中央空调冷冻泵节能运行控制

1 中央空调冷冻泵节能运行控制 摘要 本论文在分析国内外中央空调自动控制系统的发展现状和特点的基础上， 结合变频调速在中央空调系统中的工作原理与我国城市中央空调的需求现状， 设计了一套以 PLC 与变频调速技术为基础的中央空调冷冻泵自动控制系统。该 系统综合运用软启动器、变频调速技术以及自动控制技术，通过调节水泵电机 的供电频率，控制电机转速以调节流量实现了中央空调恒温参数的自动控制， 保证了中央空调系统随时维持在最佳运行状况。基于 PLC 与变频器为主体构成 的中央空调冷冻泵系统不仅能够最大程度满足需要，也提高了整个系统的效率， 延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的中央空调控制系统。 随着变频器的飞速发展，高度智能化，系列标准化是未来中央空调设备适应恒 温调度和整体规划要求的必然趋势。 第一章 前言 中央空调系统已广泛地应用于各类大型公共建筑以及对室内空气环境有特 殊要求的空间和工业厂房中。按照国家标准,中央空调系统的最大负载能力是按 照气温最高,负荷最大的工作环境来设计的,但就系统本身来说,很少在这些极限 条件下工作。根据有关资料统计,中央空调设备 97%的时间在 70%负荷以下波动 2 运行,所以实际负荷总不能达到满负荷(即“大马拉小车”)。因此,系统存在着 很大的储备空间,电能浪费现象十分严重。为了保证中央空调系统有较好的运行 状态和较高的运行效率,针对近年来流行的节能控制,本文提出了中央空调冷冻 泵利用变频器实现变频节能控制方法,同时对 PLC、变频器、触摸屏和计算机之 间的连接和通讯进行了探讨。 本项目的主要思想是冷冻泵根据出回水的温差自动进行变频运行,在满足冷 气量需求的同时,实现最大限度的节电率。同时,为满足系统测试的需求,设定了 自动控制，手动控制,二者可以切换。主要特点如下: (1)配备了 PLC、温度模块、A/D 和 D/A 模块、触摸屏和变频器,自动化程度高, 可靠性强,电气故障率大大降低了,操作控制简捷,各种数据显示直观; (2)冷冻泵由于变频器采用软启动方式,启动电流得到了有效的抑制,避免了原来 降压启动带来的对设备的冲击,特别是对变压器的冲击,为系统设备和变压器的 安全运行提供了有利的技术保障,也延长了系统设备的使用寿命; (3)对冷冻泵而言,由于大多数的时间都运行在额定转速以下,使得冷冻泵的机械 部件的磨损如电机轴承的机械磨损减少,机械部件的使用寿命大大延长,从而也 使得设备的维护周期延长,维护费用成倍减少; (4)占地面较小,投入少,效率高,冷冻泵的节电率在 40%60%以上。 第二章 控制要求 程序流程图如下 温度模块初始化 读取温度，计算差值 输出开始，先把输出换成12位 3 手动自动切换（交替） 启动Y0 复位Y0 预处理程序 结束 1、以 50Hz 频率启动冷冻泵,30 秒钟后动转入温差自动控制,变频器加速时间为 15 秒,减速时间为 7 秒; 2、冷冻泵在频率为 2025Hz 运行时,会出现严重的震荡现象; 3、能手动和自动切换,手动时要求用触摸屏调节变频器的运行频率,并在 30- 50Hz 内任意调节,每次调节量为 0.5Hz; 4、能手工的计算冷冻泵的节电率；冷冻泵节电率的计算： 节电率=1-（变频器运行频率/50HZ）*100% 5、能用触摸屏画面进行以上的控制和操作，各部分连接如图 1 所示 冷冻泵进水与出水温度差和变频器输出频率以及 D/A 转换数字量对应关系如表 1 所示。 低八位先输出 高四位输出 通道DA 转换 4 说明:以上 D/A 装换数字量均为参考值，实际 D/A 转换数字量应根据输出频率进 行调整。 6、FX2N2DA 和 FX2N4ADPT 的使用 （1）模拟量处理模块 FX 系列 PLC 常用的模拟量控制设备有模拟量扩展板（FX1N-2AD-BD、FX1N- 1DA-BD）、普通模拟量输入模块（FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2NC-4AD、FX2N- 8AD）、模拟量输出模块（FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2NC-4DA）、模拟量输入输 出混合模块（FX0N-3A）、温度传感器用输入模块（FX2N-4AD-PT、FX2N-4AD- TC、FX2N-8AD）、温度调节模块（FX2N-2LC）等。 本项目中，运用 FX2N-2DA 和温度 A/D 输入模块 FX2N-4AD-PT 两种模块，进行 5 D/A、A/D 转换，下面我们就详细说明这两种处理模块。 (2) FX2N-2DA FX2N-2DA 概述 FX2N-2DA 为 2 通道 12 位 D/A 转换模块，每个通道可独立设置电压或电流 输出。是一种高精确的输出模块。通过调整或根据 PLC 的指令可改变模拟量输 出的范围。瞬时值和设定值等数据的读出和写入使用 FROM/TO 指令。FORM 是从 FX2N4ADPT、FX2N-2DA 读数据的指令，TO 是将数据写到 FX2N4AD PT、FX2N-2DA 的指令。 (3）FX2N4ADPT FX2N4ADPT 的概述 FX2N4ADPT 为 4 通道 12 位 D/A 转换模块，这是一种内附温度传感器前 置放大器的模拟电压量输入模块，它可以直接与三线的铂电阻 PT-100 直接连接。 摄氏度和华氏度数据都可以读取。FX2N4ADPT 瞬时值和设定值等数据的读 出和写入使用 FROM/TO 指令。 