利用PLC控制技术1刘德勇.docx
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利用PLC控制技术1刘德勇
技师专业论文
维修电工
PLC控制技术在风机智能化集中式管理改造的应用
姓名：
身份证号：
等级：
高级技师
准考证号：
培训单位：
佛山市机电技能培训中心
鉴定单位：
佛山市劳动社会保障局
日期：
2008年10月29日
PLC控制技术在风机智能化集中式管理改造的应用
刘德勇
中国移动通信集团佛山分公司
摘要：
国家“十一五”规划纲要，对节能减排工作提出了具体要求。
作为一个勇于承担社会责任的企业，中国移动也在积极转变经济增长方式。
坚持节约减排，开发与节约并存，努力减少能源消耗，控制污染排放，自觉、自主、自发的开展节能减排工作。
中国移动的节能减排工作主要体现在省电方面。
目前，移动通信机楼的能耗占公司总能耗的73%，而其中机楼空调能耗占机楼总能耗的51%，因此，降低空调能耗是实现节能减排的重要措施之一。
基于此，中国移动通信集团佛山分公司在降低空调能耗方面做了大量的工作，并取得了一定的成果。
关键词：
PLC控制技术末端设备节能改造集中化控制
论文内容：
传统的空调末端设备，通过温控驱动电动阀的方式来调节温度，这种工作方式简单可靠，是目前绝大多数建筑空调系统广泛采用的控制方式。
它的控制原理是：
在风柜机出风口处，安装一个温度传感器，采样冷风的实际温度，然后将该信号送给比例阀控制器，比例阀根据实际检测的温度与内部设定的温度进行比较，自动调节热交换器进水口阀门的开度。
当实际温度比设定温度高则增加阀门开度，当实际温度比设定温度低则减少阀门开度，以此达到调温的目的。
在比例阀控制器调节热交换器进水口阀门开度的过程中，是用增加进水的阻力来减少流体（冷冻水）在热交换器中的流动速度。
这样为了调温就浪费了一大部分冷冻水的动能，浪费的这一部分动能是由中央空调的冷冻泵给予的。
也就是说要冷冻泵电机消耗电能来实现调温的目的，这也就是采用比例阀调温浪费掉的电能。
随着能源的紧缺及人们节能意识的增强，目前有部分中央空调厂家已对空调的控制方式进行了改进，采用变频器对空调电机进行控制。
这种方法是将进水阀门的开度固定，利用变频器来动态的调节风机转速，以达到恒温的目的。
这样就可以根据现场负荷的需求来调节风柜机电机的输出功率，从而避免了风柜机马达一直处于全速运行的状态，实现了减少空调能耗的目的，同时又能大大减少风机机械转动部分的磨损，增加电机的使用寿命。
目前，佛山移动分公司共有通信机楼5个，中央空调系统6套，末端设备（除风机盘管）——风柜机新风机组100余台，这些设备都是常年不间断运行的。
如图一所示，桂江机楼通信机房的风柜机是独立分散式运行管理，机房的温度调节依靠调节冷冻水的流量来进行控制，运行方式存在如下不足之处：
（1）、空调风柜的变频器采用一对一方式，配置成都佳灵变频器。
对于多台风柜并联工作的系统，在一年当中气候的变化以及末端热负荷的变化，均会影响节能效果。
当不需要全部满负荷工作时，不能够自动切换或卸载。
（2）、每周试运行柴油发电机和市电停电切换后，风柜机不能实现自启动。
（3）、温度波动较大。
（4）、主用和备用的风柜机不能实现自动地轮流使用和备用。
（5）、不能自动定期对机房新风机进行开启换风时间和换风次数控制，机房空气环境不够清新。
针对以上问题，对佛山移动分公司中央空调设备进行技术改造
技术改造主要依靠PLC程序控制器，PLC具有强大的程序编辑功能，可根据实际需要编程，实现对可空调风柜机自由排列、组合的控制。
同时通过把变频器的FWD-COM接入端子接入输出继电器，实现对风柜机的自动启动、失电得电后自动启动、主备机组自动轮换和新风机的定时运行的控制。
如图二所示，在机房每楼层设置一个PLC程序控制器。
为了能够准确反映机房实际温度，在机房适当位置设置电子式温度传感器和温度调节器。
电子温度传感器把温度转换成0--10V的电压信号，与基准信号在温度调节器中进行差动比较放大，产生4---20mA的电流信号。
控制信号送到变频器的控制电压输入端子，对变频器实行PID闭环控制，通过对变频器的参数调试及控制系数修正，使机房的温度与设定的温度一致，机房温度波动范围较少。
