中央空调自动控制改造.docx
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中央空调自动控制改造
中央空调自动控制改造
目录:
题目
内容摘要关键词前言
1.中央空调系统概述
2.中央空调水系统的节能分析1.变水量系统的基本原理2.水泵变频调速节能原理
3.改造控制要求
4.改造措施
5.节能改造控制系统的功能结构图
6.节能改造控制系统的设计
1设计方案
⑴：
冷冻/冷却泵主回路及控制线路设计与控制方法
⑵：
机组阀门控制线路设计
⑶：
冷却塔风机控制线路设计
⑷：
新风机控制线路设计
（5）:
主机起/停控制
2.控制系统的I/O分配及系统接线
3.触摸屏画面制作及参数设定
4.变频器参数设定5.编制程序
⑴：
冷冻/冷却水进出水温度检测及温差计算
⑵：
冷冻/冷却D/A转换程序
⑶：
冷冻/冷却泵手动调速程序
⑷：
冷冻/冷却泵自动调速程序
5：
1号机组一键启动/停止程序
⑹：
2号机组一键启动/停止程序
⑺：
手动控制程序
⑻：
冷却塔风机温度控制程序
⑼：
时间调整程序
内容摘要:
对图书馆原中央空调水系统进行改造，由原来传统的控制方式改为PLC+变频器控制，对原水系统进行变流量改造，采用温度控制，使其送回水温差保持不变，而使冷水流量根据所需负荷成线性变化。
以提高制冷机的运行效率，降低水系统的能耗，在满足供冷
需求的情况下，最大限度的节省能量，以达到降低开支，节能环保的效果。
同时，对原系统的开关机模式进行改造，以采用触摸屏人机界面和PLC程序运行控制，减少工作量，降低人为操作失误率，解决人为关机带来的不必要能量损耗，提升服务质量。
关键词：
PLC，触摸屏，温度传感器，变频控制，变水量，前言：
随着经济实力的不断发展，和人们生活水平的不断提高，以及现代建筑的实际需求，中央空调已经完全走进了都市人的生活。
它以大的覆盖率和良好的效果受到欢迎，很大程度的提高了人们的工作和休闲环境。
但它同样也以大的耗能受到关注。
主机可随负载的变化加载和卸载，但与之相配套的冷却水泵和冷冻水泵却始终在高负荷状态下运行，没有随负荷的变化相应调节，而冷水系统占据了整个空调系统28%的耗能，如何将这些电能节约下来？
同时，原来的操作比较烦琐，启动和停止的程序较多。
能否将操作简单化呢？
结合工作中中央空调的运行情况，进行一系列对系统操作和节约电能有利的改造，愿能在减少空调操作人员工作量，增加系统操作的可靠性上有所进步，在节约电能方面，尽自己的一点点力量。
一、中央空调系统概述：
中央空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、风机盘管及循环水系统（包括冷却水和冷冻水系统）、新风机等组成。
在冷冻水循环系统中，冷冻水在冷冻机组中进行热交换，在冷冻泵的作用下，将温度降低了的冷冻水（出水）加压后送入末端设备，是房间的温度下降，然后流回冷冻机组（回水），如此反复循环。
在冷却水循环系统中，冷却水吸收冷冻机组释放的热量，在冷却泵的作用下，将温度升高了的冷却水（出水）压入冷却塔，在冷却塔中与大气进行热交换，然后温度降低了的冷却水又流进冷冻机组（回水），如此不断循环。
系统的（开机）操作按
1开启管道阀门
2启动冷冻/冷却水泵
3开冷却塔风机
4开新风机
5
图书馆中央空调为一次泵系统，冷
开主机关机程序相反，操作较烦琐。
冻泵和冷却泵电机全年恒速运行，冷冻水和冷却水进出水温差较
小，夏季气温高时温差在2.5C，冬季约为18C。
冷水机组:
开利水冷冷水机组两台（一备一用），单机制冷量为440USRT，电动机功率为330KW。
冷冻水泵:
冷冻水泵两台（一备一用）,电动机功率55KW,启动方式:
丫-△
冷却水泵:
冷却水泵两台（一备一用）,电动机功率75KW启动方式:
丫-△
冷却风机:
两台，每台5.5KW，额定电流13A，直接启动新风机:
七台
该系统的负载能力是按气温最高，负载最大的条件来设计，系统设计足够大，至使系统大部分时间在负荷以下运行，最大负荷出现的时间非常少。
原空调水系统除了存在很大的能量损耗,同时还
带来以下问题:
1:
水流量过大使循环水系统的温差降低,恶化了主机的工作条件,使主机热交换率下降,造成电能损失。
2:
水泵采用丫-△启动，电机启动电流大,对供电系统带来一定冲击。
3:
由于水泵流量过大,通常通过调整管道上的阀门开启度来控制冷冻水和冷却水的水流量,因此阀门上存在能量损失。
4:
传统水泵不能实现软启软停,在水泵启动和停止时会出现水锤现象,对管网造成较大冲击,容易对机器零件,轴承,阀门,管道造成破坏,增加维修费用和时间。
5:
图书馆并不是24小时营运,人工控制基本上不能做到按时停机,常常让系统白白运行几十分钟甚至更久,造成不必要的人为浪费。
由于:
水系统运行效率底,能量损耗大,存在很多弊端,并且属于长期运行。