第三章 中央空调冷冻泵节能运行系统的硬件设备 3.1 PLC的介绍 3.1.1 PLC 的定义及特点 中央空调控制系统主控制器采用 PLC 控制，由于 PLC 编程简单，扩展能 力强，并且程序容易修改，所以越来越多的被应用在中央空调系统中，取代原 来的 DDC 控制器，并且可通过 PLC 的通讯接口接入上位监控系统，便于在主 控室查看各节点运行状态，并且很容易进行电能消耗、运行时间统计以及故障 监视及分析。 6 再次我们讲述下 PLC 的由来以及它的特点： PLC（Programmable Logic Controller）,是一种电子装置，早期称为顺序 控制器“Sequence Controller”,1978 年 NEMA(National Manufacture Association)美国国家电气协会正式命名为 Programmable Logic Controller（可编过程控制器。简称 PLC）,其定义为一种电子装置，主要将外 部的输入装置如：按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入 信号的状态或数值并根据内部存储预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺 序、计时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如：继电器 （Relay）的开关，电磁阀及马达驱动，控制机械或程序的操作，达到机械控制 自动化或加工程序的目的。并籍由其外围的装置（计算机/程序书写器）轻易地 编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。 图 2 PLC 的基本结构图 PLC 的特点如下： 1）编程方法简单易学，指令丰富; 7 梯形图是使用得最多的 PLC 的语言，其电路符号和表达方式与继电器 电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，并且包含一些常用的高级 便利指令如 PID，加减速脉冲，高速计数等。大大简化编程工作量。 2）功能强，性能价格比高; 一台小型 PLC 内有成百上千个内部继电器、几十到几百个计时器和计数 器、几十个特殊用途继电器，可以实现非常复杂的控制功能。一台 PLC 可以同 时控制几台设备，也可以通过联网信，实现分散控制，集中管理。 3)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编过程控制其产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的 各种硬件装置功用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能， 不同规模的系统。而且 PLC 的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以 通过端子直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 4)无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强 3.1.2 PLC 的工作原理及分类 1）PLC 的工作原理 PLC 有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。 在运行状态，PLC 通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为 了使 PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一 次，而是反复不断地重复执行，直到 PLC 停机或切换到 STOP 工作状态。 除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC 不仅还要完成内部处理、通信处 理等工作，一次循环可分为 5 个阶段，如下图所示。PLC 的这种周而复始的循 环工作方式称为扫描工作方式。 8 图 3 PLC 工作过程示意图 2）PLC 的分类 图 4 PLC 外形示意图 三菱 PC 基本单元外 根据硬件结构的不同，可以将 PLC 分为整体型、模块式和叠装式。 整体式将 CPU 模块、IO 模块及电源装于一个机箱内，结构非常紧凑。体 积小，价格低，小型 PLC 一般采用整体式结构。 9 模块式 PLC 用搭积木的方式组成系统，大、中型 PLC 和部分小型 PLC 采 用模块式结构。 叠装式吸取了整体式和模块式的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展 模块的高度和深度相同，但宽度不同，它们之间通过扁平电缆连接，使用特 别方便。 