由于风柜和电机本身的特点，当电机速度过低时会大大降低两者的工作效率及影响电机的使用寿命。
为杜绝以上情况出现，对变频器设置最低运行频率下限，使变频器在进行PID调节时不能无限制的降低电机速度，同时对空调运行实行阶梯控制。
当正在运行的空调电机运行频率已达上限仍不能满足制冷需求时，如果程序运算满足增加空调的条件，PLC就会按顺序发送启动信号给空调风柜机变频器，直到机房温度达到设定温度，而当机房温度下降之后，PLC会逐步将空调风柜机切除，直至能够满足机房制冷的最佳空调数量。
根据中央空调风冷系统的特点，风量调节对房间内空气温度影响比水阀调节水量对空气温度的影响大，所以采用以风量调节作为主调，水阀调节作为辅调的控制方式。
当变频器频率输出达到运行下限时变频器的输出继电器延时动作，从而控制水阀的PID调节器的电源接通（水阀的PID调节在进行变频风量调节时无效）。
这样就会保证整个风柜系统调节的合理化。
如图三所示，对PLC功能进行扩展，通过通信模块与变频器、PC进行连接，实现对空调设备的实时监控。
可对空调运行数量及运行频率进行实时监控，大大增加设备的安全可靠性。
技术改造的目的
针对南海分公司桂江机房空调风柜机存在的不足之处，利用PLC强大的程序编辑功能和其与变频器连接的扩展功能，实现用电子式温度传感技术和PID闭环控制对机房风机进行集中式智能化管理。
使机房风柜机实现如下功能：
（1）、节约电能。
对变频器实行闭环控制，能根椐机房温度，自动实时地调节风柜机电机的转速，实现风柜机的节电运行。
（2）、机房所有风机通过PLC集中控制，能使空调风柜机在失电恢复供电后按预定的程序，实现自动、分开延时启动运行，减小风机同时启动对电网和用电设备的冲击，使负荷电流平滑增长，提高低压供电系统的稳定性。
（3）、变频器闭环控制，实现PID闭环控制，使机房内温度分布均匀和恒定，波动范围小。
（4）、按预先设定的程序对主用机和备用机进行自动轮换使用，实现机组自动切换和轮值功能，风柜机组能实现冗余备用，使机组部件磨损平均，防止备用设备生锈。
（5）、按预定的程序对新风机进行开启，对换风时间和换风次数进行控制，保持机房空气清新环保，有利于机房工作人员的健康。
技术改造的效果
实现了对机房风机进行集中式智能化管理，实行机组群控，提高温度控制精度。
当市电发生停电或油机测试时智能化控制系统按程序运行，自动启动空调风柜机，使空调得到及时恢复，缩短停机时间，减小机房温度波动；冗余备用风机按程序轮换使用，使机组部件磨损平均，防止备用设备生锈，延长机组的使用寿命；对新风机实行了定时启动、停止，保持了机房空气质量清新，使机房空气质量得到提高，改善了机房环境；远程监控功能使机房风柜机得到实时监管，加强了设备管理，保障了空调安全运行。
（1）、桂江机房2/F、3/F、4/F每层楼每天要保持开启4台风柜机，综合楼1/FIT机房每天最少开1台风柜机，按目前控制方式计算，原来每台风机运行时在40-45HZ左右，改造后现在通常运行频率在30-35HZ，每台风柜机减小埃频频约为10HZ。
平均每台3KW的风柜机一年节约电能：
3KW×（10HZ/50HZ）×365天×24小时=5256KWH，13台风柜机一年共节约电能5256KWH×13=68328度电，按每度电0.8元计算，每年节约电费5.466万多元，一年就能收回成本。
（2）、目前省内大多机房风机控制方式都与桂江机房相同，若将这些机房都按照此方法改造，全省有21个市公司，平均每个市公司按4个机楼计算，全省移动机楼每年将节约电能：
6.83万KWH/年.机楼×4个机楼/每个市公司×21个分公司=573.72万KWH/年。
全省移动机楼每年可节约电费：
573.72万KWH/年×0.8元/KWH=458.98万元。
可产生巨大的经济效益。
PLC变频器控制运行频率、电流、电压和消耗功率实测数据
项目
序号
运行频率
（HZ）
实测运行
电流（A）
运行电压
（V）
消耗功率
（KW）
1
30
3.1
380
2.02
2
35
4.0
380
2.6
3
40
4.9
380
3.19
4
45
5.8
380
3.77
5
