PLC控制中央空调节能改造设计.docx

1、PLC控制中央空调节能改造设计摘 要 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。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

2、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。关键词：PLC 中央空调 闭环自动控制系统第一章 绪论1.1课题背景 中央空调是现代大型建筑物如宾馆、商场、办公楼、居民小区、工厂和其它大型建筑不可缺少的基础设施之一，它能带给人们四季如春，温馨舒适的每一天。中央空调是一种通过集中制冷，然后分别将冷量输送到各空调房间的设备，以调节各个空调房间内温度达到适合人办公或者生活。作为建筑内部重点耗能设备，中央空调系统的耗电一般要占整座建筑电耗的40%以上。而中央空调机组是以满足使用场所的最大冷热量来进行设计的，而在实际应用中绝大多数用户在使用时，冷热负荷是变化的，一般与最大设计

3、供冷热量存在着很大的差异，系统各部分90%以上运行在非满载额定状态。传统的中央空调水、风系统均采用调节阀门或风门开度的方式来调节水量和风量，这种调节方式的缺点不仅是消耗大量能量，而且调节品质难以达到理想状态而导致空调的舒适度不良。中央空调变频节能改造投资价值极高，用户用于该产品的全部投资，可在很短的时间内通过减少能耗支出予以回收。投资收益率根据日运行时间不同，在2540%之间。 应用交流变频技术通过对中央空调的末端空调风机箱、冷却塔风机、冷冻水/冷却水水泵、甚至主机驱动电机转速等进行控制调节，从而使空调各子系统风量、水流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，达到阀门

4、、风门节/回流调节、变极调速等落后调节方式所不能相比的调节性能，改善空调的舒适性；更能达到节约大量电能，降低设备运行噪声，延长设备使用寿命、减轻设备维护工作量及费用的理想运行效果。通过变频控制调节，中央空调系统的水、风系统耗电水平可降低30%60%，主机系统可节电10%以上，总体系统节电可达40%左右。用户可在设备投运后几个运行期后，即可从节省的电费支出中收回投资。因此中央空调用户应用变频节能控制系统不仅有着良好的直接经济收益，还能达到节约能源消耗，有利于环境保护的社会效益。1.2问题的提出1.2.1原系统简介中央空调一般包含以下组成部分：制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及风机盘管系

5、统，某些高级中央空调系统还有新风机，通过控制室内CO2含量适量引入室外新风，让在室内活动的人感到舒适。中央空调系统改造前的主要设备和控制方式：450冷吨冷气主机2台，型号为特灵二极式离心机，两台并联运行；冷冻水泵和冷却水泵各有3台，型号均为TS-200-150315，扬程32米，配用功率37KW。均采用两用一备的方式运行。冷却塔3台，风扇电机7.5KW，并联运行。1.2.2原系统的运行及存在问题由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却

6、水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。而且冷冻、冷却水泵采用的均是Y起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的34倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命大大下降；同时，启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象，容易对机械器件、轴承、阀门和管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备件费用。另外,由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化，其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。这样，不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷，感觉不适，严重干扰中

7、央空调系统的运行质量。因为空调偏冷的问题经常遇到各种想不到的问题造成不少人力资源的浪费。本人提出：“利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统。对冷冻、冷却水泵进行改造，以节约电能。” 第二章 中央空调系统节能可行性分析2.1中央空调原理图及各结构的作用图2-1 中央空调结构原理图2.1.1 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。2.1.2 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

8、，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。2.1.3 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。2.1.4 冷却塔：冷却塔是利用水

9、和空气的接触，通过蒸发作用来散去制冷主机所产生的废热的一种设备。通过冷却水泵将温度较高的水送上冷却塔，通过冷却塔喷头，让水自上而下流动，一方面，通过自然空气带走水中热量；另一方面，通过冷却风机带动空气加速运动，通过空气带走热量的同时加快蒸发，让水温降低。温度降低后的冷却水再次循环进入制冷主机，带走制冷主机产生的废热，如此循环。2.1.5 风机盘管：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。2.2中央空调现状 通常在中央空调系统设计中，建筑物

