PLC和变频器在中央空调节能工程中的应用.docx
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PLC和变频器在中央空调节能工程中的应用
PLC和变频器在中央空调节能工程中的应用
摘要
近年来，随着我国经济的不断发展，大型建筑如雨后春笋，其数量呈现不断增加的趋势,为了满足人们生产和生活的需要，提高建筑物内部环境的舒适度,许多大型建筑都会设计和安装中央空调系统。
但是许多大型建筑在设计中央空调系统时，往往是根据系统运行的最大负荷量去设计的，存在冷却水泵和冷冻水泵不能自动调节负载，长期处于满负荷的工作状态，造成了很大的能源浪费。
而变频调速技术的快速发展,为中央空调的节能改造提供了有利的条件,现决定用PLC、变频器、温度传感器、A/D和D/A转换模块及PID控制算法,打造一个高效的恒温控制系统。
关键词：
中央空调；可编程控制器；变频调速技术；温度；PID控制
1．绪论
1.1空调发展简史
20世纪60年代左右，空调最先在美国诞生，当时风冷式冷水机空调的特点是利用空气散热，后来美国经过对有风管的中央单元式的改进和发展，创立了WRAC系统。
二十世纪七十年代起，无风管的SRAC和SPAC空调系统在日本日本得到改进和发展，很快就占领了空调市场。
九十年代，中国从日本人引进其空调设备和技术，并成立了多家合资公司。
同时，中国不断从国外引进空调制造技术和空调设备，积极参与空调的研发。
现今中国的空调技术已经发展达到了很高的水平，占据了全球很大部分的市场份额，成为了重要的空调出口国。
1.2研究中央空调节能改造用义
人们的物质需求随着中国经济的发展也在提高。
为了追求建筑物内的环境舒适度，空调是必须安装的，因此中央空调发展迅速。
研究表明，中央空调所消耗的能源占整栋建筑物能源消耗的50%左右，因此对中央空调进行节能改造具有十分重要的意义。
常规的中央空调系统在选型设计时，往往是根据冷热负荷的最大量来设计的。
但一年之中，中国出现最冷和最热气候的日子并不多，所以常规的中央空调长期处在满负荷的工作状态是不合理的，会造成许多能源浪费。
因此对中央空调系统进行节能改造是十分必要的。
变频技术的发展进步，可编程控制器和变频器等控制设备的改进，功能变的更加齐全和完善，这为中央空调的节能改造提供了十分有利的条件。
1.3系统设计要完成的主要任务
在充分了解空调运行原理基础上，分别对其冷却水循环过程和冷冻水循环过程设计节能方案，打造一个能够实现自动控制水泵转速的恒温闭环控制系统，实现节约电能的目的。
设计要完成的任务：
在空调冷却水进、出水管道上各装上一个温度传感器，在冷冻水回水管道上装上一个温度传感器。
在冷却水循环过程中，温度传感器检测冷却水进、出水温度，PLC计算出进出水温差，并与温度设定值比较。
如果温度差大，则增加冷却水泵转速并加速冷却水循环;如果温度差小，则降低冷却水泵转速并减速冷却水循环。
对于冷冻水系统，只度检测冷冻水的回水温度，温度信号传递到PLC后，PLC对数据进行分析、计算和对比。
若冷冻水回水温度高出温度设定值，提升冷冻泵运行速度，相反，若冷冻水回水温度小于温度设定值，降低冷冻泵运行速度。
变频调速，平衡供需，节约电能。
2.中央空调运行原理与设计方案
2.1中央空调结构与运行原理
中央空调结构包括：
制冷机、冷却塔、冷却水循环、冷冻水循环、风机盘管。
其具体结构在图2.1中示出。
图2.1中央空调结构图
它的工作运行原理：
在制冷机组中，压缩机压缩制冷剂为液体状态；液态的制冷剂被输送到蒸发器当中，把冷量传给冷冻水，使冷冻水降温，冷冻水制冷后被冷冻泵送到风机冷却盘管，由风机将冷气吹到各个房间，降低室内温度。
经蒸发器后的制冷剂，再由冷凝器冷凝成为气态，并释放出热量，这些热量传递到冷却水中，冷却水升温，升温后的冷却水被冷却泵压力输送到冷却塔，并且在其中与大气发生热交换，使冷却水温度降下来。
