中央空调系统论文.doc

目录 1. 绪论.1 1.1 中央空调的简介1 1.2 本文研究的目的及意义2 2. 改造前中央空调的基本情况2 2.1 改造前中央空调的简介.2 2.2 改造前中央空调的工作情况.2 2.3 改造前中央空调存在的问题.2 3. 节能改造的可行性分析.3 3.1 中央空调的工作过程3 3.2 所需设备的选型3 3.3 泵的特性分析节能原理3 4. 节能改造中央空调控制系统的要求.4 4.1 电气控制主电路的设计4 5. 变频技术.5 5.1 变频器的简介5 5.2 变频器的控制方式.5 5.3 变频器的改造原理.5 5.4 变频器参数的设定.5 5.5 变频器与 PLC 组成框图.5 6. 中央空调 PLC 控制系统组成6 6.1 PLC 的简介6 6.2 PLC 输入输出分配表6 6.3 PLC 的类型的选择.6 6.4 PLC 控制接线图6 6.5 PLC 设计控制程序6 7.中央空调的改造效果7 总结7 结束语7 参考文献7 前言 中央空调系统是现代企业中不可缺少的配套设施之一，在企业 生产中占有重要地位，电能的消耗非常大，约占企业总电能消耗的 50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实 际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时， 几乎绝大部分时间负载都在 70%以下运行。通常中央空调系统中冷 冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹 配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在 100%负载下 运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运 行质量。因此对中央空调的冷冻泵、冷却泵等进行了分析研究，设 计出一套合理的高效节能方案，应用到实际的企业中，提高了工作 的可靠性，长期运行降低了成本，对中央空调的改造有了很大的实 际意义。 随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、 温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制 系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术 条件。 绪论 1.1 中央空调的简介 中央空调是企业中不可缺少的设备，其主要的控制方式为温度控制、冷水 机组开/关机控制、报警控制、风柜控制系统控制、冷冻法控制等。中央空调在 我公司主要是对是设备进行冷却，以此保证设备能够有很好的散热，以及在稳 定的温度内工作，使设备能够在最良好的工作环境内工作，保证生产系统能够 很好的运行。我们化纤公司对温度的要求比较严格。因公司的生产效益，以及 设备的使用、维护，对公司设备的要求相当高，且公司的大部分设备都是全年 工作的，所以无论是冬天还是夏天，都要求设备工作在同一个温度中运行，所 以对存放设备室温的要求也很高。 1.2 本课题研究的目的及意义 中央空调是现代大型企业不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大， 约占企业总消耗的 50%。由于中央空调系统都是按最大负载并添加一定余量设 计，而实际上在一年中，满负载下运行只有十几天，甚至只有十几个小时，几 乎绝大部分运行都在 70%以下运行。对中央空调的节能研究、节能改造尤为重 要。主要是对冷却水泵和冷冻水泵做出相应的调节，已达到节能的目的。 近几年来在工业自动化，机电一体化，改造系统产业等方面，PLC 得到广 泛的应用。学习，掌握和应用 PLC 技术对提高我国工业自动化水平和生产效率 具有十分重要的意义。采用可编程序控制器(PLC)对中央空调控制系统进行改造， 将具有节能降耗、提高功效显著的优点。 2.改造前中央空调的基本情况 2.1 改造前中央空调的简介 中央空调系统设计时必须按天气最热、最冷、负荷最大时设计，且留有 10%- 20%左右的设计余量。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水 泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却水系统 几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。而且冷冻、 冷却水泵采用的均是 Y起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的 34 倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命大大下降；同时，启动时的机 械冲击和停泵时的水锤现象，容易对机械器件、轴承、阀门和管道等造成破坏， 从而增加维修工作量和备件费用。 另外,由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化，其热力工况 的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。这样， 不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。特别是在环境温度偏低、 某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷， 给设备造成影响，严重干扰设备的运行质量。因为空调偏冷的问题经常使设备 造成一些故障，处理这些故障给维修工造成很多的麻烦。甚至因为这些故障造 成停车，这样就对公司的生产进度有了推迟，影响公司的效益，给公司造成很 大的损失。 2.2 改造前中央空调的工作情况 2.3 改造前中央空调存在的问题 3. 节能改造的可行性分析 3.1 中央空调的工作过程 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（12。C），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（37。C）被送到冷却塔，经风扇散热后（32。C）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。如图一所示 1、 中央空调系统简介 中央空调系统结构图 图一 3.2 所需设备的选型 主要设备选型 考虑到设备的运行稳定性及性价比，以及水泵电机的匹配。选用三菱三菱 FR-F540-37K-CHFR-F540-37K-CH 变频变频 器器；PLC 所需 I/O 点数为：输入 24 点、输出 14 点，考虑到输入输出需留一定的备用量， 以及系统的可靠性和价格因素，选用选用 FX2N-64MRFX2N-64MR 三菱三菱 PLCPLC；温度传感器模块；温度传感器模块 FX2N-4AD-PTFX2N-4AD-PT， 该模块是温度传感器专用的模拟量输入该模块是温度传感器专用的模拟量输入 A/DA/D 转换模块，有转换模块，有 4 4 路模拟信号输入通道路模拟信号输入通道 （CH1CH1、CH2CH2、CH3CH3、CH4CH4），接收冷冻水泵和冷却水泵进出水温度传感器输出的模拟量信号； 温度传感器选用温度传感器选用 PT-100PT-100 3850RPM/3850RPM/电压型温度传感器，电压型温度传感器，其额定温度输入范围-100 600，电压输出 010V，对应的模拟数字输出-10006000；模拟量输出模块型号为 FX2N-4DA，是 4 通道 D/A 转换模块，每个通道可单独设置电压或电流输出，是一种具有高 精确度的输出模块。 