PLC中央空调系统其它主要设备的节能.docx
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PLC中央空调系统其它主要设备的节能
中文摘要
【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，使冷却水泵、冷冻水泵、风机、制冷压缩机能随空调负荷的变化而自动变速运行，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节能冷却水泵冷冻水泵风机制冷压缩机
ABSTRACT
Thispaperintroducesthefrequencyconverter,PLC,d/aconversionmodule,temperaturemodule,thetemperaturesensoroftemperatureclosedloopcontrolincentralair-conditioningsystemenergysavingretrofitapplications.Throughthetemperatureclosedloopcontrol,coolingwaterpump,coolingwaterpump,fan,refrigerationcompressorcanalongwiththeairconditioningloadchangeandautomaticgearshiftoperation,greatlyoptimizethesystemoperationqualityandachieveremarkableenergysavingeffect.
Keywords:
converterPLCenergy-savingcoolingwaterpumpfrozenwaterpumpfanrefrigeratingcompressor
目录
第一章绪论
1.1研究背景1
1.2研究的目的和意义1
第二章PLC
2.1PLC的发展2
2.2PLC的含义3
2.3PLC的组成4
2.4PLC的品牌5
2.5PLC的选型5
2.5.1输入输出（I/O）点数的估算6
2.5.2存储器容量的估算6
第三章变频器
3.1变频器-含义7
3.2交—直—交通用变频基本结构功能7
3.3交流变频器调速原理8
第四章中央空调系统其它主要设备的节能
4.1设备的作用10
4.1.1制冷主机10
4.1.2冷冻水泵10
4.1.3冷却水泵11
4.1.4风机11
4.2设备的变频改造11
4.2.1对冷冻泵进行变频改造11
4.2.2对冷却泵进行变频改造12
第五章系统的控制
5.1冷冻水泵的控制15
5.1.1冷冻水系统控制15
5.1.2冷冻水系统逻辑控制15
5.1.3冷冻水系统PID控制15
5.1.4冷冻水系统电量监控16
5.1.5冷冻水系统通讯控制16
5.2冷却水泵的控制17
5.2.1冷却水系统控制17
5.2.2冷却水系统逻辑控制17
5.2.3冷却水系统PID控制17
5.2.4冷却水系统电量监控18
5.2.5冷却水系统通讯控制18
结论19
致谢20
参考文献21
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PLC
2.1PLC的发展
PLC（ProgrammableLogicController）,是一种电子装置，早期称为顺序控制器“SequenceController”,1978年NEMA（NationalManufactureAssociation）美国国家电气协会正式命名为ProgrammableLogicController（可编过程控制器。
简称PLC）,其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：
按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部存储预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺序、计时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如：
继电器（Relay）的开关，电磁阀及马达驱动，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。
并籍由其外围的装置（计算机/程序书写器）轻易地编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。
PLC与继电器控制系统的有很大的关系。
由于在复杂的继电器控制系统中，故障的查找与排除非常困难，若工艺发生变化，控制柜内的组件与接线需作相应的变化，这种改造的工期长，费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外做一台新的控制柜。
1968年，美国最大的汽车制造厂家—通用汽车公司（GM）提出了研究PLC的基本思想，即：
编程简单，可在现场修改程序维护方便，采用插件式结构可靠性高于继电器控制柜体积小于继电器控制柜成本可与继电器控制柜竞争可将数据直接送入计算机可直接采用115V交流输入电压输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载通用性强，扩展方便能存储程序，存储器容量可达4KB，1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC。
70年代初期出现了微处理器，它的体积小，功能强，价格便宜，很快被用于PLC，使它的功能增强，工作速度加快，体积减小，可靠性提高，成本下降。