因此有必要进行节能改造。
为使循环水量与负荷变换相适应,采用成熟的变频调速技术对循环系统进行改造，是降低水循环系统能耗的较好解决方案。
一方面能控制冷冻（却）水泵的转速，即改变冷冻（却）水的流量，来跟踪冷冻（却）水的需求量，随着负载的变化调节水流量，从而节约能源。
另一方面，变频器是软启动方式，电机在启动是及运转过程中均
无冲击电流，可有效延长电机、接触器及机器零件、轴承、阀门
、管道的使用寿命。
二、中央空调水系统的节能分析：
目前很多建筑中央空调水系统为定流量系统，水系统的能耗一般占空调系统总能耗的28%左右。
现行定水量系统都是按设计工况进行设计，它以最不利工况为设计标准，空调负荷大都采用估算法，因此冷水机组和水泵容量往往过大。
可空调系统最大负荷出现的时间很少，绝大部分时间在部分负荷下运行。
主机能在一定范围内根据负载的变化加载和卸载，但冷却水泵和冷冻水泵却仍在高负荷状态下运行，由于采用传统的控制方式，不能实现空调冷媒流量跟随末端负荷的变化而动态调节。
在部分负荷运行时不仅浪费水泵的能量，制冷机的效率也大大降低。
而由于变水量系统中的水泵能够按实际所需的流量和压力运行，成为一种有效的节能手段。
所以，要降低空调系统的运行能耗，对现有中央空调水系统进行节能改造是十分有必要。
1•变水量系统的基本原理：
根据热力学第一定律q=QC^t可见。
在冷水系统中，可以根据实际冷负荷的大小调整冷水流量或冷水系统的送回水温差。
在冷水系统盘管或负荷末端进行冷水系统设计时，q、C、^t已经确定，q为系统设计工况下的冷负荷，△t为按规范确定的温差，C为水的比热，也是固定的，因此流量Q也被确定，系统按这些值设计选择设备。
当系统设计完成并投入运行后，q与室外的气象条件和室内散热量等诸多因素有关。
当系统冷负荷q变化时，为保证q=QC^t的平衡，系统必须相应改变冷水流量Q或温差△t的大小。
当某一时刻冷负荷小于设计值，并且送水温度不变，如果改变△t而保持Q,则形成定流量系统。
如保持△t而改变Q则形成变水量系统。
理想的变水量系统，其送回水温差保持不变而使冷水流量与负荷成线性关系。
这需要使用变速水泵。
2•水泵变频调速节能原理：
中央空调的水系统是完成外部热交换的两个循环系统。
以前水流量的控制是通过阀门来调节，许多电能浪费在阀门上。
如果换成交流调速系统，把浪费在阀门上的能量节省下来，每台水泵的节能效果就很可观。
对于设计冷负荷大于实际冷负荷的常用冷水机组，节能效果就很可观。
故采用交流变频技术控制水泵的运行，特别是控制常时间运行且冷负荷小于设计负荷的水系统节能改造的有效途径。
图1为阀门调节和变频调速控制两种状态的扬程---流量的关系图，
持程--左■茉寒曲ffl
①：
②：
③：
④：
泵在转速n1下的扬程-流量特性泵在转速n2下的扬程-流量特性阀门关小时的管阻特性曲线阀门正常时的管阻特性
P3与面积BH3OQ2成
A点效率最高，输出流量Q=100%，轴功率P1与面积AH1OQ1成正比当流量需从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的方法，使管阻特性从曲线④变到曲线③，轴功率
n1降到n2,在满足同关此时比较轴功率，节省
正比。
如果阀门开度不变，降低转速，泵转速从阀门同样的流量下，扬程H2大幅度降低，的功率损耗△P与面积BH3H2C成正比。
对于变频调速来说，转速基本上与电源频率成正比，而对于水泵来说，根据离心水泵相似定律，
QI/"nl/rp
可知:
水泵流量与频率成正比，水泵扬程与频率的平方成正比，水泵消耗的功率与频率的三次方成正比。
如水泵转速下降到额定转速
的60%,即f=30HZ时,其电机轴功率下降了78.4%，即节电率为78.4%。
因此，用变频调速的方法来改变水泵流量是可行的。
三、改造控制要求：
1.使循环水量与负荷变化相适应，能根据温差来控制泵的转速，从而调节泵的水流量，控制热交换的速度。
温差大，提高泵的转速，
增加水流量，加快热交换的速度。
温差小，降低泵的转速，减缓水的循环速减缓热交换的速度。
以节约电能。
2.改变原先传统的开关机方式，使用人机界面以能更方便的对系统进行控制和监控,并简化操作步骤。
3.能自动控制系统的按时关机，并将办公区域和公共区域分开控制，以提高服务质量，和减少人为不必要的能源浪费。
4系统能够实现手动和自动的切换，以适应不同的控制需求。
5.将一备一用的两套并行系统分成两套单独系统以适应自动控制（手动控制时可任意选择运行对象）
四、改造措施：
结合大楼原中央空调水系统的实际情况，确定大楼空调系统改造措施如下：
1.由于冷却水泵和冷冻水泵功率分别占主机功率的23%和17%,故对冷却水系统和冷冻水系统动都进行变流量改造，在保证机组安全可靠运行的基础上，取得最大化的节能效果。
2.冷冻水系统的控制采用定温差控制方法，且施工较容易，将冷冻
水送回水温差控制在4.5-5C.
