1、可編程控制器課程設計中央空調的設計一、前言我國是一個人均能源相對貧乏的國家，人均能源占有量不足世界水平的一半，隨著我國經濟的快速發展，我國已成為世界第二耗能大國，但能源使用效率普通偏低, 造成電能浪費現象十分嚴重。盡管我國電網總裝機容量和發電量快速擴容，但仍趕不上用電量增加的速度，供電形勢嚴峻, 節能節電已迫在眉睫。中央空調系統是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調系統中冷凍主機的負

2、荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。隨著變頻技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環自動控制系統，自動調節水泵的輸出流量，達到節能目的提供了可靠的技術條件。二、問題的提出1、原系統簡介中央空調系統改造前的主要設備和控制方式：450冷噸冷氣主機2臺，型號為特靈二極式離心機，兩臺并聯運行；冷凍水泵和冷卻水泵各有3臺，型號均為TS-200-150315，揚程32米，配用功率37KW。均采用兩用一備的方式

3、運行。冷卻塔3臺，風扇電機7.5KW，并聯運行。 2、原系統的運行及存在問題由于中央空調系統設計時必須按天氣最熱、負荷最大時設計，且留有10%-20%左右的設計余量。其中冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應的調節。這樣，冷凍水、冷卻水系統幾乎長期在大流量、小溫差的狀態下運行，造成了能量的極大浪費。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是Y起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的34倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命大大下降；同時，啟動時的機械沖擊和停泵時的水錘現象，容易對機械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備件費用。另外,由于冷凍

4、泵軸輸送的冷量不能跟隨系統實際負荷的變化，其熱力工況的平衡只能由人工調整冷凍主機出水溫度，以及大流量小溫差來掩蓋。這樣，不僅浪費能量，也惡化了系統的運行環境、運行質量。特別是在環境溫度偏低、某些末端設備溫控稍有失靈或靈敏度不高時，將會導致大面積空調室溫偏冷，感覺不適，嚴重干擾中央空調系統的運行質量。因為空調偏冷的問題經常遇到各種想不到的問題造成不少人力資源的浪費。本人提出：“利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構成的溫差閉環自動調速系統。對冷凍、冷卻水泵進行改造，以節約電能。” 三、節能改造的可行性分析   改造方案主要有：方案一是通過關小水閥門來控制流

5、量，經測試達不到節能效果。且控制不好會引起冷凍水未端壓力偏低，造成高層用戶溫度過高，也常引起冷卻水流量偏小，造成冷卻水散熱不夠，溫度偏高；方案二是根據制冷主機負載較輕時實行間歇停機，但再次起動主機時，主機負荷較大，實際上并不省電，且易造成空調時冷時熱，令人產生不適感；方案三是采用變頻器調速，由人工根據負荷輕重調整變頻器的頻率，這種方法人為因素較大，雖然投資較小，但達不到最大節能效果；方案四是通過變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等構成溫差閉環自動控制，根據負載輕重自動調整水泵的運行頻率，排除了人為操作錯誤的因素。雖然一次投入成本較高，但這種方法在社會上已經被廣泛應用，已經證實是

6、切實可行的高效節能方法。最后決定采用方案四冷凍、冷卻泵進行節能改造。以下是分析過程：1、  中央空調系統簡介中央空調系統結構圖中央空調系統的工作過程是一個不斷進行能量轉換以及熱交換的過程。其理想運行狀態是：在冷凍水循環系統中,在冷凍泵的作用下冷凍水流經冷凍主機，在蒸發器進行熱交換，被吸熱降溫后（7。C）被送到終端盤管風機或空調風機，經表冷器吸收空調室內空氣的熱量升溫后（12。C），再由冷凍泵送到主機蒸發器形成閉合循環。在冷卻水循環系統中,在冷卻泵的作用下冷卻水流經冷凍機，在冷凝器吸熱升溫后（37。C）被送到冷卻塔，經風扇散熱后（32。C）再由冷卻泵送到主機，形成循環。在這個過程里，冷

