PLC控制中央空调水泵毕业设计论文Word格式.docx

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CentralAir-condition；

VariableFrequencyRegulatingSpeed；

PLC；

PID

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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学位论文原创性声明

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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目　　录

引　　言

现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境，中央空调系统是不可缺少的。

中央空调的耗电量是很大的，应用变频调速技术与PLC自动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度,并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点。

空调冷冻泵变频节能,在国内外都是一个令人感兴趣的课题，很多空调专业人士对此进行了研究。

但对于如何计算及分析空调冷冻泵变频运行的工况参数及能耗,颇多局限于泵的相似定律的直接应用，即利用在一定条件下水泵的流量Q、扬程H、功率N与转速n间的关系式（称为相似定律或比例定律）

（1）

直接进行计算，导致人们普遍认为空调水泵的耗电量与转速或流量的三次方成正比,，只要降低泵的转速就能以三次方的规律降低耗电量。

事实上，据此所得的结果与试验或实际结果存在着一定的差异，一些研究者针对这些差异进行了研究，但方法与结论各不相同，如MichelA.Bernier和BernardBourrent认为是泵的全效率的影响，从泵的全效率的角度提出泵的耗功不与流量的3次方成正比；

谢明华等则利用水电比拟原理提出冷冻水泵的耗功与流量的一次方成正比，似乎过分贬低了其节能潜力；

JamesB.Rishel则认为泵的扬程与负荷的n次方成直线关系，虽考虑了负荷大小及全效率但忽略了其它因素的影响[1]。

随着人民生活水平的提高，对空调的需求越来越大，中央空调以其高精度的恒温控制，大面积集中调节，为人们提供宜人的生产和生活环境。

但中央空调系统耗能很大,其电能和热能的消耗量占整个建筑能耗量的40%左右，而在我国目前的建筑设计中很少注重节能观念，忽视设备运行费用和能源消耗，造成能源的巨大浪费，如何解决空调系统的节能问题，已成为当务之急。

1绪　　论

1.1中央空调变频调速的意义

随着空调应用的日益普及，其能耗在社会总能耗中所占的比例越来越高。

减少空调系统的能耗对全社会的节能，促进国民经济的持续发展具有重大意义。

常规中央空调系统的送风量是根据空调房间的最大热、湿负荷确定，且保持不变。

空调负荷减少时，通过调节送风温度（调节再热量）来维持室温。

这种方法不仅浪费了热量而且浪费制冷机组相当的冷量。

在变风量空调系统中，可根据房间温湿度参数的变化，通过变频调速装置调节风机的转速，改变送风量（应大于最小送风量），送风温度保持不变。

显然变风量空调系统可充分利用最大送风温差，节约再热量和与之相应的冷量，减少风机的功率消耗，提高空调系统的运行经济性[1]。

在夏季室内负荷下降时，先减少送风量，当送风量减至最小送风量时可利用末端再热装置适应室内冷负荷的减少。

当再热量不足以补偿室内负荷变化时，系统由夏季工况转至冬季运行工况，系统开始送热风。

为节省能量，可先进行定风量变风温的调节方法，当供热负荷继续增加时，再改为变风量调节方法。

1.1.1变频调速技术介绍

变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。

交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。

（1）变频器按变换环节分

1）交-交变频器

把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。

其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。

但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的一半以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。

2）交-直-交变频器

先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。

由于把直流电逆变成交流电的环节容易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。

目前迅速地普及应用的主要是这一种。

（2）变频器按电压的调制方式分

1）PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。

在中小容量变频器中，这种方式几乎己经不采用了。

2）PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。

目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式。

（3）变频器按直流环节的储能方式分

1）电流型直流环节的贮能元件是电感线圈。

2）电压型直流环节的贮能元件是电容器。

变频器的功用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0～400Hz）的三相（或单相）交流电[2]。

由上式可知道：

当频率连续可调时，电动机的同步转速

也连续可调。

又因为异步电动机的转子转速n总是比同步转速

略低一些，所以，当

连续可调时，n也连续可调。

由于磁极对数p不同的异步电动机，在相同频率时的转速是不同的。

所以，即使频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的，因此采用变频和变极调速相结合的方法，可以大大提高变频器的工作效率。

由于转速n与频率f成正比，即：

（1.1）

式中：

n为转速；

f为频率；

p为电机磁极对数；

s为转差率。

若将电机的运行频率由原来的50Hz下调到40Hz时，电机的实际转速n，降为额定转速

的80%,即

=0.8*

，由于电机的额定功率W=K*n3，因此，电机运行在40Hz时的实际功率为：

（1.2）

则节电率为：

（1.3）

由此可见，若风机和水泵的电机运行在40Hz时，理论上，电机实际消耗的功率只有额定功率的一半左右，此时，理论上节电率为48.8%，交流变频调速的节电效果相当显著，经济效益十分可观。

中央空调系统采用变频调速技术，电机可在很宽的范围内平滑调速,可将所有节流阀去掉,使管道畅通，可免去节流损耗。

通过改变电机转速而改变水的流速,从而改变水的流量，达到制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，达到节能目的。

采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。

这种系统可由多台水泵电机组成，其中只有一台水泵处于变频调速状态，就可以达到节能目的。

这种系统最大程度地节约了设备。

电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制。

1.1.2基于PLC控制下的变频调速系统工作原理

PLC是变频调速控制系统的关键部件。

其作用是协调各机组与变频器之间的电气连接，通过接触器与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。

PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。

输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。

PLC软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。

该系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。

水泵机组都可运转在工频以下和变频以下两种状态。

这由系统根据实际需要进行切换控制。

可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块，A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器的升速过程及降速过程。

温度检测装置将状态送A/D,A/D有多个数字量（

、

…）输人PLC,进行控制热负荷从小至大之间的变化，首先对PLC进行设定上限

、下限

。

刚开始工作热交换量为零。

处于关断状态。

PLC控制下，

接通，1号泵接入变频器电源，同时启动升速程序，按D/A模块输出电压的设定曲线升速,从而使1号泵进行软启动。

1号泵转速逐渐增大，热交换量也逐渐增加。

若达到设定的下限

时，则1号泵在该频率下稳定运行；

若频率增至50Hz时还未达到下限

，则PLC发出指令

释放，

闭合，1号泵由工频电网直接供电，全速运转，同时D/A输出为0。

PLC指令

闭合，2号泵接入变频调速状态，并由PLC控制按设定曲线升速。

若升到50Hz频率下还未达到设定下限

，则2号泵切换为工频，3号泵为变频调速,继续下去,直到热交换量达到下限

，电机稳定运行于此状态下。

如果热交换量超过上限

，设定下调时，接入变频器的第n个水泵，其输出频率降低，若降至0Hz时，还未达到上限

，则第n个水泵停，同时D/A置5V，第n-1个水泵切换变频状态，并按设定曲线降低直至达其设定上限

，水泵稳定运行于此状态下。

需注意，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，各接触器间互锁和动作时间要设置好。

该控制系统,在任何状态下,只需一台水泵电机处于调速状态,其它电机可根据需要处于工频状态或停机状态,就可实现热交换从零至最大的控制过程。

冷却水、冷冻水系统可分别用一台PLC控制器和一台变频调速器来控制。

1.2中央空调的结构原理

所谓“中央空调”是由一台主机通过风道过风或冷热水管或管线连接多个末端的方式来控制不同的房间以达到室内空气调节目的的空调。

一般酒店，大型商场用的是风管试的中央空调，它的原理是主机通过通往各个空间区域的通风管道将处理后的冷热空气输送到位。

它的优点是成本低、操控简便、噪音低，最主要的缺点是：

各个区域（房间）控温不准确。

中央空调的工作原理与家用一样，都是利用冷媒（运输热量的媒质叫冷媒）的物理原理把室内的热量带到室外去达到制冷的效果。

中央空调工作原理如图1.1所示。

图1.1中央空调工作原理

中央空调系统主要由冷冻主机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统、风机和冷却塔等组成。

（1）冷冻主机也叫致冷装置，是中央空调的致冷源，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行内部热交换，降温为冷冻水。

（2）冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。

冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。

该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。

冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回到冷冻机组。

如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。

（3）冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。

从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。

同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。

温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水。

（4）风机盘管系统。

安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水盘管冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换。

（5）风机。

用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。

（6）冷却塔。

冷冻主机在致冷过程中，必然会释放热量，使机组发热。

冷却水塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。

冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。

工作原理：

冷冻主机是中央空调的致冷源，从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。

冷却水塔为冷冻主机提供冷却水，冷却水经管道盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。

空调系统中的控制对象多属于热工对象，从控制的角度分析具有以下特点：

a）多干扰性。

例如：

通过窗户进入的太阳辐射热是时间的函数，也受气象条件的影响；

室外空气温度通过围护结构对室温产生的影响；

为了换气所采用的新风，其温度变化对室温有直接的影响；

室内人员的变动，照明、机电设备的启停，均会干扰变动时控制的难度以及能源浪费的问题。

b）多工况性空调系统中对空气的处理过程具有很强的季节性，一年中，至少要分为冬季，过渡季和夏季。

另外在同一天中，夜晚和白天的空气工况也不完全相同，因此，空调对空气的处理过程也具有多变性。

多工况性的特点就决定了空调的运行不能设定在某一不变的参数下，而这就要求空调的控制系统必须要灵活的动作来适应变化的工况。

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%余量作为设计系数。

根据计算中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的25%—30%，冷却塔的用电占8%—10%。

因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔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。

根据异步电动机原理

（1.4）

由上式可见，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。

以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数，非常容易造成能源的浪费现象，现在根据冷却水的温度，由温度传感器传送信号至PLC，由PLC经计算后对冷却水泵依次开启，以达到节能效果。

1.3空调变频控制系统的构架

空调变频控制系统，依据水泵变频曲线和系统曲线计算出最佳运行模式后，使n台水泵在最佳频率下运行。

随着用户量的不断变化,实际差压值会经常偏离设定值。

为了彻底消除该水泵系统的剩余扬程，空调变频系统将作进一步的PID调节。

控制原理方框图如图1.2所示。

图1.2系统的控制原理图

系统将差压变送器的实时反馈值与目标设定值比较,其差值被送入PLC的内部PID调节器，经过运算,输出频率信号对水泵进行调速，以达到消除差压动态偏差的目的。

其算法为：

（1.5）

式中

——调节器的输出；

——比例时间常数；

——差压设定值（

）与差压实测值（

）之差；

Ti——差压积分时间常数；

——差压微分时间常数。

以上所有算法，将在西门子的PLCS7-200上实现。

1.4总体设计方案的确定

对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变送器和A/D转换模块反馈给PLC进行处理，