PLC通过温度传感器及温度模块将冷冻水的出水温度和回水温度读入内存，根据进水和出水的温差值来控制变频器的转速，从而调节冷冻水的流量，控制热交换的速度。
温差大说明室内温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度以增加流量，加快热交换的速度，反之温差小，则说明室内温度底，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度以降低流量，减缓热交换的速度，达到节能的目的。
3.冷却水系统的控制结合以前系统运行情况，回水温度一般在
29.5C。
出水温度一般在32.5C，还稍小于主机要求的进水32C,所以也采用定温差控制方法。
将温度控制在4.5-5C，控制过程与冷冻水相似。
4.由于冷却塔风机的功率较小，故不考虑对风机进行变频调速，
5.两台冷冻水泵M1.M2和两台冷却水泵M3.M4采用变频节能改造。
正常情况下，系统运行在变频节能状态，其上限运行频率
为49.5HZ下限运行频率在30HZ。
当节能系统出现故障时，可以使用原水泵的控制回路使电动机投入工频运行，
6.水泵启动时，以50HZ频率启动水泵，30S后转入温差自动控制，根据资料显示水泵在频率20－25HZ会出现震荡现象，变频器应避免在此段运行。
7.水泵运行频率能实现手动和自动切换，自动时系统根据相应的温来控制，手动时能通过触摸屏使运行频率在30-50HZ范围内调
整
8.可使主机的停止，新风机的起停根据实际需求按设定的时间自动控制。
9.可实现对整个系统的一键启动和停止
五、节能改造控制系统的功能结构图：
为了直观方便地使用，需要给予人机界面，故采用触摸屏+PLC+
变频器的控制系统结构。
控制系统的功能结构图及主设备连接图见图2
*u«
六、节能改造控制系统的设计：
1.设计方案。
⑴.冷冻泵/冷却泵主回路及控制线路的设计与控制方式（主回路电气原理图）。
如图三所示，M1、M2为一备一用的两台冷冻泵，M2、M3为一备一用两台冷却泵。
KM1、KM15、KM19为M1原丫一一△控制电路，KM2为M1的变频接触器。
控制线路（见冷冻泵控制线路图）因原电路为丫一一△，所以采用变频运行时应吸合KM15（原△形接触器），将它原线圈与KM2变频接触器线圈统一控制。
只需将转换开关打到自动即可选择由PLC自动控
制。
如变频系统故障，只须将开关打到手动即可恢复到原控制电路按工频运行操作。
①.为防止KM1吸合反送电至变频器，须将KM2与KM1电气互锁，②.为防止变频器同时拖动两台泵，须将KM2与KM4电气互锁。
其余三个泵电气原理与此相同，冷却泵控制见（冷却泵控制线路图）控制部分通过四个箔温度传感器分别采集冷冻水/冷却水进出水温度，然后通过与之连接的FX2N—4AD—PT特殊功能模块，（CH1—冷冻水进水，CH2—冷冻水出水，CH3—冷却水进水，CH4—冷却水出水）。
将采集的模拟量转换成数字量传给PLC，再通过PLC进行运算，将运算的结果通过FX2N—2DA将数字量转换成模拟量［0-10V（DC）］来控制变频器的转速。
（通道1接1#冷冻变频器，通道2接2#冷却变频器）出水和进水的温差大，则水泵的转速就大；温差小，则水泵的转速就小，从而使温差保持在一定的范围内（4.5—5C）,达到节能的目的。
（2）.机组阀门控制线路设计。
见（机组阀门控制线路图）在原控制线路的基础上加上自动控制线路，当转换开关打到自动，由PLC驱动继电器KA7/KA9实现系统统一自动控制。
当开关打到手动时恢复原控制电路。
⑶.冷却塔风机控制线路设计。
见（冷却塔风机控制线路图），控制原理同阀门控制。
⑷.各楼层风机控制线路设计。
见（风机控制线路图），控制原理同上。
2.控制系统的I/O分配及系统接线。
根据系统控制要求，选用F940GOT—SWD触摸屏，PLC选用FX2N—48MR型，触摸屏和PLC输入、输出分配如下表：
4-1、4-2、4-3
