中央空调冷冻泵节能运行控制剖析

1、中央空调冷冻泵节能运行控制摘要本论文在分析国内外中央空调自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合变频调速在中央空调系统中的工作原理与我国城市中央空调的需求现状，设计了一套以PLC与变频调速技术为基础的中央空调冷冻泵自动控制系统。该系统综合运用软启动器、变频调速技术以及自动控制技术，通过调节水泵电机的供电频率，控制电机转速以调节流量实现了中央空调恒温参数的自动控制，保证了中央空调系统随时维持在最佳运行状况。基于PLC与变频器为主体构成的中央空调冷冻泵系统不仅能够最大程度满足需要，也提高了整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的中央空调控制系统。随着变频器的飞速发展，高度智能化，系列标准化是未来中央空调设备适应恒温调度和整体规划要求的必然趋势。 第一章 前言 中央空调系统已广泛地应用于各类大型公共建筑以及对室内空气环境有特殊要求的空间和工业厂房中。按照国家标准,中央空调系统的最大负载能力是按照气温最高,负荷最大的工作环境来设计的,但就系统本身来说,很少在这些极限条件下工作。根据有关资料统计,中央空调设备 97%的时间在 70%负荷以下波动运行,所以实际负荷总不

2、能达到满负荷(即“大马拉小车”)。因此,系统存在着很大的储备空间,电能浪费现象十分严重。为了保证中央空调系统有较好的运行状态和较高的运行效率,针对近年来流行的节能控制,本文提出了中央空调冷冻泵利用变频器实现变频节能控制方法,同时对 PLC、变频器、触摸屏和计算机之间的连接和通讯进行了探讨。 本项目的主要思想是冷冻泵根据出回水的温差自动进行变频运行,在满足冷气量需求的同时,实现最大限度的节电率。同时,为满足系统测试的需求,设定了自动控制，手动控制,二者可以切换。主要特点如下:(1)配备了 PLC、温度模块、A/D和 D/A模块、触摸屏和变频器,自动化程度高,可靠性强,电气故障率大大降低了,操作控制简捷,各种数据显示直观;(2)冷冻泵由于变频器采用软启动方式,启动电流得到了有效的抑制,避免了原来降压启动带来的对设备的冲击,特别是对变压器的冲击,为系统设备和变压器的安全运行提供了有利的技术保障,也延长了系统设备的使用寿命;(3)对冷冻泵而言,由于大多数的时间都运行在额定转速以下,使得冷冻泵的机械部件的磨损如电机轴承的机械磨损减少,机械部件的使用寿命大大延长,从而也使得设备的维护周期延长,维护

3、费用成倍减少;(4)占地面较小,投入少,效率高,冷冻泵的节电率在 40%60%以上。第二章 控制要求程序流程图如下温度模块初始化读取温度，计算差值输出开始，先把输出换成12位低八位先输出高四位输出 通道DA转换 手动自动切换（交替）启动Y0 复位Y0 预处理程序 结束1、以 50Hz频率启动冷冻泵,30秒钟后动转入温差自动控制,变频器加速时间为 15秒,减速时间为 7秒;2、冷冻泵在频率为 2025Hz运行时,会出现严重的震荡现象;3、能手动和自动切换,手动时要求用触摸屏调节变频器的运行频率,并在30-50Hz内任意调节,每次调节量为 0.5Hz;4、能手工的计算冷冻泵的节电率；冷冻泵节电率的计算： 节电率=1-（变频器运行频率/50HZ）*100%5、能用触摸屏画面进行以上的控制和操作，各部分连接如图1所示 冷冻泵进水与出水温度差和变频器输出频率以及D/A转换数字量对应关系如表1所示。 说明:以上D/A装换数字量均为参考值，实际D/A转换数字量应根据输出频率进行调整。6、FX2N2DA和FX2N4ADPT的使用（1）模拟量处理模块FX系列PLC常用的模拟量控制设备有模拟量扩展板（FX

4、1N-2AD-BD、FX1N-1DA-BD）、普通模拟量输入模块（FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2NC-4AD、FX2N-8AD）、模拟量输出模块（FX2N-2DA、FX2N-4DA、FX2NC-4DA）、模拟量输入输出混合模块（FX0N-3A）、温度传感器用输入模块（FX2N-4AD-PT、FX2N-4AD-TC、FX2N-8AD）、温度调节模块（FX2N-2LC）等。本项目中，运用FX2N-2DA和温度A/D输入模块FX2N-4AD-PT两种模块，进行D/A、A/D转换，下面我们就详细说明这两种处理模块。(2) FX2N-2DAFX2N-2DA概述FX2N-2DA为2通道12位D/A转换模块，每个通道可独立设置电压或电流输出。是一种高精确的输出模块。通过调整或根据PLC的指令可改变模拟量输出的范围。瞬时值和设定值等数据的读出和写入使用FROM/TO指令。FORM是从FX2N4ADPT、FX2N-2DA读数据的指令，TO是将数据写到FX2N4ADPT、FX2N-2DA的指令。 (3）FX2N4ADPTFX2N4ADPT的概述FX2N4ADPT为4通道12位D/A转换模块，这

5、是一种内附温度传感器前置放大器的模拟电压量输入模块，它可以直接与三线的铂电阻PT-100直接连接。摄氏度和华氏度数据都可以读取。FX2N4ADPT瞬时值和设定值等数据的读出和写入使用FROM/TO指令。第三章 中央空调冷冻泵节能运行系统的硬件设备3.1 PLC的介绍3.1.1 PLC的定义及特点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。再次我们讲述下PLC的由来以及它的特点：PLC（Programmable Logic Controller）,是一种电子装置，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

6、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。图2 PLC的基本结构图PLC的特点如下：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，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、几十到几百个计时器和计数器、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)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、

7、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。 4)无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强3.1.2 PLC的工作原理及分类1）PLC的工作原理PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（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的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC不仅还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5 个阶段，如下图所示。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。图3 PLC工作过程示意图2）PLC的分类图4 PLC外形示意图三菱PC基本单元外根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体型、模块式和叠装式。 整体式将CPU模块、IO模块及电源装于一个机箱内，结构非常紧凑。体积小，价格低，小型PLC一般采用整体式

8、结构。 模块式PLC用搭积木的方式组成系统，大、中型PLC和部分小型PLC采用模块式结构。 叠装式吸取了整体式和模块式的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，但宽度不同，它们之间通过扁平电缆连接，使用特别方便。按I/O点数分:中型PLC,小型PLC,大型PLC按功能分:低档机,中档机,高档机3.1.3 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类： (1）开关量逻辑控制 (2）工业过程控制 (3）运动控制 (4）数据处理 (5）通信及联网 3.2 变频器的介绍3.2.1 变频器的基本结构变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以

9、及一些相应的电路。3.2.2 变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。3.2.3 变频器的控制方式控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。下表中参数供选用时参考。3.2.4 变频器的容量选择变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。1、从电流的角度：大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状

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