按 I/O 点数分:中型 PLC,小型 PLC,大型 PLC 按功能分:低档机,中档机,高档机 3.1.3 PLC 的应用领域 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械 制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分 为如下几类： (1）开关量逻辑控制 (2）工业过程控制 (3）运动控制 (4）数据处理 (5）通 信及联网 3.2 变频器的介绍 3.2.1 变频器的基本结构 变频器是把工频电源(50Hz 或 60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电 机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变 电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流 电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变 成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需 要一个进行转矩计算的 CPU 以及一些相应的电路。 3.2.2 变频器的分类 10 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变 频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、PWM 控 制变频器和高载频 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变 频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通 用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 3.2.3 变频器的控制方式 控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器 品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约 5O 多种。选用变频器时不要认为档次 越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、 经济实惠。下表中参数供选用时参考。 3.2.4 变频器的容量选择 变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量 将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出 11 了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。 1、从电流的角度： 大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定 容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出， 或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。 选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能 力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。 需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参 数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额 定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时 处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下 负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 2、从效率的角度： 系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效 率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要 注意以下几点： （1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下 运转。 （2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可 能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。 （3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取 大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。 12 （4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率 的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。 （5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利 达到较高的节能效果。 3、从计算功率的角度： 对于连续运转的变频器必须同时满足以下 3 个计算公式： (1)满足负载输出：PcnPm (2)满足电动机容量：Pcn3KUeIe cos 10-3 (3)满足电动机电流：IcnKIe 式中 Pcn 为变频器容量（单位 kW） ，Pm 为负载要求的电动机轴输出功率 （单位 kW） ，Ue 为电动机额定电压（单位 V） ，Ie 为电动机额定电流（单位 A） ， 为电动机效率（通常约为 085） ，cos 为电动机功率因数（通常约为 075） ，k 是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波， 而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常 K 约为 10511） 。 根据计算所得的所需参数可以选择三菱 FR-A540 型变频器 3.3 触摸屏的介绍 触摸屏的基本原理是用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时， 所触摸的位置（以坐标形式）由触摸屏控制器检测，并通过接口（如 RS-232 串 行口）送到 CPU，从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括触摸屏控制器和 触摸检测装置两个部分。 13 按照触摸屏的工作原理和传输信息介质的不同，触摸屏可以分为电阻式触 摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏、表面声波式触摸屏及近场成像（NFI） 式触摸屏五种 3.3.1 触摸屏的定义 触摸屏又称图形操作终端，也称 GOT。它是一种电子操作面板，在其监视 屏幕上可以进行开关操作、指示灯、数据显示、信息显示和其他的一些在原有 操作面板中执行操作，而且可以监视各种设备的状态、改变 PLC 中的数据。 在这项目中我们将用到的就是三菱 F940GOT，下面我们对它进行认识，理解。 GOT-F940 的外形及功能:GOT-F940 是三菱公司 GOT-F900 系列产品中的一员，其 显示器尺寸为 5.7 英寸，规格有 F940GOT-SWD-C（彩色）和 F940GOT-LWD-C（黑 白）两种，可以显示 20（全角）15 行文字，每屏最大触键为 50 个，可以连 接三菱、欧姆龙、富士和西门子等多种型号的 PLC、运动控制器及变频器 GOT-F940 各部分组成:为 GOT-F940 触摸屏的前面板。它是一块 320240 点高清淅度液晶显示屏，在显示屏上的各部件可以以 1 点为单位进行移动，可 显示多种图形、数字及文字。为 GOT-F940 触摸屏的后面板，包括电源端子、扩 展模块连接口及电池。电源端子用于为 GOT 提供 24V 直流电源和接地；扩展模 块连接口用于连接可选的扩展设备，例如：连接一个 F9GT-40UMB 型数据转换适 配器以转换存储在 EPROM 中的画面数据。电池为内置锂电池 PM-20BL，用于存 储采样数据、警报记录和当前时间等，而画面数据存储在不需要电池的内置闪 存中。在 GOT-F940 的侧面还有两个串行外围接口。其中 1 为一个 9 针 D 型 RS- 14 232C 接口，2 为一个 9 针 D 型 RS-422 接口。RS-232C 接口用于在画面制作软件 创建画面数据时与计算机的连接，也用于连接两个或多个 GOT 单元（RS-232C 连接），或用于与条形码阅读器、打印机之间的通信。RS-422 接口用于与 PLC 的 RS-422 连接，也可用于连接两个或更多 GOT 单元（RS-422 连接）。 3.3.2 触摸屏的功能 用户定义画面功能:显示功能,监视功能,数据改变功能,开关功能 系统画面功能:监视功能,软元件监视,数据采样功能,报警功能,其它功能 3.4 PLC与变频器、模块等设备的综合接线 综合接线图如下 F940GOTPLC 连接电缆：FX-50DU-CAB0 15 F940GOTPLC 传送电缆：FX-232CAB-1 第四章 中央空调冷冻泵节能运行系统的软件设计 4.1变频器的参数设定 本系统中,选用的变频器的型号是 FR-A540,现将其在本系统使用过程中需要设 定的主要参数介绍如下: (1)加速时间 Pr.7 和减速时间 Pr.8:用来设定从 0HZ 到达 频率的加、减速时间。 Pr.7=15 Pr.8=7(表示加速时间 15S,减速时间 7S) (2)“频率跳变 1A”Pr.31 和“频率跳变 1B”Pr.32:此功能 于防止机械系统固有频率产生的共振,可以使其跳过共振发 频率点。跳跃频率可以设定为各区域的上点或下点。 Pr.31=20 Pr.32=25(表示跳变频率 2025Hz) (3)“05V/010V 选择”Pr.73:可以选择模拟输入端子的 Pr.73=0(表示端子输入电压选择为 010V) (4)操作模式选择 Pr.79:用于选择变频器的操作模式 Pr.79=2 (表示选择的是外部操作模式) 4.2触摸屏的面板设计 利用触摸屏(F940GOT)良好的人机界面,使得操作控制简,各种数据显示直观,利 于客户的监控和使用。如图所示： 16 中 央 空 调 冷 冻 泵 节 能 运 行 控 制 监 控 画 面 进 水温 度 D / A 数 字量进回温 差 回 水温 度 0 1 . 3 0 1 . 3 0 1 . 3 0 1 2 3 冷冻 泵运 行指示 手动转 速上升 冷冻泵 停止 冷冻泵 启动 手动转 速下降 手 / 自动 切 换控制 第五章 中央空调的故障分析 中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其 理想运行状态是：在冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机， 在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7 。 