7、凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，在冷凍泵、冷卻泵得到動能不停地循環在各自的管道系統里，不斷地將室內的熱量經冷凍機的作用，由冷卻塔排出。如圖一所示。在中央空調系統設計中，冷凍泵、冷卻泵的裝機容量是取系統最大負荷再增加10%20%余量作為設計安全系數。據統計，在傳統的中央空調系統中，冷凍水、冷卻水循環用電約占系統用電的12%24%，而在冷凍主機低負荷運行時，冷卻水、冷凍水循環用電就達30%40%。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環系統的能量自動控制是中央空調系統節能改造及自動控制的重要組成部分。四、控制設計的具體方案1、    主電路的控制設計根據具體情況，同時考慮到成本

8、控制，原有的電器設備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用兩用一備的方式運行，因備用泵轉換時間與空調主機轉換時間一致，均為一個月轉換一次，切換頻率不高，決定將冷凍水泵和冷卻水泵電機的主備切換控制利用原有電器設備，通過接觸器、啟停按鈕、轉換開關進行電氣和機械互鎖。確保每臺水泵只能由一臺變頻器拖動，避免兩臺變頻器同時拖動同一臺水泵造成交流短路事故；并且每臺變頻器任何時間只能拖動一臺水泵，以免一臺變頻器同時拖動兩臺水泵而過載。2 變頻器的控制方式變頻器的啟停及頻率自動調節由PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進行溫差閉環控制，手動/自動切換和手動頻率上升、下降由PLC控制。3、  主

9、要設備選型考慮到設備的運行穩定性及性價比，以及水泵電機的匹配。選用三菱FR-F540-37K-CH變頻器；PLC所需I/O點數為：輸入24點、輸出14點，考慮到輸入輸出需留一定的備用量，以及系統的可靠性和價格因素，選用FX2N-64MR三菱PLC；溫度傳感器模塊FX2N-4AD-PT，該模塊是溫度傳感器專用的模擬量輸入A/D轉換模塊，有4路模擬信號輸入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），接收冷凍水泵和冷卻水泵進出水溫度傳感器輸出的模擬量信號；溫度傳感器選用PT-100 3850RPM/電壓型溫度傳感器，其額定溫度輸入范圍-100600，電壓輸出010V，對應的模擬數字輸出-10006000

10、；模擬量輸出模塊型號為FX2N-4DA，是4通道D/A轉換模塊，每個通道可單獨設置電壓或電流輸出，是一種具有高精確度的輸出模塊。4、  改造需要增加的設備：名    稱數    量型    號PLC1FX2N-64MR變頻器4FR-F540-37K-CH溫度傳感器輸入模塊1FX2N-4AD-PT溫度傳感器4PT-100 3850RPM/模擬量輸出模塊1FX2N-4DA轉換開關2250V/5A啟動按鈕18250V/5A停止按鈕2250V/5A五、主要設備的特性簡介1、變頻器隨著微電子技術，電力電子

11、技術，全數字控制技術的發展，變頻器的應用越來越廣泛。變頻器能均勻的改變電源的頻率，因而能平滑的改變交流電動機的轉速，由于兼有調頻調壓功能，所以在各種異步電動機調速系統中效率最高，性能最好。    變頻器分為間接變頻和直接變頻，變頻水泵采用間接變頻方式。間接變頻裝置的特點是將工頻交流電源通過整流器變成直流，再經過逆變器將直流變成頻率可控的交流電。變頻器以軟啟動取代Y 降壓啟動，降低了啟動電流對供電設備的沖擊，減少了振動及噪音。2、PLCPLC是一種以微處理器為核心，綜合了計算機技術，半導體存儲技術和自動控制技術的新型工業控制器。PLC與傳統的繼電器控制比較，有以下特

12、點：（1） 通用性好，接線簡單，通過選配相應的模塊，可適應用于各控制系統。（2） 功能強，可以通過編程實現任意復雜的控制功能。除邏輯控制功能外，還具有模擬量控制，順序控制，位置控制，高速計數以及網絡通信等功能。（3） 可靠性高，無機械觸點，消除了電弧損害，接觸不良等，使用壽命長。（4） 定時準確，定時范圍寬。（5） 體積小，耗電小。（6） 編程和接線可同步進行，擴展靈活，維修方便。六、三菱FR-F540-37K-CH變頻器主要參數的設定Pr.160   :  0        允許所有參數的讀/