10、的中央空调系统通常按极端环境条件去计算空调负荷，即以其最大冷（热）负荷的1.11.5倍去确定空调主机及外围设备的额定容量。然而由于气候条件、环境温度、使用时间、空调房间内人数等因素的变化，实际出现最大冷（热）负荷的时间，每年不超过10h20h。空调冷冻、 冷却水泵设计扬程和流量比实际需要的扬程和流量高出很多，空调风机的设计供风量也比实际需要的风量大，只要启动中央空调主机，水泵和风机都在工频50HZ下运行，也就是一直在满负荷状态下工作，从而造成整个系统的能源利用效率比较低，导致电能的严重浪费，这也是中央空调节能的可行性之所在。利用节能装置可大大降低水泵电机运行频率，从而降低电机转速，使循环水流量

11、恰到好处地根据空调房间的需要与制冷量实时匹配，从而轻而易举地将部分电能节约下来。特别是对长年运行在日夜变化，季节变化，使用面积的变化而引起制冷量 需求变化的系统，节能效果更为明显。中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。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

12、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。2.3 节能的可行性分析风机水泵类负载：P（负载）=Q（流量

13、）H（扬程），当电机转速从N降至N时，流量Q，扬程H及轴功率P的关系如下：Q=Q（N/N） H=H（N/N）2， P=P（N/N）3根据上面公式可以看出，当电机转速下降时，流量按线性关系变化，而电功率按立方关系方式变化，例如，电机功率为15KW，当其转速为原来的4/5时，耗电功率为7.68KW，即耗电为原来的51.2%，节电48.8%，从而大大节约电能。那么根据上面的公式分析，如果我们能根据负载情况实时改变电机的转速即可达到节能的目的。根据异步电动机原理：n=60f/p(1-s)，式中n:转速，f:频率，p:电机磁极对数，s:转差率。由上式可见，调节异步电机的转速有3种方法，改变电源频率、改变

14、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，也最容易控制，所以变频调速也是目前应用最为成熟的。第三章 中央空调系统主控制器中央空调控制系统主控制器采用PLC控制，由于PLC编程简单，扩展能力强，并且程序容易修改，所以越来越多的被应用在中央空调系统中，取代原来的DDC控制器，并且可通过PLC的通讯接口接入上位监控系统，便于在主控室查看各节点运行状态，并且很容易进行电能消耗、运行时间统计以及故障监视及分析。下面对PLC的发展及功能特点进行阐述。3.1 PLC的发展PLC（Programmable Logic Controller）,是一种电子

15、装置，早期称为顺序控制器“Sequence Controller”,1978年NEMA(National Manufacture Association)美国国家电气协会正式命名为Programmable Logic Controller（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。

16、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，故障的查找很排除非常困难，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11

17、5V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

18、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3.2 PLC的特点（特点这一块做一个标题即可）PLC的特点有：1 编程方法简单易学，指令丰富梯形图是使用得最多的PLC的语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，并且包含一些常用的高级便利指令如PID，加减速脉冲，

19、高速计数等。大大简化编程工作量。2 功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个内部继电器、几十到几百个定时器和计数器、几十个特殊用途继电器，可以实现非常复杂的控制功能。一台PLC可以同时控制几台设备，也可以通过联网信，实现分散控制，集中管理。3.2.3 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编过程控制其产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置功用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能，不同规模的系统。而且PLC的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以通过端子直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。3.2.4 无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代

20、替传统的继电器控制系统中的大量的中间继电器和时间继电器，外面仅有输入和输出相关的少量接线，并且采用了一系列的硬件和软件抗干扰技术如滤波，隔离等，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户认为最可靠的工业控制设备之一。3.2.5 系统的设计、安装、调试工作量少3.2.6 维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能，用户可以根据PLC上的发光二极管和编程器提供的信息迅速查明故障原因并予以排除。3.2.7 体积小，功耗低3.3 PLC的应用领域3.3.1 开关量逻辑控制PLC具有“与”、“或”“非”等

21、逻辑指令，可是实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可用于单台设备，也可以用于自动生产线，如机床电气控制，冲压机械、铸造机械、运输带、包装机械的空控制，电梯的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金系统的高炉上料系统，各种生产线的控制等3.3.2 运动控制PLC适用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴/双轴/三轴位置控制，是运动控制与顺序控制机能有机的结合在一起。PLC的运动控制功能广泛的用于各种机械，如金属切削机床，机器人等。3.3.3 闭环过程控制过程控制指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的

