毕业设计（论文）-PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用.doc

高等教育自学考试本科毕业论文 plc 和变频器在中央空调 节能改造中的应用 考生姓名： 准考证号： 专业层次： 本 科 院 （系）：机械与动力工程学院 指导教师： 职 称： 讲 师 重庆科技学院 二 o 一 o 年十二月二十日 高等教育自学考试本科毕业论文 plc 和变频器在中央空调 节能改造中的应用 考生姓名： 准考证号： 专业层次： 本 科 指导教师： 院 （系）： 机械与动力工程学院 重庆科技学院 二 o 一 o 年十二月二十日 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要 i 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、写出 plc 指令表。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、plc 控制梯形图和 plc 指令表。 关键词：plc，变频器，中央空调，节能，温差闭环自动控制 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要 ii plc and frequency changers in central air conditioning energy conservation transformation application 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 and plc instruction list. 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 and plc instruction list. keywords: plc, frequency converter, central air-conditioning, energy conservation, thermoelectric closed-loop automatic control 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目 录 iii 目 录 中文摘要中文摘要 .i 英文摘要英文摘要 ii 1 前前 言言1 2 问题的提出及节能改造可行性分析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原系统简介及存在问题.2 2.2 节能改造的可行性分析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节能改造的具体方案7 3.1 改造需增加的设备及选型改造需增加的设备及选型7 3.2 变频器的控制方式变频器的控制方式.7 3.3 主要控制电路设计主要控制电路设计.9 4 变频节能技术框图及改造原理分析变频节能技术框图及改造原理分析 13 4.1 对冷冻泵进行变频改造对冷冻泵进行变频改造.13 4.2 对冷却泵进行变频改造对冷却泵进行变频改造.14 4.3 三菱三菱 fr-f540-37k-ch 变频器主要参数的设定变频器主要参数的设定14 5plc 主要部分程序分析主要部分程序分析 15 5.1 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15 5.2 fx2n-4da 4 通道的通道的 d/a 转换模块程序分析转换模块程序分析16 5.3 手动调速手动调速 plc 程序分析程序分析16 5.4 手动调速和自动调速的切换程序手动调速和自动调速的切换程序.17 5.5 温差自动调速程序温差自动调速程序.17 5.6 变频器的保护和故障复位控制变频器的保护和故障复位控制18 6 设备调试中遇到的问题和解决办法设备调试中遇到的问题和解决办法 19 7 结结 论论 20 致致 谢谢 .21 参考文献参考文献 .22 论文原创性声明论文原创性声明 .23 附录附录 1：开题报告：开题报告i 附录附录 2：plc 梯形图梯形图ix 附录附录 3：plc 指令表指令表xiii 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 前言 1 1 前 言 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，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。 本文分为六个模块：问题的提出及节能改造可行性分析、节能改造的具体方 案、主要设备的特性简介、变频和 plc 结合节能技术框图及改造原理分析、设备 调试及可能遇到的问题、节能改造后中央空调的运行效果比较。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和设备调试及 可能遇到的问题和解决办法。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 问题的提出及节能改造可行性分析 2 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，故存在很大的浪费。水泵系统的的流量与压差是靠阀门和旁通调 节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现 象，不仅浪费大量电能，而且还造成中央空调末端达不到合理效果的情况。为了 解决这些问题，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：通过变频器、plc、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成 温差闭环自动控制 根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，排除了人为操作错误的因素。虽然 一次投入成本较高，但这种方法在社会上已经被广泛应用，已经证实是切实可行 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 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 问题的提出及节能改造可行性分析 3 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。 （3）冷冻水循环系统 由冷冻泵及冷冻水管组成。从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”；经各楼层房间后流回冷冻主机的水称为“回水”。 （4）冷却水循环系统 冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷却水在吸收冷冻主 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 问题的提出及节能改造可行性分析 4 机释放的热量后，必将使自身的温度升高。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，然后再将降了温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。 冷冻主机是冷却水的冷却对象，是“负载”，故流进冷冻主机的冷却水称为 “进水”；从冷冻主机流回冷却塔的冷却水称为“回水”。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）盘管风机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。 2）冷却塔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。 可以看出，中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过 程。在这里，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和 冷却水循环系统的控制便是中央空调控制系统的重要组成部分。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启动方式，电动机的启动电流均为其额定电流的 34 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，泵的流量与其转速成正比 1212 q qnn（2.1） 泵的扬程与其转速的平方成正比 22 1212 hhnn （2.2） 泵的轴功率与其转速的立方成正比 33 1212 p pnn （2.3） 式中 1 q改变后的流量； 2 q 改变前的流量； 1 n 改变后的转速； 2 n 改变前的转速； 1 h改变后的扬程； 2 h 改变前的扬程； 1 p 改变后的功率； 2 p改变前的功率。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 问题的提出及节能改造可行性分析 5 以上式表明，当电动机驱动泵时，电动机的轴功率 p(kw) 可按下式计算: 3 cf pqh10 （2.4） 式（1.4）中： p电动机的轴功率（kw）； q流量（ 3 m s）； 液体的密度（ 3 g km）； c 传动装置效率； f 泵的效率； h全扬程（m） 根据式（2.4）得出流量调节方法如图 2.2，曲线 1 是阀门全部打开时，供水 系统的阻力特性；曲线 2 是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点 为 a 点：流量 qa，扬程 ha；由（2.2）式可知电动机轴功率与面积 oqaaha 成正比。今欲将流量减少为 qb，主要的调节方法有两种： （1） 转速不变，将阀门关小 这时阻力特性如曲线 3 所示，工作点移至 b 点：流量 qb，扬程 hb，电动机的轴功率与面积 oqbbhb 成正比。 （2） 阀门开度不变，降低转速,这时扬程特性曲线如曲线 4 所示，工作点移 至 c 点：流量仍为 qb，但扬程为 hc，电动机的轴功率与面积 oqbchc 成正比。 对比以上两种方法，可以十分明显地看出，采用调节转速的方法调节流量， 电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。根据异步电动 机原理 n60f p 1 s (2.5) 式（1.5）中：n转速 f频率 p电机磁极对数 s转差率 由式（2.5）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。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 问题的提出及节能改造可行性分析 6 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 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 节能改造的具体方案 7 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-100600，电压 输出 010v，对应的模拟数字输出-10006000；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 名 称数 量型 号 plc1fx2n-64mr 变频器4fr-f540-37k-ch 温度传感器输入模块1fx2n-4ad-pt 温度传感器4pt-100 3850rpm/ 模拟量输出模块1fx2n-4da 转换开关2250v/5a 启动按钮18250v/5a 停止按钮2250v/5a 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。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 节能改造的具体方案 8 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，将冷冻机 的回水温度和出水温度送入温差控制模块，并计算出温差值，然后通过温度 a/d 模数转换成控制信号传送到 plc，由 plc 来控制变频器的输出频率，从而控制冷 冻泵电机转速，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，应提高冷冻水泵的转速，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，可降低冷冻水泵的 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。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。由于冷冻机组运行时，其冷 凝器的热交换能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。冷却水进水、出水温差大，说明冷冻机机组负荷大，需冷却水带走的 热量大，应提高冷却水泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明冷冻机 组负荷小，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。 