13、寫Pr.1     :  50.00    變頻器的上限頻率為50HzPr.2     :  30.00    變頻器的下限頻率為30HzPr.7     :  30.0     變頻器的加速時間為30SPr.8     :  30.0     變頻器的減速時

14、間為30SPr.9     :  65.00    變頻器的電子熱保護為65APr.52    :  14       變頻器DU面板的第三監視功能為變頻器的輸出功率Pr.60    :  4        智能模式選擇為節能模塊Pr.73    :  0 &

15、#160;      設定端子25間的頻率設定為電壓信號010VPr.79    :  2        變頻器的操作模式為外部運行七、三菱PLC控制器FX2N-64MR與三菱FR-F540-37K-CH變頻器的接線以及I/O分配1、I/O分配：X0:1#冷卻泵報警信號X1:1#冷卻泵運行信號X2:2#冷卻泵報警信號X3:2#冷卻泵運行信號X4:1#冷凍泵報警信號X5:1#冷凍泵運行信號X6:2#冷凍泵報警信號X7:2#冷凍泵運行信號X

16、10:冷卻泵報警復位X11:冷凍泵報警復位X12：冷卻泵手/自動調速切換X13：冷凍泵手/自動調速切換X14：冷卻泵手動頻率上升X15：冷卻泵手動頻率下降X16：冷凍泵手動頻率上升X17：冷凍泵手動頻率下降X20:1#冷卻泵啟動信號    X21: 1#冷卻泵停止信號X22:2#冷卻泵啟動信號    X23: 2#冷卻泵停止信號X24:1#冷凍泵啟動信號    X25: 1#冷凍泵停止信號X26:2#冷凍泵啟動信號    X27: 2#冷凍泵停止信號Y2:冷卻泵自動調速信號Y

17、3: 冷凍泵自動調速信號Y4:1#冷卻泵報警信號Y5: 2#冷卻泵報警信號Y6:1#冷凍泵報警信號Y7: 2#冷凍泵報警信號Y10:1#冷卻泵啟動Y11:1冷卻泵變頻器報警復位Y12:2#冷卻泵啟動    Y13:2冷卻泵變頻器報警復位Y14:1#冷凍泵啟動Y15:1冷凍泵變頻器報警復位Y16:2#冷凍泵啟動    Y17:2冷凍泵變頻器報警復位2、接線圖：PLC與變頻器接線圖八、三菱FX2N64MR  PLC主要部分程序分析1、冷凍水出回水和冷卻水進出水的溫度檢測及溫差計算程序根據計算出來的冷凍水出回水溫差和冷卻水進出水溫

18、差，分別對冷凍泵變頻器和冷卻泵變頻器進行無級調速的自動控制，溫差變小變頻器的運行頻率下降（頻率下限為30Hz），溫差變大，則變頻器的運行頻率上升（頻率上限50Hz），從而實現恒溫差的控制，實現最大限度的節能運行。2、FX2N-4DA  4通道的D/A轉換模塊程序分析D/A轉換模塊的數字量入口地址為：CH1通道：D1100；CH2通道：D1101；CH3          通道：D1102；CH4通道：D1103；數字量的范圍為-2000+2000，對應的電壓輸出為-10V+10V,變頻器輸入模擬

19、電壓為0+10V,對應30Hz50Hz的數字量為+1200+2000，為保證2臺冷卻泵之間的變頻器運行頻率的同步一致，使用了   LD M8000   MOV D1100 D1101 ；2臺冷凍泵也使用了 LD M8000  MOV D1102 D1103  的指令。3、手動調速PLC程序分析 X14為冷卻泵手動頻率上升， X15為冷卻泵手動頻率下降，每次頻率調整0.5Hz，所有手動頻率的上限50Hz，下限30Hz。4、手動調速和自動調速的切換程序X12為冷卻泵手/自動調速切換開關；X13為冷凍泵手/自動調速切換開關；5、溫差自動調速