22、闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analong）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。PLC的模拟量PID控制控制功能已经广泛应用于轻工、化工、冶金、电力等行业。3.3.4 数据处理现代的PLC具有丰富的数据运算（包括四则运算、函数运算、矩阵运算等）、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理功能一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等工业中的一些大型控制系统。3.3.5 通讯联网PLC的通讯包括主机与远程I/O之间的通讯，多

23、台PLC之间的通讯、PLC和其它智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间的通讯。PLC与其它智能控制设备一起，可以组成“集中管，分散控制”的分布式控制系统（DCS,又称集散控制系统）。3.4 PLC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3-1 PLC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

24、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

25、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3-2 PLC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。第四章 基于PLC控制的中央空调系统从上几章的介绍我们看到，中央空调系统主

26、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。在这里主要结合某酒店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45 KW；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。 PID控制原理：表4-1 控制系统配置表序号名称型号数量备注1PLC主机DVP40EH00R1整个系统主控制器2PLC模拟量扩展AD模块DVP04AD-H2扩展模块，用于模拟量

27、控制3PLC模拟量扩展DA模块DVP04DA-H1扩展模块，用于模拟量控制4水泵专用变频器VFD450F43A2用于冷冻水电机控制5水泵专用变频器VFD150F43A2用于冷却水电机控制6水泵专用变频器VFD055F43A2用于冷却塔电机控制7温度传感器HT-9000-URW4用于检测冷冻、冷却水温度8压力传感器40PC001G2A1用于检测空调房间末端压力9触摸屏DOP-A57CSTD1用于监控PLC主机参数图4-3 PLC主机电路接线图4.1 PLC控制系统I/O配置表表5-2 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X1Y1冷冻变频器1#正转信号X2Y2冷

28、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

29、Y20冷却水出水阀门开启控制X21预留Y21冷却水回水阀门开启控制X22预留Y22预留X23预留Y23预留AD1#CH0冷冻水出水温度传感器输入一DA1#CH0冷冻变频器1#，2#频率信号AD1#CH1冷冻水出水温度传感器输入二DA1#CH1冷却变频器1#，2#频率信号AD1#CH2冷冻水回水温度传感器输入一DA1#CH2冷却变频器1#，2#频率信号AD1#CH3冷冻水回水温度传感器输入二DA1#CH3预留AD2#CH0冷却水出水温度传感器输入AD2#CH1冷却水回水温度传感器输入AD2#CH2空调房间末端压力传感器输入AD2#CH3预留4.2 冷冻水系统控制冷冻水系统中央空调控制中最为关键的

30、一环，我们之所以使用中央空调的原因就是为了调节室内空气温度，所以一定要保证冷冻水系统供应合适的冷（热）量。根据空调专业人士多年的研究，冷冻水出水温度保持在7，冷冻水回水温度保持在12时，处于最节能状态，所以首先我们通过触摸屏将出水温度和回水温度设置好，并且设置好回水和出水温差为5，PLC主机通过FROM指令实时读取模拟量输入模块AD1#CH0、AD1#CH1、AD1#CH2、AD1#CH3的温度，并将实际回水温度减去实际出水温度，并与实际温差做比较进行PID控制。4.2.1 冷冻水系统逻辑控制：首先选择自动模式控制，并设定好温差，启动冷冻水自动控制，PLC主机首先控制冷冻水出水和回水阀门，延时

31、5秒钟启动冷冻水循环泵，两台冷冻水泵由变频器控制并联运行（主电路分开，变频器频率信号一样），变频器频率由模拟量DA模块输出电流信号控制。在PLC程序中设定最小输出频率，最小输出频率由空调房间末端压力传感器控制，使用此压力传感器的目的是为了保证最高层末端的房间有足够的冷冻水供给，以使末端空调房间和其它空调房间一样，能够合适地控制舒适的温度。为了提供人性化的控制方案，可以通过触摸屏选择自动启动冷冻循环泵，比如某办公楼周一到周五有人上班，可以设置空调系统在办公人员上班以前半小时启动，当办公人员来上班时，房间内的温度已经自动调节到了设定的舒适温度，为办公人员提供舒适的工作环境，确保他们高效率的工作；还可以设置自动关闭空调系统，在办公人员下班以后自动关闭空调系统；这样人性化的控制方式会让人心情愉悦；周六周日不上班，那么可