基于PLC技术的变频器节能控制系统设计

基于PLC技术的变频器节能控制系统设计

程海博,王钧泽,侯飞羽

哈尔滨华德学院    150000

摘要：变频器控制系统目前被广泛应用于各类电气设备，用于对电气设备的实时自动化控制。但是，当前的变频控制系统大多不能精确控制各频段能耗，导致变频器控制系统由于电阻负载等影响出现能耗浪费等问题。在变频器控制系统中引入可编程逻辑控制器技术，能够通过预编程方式为变频器设定节能规则，提高变频器控制系统的节能能力。以中央空调变频器控制系统为例，从硬件配置和程序设计两个方面出发，探讨了 PLC 技术在中央空调变频器控制系统节能改造方面的应用。

关键词：可编程逻辑控制器技术；变频器；节能；控制系统

0　引言

变频器主要应用于电气系统的滤波、逆变、驱动以及制动等能耗单元。这些能耗单元大多存在过流、过压、过载的风险，导致变频器在工作时普遍存在高能耗问题。PLC技术具有采集和处理复杂数据、实现电气系统电路实时监控的能力。在变频器控制系统中引入实现节能功能的PLC软系统，理论上能够弥补变频器自身无法精准控制变频能耗等问题，实现对变频机变频调速过程的节能自动化控制。因此，本文以能耗较大的中央空调控制系统为例，基于PLC技术探讨中央空调制冷模块水泵变频器控制系统的节能改造。

1　基于PLC技术的中央空调变频器节能控制系统设计方案

1.1　变频控制需求分析

中央空调的变频器控制系统与一般的自动化电气控制系统相比的主要优势在于节约能耗。它主要通过变频器对空调冷冻水泵、冷却水泵以及冷却风机这3个高能耗的作业单元进行变频控制，实现整个中央 空调系统的自动化变频调速，达到节能运行的目的。

1.2　变频节能控制流程

冷冻、冷却水泵的控制方案均依据水温来控制，通过传感器实时监测冷却水与冷冻水的温差，然后采用PLC预编程模块实现对水泵的变频控制。具体控制流程如图 1 所示。

图 1　冷冻水流量变频控制流程

2　中央空调变频器节能控制系统硬件配置

2.1　PLC主控模块

根据PLC主控模块的功能，可以将PLC组件类型划分为4个类型，其中最为主要的元器件主要为中央处理器、存储器、输入/输出系统、其他可拓展系统4种。根据变频节能控制系统的功能需求和控制流程，本文建议选用西门子S7-200CPU226型号的PLC芯片作为主控芯片。该芯片能够提供8个回来比例-积分-导数功能，尤其擅长按照PID控制规律来执行自动化微调控制程序。因为PID功能的实现需要向外实时输出微调控制指令的模拟信号，所以需要为该 PLC 主控模 块搭载一个模拟信号的输入、输出模块。另外，S7-200CPU226 型号PLC自带2个RS-485接口，能够实现与触摸屏之间的数据互通，实现人机交互功能。

2.2　变频器模块

变频器是变频节能控制系统的主要作业模块。该模块稳定的性能、较快的响应速度以及与PLC主控模块的配合度都至关重要。本文建议中央空调冷却、冷冻水循环变频控制系统选用2台MicroMaster430系列的变频器。MM430变频器是水泵类电动机的专用变频器，擅长对中小功率的电动机进行分级节能控制，同时支持自动和手动两种控制模式，与本文变频节能控制系统的设计思路相契合。该型号变频器的额定功率为 7.5 ～ 250.0 kW，满足系统需求。

2.3　触摸屏人机交互模块

触摸屏人机交互模块主要负责实现两个功能。一是负责接收 PLC 模块发出的模拟信号，生成水泵 实时功率、水泵运转情况、变频器工作状态、水循环系统温差值等数据并进行实时显示。二是操作人员可以通过触摸屏直观获取中央空调水循环系统的变频控 制系统运转情况，可以通过触摸屏人机交互模块加载一个PLC技术的过载、过压、过流报警器，通过接收数据实时判断变频器控制下的水循环系统是否存在上述问题，然后由操作人员直观判断是否需要人工介入。

2.4　温度传感模块

温度传感模块是整个PLC自动化控制系统的关键，是主要控制输入信号的来源。在该系统中，温度传感模块主要用于监测水循环系统水流的进出温差值。本系统采用PT100温度传感器，集传感变送于一体，结构紧凑，安装方便，精度高且功耗低，温度测量分别划分为0℃、300℃、500℃、1200℃，输出信号电流为4～20 mA。

3　中央空调变频器节能控制系统程序设计

3.1　PLC主控程序设计

中央空调水循环系统的 PLC 变频节能控制程序可以细分为 PLC 主控程序、触摸屏操作子程序、变频器子程序、通信子程序以及温度传感子程序。PLC主控程序是整个系统控制程序的核心，通过适时调用子程序实现各个功能模块的配合协作。根据中央空调水循环系统的PLC变频节能控制流程，PLC主控程序采用S7-200型号芯片的PID控制功能，通过预设的节能控制规则计算判断变频器当下应该采取的最小能耗功率值，然后生产对变频器输出电压的控制信号，分别调用F1、F2 两个变频器的子程序，实现对变频器电压控制参数的实时控制。要想实现这一功能，需要将PLC控制模块与温度传感器、变频器、通信模块、触摸屏模块进行电路互联。具体PLC主控程序硬件电路接线图如图 2 所示。

图 2　PLC主控系统硬件接线图

3.2　触摸屏操作程序设计

触摸屏采用的组态软件为西门子的WinCC，具有报警记录、报表打印以及趋势曲线等多种功能。本系统在其基础上进行了丰富的画面设计，主要有主画面、系统设置、PID参数设置、运行模式选择、温度显示、故障报警及复位等界面等，其中包括冷冻水泵和冷却水泵的操作画面和监视画面。操作画面主要是冷冻泵/冷却泵的启停、电动机的选择、手动加速/减速以及变频器的报警复位。监视画面有进水温度、出水温度、进出水温差、运行时间以及运行频率等。操作画面与监控画面可随时切换。通过整个触摸屏系统不仅可以进行组态，而且能监控下位机的运行，实现一体化的现场管理。

4　结语

本文以中央空调水循环系统的变频节能控制系统为例，从变频节能控制的原理出发，结合中央空调水循环系统实例的变频控制需求，从功能可行性、稳定性和 节能性能3个方面给出了中央空调冷却、冷冻水泵流量 变频节能控制系统设计思路，然后根据控制系统的PLC主控模块、变频器模块、触摸屏模块以及温度传感模块4个主要功能性模块的设备、元器件选型给出具体建议，并对PLC主控程序的设计给出具体思路，可为PLC技术在变频节能控制系统中的应用研究提供理论参考。

参考文献

[1] 翟彦景.基于 PLC 技术的变频器节能控制系统设计 [J]. 菏泽学院学报，2021

[2] 白银.基于 PLC 和变频器的中央空调循环水节能系统的 综合控制 [J]. 汽车实用技术，2021