基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计.docx

1、基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计摘 要本文针对中央空调的节能问题，对中央空调水泵变频调速系统进行分析及设计。利用可编程控制器、模拟量扩展模块、变频器、温度传感器等代替传统再热量调节系统，实现中央空调水泵的变频调速。通过对空调出口温度进行检测，变频系统实时调节中央空调水泵转速，达到节能目的。采用变频技术控制中央空调水泵，是当前空调系统节能改造的有效途径。关键词：中央空调，变频调速技术，可编程控制器PLC，PID1 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

2、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

3、。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。1.2 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。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

4、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。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电流型直流环节的贮能元件是电感线圈。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5

5、0Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0400Hz）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总是比同步转速略低一些，所以，当连续可调时，也连续可调。由于磁极对数不同的异步电动机，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。由于转速与频率成正比，即：= （1-1）式中：-转速； -频率；-电机磁极对数；-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

6、%,即，由于电机的额定功率，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

7、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。1.3 本文的主要工作中央空调系统通常分为冷冻水和冷却水两个系统。现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。（1）冷冻水泵系统的闭环控制该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。（2）冷却水系统的闭环控制该方案在保证冷

8、却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，在保证中中央空调机组正常工作的前提下，达到节能增效的目的。控制原理说明如下：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频率，以控制电机转速，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

9、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。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。通过温度传感器PT100将温度信号经过变送器和A/D转换模块传送到PLC中进行处理，然后由PLC将控制信号送至变频器中，变频器根据控制信号做出相应的频率调整，实现对水泵电机转速的控制。主要工作有：温度检测部分设计；选择变频器；设计主

10、电路；选择PLC器件并选择扩展模块；I/O口的分配及输入输出接口电路的设计；报警等接口设计；编制设计PLC程序；系统仿真。2 系统原理分析及方案设计2.1 中央空调结构原理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

11、调工作原理如图2-1所示。图2-1 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

12、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

13、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：（1）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。（2）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，

14、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 （2-1）式中：n-转速；f-频

15、率；p-电机磁极对数；s-转差率。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。2.2 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

16、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

17、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（x0,x1,x2,x3）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x1、下限x0。刚开始工作热交换量为零。x0、x1处于关断状态。PLC控制下，KM3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x0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x0，则PLC发出指令KM3释放，KM2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KM5闭合

18、，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x0，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x0，电机稳定运行于此状态下。如果热交换量超过上限x1，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x1，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x1，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

19、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。2.3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2-2所示。图2-2 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： （2-2

20、）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；-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。2.4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，再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速，从而对温度进行控制。目前，对冷却水系统和冷冻水系统分别进行调速的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水

21、温度高时，加大冷却水流量。冷冻水系统也是如此。在冷冻水和冷却水的回水管道上安装温度传感器，只检测回水温度，然后经过PLC的处理对变频器实行控制。这样可确保中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。温度传感器可采用PT100热电阻；A/D转换模块；PLC；D/A转换模块都选用西门子公司的产品，变频器采用三菱公司的变频器。系统的结构图如图2-3所示。图2-3 系统结构图3 系统硬件设计3.1 可编程控制器的选型3.1.1 可编程控制器概述可编程控制器，英文称Programmable Logic Controller，简称PLC。可编程控制器是用于工业现场的电控制器，它源于继电器控制技术，但基

22、于电子计算机。可编程控制器通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。如果说初期发展起来的可编程控制器主要是以它的高可靠性、灵活性和小型化来代替传统的继电接触控制，那么当今的可编程控制器则吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，得到了更新的发展。从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，可编程控制器均承担着主要角色4。（1）可编程控制器的硬件组成。可编程控制器的硬件部分由中央处理器单元（CPU模块）、存储器、输入/输出（I/O）模块、电

23、源模块、通信模块、编程器等部分组成。如图3-1所示。（2）可编程控制器的工作原理可编程控制器是以顺序扫描的方式工作的。用户程序通过编程器输入并存放在可编程控制器的用户存储器中。当可编程控制器运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。这种按分时原则，顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描。执行一次扫描的时间成为扫描周期。可编程控制器的工作过程。可编程控制器是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作的，其工作过程就