50
6.8
380
4.42
（3）、项目充分利用中央空调系统原有的风柜机、变频器等设备的基础上，增加PLC和温度传感器，对机房进行风机进行集中式智能能化自动化管理，投资较小，可实现节能，自动启动，自动温度调节，主备用机轮流冗余备用和新风机换气时间和换气次数环保管理等功能。
并减轻值班人员劳动强度，延长设备的使用寿命。
节约管理成本。
技术改造中的创新
（1）、充分利用现有设备，以较少的资金投入改造，实现风柜机集中智能化管理。
（2）、利用温度、湿度传感器把它们给出的0—10V的电压信号反馈到变频器，采用PID调节方式，将温度变化通过变频器转为电压的变化，达到控制风机电机的转速，从而实现空调的闭环控制。
（3）、把PLC应用在机房中央空调系统中，通过自设计的PLC运行程序，方便灵活地设定运行工况，实现智能化控制，用较小的投资，达到了机房楼宇智能控制的同等效果。
把PLC应用在中央空调系统中，通过用计算机进行梯形图程序设定，方便灵活地设定运行工况，实现智能化控制，将此技术应用在中央空调系统中在国内较为少见。
结束语
综上所述，将PLC程序控制技术和变频闭环控制应用于机房中央空调系统设备改造，还有很大潜力可挖，首先在佛山移动通信其他机房进行推广，再推广至省公司乃至集团公司，通过对系统的功能及稳定性进行观察及测试。
当机房设备负荷增大，引起回风温度升高，温度变送器根据水温的变化通过PID调节调高风机运行频率，风柜机制冷量随之增大，从而满足机房负荷增大的需求。
当机房负荷减小，温度变送器根据机房温度的变化调低风机运行频率，风机制冷量随之减小。
回风温度达到设定温度下限时，变频器以设定下限频率运行。
PLC软件设定空调风机轮换周期为2天，当运行时间到达轮换周期时间时，PLC能够准确按设定顺序轮换风柜机，新风机能按照轮换周期及运行时间准时启停。
风机智能化集中控制系统各项设定功能运行正常，解决通信机房风机存在的不足之处，对机房风机进行集中式智能化管理，机组群控，提高温度控制精度；停电按程序自动启动，减少工作人员工作量；冗余备用风机按程序轮换使用，使机组部件磨损平均，防止备用设备生锈，延长机组的使用寿命；新风机换气次数及换气时间设定自动管理，机房空气质量清新，环保。
因本人经验和水平有限，文中难免有错误及不妥之处，恳请各位专家、教授及同行批评指正。
参考文献
1．成都佳灵变频器说明书。
2．FX2N系列微型可编程控制器使用手册。
3．温度变送器说明书。
附表一：
三菱PLC控制器FX2N-32MRI/O分配表
输入
说明
输出及状态
说明
X000
A01手动控制转换按钮
Y000
A01#风柜机组
X001
A02手动控制转换按钮
Y001
A02#风柜机组
X002
A03手动控制转换按钮
Y002
A03#风柜机组
X003
A04手动控制转换按钮
Y003
A04#风柜机组
X004
A05手动控制转换按钮
Y004
A05#风柜机组
X005
A06手动控制转换按钮
Y005
A06#风柜机组
X007
A07自动控制转换按钮
Y006
A07#新风柜机组
X010
自动/手动转换按钮
Y010
1#风柜机组运行指示灯
X011
自动/手动转换按钮
Y011
2#风柜机组运行指示灯
X012
自动/手动转换按钮
Y012
3#风柜机组运行指示灯
X013
自动/手动转换按钮
Y013
4#风柜机组运行指示灯
X014
自动/手动转换按钮
Y014
5#风柜机组运行指示灯
X015
自动/手动转换按钮
Y015
6#风柜机组运行指示灯
X016
Y016
7#新风柜机组运行指示灯
附表二:
改造增加的设备表
序号
名称
品牌、型号
数量
1
PLC
三菱FX2N-32MR
3台
2
电源模块
西门子6ES7
3台
3
中间继电器
日本和泉（含座）
20套
4
空气浊度传感器
日本和泉
5个
5
PID温度变送器
日本C&CWD-815
15台
6
温度传感器
日本CKCPT100
15个
7
屏蔽电线
日本
4圈
8
配电箱
广州白云
3套
PLC程序主要分为两部分：
（在附页）
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