20、程序溫差采樣周期，因溫度變化緩慢，時間定為5秒能滿足實際需要；當溫差小于4.8時，變頻器運行頻率下降，每次調整0.5Hz；當溫差大于5.2時，變頻器運行頻率上升，每次調整0.5Hz；當冷卻進出水溫差在4.85.2時不調整變頻器的運行頻率。從而保證冷卻泵進出水的溫差恒定，實現節能運行。6、冷凍泵和冷卻泵的變頻器運行和停止控制2臺變頻器驅動的冷卻泵和2臺變頻器驅動的冷凍泵的起停控制用簡單邏輯順序的控制，PLC程序此處略。7、變頻器的保護和故障復位控制變頻器的過電流電子熱保護動作時PLC能自動檢測，給出報警信號，提醒值班人員及時處理，以下為變頻器故障后的復位PLC程序:8、PLC梯形圖和程序設計(1

21、)、梯形圖 (2)、指令表步    指令0     LD        M80021     T0        K0       K1     K100     K410   &

22、#160;LD        M800011    FROM      K0       K5     D10      K420    ADD       D10    

23、;  K1     D1027    ADD       D11      K7     D1134    ADD       D12      K0     D1241 

24、0;  ADD       D13      K11    D13 48    SUB       D11      D10    D2055    SUB       D13 &

25、#160;    D12    D2162    LD        M8002  63    TO        K1       K0     H0       K1

26、72    LD        M800073    TO        K1       K1     D1100    K482    LD        M8000

27、83    MOV       D1100    D1101  88    MOV       D1102    D110393    LDI       M10     94   

28、0;             MPS95                 ANDF      X014 97    ADD       D1100   

29、0;K20     D1100104              MRD     105              ANDF      X015107   SUB  

30、60;    D1100    K20     D1100114              MRD    115              AND<=     D1

31、100    K1200   120   MOV       K1200    D1100125              MPP       126        &#

32、160;     AND>=     D1100    K2000131   MOV       K2000    D1100136   LDI       M11    137       &

33、#160;      MPS       138              ANDF      X016140   ADD       D1102    K20   &#

34、160; D1102147              MRD     148              ANDF      X017150   SUB       D11

35、02    K20     D1102157              MRD   158              AND<=     D1102    K1200 163

36、   MOV       K1200    D1102168              MPP 169              AND>=     D1102  

37、  K2000174   MOV       K2000    D1102179   LD        X012180   OUT       M10181   LD        X013182  

38、; OUT       M11183   LDI       T1184   OUT       T0       K25187   LD        T0188   OUT   

39、;    T1       K25191   LD        M10192   ANDF      T0194              MPS195     

40、60;        AND>      D20      K52200   ANI       M12      201   ADD       D1100    K20 

41、     D1100208              MRD209              AND<      D20      K48214   ANI 

42、60;     M12      215   SUB       D1100    K20      D1100222              MPP223     &

43、#160;        AND>=     D20      K48228   AND<=     D20      K52233   OUT       M12234   LD<  

44、60;    D1100    K1200239   MOV       K1200    D1100244   LD>       D1100    K2000249   MOV       K2000  

45、60; D1100254   LD        M11255   ANDP      T0257              MPS258              AND>

46、      D21      K52263   ANI       M13264   ADD       D1102    K20      D1102271        

47、60;     MRD272              AND<      D21      K48277   ANI       M13278   SUB     

48、0; D1102    K20      D1102285              MPP286              AND>=     D21     

49、K48291   AND<=     D21      K52296   OUT       M13297   LD<       D1102    K1200302   MOV       K1200

50、60;   D1102307   LD>       D1102    K2000312   MOV       K2000     D1102317   LD        X010      318&

51、#160;             MPS319              AND       X000320              OUT &#

52、160;     Y011321              MPP322              AND       X002323         

53、;     OUT       Y013324              LD        X011325              MPS  &#

54、160;    326              AND       X004327              OUT       Y015328   

55、0;          MPP329              AND       X006330              OUT     

56、;  Y017331              LD        X020332              SET       Y010333    

57、0;         LD        X021334              RST       Y010335            

58、;  LD        X022336              SET       Y012337              LD     

59、60;  X023338              RST       Y012339              LD        X024340    &#

60、160;         SET       Y014341              LD        X025342           

61、60;  RST       Y014343              LD        X026344              SET     

62、  Y016345              LD        X027346              RST       Y016347     

63、;         LD        X001348              AND       M8014349            

64、;  OUT       C220     K50000000354   LD        X003    355   AND       M8014356   OUT       C221     K50000000361   LD        X005     362   AND       M8014363   OUT       C222