2.2变频调速原理
根据流体传输的原理，水泵流速与电机转速关系成正比，水泵压力和电机速度的平方关系成正比，水泵轴功率与流速和压力的乘积相等，水泵轴功率和电机转速的立方关系成正比。
可以看出的是，泵的输出功率可以通过改变泵的马达速度而改变。
为了节约能源，我们可以通过控制变频器的频率，调节电机速度，实现节能改造的效果。
图2.2是流体传输设备各个变量之间的关系图。
图2.2流体传输变量关系图
2.3系统设计的总体方案
可编程控制器、频率转换器、主接触器、温度测量装置和泵单元是实现频率调整的设备，其闭环自动控制系统的每个电机在频率调整和频率转换两个状态下运行。
根据需要，也可以通过PLC系统进行切换控制。
A/D和D/A转换模块分别接到PLC的I/O扩展模块接口，经PLC和A/D转换模块将，温度模拟量信号变为数字量信号，再经D/A转换将PLC的开关量信号变为数字量信号输出。
通过变换为模拟量信号，使PLC控制变换器的频率发生变化，使电动机的旋转数发生变化，实现节约能源的目的。
设计此时系统控制通过电压信号的频率转换，从而控制水泵的速度和调节温度。
输出电压主要由控制程序和PID算法控制。
在此，子例程第1号逆变器设置为SBR-0的电压控制参数，和2逆变器被设置为SBR-1号的控制参数来控制电压，主程序分别调用子程序传递PID调节参数，设定时中断0每10ms中断一次，并进入INT-0，并且在中断服务程序中，INT-0分别对两个变频器进行控制。
图2.3系统设计结构图
3．系统设计的硬件部分
3.1PLC的组成结构和工作原理
可编程PLC控制器包括诸如电源、CPU和存储器、I/O接口设备和I/O扩展接口模等部分。
下面通过PLC硬件结构解析图来帮助我们更好的认识它的组成结构。
图3.1PLC硬件结构解析图
PLC的程序的扫描方式，一般是从上到下从左到右的循环扫描。
如果用户创建的程序没有跳转命令，则PLC执行从第一命令步骤编号到最后一个命令步骤编号的循环扫描。
即在程序的最后命令扫描完成后，返回到第一命令，进行扫描。
在此过程中，可采样输入信号以更新输出状态。
通常，输入样本、执行程序、刷新输出为PLC的一个扫描周期。
图3.2是PLC扫描方式实现过程。
图3.2PLC扫描周期流程图
3.2PLC的型号选定
此次设计通过对输入输出I/O点数、模拟量和开关量、存储容量、控制回路和输出负载等因素的分析，再结合学校现有的PLC设备型号，综合考虑后，选择西门子S7-200系列可编程控制器。
下图是关于西门子S7-200系列的端子及其硬件实物介绍图
图3.3PLC实物图
S7-200系列具有EM231输入模块、EM232输出模块和CPU226这三块重要部分。
3.3A/D模拟量输入模块
选用EM231为模拟量输入模块，热电阻类型是根据DIP拨码开关来选择的，其测量单元和接线方式也是由此来选择的。
型号相同的热阻连接到同一扩展模块。
改变DIP开关后，必须在断电后打开PLC的电源，以便新的设置发挥作用。
表3.1EM231主要设置参数
耗电量
自+5VDC（自I/O总线）
自L+
L+电压范围，2级或DC传感器供电
87mA
60mA
20.4至28.8VDC
LED指示灯
24VDC电源供电良好ON=无错，OFF=无24VDC电源，SF：
ON=模块故障，闪烁=输入信号错误,OFF=无错
模拟量输入特性
现场至逻辑
现场至24VDC
24V到逻辑
500VAC
500VAC
500VAC
共模输入范围（输入通道至输入通道）
120VAC
共模抑制
>120dB120VAC
输入类型
无隔离差分输入
输入范围
RTD类型（选一种）
Pt-100Ω，200Ω，500Ω，PT-1000Ω-10000Ω
Cu-9.035Ω
Ni-10Ω，120Ω，1000Ω
R-150Ω，300Ω，600Ω
输入分辨率
温度
