PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用

1、山东省“金蓝领”(维修电工技师)论文题 目 PLC和变频器在中央空调系统中的应用姓 名 高兵指导教师 徐国林（教授）二一一年四月二十二日目 录摘要1第一章 绪论1 1.1 研究背景1 1.2 研究的目的与意义1第二章 可编程控制器1 2.1 可编程综述1 2.2 PLC的应用领域2 2.3 PLC-FX2N可编程特点2 2.4 PLC-FX2N与继电器控制差异2第三章 变频器3 3.1 变频器综述3 3.2 交-直-交适用交频器基本结构功能33.3 交流变频器调速原理3第四章 中央空调系统改造分析4 4.1 原系统的运行及存在问题4 4.2 节能改造的可行性分析5 4.2.1 中央空调系统5

2、4.2.2 泵的特性分析与节能原理6第五章 空调系统节能改造的具体方案8 5.1 主电路的控制设计8 5.2 变频节能技术框图及改造原理分析11 5.3 三菱变频器主要参数的设定12 5.4 PLC与变频器的接线以及I/O分配13第六章 程序分析14第七章 调试及运行18 7.1 实际调试及遇到的问题18 7.2 技术改造后的运行效果18第八章 结论与展19致谢19参考文献19PLC和变频器在中央空调系统中的应用摘要本文介绍了由变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成温差闭环控制在中央空调系统节能改造中的应用。通过温差闭环控制，使冷冻水泵和冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运

3、行，大大优化了系统的运行质量，达到了显著的节能效果。关键词：变频器  PLC  节能  温差闭环自动控制  中央空调系统第一章 绪论1.1研究背景我国是一个人均能源相对贫乏的国家，人均能源占有量不足世界水平的一半，随着我国经济的快速发展，我国已成为世界第二耗能大国，但能源使用效率普通偏低, 造成电能浪费现象十分严重。尽管我国电网总装机容量和发电量快速扩容，但仍赶不上用电量增加的速度，供电形势严峻, 节能节电已迫在眉睫。中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一

4、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，几乎绝大部分的时间负载都在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。1.2研究的目的和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。第二章 可编程控制器2.1 可编程综述可编程控制器是以微处理机为基础，综合计

5、算机技术，自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。PLC属于存储程序控制的可编程控制器，其控制功能是通过存在存储器内的程序来实现。若要对控制功能作必要的修改，只需改变软件指令即可，使硬件软件化。可编程控制器的优点与这个“可字”有关，从软件来讲，它的程序可编也不难编，从硬件上讲，它的配置可变，也易变。因此它迅速成为电气控制领域人们改造自然、创造财富有力工具。因此越来越多人希望掌握PLC技术，让其更好地为各行各业服务。2.2 PLC的应用领域(1) 用于开关逻辑控制。这是PLC最基本的应用领域。也是最适合PLC的应用领域。它可

6、以取代传统的继电接触器控制系统，可应用于单机控制，多机群控或生产线的自动化控制。(2) 运动控制。近年来许多PLC制造商在自己的产品中增加了脉冲串输出指令，使PLC方便地用于定位及调速系统。(3) 用于闭路过程控制。PLC通过模拟量单元。比例 积分-微分模拟也叫PID模块或主机自带的PID指令实现闭路过程控制。(4) 用于数据处理。PLC具有大量的功能支撑这些工作，使PLC在需要数据运算的应用领域大显身手。(5) 用以通信和联网。PLC与其他设备（计算机、变频器、数控装置、智能仪表）之间的通信，多台PLC之间的通信。2.3 PLC-FX2N可编程特点FX2N是日本三菱公司开发的FX系列可编程，

7、它的特点：(1) 编程语言简单，改变程序灵活（梯形图），深受电气技术人员欢迎。(2) 抗干扰能力强，环境适应性好（通过屏蔽，隔离，联锁，在检测到故障条件时，立即保护存贮内容，正常时可恢复故障前状态）。(3) 可靠性好，维修方便。平均无故障时间甚至达到几十万小时。(4) 体积小，重量轻，功耗低。(5) 灵活多变的系统配置，还有许多特殊模块，如模拟量输入输出模块等。2.4 PLC-FX2N与继电器控制差异(1) 组成器件不同：继电器是真实存在的，PLC是想象的并不存在的“软继电器”。(2) 触点情况不同：继电器触点是由实际结构组成，数量有限是触点寿命有限，PLC常开、常闭触点是由软件决定，所以数量

8、是无限。(3) 按线方法不同：继电器控制图中所有联结必须逐根连接缺一不可，PLC中接线除输出、输入端需实际接线外，内部所有接线都是通过软件连接，灵活性是继电器线路无法比较。(4) 工作方式不同：继电器控制线路，当电源接通时各继电器处于受约状态，该吸合就吸合，不该吸合的因条件限制而不吸合，PLC则采用扫描循环执行方式，从第一条梯形图开始，逐条执行至最后一条梯形图，再从第一条开始继续往下执行，周而复始。第三章 变频器3.1 变频器综述交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果，在我国交流电的频率是恒定不变的，只50周/秒，交流电动机的同步转速以及异步电动机转速与频率F成正比例或接近于正比