C）被送到终端盘管风机或空调风机， 经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后，再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭 合循环。在冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器 吸热升温后被送到冷却塔，经风扇散热后再由冷却泵送到主机，形成循环。在 这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动 能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由 冷却塔排出。 在这个过程中，中央空调系统会出现一些故障，下面我们对整个中央空调系统 出现的问题进行分析： 17 1、吸气温度过高 主要是由于吸气过热度增大造成，注意吸气温度高不代 表吸气压力高，因为吸气是过热蒸汽。 正常情况下压缩机缸盖应是半边凉、半边热。若吸气温度过高则缸盖全部发热 。如果吸气温度高于正常值，排气温度也会相应升高。 吸气温度过高的原因主要有: (1)系统中制冷剂充注量不足，即使膨胀阀开到最大，供液量也不会有什么变化 ，这样制冷剂蒸汽在蒸发器中过热使吸气温度升高。 (2)膨胀阀开启度过小，造成系统制冷剂的循环量不足，进人蒸发器的制冷剂量 少，过热度大，从而吸气温度高。 (3)膨胀阀口滤网堵塞，蒸发器内的供液量不足，制冷剂液体量减少，蒸发器内 有一部分被过热蒸汽所占据，因此吸气温度升高。 (4)其他原因引起吸气温度过高，如回气管道隔热不好或管道过长，都可引起吸 气温度过高。 2、吸气温度过低主要是蒸发器供液量偏大导致吸气过热度低造成的。 （1)制冷剂充注量太多，占据了冷凝器内部分容积而使冷凝压力增高，进入蒸 发器的液体随之增多。蒸发器中液体不能完全气化，使压缩机吸人的气体中带 有液体微滴。这样，回气管道的温度下降，但蒸发温度因压力未下降而未变化 ，过热度减小。即使关小膨胀阀也无显著改善。 (2)膨胀阀开启度过大。由于感温元件绑扎过松、与回气管接触面积小，或者感 温元件未用绝热材料包扎及其包扎位置错误等，致使感温元件所测温度不准确 ，接近环境温度，使膨胀阀动作的开启度增大，导致供液量过多。 18 PS：压机结霜原因一：如上；原因二：制冷剂充注量不足，会从蒸发器一 直结到压缩机上(注：需核实)；原因三：由于外部原因制冷剂在蒸发器蒸发不 足甚至不蒸发，此时会严重结霜，甚至造成湿压缩。（如中央空调回风不足或 者空调箱过滤网严重堵塞，冷水机组主机压机回气管会结霜，排气温度也很低 ） 3、排气温度不正常 影响因素：绝热指数、压缩比、吸气温度 压缩机排气温度可以从排气管路上的温度计读出。它与制冷剂的绝热指数、压 缩比(冷凝压力/蒸发压力)及吸气温度有关。吸气温度越高，压缩比越大，排气 温度就越高，反之亦然。 吸气压力不变，排气压力升高时，排气温度上升;如果排气压力不变，吸气压力 下降时，排气温度也要升高。这两种情况都是因为压缩比增大引起的。冷凝温 度和排气温度过高对压缩机的运行都是不利的，应该防止。排气温度过高会使 润滑油变稀甚至炭化结焦，从而使压缩机润滑条件恶化。 排气温度的高低与压缩比(冷凝压力/蒸发压力)以及吸气温度成正比。如果吸气 的过热温度高、压缩比大，则排气温度也就高。如果吸气压力和温度不变，当 排气压力升高时，排气温度也升高。 造成排气温度升高的主要原因有: (1)吸气温度较高，制冷剂蒸汽经压缩后排气温度也就较高。 (2)冷凝温度升高，冷凝压力也就高，造成排气温度升高。 (3)排气阀片被击碎，高压蒸汽反复被压缩而温度上升，气缸与气缸盖烫手，排 气管上的温度计指示值也升高。 影响排气温度升高的实际因素有:中间冷却效率低，或者中冷器内水垢过多影响 19 换热，则后面级的吸气温度必然偏高，排气温度也会升高。气阀漏气，活塞环 漏气，不仅影响到排气温度升高，而且也会使级间压力变化，只要压缩比高于 正常值就会使排气温度升高。此外，水冷式机器，缺水或水量不足均会使排气 温度升高。冷凝压力不正常以及排气压力降低。 4.排气压力较高主要是冷凝压力偏高造成，而不是压机自身原因。 排气压力一般是与冷凝温度的高低相对应的。正常情况下，压缩机的排气压力 与冷凝压力很接近。 冷凝压力升高时，压缩机排气温度也升高。压缩机的压缩比增大，输气系数减 小，从而使压缩机的制冷量降低。耗电量增加。如果排气温度过高，则增加了 压缩机润滑油的消耗，使油变稀，影响润滑;当排气温度与压缩机油闪点接近时 ，还会使部分润滑油炭化并积聚在吸、排气阀口，影响阀门的密封性。 降低冷却介质的温度可使得冷凝温度下降，冷凝压力也随之下降，但这要受到 环境条件的限制，难以人为选择。增加冷却介质流量可降低一点冷凝温度(多采 用这种方法)。但不能片面地提高冷却水或空气的流量，因为这将增大冷却水泵 或风扇及电机的功率，应全面综合考虑。 排气压力偏高会使压缩功加大，输气系数降低，从而使制冷效率下降。 产生这种故障的主要原因: (1)冷却水(或空气)流量小，温度高; (2)系统内有空气，使冷凝压力升高; (3)制冷剂充注量过多，液体占据了有效冷凝面