PLC与变频器在中央空调节能改造技术中
摘要
本文介绍了由变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的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，使冷冻水泵和冷却水泵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。文中首先通过分析原中央空调系统及存在的问题，对系统进行节能改造的可行性分析。然后提出节能改造的具体方案，对节能改造需要的主要设备进行简单介绍。再次通过方案画出变频节能技术框图、PLC变频器节能改造原理分析、画出PLC控制梯形图。最后列举设备调试和遇到的问题并对中央空调改造前和改造后进行运行效果比较。而文中的重点和难点是：对原系统进行节能改造的可行性分析和节能改造的具体方案的确定；变频节能技术、PLC控制原理以及PLC控制梯形图。
关键词PLC，变频器，中央空调，节能，温差闭环自动控制
ABSTRACT
This article introduces the application of thermoelectric closed-loop control in the energy saving modification of Central Air-conditioning System. The thermoelectric closed-loop control is composed of frequency-changer, PLC, Digital-to-Analog Conversion module, temperature module, temperature transducer and other devices. Chilled water pump and cooling water pump can be in motion in variable speed automatically with the change of air-conditioning load through the thermoelectric closed-loop control. That optimized the operation quality of system greatly and notable effect of energy conservation can be seen.First, this paper will analyze the feasibility of energy saving modification after analysis of the original Central Air-conditioning system and its existing problems. Then it will put forward specific scheme of energy saving modification and briefly introduce the main equipment needed in energy saving modification. Again through the blue print it will draw up converter energy saving technique block diagram and PLC control ladder diagram and carry out the analysis of principle of PLC frequency-changer energy saving modification.At last, equipment debugging and problems met will be listed and there will be a comparison of operation effect before and after the modification and reconstruction of central air-conditioning. The emphasis and difficulty of this article is: analysis of the feasibility of energy saving modification and confirmation of specific scheme of energy saving modification, as well as, converter energy saving technique, principle of PLC control, PLC control ladder diagram.
Keywords PLC, frequency converter, central air-conditioning, energy conservation, thermoelectric closed-loop automatic control