9、例 。改变频率可以方便地改变电动机的运行速度。变频对交流电动机调速十分合适。3.2 交直交通用变频基本结构功能 图3-1 1. 整流器。作用于把三组交流整流成直流。2. 直流中间电路，作用对整流电器的输出进行平滑处理，以保证逆变电路得到质量较高的直流电源。3. 逆变器。作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转为频率及电压都可以任意调节的交流电源，逆变电路的输出就是变频器的输出。4. 控制电路，是变频器的核心部分，其主要任务对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。3.3 交流变频器调速原理三相交流变频调速电机与普通三相交流感应电机的定子和转子结构基本相同，但它工作

10、的电源频率与普通电机高。调速原理：电源AC/380经AC/DC电路转换为DC（280V/310V）电源送到驱动电路，单片机控制的PWM（脉宽调制）电路通过驱动电路又将DC电源转换为适合电机某种速度工作状态的电源供电机用。以等幅的脉宽调制方式调节压机的交流频率、电压（交流调速电机）和电枢的直流电压（直流调速电机），这种调速方式的转换变化范围大、平滑性好且效率高。单片机中送出的u、v、w、x、y、z(x)六组宽度和周期序列不等，但幅度相等的序列方波脉冲，控制六个大功率输出管Q-U+、Q-V+、Q-W+、Q-U-、Q-V-、Q-W-导通与截止，在其负载（三相电机）上得到适合其工作于某种速度的电源。交

11、流电机和直流电机使用的调速器，主要差异在PWM脉冲调速信号输出的波形不同。 其电机转速公式： n=60f/p(1-s) 式（3-1）其中：n为转速（r/min）；p为极对数；f为电枢的交流电压频率（Hz）；可见改变f即可改变n。频率控制原则上按电压与频率之比为恒值（或近似）的规律，在降频的同时降压，使电压与频率协调控制。三相交流变频电机接一个100F左右的移相电容后，直接接50Hz市电也可正常运转（短时间，否则极易过热损坏），使用此方法可以检查电机的好坏。第四章 中央空调系统改造分析4.1原系统的运行及存在问题我办公大楼的中央空调系统改造前的主要设备和控制方式：450冷吨冷气主机2台，型号为特

12、灵二极式离心机，两台并联运行；冷冻水泵和冷却水泵各有3台，型号均为TS-200-150315，扬程32米，配用功率37KW。均采用两用一备的方式运行。冷却塔3台，风扇电机7.5KW，并联运行。该办公大楼是一个各种配套设备设施齐全、设计布局比较合理的特殊场所，领导和办公人员对环境的舒适度要求比较高。因此，中央空调的投入使用必不可少，每年的410月份无论是节日还是假日，每天都必须供应冷气。由于中央空调系统设计时必须按天气最热、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

13、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，感觉不适，严重干扰中央空调系统

14、的运行质量。因为空调偏冷的问题经常接到办公人员的投诉，处理这些投诉造成不少人力资源的浪费。 本人于该办公大楼设备部中央空调设备技术支持，且掌握一定的变频节能知识，于是向设备部经理提出：“利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统。对冷冻、冷却水泵进行改造，以节约电能。”此项计划获得办公大楼领导批准。4.2 节能改造的可行性分析改造方案主要有：方案一是通过关小水阀门来控制流量，经测试达不到节能效果。且控制不好会引起冷冻水未端压力偏低，造成高层用户温度过高，也常引起冷却水流量偏小，造成冷却水散热不够，温度偏高；方案二是根据制冷主机负载较轻时实行间歇停机，但再

15、次起动主机时，主机负荷较大，实际上并不省电，且易造成空调时冷时热，令人产生不适感；方案三是采用变频器调速，由人工根据负荷轻重调整变频器的频率，这种方法人为因素较大，虽然投资较小，但达不到最大节能效果；方案四是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，排除了人为操作错误的因素。虽然一次投入成本较高，但这种方法在社会上已经被广泛应用，已经证实是切实可行的高效节能方法。最后决定采用方案四对办公大楼中央空调冷冻、冷却泵进行节能改造。以下是分析过程：4.2.1 中央空调系统图4-1 中央空调系统结构图中央空调系统的工作过程

16、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

17、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4-1所示。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。4.2.2 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

18、)  N1=N2(n13/n23)     (4-1)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/cF×10-2           (4-2)式中： P：电动机的轴功率（KW）    Q：流量（

19、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4-1 如图4-1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（4-2）式可知电动机：（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

20、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)            (4-3)式中： n:转速  f:频率   p:电机磁极对数 &