PLC借鉴微型计算机的高级语言，采用极易为工厂电气人员掌握的梯形图编程语言。
现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制、模拟量PID控制，通讯联网等功能。
PLC已经广泛应用在各种工业部门，其应用范围已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。
随着电子技术和计算机技术的进步，PLC的发展趋势有：
向高性能、高速度、大容量发展，大力发展微型PLC，不断增强微型PLC的功能，PLC编程语言的标准化，PLC与其它工业控制产品相互融合，PLC与个人计算机（PC）的融合，PLC与集散控制系统的融合，PLC与CNC的融合，大力开发智能型I/O子系统，LC与现场总线相融合，强通讯联网功能
几台设备，也可以通过联网信，实现分散控制，集中管理。
2.2PLC的含义
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）,是一种用于自动化实时控制的数位逻辑控制器，广泛应用于目前的工业控制领域。
在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。
可编程逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不用的自动化生产要求。
图2-1
PLC最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能（IO控制），所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（ProgrammableController），但是由于它的简写也是PC与个人电脑（PersonalComputer）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。
现在工业上使用可编程逻辑控制器（PLC）已经相当接近于一台轻巧型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑（采用嵌入式操作系统）与PLC架构的PC-BASE控制器，能透过数位或类比输入/输出模组控制机器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。
PLC可接收（输入）及发送（输出）多种型态的电气或电子讯号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用已成为工业界不可或缺的一员。
国际电工委员会（IEC）在其标准中将PLC定义为:
可程式逻辑控制器是一种数位運算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
2.3PLC的组成
PLC主要有CPU模块，输入模块、输出模块和编程器组成。
图2-2PLC的结构组成
CPU模块：
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。
I/O模块：
输入（Input）模块和输出（Output）模块统称I/O模块，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块主要用来接受和采集输入信号，输入信号包括两类：
一类是从按钮，选择开关，接近开关，光电开关等来的开关量输入信号；另一类就是由电位器，测速发电机等提供的连续变化的模拟量信号。
PLC通过输出模块控制接触器、电磁阀等执行机构，另外也可以驱动指示灯、数字显示装置等CPU模块的工作电压一般是5V，而其输入/输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。
为防止外部引入的尖峰电压和干扰噪声损坏CPU模块，影响其正常工作，在I/O模块中，用光电耦合器、可控硅，小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。
I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时响应随时变化的输入信号，用户程序不是执行了一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环中，PLC还要完成内部处理，通讯处理等工作，一次循环可分为5个阶段。
图2-3PLC的扫描过程
由于PLC采用循环扫描集中刷新的方法，导致输入/输出时间滞后，但是一般情况下，这种响应延迟仅几十MS，对于一般系统无关紧要，要是对时间有要求的话可以采用中断进行处理，例如高速计数。
2.4PLC的品牌
美国的A-B（Allen-Bradly）公司-AB PLC、GE（General Electric）公司-通用PLC，日本的三菱电机（Mitsubishi Electric）公司-三菱PLC、欧姆龙（OMRON）公司-欧姆龙PLC、德国的AEG公司-AEG PLC、西门子（Siemens）公司-西门子PLC、法国的TE（Telemecanique）TE PLC以上是一些比较知名的。
还有国产的台达PLC、汇川PLC。
2.5PLC的选型
在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。
2.5.1输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