目录
摘要 (1)
ABSTRACT .......................................................................................................................... II
1 绪论 (1)
2 问题的提出及节能改造可行性分析 (2)
2.1原系统简介及存在问题 (2)
2.2节能改造的可行性分析 (2)
2.2.1中央空调的组成及工作原理 (3)
2.2.2泵的特性分析与节能原理 (4)
3 节能改造的具体方案 (7)
3.1改造需增加的设备及选型 (7)
3.2变频器的控制方式 (7)
3.3主要控制电路设计 (9)
4变频节能技术框图及改造原理分析 (12)
4.1对冷冻泵进行变频改造 (12)
4.2对冷却泵进行变频改造 (13)
4.3三菱FR-F540-37K-CH变频器主要参数的设定 (13)
5变频器的选型 (14)
5.1变频器的基本结构 (14)
5.2变频器的分类及工作原理 (16)
5.3变频器的选型 (16)
6 PLC硬件设计 (18)
6.1PLC的型号选择 (18)
6.2PLC的CPU选择 (19)
6.3I/O模块的选择 (20)
7 PLC软件设计 (21)
7.1编程软件的选择 (21)
7.2PLC的程序框图 (21)
7.3主要模块程序分析 (22)
7.3.1冷冻水出回水和冷却水进出水的温度检测及温差计算程序 (22)
7.3.2 FX2N-4DA 4通道的D/A转换模块程序分析 (23)
7.3.3 手动调速PLC程序分析 (24)
7.3.4手动调速和自动调速的切换程序 (24)
7.3.5温差自动调速程序 (24)
7.3.6变频器的保护和故障复位控制 (25)
8设备调试中遇到的问题和解决办法 (26)
结论 (27)
参考文献 (28)
附录：PLC梯形图 (29)
致谢 (33)
1 绪论
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楼宇建筑物中最大的耗电设备，每年的电费中空调耗电占60%左右，故对其进行节能改造具有重要意义。由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大的情况进行设计，并且要留10%~20%设计裕量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，故存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。随着变频技术的日益成熟，把PLC、数模转换和温度模块、变频器、温度传感器等有机结合起来，共同构成温差闭环自动控制系统来自动调节水泵的输出量，为达到节能目的提供了可靠的技术条件。
本文分为七个模块：问题的提出及节能改造可行性分析、节能改造的具体方案、变频器和PLC结合节能技术框图及改造原理分析、变频器的选型、PLC硬件与软件设计、设备调试及可能遇到的问题、结论。其中难点是节能改造的具体方案、变频器和PLC结合节能技术框图及改造原理分析、PLC硬件和软件设计和设备调试及可能遇到的问题和解决办法。
2 问题的提出及节能改造可行性分析
2.1原系统简介及存在问题
某商务酒店是一间四星级酒店。因酒店是一个比较特殊的场所，对客人的舒适度要求比较高，且酒店大部分空间都是全封密的，所以无论是冬天还是夏天，无论是节日还是假日，一年365天都必须供应冷气。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。其中可以根据冷冻主机负载变化随之选择加载或减载，但是，冷却水泵和冷冻水泵不能随负载变化作出相应的调节，所以很大的电能被浪费。水泵系统的的压差与流量是靠旁通和阀门调节来完成，因此，较大截流损失和高压力、低温差、大流量的现象存在是不可避免地，不仅浪费大量电能，而且还致使中央空调末端达不到合理效果。解决这些问题就需要使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。此商务酒店的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，平时一备一用,高峰时两台并联运行；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。
2.2节能改造的可行性分析
改造方案主要有：
方案一：通过关小水阀门来控制流量
经测试达不到节能效果，且控制不好会引起冷冻水未端压力偏低，造成高层用户温度过高，也常引起冷却水流量偏小，造成冷却水散热不够，温度偏高。
方案二：根据制冷主机负载较轻时实行间歇停机
经测试再次起动主机时，主机负荷较大，实际上并不省电，且易造成空调时冷时热，令人产生不适感。
方案三：采用人工根据负荷轻重调整变频器的频率
这种方法人为因素较大，虽然投资较小，但达不到最大节能效果。
方案四：把PLC、变频器、温度传感器、温度模块和数模转换模块等有机结合构成温差闭环自动控制系统