21、#160;  s:转差率由（43）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,结合办公大楼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。 第五章 空调系统节能改造的具体方案5.1   主电路的控制设计根据具体情况，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

22、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5-1 冷却泵一次接线图图5-2 冷却泵二次接线图图5-3 冷冻泵一次接线图图5-4 冷冻泵二次接线图变频器的控制方式：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

23、差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制。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FR-F540-37K-CH变频器；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FX2N-64MR三菱PLC；温度传感器模块FX2N-4AD-PT，该模块是温度传感器专用的模拟量输入A/D转换模块，有4路模拟信号输入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），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PT-100 3850RPM/电压型温度传感器，其额定温度输入范围-10

24、0600，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。下表为改造需要增加的设备： 表5-1名    称数    量型    号PLC1FX2N-64MR变频器4FR-F540-37K-CH温度传感器输入模块 1FX2N-4AD-PT温度传感器4PT-100 3850RPM/模拟量输出模块1FX2N-4DA转换开关2250V/5A启动按钮18250V/5A停止按钮2250

25、V/5A5.2 变频节能技术框图及改造原理分析下图为变频节能系统示意图图5-5 变频节能示意图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

26、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。5.3 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   

27、 变频器的上限频率为50HzPr.2     :  30.00    变频器的下限频率为30HzPr.7     :  30.0     变频器的加速时间为30SPr.8     :  30.0     变频器的减速时间为30SPr.9     :  65.00  &#

28、160; 变频器的电子热保护为65APr.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010

29、VPr.79    :  2        变频器的操作模式为外部运行5.4 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： 表5-2X0:1#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

30、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

31、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位2. 接线图：图5-6 PLC与变频器接线图第六章 程序分析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图6-1 根据计算出来的冷冻水出回水温差和冷却水进出水温差，分别对冷冻泵变频器和冷却泵变频器进行无级调速的自动控制，温差变小变频器的运行频率下降（频率下限为30Hz），温差

32、变大，则变频器的运行频率上升（频率上限50Hz），从而实现恒温差的控制，实现最大限度的节能运行。2. FX2N-4DA  4通道的D/A转换模块程序分析图6-2 D/A转换模块的数字量入口地址为：CH1通道：D1100；CH2通道：D1101；CH3通道：D1102；CH4通道：D1103；数字量的范围为-2000+2000，对应的电压输出为-10V+10V,变频器输入模拟电压为0+10V,对应30Hz50Hz的数字量为 +1200+2000，为保证2台冷却泵之间的变频器运行频率的同步一致，使用了   LD M8000   MOV D1100

33、D1101 ；2台冷冻泵也使用了 LD M8000  MOV D1102 D1103  的指令。3. 手动调速PLC程序分析（以冷却泵为例） 图6-3X14为冷却泵手动频率上升， X15为冷却泵手动频率下降，每次频率调整0.5Hz，所有手动频率的上限50Hz，下限30Hz。4. 手动调速和自动调速的切换程序图6-4X12为冷却泵手/自动调速切换开关；X13为冷冻泵手/自动调速切换开关；温差自动调速程序（以冷却泵为例说明） 图6-5温差采样周期，因温度变化缓慢，时间定为5秒能满足实际需要；当温差小于4.8时，变频器运行频率下降，每次调整0.5Hz；当温差大于5.2时，变频器运

34、行频率上升，每次调整0.5Hz；当冷却进出水温差在4.85.2时不调整变频器的运行频率。从而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。5. 变频器的保护和故障复位控制变频器的过电流电子热保护动作时PLC能自动检测，给出报警信号，提醒值班人员及时处理，以下为变频器故障后的复位PLC程序:图6-6第七章 调试及运行7.1 实际调试及遇到的问题1整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。2投入试运行时，在人为地减少负荷，冷冻泵频率自动降到30Hz时，冷冻主机故障停机，经查是由于冷冻水水流开关动作造成，经维修（更换）后恢复正常。3当仅开一台机组，冷冻泵运

35、行在25Hz时，（首次设定频率下限为25Hz。）发现顶层部分房间的冷冻水流量偏小，温升偏高，不能满足冷量需求。经现场分析：虽然冷冻水循环为垂直及水平同程系统，各楼层负载管道水阻几乎相等，但由于管道最远处达100多米，管道保温也有不太理想的地方，冷冻水沿程的冷量损失较大，最后将冷冻水管道保温重新检修；冷冻泵频率下限也调整至30Hz。经维修、调整后，检测各点工作状况达到较理想要求。4用高精度温度计检测各点温度，以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。将二楼西餐厅、地下一层桑拿按摩中心等负荷需求不大或装机容量偏大的设备，手动调小阀门，避免电动阀的频繁开停或造成局部的大流量小温差。5冷却水循环也遇到类似冷冻水系统相似的问题，首次将冷却泵频率下限设为25Hz，在试运行时，冷却塔布水器不能