24、是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。图3-1 可编程控制器的硬件结构框图可编程控制器的基本功能可编程控制器有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：a）逻辑处理功能；b）数据运算功能；c）准确定时功能；d）高速技术功能；e）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；f）程序与数据存储功能；g）自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，可编程控制器几乎也都可以做到。丰富的功能为可编程控制器的广泛应用提供了可能。同时，也为自动化行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。3.1.2 可编程控制

25、器的选型在可编程控制器系统设计时，确定控制方案之后，下一步工作就是可编程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。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控制器和设计相应的控制系统。（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控制器的产品特点，对输

26、入输出电数进行圆整。本设计输入点有15个，输出点11个。（2）存储器容量的估算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1015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。因此本课题的可编程控制器内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。（3）机型的选择目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的可编程控制器产品，使用户眼

27、花缭乱、无所适从。通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O相应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析。并且根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高速技术器，又因为电梯是双向运行的，所以可编程控制器还需具有可逆技术器。综合考虑后，本设计选择SIEMENS公司生产的S7系列的S7-200可编程控制器。S7-200系列PLC的主要特点如下：采用整体固定I/O型与基本单元加扩展的结构，PLC的CPU、电源、I/0安装于一体，结构紧凑、安装简单。运算速度快，基本逻辑控制指令每条0.22us，可以实现高速控制。编程指令、编程元件较丰富，性价比高。PLC集成有固定点数的告诉计数输入与

28、高速脉冲输出，脉冲频率可以达到20100kHz。PLC带有RS-485串行通信接口，可以支持无协议通信与点到点通信（PPI）、多点通信（MPI）、PROFIBUS总线通信。通过扩展模块，S7-200还可以增加如下功能。通信功能扩展。通过PROFIBUS-DP（EM227）、AS-i（CP243-2）、调制解调器（EM241）、以太网（CP243-1、CP243-1IT）等通信模块，PLC可以与工业以太网、现场总线网等不同的网络进行连接，组成PLC网络系统。特殊功能扩展。通过多通道模拟量I/O模块、各种温度测量模块、定位脉冲模块等，实现现场温度、速度、位置等参数的控制、测量、调节功能。本文选配的

29、SIMATIC S7-200 PLC主要由CPU226、模拟量输入EM231模块和模拟量输出EM232模块三部分组成。3.2 模拟量I/O模块及传感器选型3.2.1 模拟量输入模块选型（A/D）模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如常用的温度、压力、速度、流量、碱度、位移等的工业检测都是对应电压、电流的大小模拟量，再通过一定的运算(如PID)后控制生产过程达到一定的目的(如恒温等)。模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量输入信号按IEC标准为420mA电流信号或05V、-10V10V，010V的直流电压信号。模拟量输入模块的基本功能就是将输入PLC的外部模拟量转换为PLC所需

30、的数字量，以供给主控模块进行数据处理和控制。模拟量输入模块可以直接与热电偶，铂电阻等温度检测元件相连，接受采自温度传感器的信号，温度控制模块实际上就相当于变送器和A/D转换器。将生产现场的温度信号值传送给PLC，经过PLC处理后，通过模拟量输出模块输出。这样就可以实现温度的自动控制。EM231热电阻模块可以通过DIP开关来选择热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必须将PLC断电后再通电，新的设置才能起作用4。EM231的主要参数，见表3-1。表3-1 EM231主要参数耗电量自+5V DC（自I/O总线）自L+L+电压

31、范围，2级或DC传感器供电87mA60mA20.4至28.8V DCLED 指示灯24V DC电源供电良好ON=无错，OFF=无24V DC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24V DC24V到逻辑500V AC500V AC500V AC共模输入范围（输入通道至输入通道）120V AC共模抑制120dB 120V AC输入类型无隔离差分输入输入范围RTD类型(选一种)Pt-100，200，500，PT-1000-10000Cu-9.035Ni-10，120，1000R-150，300，600输入分辨率温度电阻0.115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20数据字格式电压：-32000至+32000最大输入电压30V DCEM231的配置区有3个设定开关，用于模拟量输入范围（量程）、分辨率、类型等的选择，设定开关的作用如表3-2所示。表3-2 EM231设定开关表输入类型与范围分辨率开关设定SW1SW2SW3单极性，0