水泵的运行频率是根据负载轻重自动来调整的，人为操作错误的因素被排除了。虽然这种方案一次投入成本昂贵，但从长远利益考虑是可行的，而且它已经广泛应用于社会，已经证实是一种可行的高效节能方法。
经过四种方案的可行性分析，方案四对该商务酒店的冷冻、冷却泵进行节能
改造是可行的也是最合适的。
2.2.1中央空调的组成及工作原理
中央空调主要由冷冻主机、冷却水塔、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、冷却风机等部分组成，其系统组成框图如图2.1。
图2.1 中央空调系统组成方框图
（1）冷冻主机
冷冻主机也称为制冷装置，是中央空调的制冷源，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）冷却水塔
冷冻主机在制冷过程中必然会释放热量，使机组发热。冷却塔的作用是为冷冻主机提供“冷却水”。冷却水盘旋流过冷冻主机后，把所产生的热量从冷冻主机带走，这样就使冷冻主机温度降低。
（3）冷冻水循环系统
冷冻泵和冷冻水管组成冷冻水循环系统。冷冻泵加压把从冷冻主机流出的冷冻水注入冷冻水管道，冷冻水流经房间内所有盘管，吸收房间内热量，降低温度。同时，冷冻水吸收了房间内的热量，进而冷冻水温度升高。温度升高了的冷冻水经冷冻主机后又成为冷冻水，如此循环往复。这里，冷冻主机是冷冻水的“源”；从冷冻主机流出的水称为“出水”；“回水”则是经各楼层房间后流回冷冻主机的水。
（4）冷却水循环系统
由冷却塔、冷却泵及冷却水管道组成。冷却水在吸收冷冻主机释放的热量后，必将使自身的温度升高。冷却水升温后被冷却泵将压入冷却塔，在冷却塔中使之与空气进行热交换，然后降温的冷却水又被送回冷冻机组。这样不断循环来降低冷冻主机释放的热量。
冷冻主机是冷却水的冷却对象，是“负载”，则“进水”是流进冷冻主机的冷却水；“回水”是从冷冻主机流回冷却塔的冷却水。回水的温度高于进水的温度，形成温差。
（5）冷却风机
有两种不同用途的冷却风机：
1）每个需要降温的空调房间内都安装了盘管风机，热空气由冷冻水盘管冷却了经由它吹入每个房间，使空调房间内的热量交换速度加快。
2）冷却塔风机的作用是降低塔中水的温度，使“回水”中的热量加速散发到室外去。
可以看出，中央空调系统工作过程是不断地进行热量转换。在这里，能量的主要传递者是冷却水和冷冻水循环系统。因此，中央空调控制系统的重要组成部便是分对冷却水和冷冻水循环系统的控制。两个循环水系统的控制方法基本相同。
2.2.2 泵的特性分析与节能原理
一般水泵采用的是Y-Δ启动方式，电动机的启动电流均为其额定电流的3~4倍，一台110KW 的电动机其启动电流将达到600A ，在如此大的电流冲击下，接触器、电动机的使用寿命大大下降，同时，启动时的机械冲击和停泵时水锤现象，容易对机械零件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。
泵是一种平方转矩负载，泵的转速与流量其成正比 1212Q Q N N =（2.1） 泵的转速的平方与其扬程成正比 221212H H N N = （2.2）
泵的转速的立方与其轴功率成正比 331212P P N N = （2.3）
式中1Q —改变后的流量；
2Q —改变前的流量；
1N —改变后的转速；
2N —改变前的转速；
1H —改变后的扬程；
2H —改变前的扬程；
P —改变后的功率；
2P —改变前的功率。
以上式表明，当泵被电动机驱动时，可得出电动机轴功率P(KW)：
3c f P QH 10-=ρηη? （2.4）
式（2.4）中：P —电动机轴功率（KW ）；
Q —液体流量（3m s ）；
ρ—密度（3g k m -）；
c η—传动的效率；
f η—泵效率；
H —全扬程（m ）。
根据式（2.4）得出流量调节方法如图2.2，当阀门被全部打开，供水系统阻力特性则是曲线1；当额定电动机转速时，则泵扬程特性是曲线2。这时A 点为供水系统工作点：流量QA ，扬程HA ；由（2.2）式可知面积OHAAQA 与电动机轴功率成正比。如果要把流量减少成QB ，主要有两种调节方式：
（1） 转速不变，关小阀门，这时如阻力特性（曲线3）所示，B 点为工作点：流量QB ，扬程HB ，面积OHBBQB 与电动机轴功率成正比。
（2）降低转速，不改变阀门开度，这时如扬程特性曲线（曲线4）所示，C 点为工作点：流量还是QB ，但扬程为HC ，面积OHCCQB 与电动机轴功率成正比。
对比上面两种方式，采用调节转速的方法调节流量是显而易见的，这将大为减小电动机所用的功率，这种方法能够显著节约能源。
由异步电动机原理可知 ()n 60f p 1s =- (2.5)
式（2.5）中：s —转差率；
p —电机磁极对数；
f —频率；
n —转子转速。
由式（2.5）可见，有3种方法调节转速，改变转差率、电机磁极对数以及频率。对比这三种调速方法，其中变频调速性能最好，大范围调速，高效率运行，静态稳定性好。因此最方便有效的方法是改变频率而改变转速。
根据以上分析,结合酒店中央空调的运行特征，利用变频器、PLC 、数模转换模块、温度模块和温度传感器等组成温差闭环自动控制，对中央空调水循环系统进行节能改造是切实可行，较完善的高效节能方案。