2.5.2存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
第三章变频器
3.1变频器-含义
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
变频器的主电路大体上可分为两类：
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
PWM是英文PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。
PAM是英文PulseAmplitudeModulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
3.2交—直—交通用变频基本结构功能
图3-1变频原理图
（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100μF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其它主要设备的节能
中央空调系统主要由制冷主机、冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔和风机盘管等几部分组成。
主要结合中央空调系统对冷冻水系统、冷却水系统和冷却塔进行控制，下面分别介绍这几个系统的控制。
此系统制冷主机配备100KW制冷主机2台，型号为三氧溴化锂机组，平时一备一用,高峰时两台并联运行；冷冻水循环系统冷冻水泵2台,扬程28米,配用功率45KW；冷却水系统冷却水泵2台，配用功率15KW；冷却塔4台，冷却塔电机5.5KW，每两台并联运行。
图4-1PLC控制温度原理图
图4-2PID控制原理
表4-1控制系统配置表
序号
名称
型号
数量
备注
1
PLC主机
DVP40EH00R
1
整个系统主控制器
2
PLC模拟量扩展AD模块
DVP04AD-H
2
扩展模块，用于模拟量控制
3
PLC模拟量扩展DA模块
DVP04DA-H
1
扩展模块，用于模拟量控制
4
水泵专用变频器
VFD450F43A
2
用于冷冻水电机控制
5
水泵专用变频器
VFD150F43A
2
用于冷却水电机控制
6
水泵专用变频器
VFD055F43A
2
用于冷却塔电机控制
7
温度传感器
HT-9000-URW
4
用于检测冷冻、冷却水温度
8
压力传感器
40PC001G2A
1
用于检测空调房间末端压力
9
触摸屏
DOP-A57CSTD
1
用于监控PLC主机参数
4.1设备的作用
4.1.1制冷主机：
制冷主机通过压缩机让制冷剂迅速冷冻循环水的温度快速降低（一般经过制冷主机制冷后的水温在7℃左右），这是中央空调冷源提供的地方，通过制冷主机冷冻的冷媒水由冷冻水泵送入空调房间。
4.1.2冷冻水泵：
制冷主机的制冷剂被降到冷却水的温度后，经过节流阀，温度变的更低，这时用水将冷量带走，这部分水称为冷冻水，冷冻水带走制冷剂的冷量后，再到空调系统末端（如风机盘管，空调机组）与空气换热，温度升高后再回到冷水机组内带走制冷剂冷量，这样构成冷冻水循环系统，在这个系统上的泵称为冷冻水泵。
4.1.3冷却水泵：
制冷剂在冷水机组里循环，经过压缩机是温度升高，这时用水将温度降下来，这部分水称为冷却水，冷却水通过冷冷却水泵把制冷主机所产生的热量带走，再经过冷却塔把热量释放到空气中，然后回到冷水机组，这样构成一个冷却水循环系统，在这个系统上的泵是冷却水泵。
要清楚，空调系统通过三个循环把室内的热量传到室外：
冷冻水循环，制冷剂循环，冷却水循环。
4.1.4风机：
风机盘管空调系统是将由风机和盘管组成的机组直接放在房间内，工作时盘管内根据需要流动热水或冷水，风机把室内空气吸进机组，经过过滤后再经盘管冷却或加热后送回室内，如此循环以达到调节室内温度和湿度的目的。
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1-1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设备的变频改造
4.2.1对冷冻泵进行变频改造
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。
4.2.2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。
第五章系统的控制
图5-1PLC主机电路接线图
PLC控制系统I/O配置表
表5-1控制系统配置表
输入点
注释
输出点
注释
X0
急停开关
Y0
冷冻变频器1#使能信号
X1
Y1
冷冻变频器1#正转信号
X2
Y2
冷冻变频器2#使能信号
X3
原控选择
Y3
冷冻变频器2#正转信号
X4
本控选择
Y4
冷却变频器1#使能信号
X5
手动控制
Y5
冷却变频器1#正转信号
X6
自动控制
Y6
冷却变频器2#使能信号
X7
冷冻变频器1#故障
Y7
冷却变频器2#正转信号
X10
冷冻变频器2#故障
Y10
冷却塔变频器1#使能信号
X11
冷却变频器1#故障
Y11
冷却塔变频器1#正转信号
X12
冷却变频器2#故障
Y12
冷却塔变频器2#使能信号
X13
冷却塔变频器1#故障
Y13
冷却塔变频器2#正转信号
X14
冷却塔变频器2#故障
Y14
原控选择
X15
冬天制热模式
Y15
本控选择
X16
夏天制冷模式
Y16
冷冻出水阀门开启控制
X17
预留
Y17
冷冻回水阀门开启控制
X20
预留
Y20
冷却水出水阀门开启控制
X21
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