作出贡献。
参考文献：
[1]《图解中央空调安装、检修及维修》化学工业出版社 ISBN：9787122187970
[2]《电机与拖动》 电子工业出版社 作者：赵连友 ISBN：9787121310614
[3]《通用变频器及其应用》机械工业出版社 作者：赵永奎 ISBN：9787111357568
[4]《plc电气控制与组态》科学出版社? 编制：周美兰等 ISBN：7-03-011123-0
[5]《电器控制与可编程控制器技术》机械工业出版社 作者：邓则名 ISBN：9787111521037
[6]《三菱微型可编程控制器编程手册》 三菱公司
论文作者:张志强
论文发表刊物:《云南电业》2019年1期
论文发表时间:2019/8/28
标签：节能论文; 水泵论文; 回水论文; 变频器论文; 温差论文; 转速论文; 中央空调论文; 《云南电业》2019年1期论文;