图2.2 流量调节
3 节能改造的具体方案
3.1改造需增加的设备及选型
考虑到设备的运行稳定性及性价比，以及水泵电机的匹配。选用三菱FR-F540-37K-CH变频器；PLC所需I/O点数为：输入24点、输出14点，考虑到输入输出需留一定的备用量，以及系统的可靠性和价格因素，选用FX2N-64MR三菱PLC；温度传感器模块FX2N-4AD-PT，该模块是温度传感器专用的模拟量输入A/D 转换模块，有4路模拟信号输入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），接收冷冻水泵和冷却水泵进出水温度传感器输出的模拟量信号；温度传感器选用PT-100 3850RPM/℃电压型温度传感器，其额定温度输入范围-100℃—600℃，电压输出0—10V，对应的模拟数字输出-1000—6000；模拟量输出模块型号为FX2N-4DA，是4通道D/A转换模块，每个通道可单独设置电压或电流输出，是一种具有高精确度的输出模块。综合以上要求确定设备清单如表3.1。
表3.1 改造需增加的设备及型号
3.2变频器的控制方式
由于中央空调系统通常分为冷冻水和冷却水两个循环系统，可分别对水泵系统系统采用变频器进行节能改造。变频器的启停及频率自动调节由PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制。
（1）冷冻水循环系统的闭环控制。
冷冻水循环系统的闭环控制原理如图3.1所示。通过温度传感器，把冷冻机的出水温度和回水温度送入温差控制模块，就可以得到温差值，然后温差值被温度
A/D模数转换成控制信号传并送到PLC，变频器的输出频率由PLC来控制，从而控制冷冻泵转速，进而控制“出水”的流量，达到调节热量交换速度的效果。温差小，则说明空调室内温度很低，系统所承载负荷就小，应减缓冷冻泵电机的转速，降低冷冻水的流量和循环速度，这样热量交换速度就减缓了；反之，温差大，说明空调室内温度很高，系统所承载的负荷就大，则加快冷冻泵电机的转速，提高冷冻水的流量和循环速度，这样热量交换的速度就加快了，达到了节约电能的目的。制冷模式下冷冻水泵系统冷冻回水温度大于设定温度时频率应上调；但在制热模式下，它与制冷模式有些不同，冷冻回水温度小于设定温度时频率应上调，当温度传感器检测到的冷冻水回水温度越高，变频器的输出频率越低。
图3.1 冷冻水循环系统的闭环控制原理
（2）冷却水循环系统的闭环控制。
冷却水循环系统的闭环控制原理如图3.2所示。当冷冻机组运行时，冷凝器的热交换是由冷却水流到冷却塔达到散热降温目的，冷却泵再将冷却水送到冷凝器进行不断循环。当进水、出水温差较大时，冷冻机机组所承载负荷大，则应提高冷却水泵电机的转速，使冷却水的循环流量加大；温差小，冷冻机组所承载负荷小，则该降低冷却泵电机的转速，使冷却水的循环流量减少，达到节约电能的目的。
图3.2 冷却水循环系统的闭环控制原理
3.3 主要控制电路设计
根据具体的实际情况，同时考虑到经济成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。所以确定了PLC 与变频器结合控制电路见图3.3
三菱FR-F540-37K-CH 变频器构成的冷冻水循环系统变频调速控制电路如图
3.4，冷却水循环系统变频调速控制电路如图3.5。
图3.4和图3.5中均有有3台水泵1M 、2M 、3M ，每次只运行两台，一台备
用，10天轮换一次。3台水泵的切换方式如下：
1）先启动1号水泵（M1）拖动，实行恒温度（差）控制。
2）当1号水泵工作频率达到50HZ 时，马上将它切换到工频电源；同时将给定变频器频率迅速降至0HZ ，使变频器与2号水泵（M2拖动）相接，并且启动，进行恒温（差）控制。
3）当2号水泵工作频率也达到50HZ 时，马上也将它切换到工频电源；同时将给定变频器的频率迅速降至0HZ ，进行恒温（差）控制。
当冷却或冷冻进（回）水温差超出上限温度时，1号水泵工频全速运行，2号水泵切换到变频状态高速运行，冷却或冷冻进（回）水温差小于下限温度时，断开1号水泵，使2号水泵变频低速运行。
4）若有一台水泵出现故障，则3号水泵（M3拖动）立即投入使用。
图3.3 PLC与变频器连接控制电路
M 3~M ~3M 3~X0X1X2X3
Y5Y4Y3Y2Y1
Y0Y10Y11Y12Y13K M 2M1K M 3K M 4K M 5K M 1
K M 4L C O M 1-2C O M 3
220V
~
-N S D R L R M KM3
K M 2KM1
S T F R H M2KM5
M3K M 6R、S、T
U、V、W
图3.4 冷冻水循环系统变频调速控制电路
图3.5 冷却水循环系统变频调速控制电路
M 3~M ~3M 3~X0X1X2X3
Y5Y4Y3Y2Y1
Y0Y10Y11Y12Y13K M 2M1K M 3K M 4K M 5K M 1K M 4L C O M 1-2
C O M 3220V
~
-N
S D R L R M KM3
K M 2KM1S T F R H M2KM5
M3K M 6R、S、T
U、V、W