4、 改造需要增加的设备： 名名 称称数数 量量型型 号号 PLCPLC1 1FX2N-64MRFX2N-64MR 变频器变频器 4 4FR-F540-37K-CHFR-F540-37K-CH 温度传感器输入模块温度传感器输入模块 1 1FX2N-4AD-PTFX2N-4AD-PT 温度传感器温度传感器 4 4PT-100PT-100 3850RPM/3850RPM/ 模拟量输出模块模拟量输出模块 1 1FX2N-4DAFX2N-4DA 转换开关转换开关 2 2250V/5A250V/5A 启动按钮启动按钮 1818250V/5A250V/5A 停止按钮停止按钮 2 2250V/5A250V/5A 3.3 泵的特性分析节能原理 在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加 10% 20%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电 约占系统用电的 12%24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达 30% 40%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自 动控制的重要组成部分。 2、泵的特性分析与节能原理 泵是一种平方转矩负载，其转速 n 与流量 Q, 扬程 H 及泵的轴功率 N 的关系如下式所示： Q1=Q2(n1/n2) H1=H2(n12/n22) N1=N2(n13/n23) (1-1) 上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比, 泵的轴功率与其 转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率 P(kw) 可按下式计算: P=QH/cF10-2 (1-2) 式中： P：电动机的轴功率（KW） Q：流量（m3/s） ：液体的密度（Kg/m-2） c:传动装置效率 F：泵的效率 H：全扬程（m） 调节流量的方法： 图二 如图二所示，曲线 1 是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线 2 是额定转速时，泵 的扬程特性。这时供水系统的工作点为 A 点：流量 QA，扬程 HA；由（1-2）式可知电动机 轴功率与面积 OQAAHA 成正比。今欲将流量减少为 QB，主要的调节方法有两种： （1） 转速不变，将阀门关小 这时阻力特性如曲线 3 所示，工作点移至 B 点：流量 QB， 扬程 HB，电动机的轴功率与面积 OQBBHB 成正比。 （2） 阀门开度不变，降低转速,这时扬程特性曲线如曲线 4 所示，工作点移至 C 点：流量 仍为 QB，但扬程为 HC，电动机的轴功率与面积 OQBCHC 成正比。 对比以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的 功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。 根据异步电动机原理 n=60f/p(1-s) (1-3) 式中：n:转速 f:频率 p:电机磁极对数 s:转差率 由（13）式可见，调节转速有 3 种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。 在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此 改变频率而改变转速的方法最方便有效。 根据以上分析,结合公司中央空调的运行特征，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模 块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可 行，较完善的高效节能方案。 4. 节能改造中央空调控制系统的要求 4.1 电气控制主电路的设计 根据具体情况，同时考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷 却水泵均采用两用一备的方式运行，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，均为一 个月转换一次，切换频率不高，决定将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有 电器设备，通过接触器、启停按钮、转换开关进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由 一台变频器拖动，避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故；并且每台变频 器任何时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。 以下为冷冻水泵与冷却水泵一、二次接线图： 图三（冷却泵一次接线图） 图四（冷却泵二次接线图） 图五（冷冻泵一次接线图） 图六（冷冻泵二次接线图 5. 变频技术 5.1 变频器的简介 变频器 随着微电子技术，电力电子技术，全数字控制技术的发展，变频器的应用越来越广泛。 变频器能均匀的改变电源的频率，因而能平滑的改变交流电动机的转速，由于兼有调频调 压功能，所以在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能最好。 变频器分为间接变频和直接变频，变频水泵采用间接变频方式。间接变频装置的特点是 将工频交流电源通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变成频率可控的交流电。 变频器以软启动取代 Y 降压启动，降低了启动电流对供电设备的冲击，减少了振动及 噪音。 5.2 变频器的控制方式 变频器的启停及频率自动调节由 PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差 闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由 PLC 控制。 5.3 变频器的改造原理 下图为变频节能系统示意图 变频节能示意图 图七 1、对冷冻泵进行变频改造 控制原理说明如下：PLC 控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出 水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制 变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷 大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差 小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流 量，减缓热交换的速度以节约电能； 2、对冷却泵进行变频改造 由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷 却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水 带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负 荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。 5.4 变频器参数的设定 三菱 FR-F540-37K-CH 变频器主要参数的设定 Pr.160 : 0 允许所有参数的读/写 Pr.1 : 50.00 变频器的上限频率为 50Hz Pr.2 : 30.00 变频器的下限频率为 30Hz Pr.7 : 30.0 变频器的加速时间为 30S Pr.8 : 30.0 变频器的减速时间为 30S Pr.9 : 65.00 变频器的电子热保护为 65A Pr.52 : 14 变频器 DU 面板的第三监视功能为变频器的输出功率 Pr.60 : 4 智能模式选择为节能模块 Pr.73 : 0 设定端子 25 间的频率设定为电压信号 010V Pr.79 : 2 变频器的操作模式为外部运行 5.5 变频器与 PLC 组成框图. 