根据控制系统的控制要求，所需设备如下：
FX2N—4AD—PT一
台FX2N—2DA一台PT100温度传感器四个变频器F700:
三菱55KW变频器F700:
三菱75KW
160A接触器2个250A接触器2个MY2NJ继电器14个转换开关12个指示灯22个，1平方导线4卷DC24V，10A直流模块一个综合接线图如图：
如图九
3.触摸屏画面制作（图10）及参数设定。
触摸屏参数设定：
传送速率：
19200bps
数据位：
7位
停止
1位
校验：
奇校验
握手：
DSR/DTR
4.变频器参数设定变频器参数设定：
Pr.1
上限频率
50
Pr,7
加速时间
10
Pr.S
减速时间
10
Pr.31
频率跳变
20
Pr,32
频室跳变
25
Pr.73
D/A输出电压选择
0
Pr.79
操作模式
2
5.编制程序。
IlJwl-"
JF_■
I
70*3.
rr
I
<
*
1+3
控制程序主要由以下几部分组成：
1冷冻/冷却进出水温度检测及温差计算程序：
CH1通道为冷冻水进水温度（D100）,CH2通道为冷冻水出水温度（D11）,D20为冷冻水进出水温差，CH3为冷却水进水温度（D12），CH4为冷却水出水温度（D13），D30为冷却水进出水温差。
2冷冻/冷却D/A转换程序。
冷冻/冷却D/A数模转换的数字量存放在D100/D120中，它通过
FX2N
—2DA模块将数字量变成模拟量，由通道1输出给变频器1#，通道2输出给变频器2#，从而控制变频器的转速。
3冷冻/冷却手动调速程序
X2为冷冻泵手动转速上升，X3为冷冻泵手动转速下降，X4为冷却泵手动转速上升，X5为冷却泵手动转速下降。
上升下降每按一次频率改变0.5HZ，手动和自动的调整上限为50HZ，下限都为30HZ。
4冷冻/冷却自动调速程序
水温变化缓慢，设计温差采集周期为4S,温差大于5C时，运行频率上升，每次调整0.5HZ,直到温差小于5C或频率升到50HZ时停止,当温差小于4.5C时,变频器运行频率下降，每次调整0.5HZ,直到温差大于4.5C或频率下降到30HZ时停止。
51号机组一键启动/停止程序
在触摸屏上按下1号机组启动按钮,系统按机组冷冻冷却进水阀门开启
冷冻泵启动冷却泵启动新风机启动主机启动的顺序自动启动（冷却塔风机根据冷却水回水温度控制）停止按停止按钮可实现按主机停止冷却泵停止冷却塔风机停止
冷冻泵停止新风机停止关进水阀门的顺序停机控制/也可按时间自动停机（其中风机的开启与停止可按需要手自动转换来应对可能某一时刻不需要需关闭或需要而单独开启）
62号机组一键启动/停止程序与1号机组控制顺序和方法相同。
7手动控制程序可在触摸屏上任意搭配系统,实现选择手动选择控制。
8冷却塔风机控制程序
风机根据回水温度控制，当水温达到28r时开启一号风机，当水温升到30时,再开2号,水温低于30时2号风机停止。
冷却泵停止1,2号风机全停
9时间调整程序当特殊情况晚开系统时,为能按时自动关机控制,需调整运行时间。
设计分1小时调整/1分钟调整通过这次改造,大大的方便了我们工作人员的操作和监控,减免了人为的能源浪费,提升了服务质量,在节约电能方面,以日节能约412度取得了比较好的效果,得到了众多领导的肯定和表扬。
在项目设计期间,得到了众多老师的指导,在此深表感谢！
项目还有很多不足的地方,望各位专家多点评,指正。
谢谢！
参考文献：
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中国电力出版
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5.张万忠主编.可编程控制应用技术.北京.化学工业出版社，20056.孙景芝主编.楼宇电气控制.北京.中国建筑工业出版社，2002
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