电阻
0.1℃
15位加符号位
模块更新时间：
所有通道
405ms
连线长度（最大）
100米至传感器
线回路电阻（最大）
最大为20Ω
数据字格式
电压：
-32000至+32000
最大输入电压
30VDC
EM231在配置区设定了三个开关，分别用来选择模拟量输入范围或是量程、分辨率和类型。
因为在设计所采用的A/D转换模块中，EM231是单极性的输入类型，且电压输入为0～5V，所以应该选择1.25mV的分辨率，并且把SW1、SW2、SW3分别设定为ON、ON、OFF。
所设定的三个开关的作用如下表3.2所示。
表3.2EM231的开关设定表
输入类型与范围
分辨率
开关设定
SW1
SW2
SW3
单极性，0～10V电压输入
2.5mV
●
╳
●
单极性，0～5V电压输入
1.25mV
●
●
╳
单极性，0～20mA电流输入
5uA
●
●
╳
双极性，0～±5V电压输入
2.5mV
╳
╳
●
双极性，0～±2.5V电压输入
1.25mV
╳
●
╳
●-设定为开关ON；╳-设定为开关OFF
模拟量输入端的连接方式为：
模拟量信号通过双绞线传输到各通道。
第一通道的测量信号连接到EM231的A正负极，第二通道的测量信号连接到EM231的B正负极。
从L+、M端为EM231输入所需要的DC24V电源。
其主要硬件连接方式如下图所示。
图3.4EM231和热电阻的硬件连接示意图
3.4D/A模拟量输出模块
根据设计需要选择EM232作为模拟量的输出模块，而模拟量输出模块的作用主要是把中央处理器（CPU）中的二进制数字信号转换成为4～20mA范围的电流输出信号或者是0～10V范围和0～5V范围的直流电压输出信号。
下表3.3是EM232模块的设置参数。
表3.3EM232模块的设置参数
模拟量输出特性
模拟量输出点数
2
隔离（现场侧到逻辑线路）
无
信号范围
电压输出
电流输出
±10V
0～20mA
数据字格式
电压
电流
-32000～+32000
0～+32000
分辨率全量程
电压
电流
12位
11位
模拟量输出端连接方式：
经D/A转换，双绞线输出模拟量信号，通过输出电压信号将双绞线连到信道的M0与V0端，通过输出电流信号将双绞线连到信道的M0和I0端。
模拟量输出端的连接方式如图3.5所示。
图3.5EM232硬件接线示意图
3.5温度传感器的型号选择
热电阻是测量温度的敏感元件，其耐热体主要由金属氧化物或半导体材料制成；正、负和临界温度系数是热电阻的三个温度系数。
下文图3.6显示了它们之间的关系曲线。
图3.6热敏电阻温度特性曲线图
在实际应用中负温度系数热敏电阻是主要的温度检测电阻，而在电阻值急剧变化的特定温度下才会采用PTC和CTR热敏电阻来构成温度开关器件。
本次设计选择型号RS3011，该型号采用Pt100温度传感器，其测量范围是-20℃～400℃,并且这个范围是可以选择的，其输出信号为4～20mA/0～5V，精度等级为0.2级，隔离电压为2500VDC（0.5mA,60S）。
根据系统设计需要分析考虑，选择输入的温度范围为0℃～+100℃。
3.6变频器的型号选择
因为此次设计的系统是一台变频器控制一台电机的情况，因此，对于连续恒定负载操作所需的逆变器容量计算公式：
在式中：
代表负载所需的马达的轴输出功率，单位为W
代表电动机效率，一般约为0.85
代表电动机功率因数，一般约为0.75
K为电流波形校正系数。
由PWM模式，取K值为1.05
代表变频器额定容量
因系统设计所选的单台水泵的功率为2.2kW，取=1.05，=2.2kW，=0.85，=0.75，代入上述公式可得：
1.05×2.2/0.85×0.75=3.62kW
FR-A540系列变频器的容量为0.4kW～5
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