三菱 PLC 控制器 FX2N-64MR 与三菱 FR-F540-37K-CH 变频器的接线以及 I/O 分配 1、I/O 分配： X0:1#冷却泵报警信号X1:1#冷却泵运行信号 X2:2#冷却泵报警信号X3:2#冷却泵运行信号 X4:1#冷冻泵报警信号X5:1#冷冻泵运行信号 X6:2#冷冻泵报警信号X7:2#冷冻泵运行信号 X10:冷却泵报警复位X11:冷冻泵报警复位 X12：冷却泵手/自动调速切换X13：冷冻泵手/自动调速切换 X14：冷却泵手动频率上升X15：冷却泵手动频率下降 X16：冷冻泵手动频率上升X17：冷冻泵手动频率下降 X20:1#冷却泵启动信号 X21: 1#冷却泵停止信号 X22:2#冷却泵启动信号 X23: 2#冷却泵停止信号 X24:1#冷冻泵启动信号 X25: 1#冷冻泵停止信号 X26:2#冷冻泵启动信号 X27: 2#冷冻泵停止信号 Y2:冷却泵自动调速信号Y3: 冷冻泵自动调速信号 Y4:1#冷却泵报警信号Y5: 2#冷却泵报警信号 Y6:1#冷冻泵报警信号Y7: 2#冷冻泵报警信号 Y10:1#冷却泵启动Y11:1冷却泵变频器报警复位 Y12:2#冷却泵启动 Y13:2冷却泵变频器报警复位 Y14:1#冷冻泵启动Y15:1冷冻泵变频器报警复位 Y16:2#冷冻泵启动 Y17:2冷冻泵变频器报警复 2、接线图： 图八 PLC 与变频器接线图 6. 中央空调 PLC 控制系统组成 6.1 PLC 的简介 PLC 是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术，半导体存储技术和自动控制技术的 新型工业控制器。PLC 与传统的继电器控制比较，有以下特点： （1） 通用性好，接线简单，通过选配相应的模块，可适应用于各控制系统。 （2） 功能强，可以通过编程实现任意复杂的控制功能。除逻辑控制功能外，还具有模拟 量控制，顺序控制，位置控制，高速计数以及网络通信等功能。 （3） 可靠性高，无机械触点，消除了电弧损害，接触不良等，使用寿命长。 （4） 定时准确，定时范围宽。 （5） 体积小，耗电小。 （6） 编程和接线可同步进行，扩展灵活，维修方便。 6.26.2 PLCPLC 输入输入输出分配表输出分配表 6.3 PLC 的类型的选择 PLC 的设计选型包括运算功能,控制功能,通信功能,编程功能,诊断功能和 处理速度等特性的选择. 选择 PLC 时,应考虑性能价格比.考虑经济性时,应同时 考虑应用的可扩展性,可操作性,投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出 较满意的产品. 输入输出点数对价格有直接影响.每增加一块输入输出卡件就需 增加一定的费用.当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量,机架,母板等也 要相应增加,因此,点数的增加对 CPU 选用,存储器容量,控制功能范围等选择都 有影响.在估算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比. 在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则： 1. 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在 设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国 内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作 人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 2. 保证 PLC 控制系统安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重 要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑， 以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行， 而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。 3. 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和 社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增 加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益， 另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系 统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求 自动化和高指标。 4. 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当 考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择 PLC、输入/输出模块、 I/O 点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改 进。 6.3.26.3.2 西门子西门子 S7-200S7-200 PLCPLC 根据前面对龙门刨床 PLC 的输入/输出点分配的分析以及以后性能扩展的需 要，选用德国西门子公司 S7-200 系列的 CPU224 型 PLC。 SIMATIC S7-200 是一种小型的可编程序控制器 ，适用于各行各业，各种 场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立 运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性 能/价格比。 S7-200 系列出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块 S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从 替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有 与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力 设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶 化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 S7-200 系列 PLC 一共有 4 个不 同的基本型号的 8 种 CPU 可供选择。 本文根据需要只对 CPU224 型加以介绍： CPU 224 集成 14 输入/10 输出 共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。 6 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。1 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯 能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 6.4 PLC 控制接线图 1、冷冻水出回水和冷却水进出水的温度检测及温差计算程序 FX2