plc控制 温度反馈 变频器电机 用户 蒸发器 冷冻水泵 设定 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 节能改造的具体方案 9 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，详细 plc i/o 分配表见 表 3.2。plc 梯形图和指令表分别见附录 2 和附录 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 1 m 、 2 m 、 3 m ，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，进行恒温度（差）控制。 2）当 1 号水泵的工作频率上升至 50hz 时，将它切换至工频电源；同时将变 频器的给定频率迅速降到 0hz，使 2 号水泵（m2 拖动）与变频器相接，并开始 启动，进行恒温（差）控制。 3）当 2 号水泵的工作频率也上升 50hz 时，也切换至工频电源；同时将变频 器的给定频率迅速降到 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。 plc控制 温度反馈 变频器电机 冷却塔组 蒸发器 冷却水泵 设定 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 节能改造的具体方案 10 图 3.3 plc 与变频器结合控制电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 节能改造的具体方案 11 表 3.2 plc i/o 分配表 x0:1#冷却泵报警信号x1:1#冷却泵运行信号 x2:2#冷却泵报警信号x3:2#冷却泵运行信号 x4:1#冷冻泵报警信号x5:1#冷冻泵运行信号 x6:2#冷冻泵报警信号x7:2#冷冻泵运行信号 x10:冷却泵报警复位x11:冷冻泵报警复位 x12：冷却泵手/自动调速切换x13：冷冻泵手/自动调速切换 x14：冷却泵手动频率上升x15：冷却泵手动频率下降 x16：冷冻泵手动频率上升x17：冷冻泵手动频率下降 x20:1#冷却泵启动信号x21: 1#冷却泵停止信号 x22:2#冷却泵启动信号x23: 2#冷却泵停止信号 x24:1#冷冻泵启动信号x25: 1#冷冻泵停止信号 x26:2#冷冻泵启动信号x27: 2#冷冻泵停止信号 y2:冷却泵自动调速信号y3: 冷冻泵自动调速信号 y4:1#冷却泵报警信号y5: 2#冷却泵报警信号 y6:1#冷冻泵报警信号y7: 2#冷冻泵报警信号 y10:1#冷却泵启动y11:1冷却泵变频器报警复位 y12:2#冷却泵启动y13:2冷却泵变频器报警复位 y14:1#冷冻泵启动y15:1冷冻泵变频器报警复位 y16:2#冷冻泵启动y17:2冷冻泵变频器报警复位 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 节能改造的具体方案 12 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 3 m 3 x0 x1 x2 x3 y5y4y3y2y1y0y10 y11 y12 y13 km2 m1 km3 km4 km5 km1 km4 l com1-2 com3 220v -n sd rl rm km3 km2 km1 stf rh m2 km5 m3 km6 r、s、t u、v、w m 3 m 3 m 3 x0 x1 x2 x3 y5y4y3y2y1y0y10 y11 y12 y13 km2 m1 km3 km4 km5 km1 km4 l com1-2 com3 220v -n sd rl rm km3 km2 km1 stf rh m2 km5 m3 km6 r、s、t u、v、w 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 变频节能技术框图及改造原理分析 13 4 变频节能技术框图及改造原理分析 变频器就是利用电力半导体器件的通、断作用将固定频率、电压的交流电变 换为频率、电压都连续可调的交流电的装置。随着微电子技术，电力电子技术， 全数字控制技术的发展，变频器的应用越来越广泛。变频器能均匀的改变电源的 频率，因而能平滑的改变交流电动机的转速，由于兼有调频调压功能，所以在各 种异步电动机调速系统中效率最高，性能最好。 变频器分为间接变频和直接变频，变频水泵采用间接变频方式。间接变频装 置的特点是将工频交流电源通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变成频率 可控的交流电。变频器以软启动取代 y 降压启动，降低了启动电流对供电 设备的冲击，减少了振动及噪音。图 4.1 为变频节能系统示意图 图 4.1 变频节能示意图 4.1 对冷冻泵进行变频改造 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，可降低冷冻泵的转速，减 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 变频节能技术框图及改造原理分析 14 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。 4.2 对冷却泵进行变频改造 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。 4.3 三菱 fr-f540-37k-ch 变频器主要参数的设定 pr.160 : 0 允许所有参数的读/写 pr.1 : 50.00 变频器的上限频率为 50hz pr.2 : 30.00 变频器的下限频率为 30hz pr.7 : 30.0 变频器的加速时间为 30s pr.8 : 30.0 变频器的减速时间为 30s pr.9 : 65.00 变频器的电子热保护为 65a pr.52 : 14 变频器 du 面板的第三监视功能为变频器的输出功率 pr.60 : 4 智能模式选择为节能模块 pr.73 : 0 设定端子 25 间的频率设定为电压信号 010v pr.79 : 2 变频器的操作模式为外部运行 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 5 plc 主要部分程序分析 15 5 plc 主要部分程序分析 plc 是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术，半导体存储技术和自动 控制技术的新型工业控制器。plc 与传统的继电器控制比较，有以下特点： （1） 通用性好，接线简单，通过选配相应的模块，可适应用于各控制系统。 （2） 功能强，可以通过编程实现任意复杂的控制功能。除逻辑控制功能外， 还具有模拟量控制，顺序控制，位置控制，高速计数以及网络通信等功能。 （3） 可靠性高，无机械触点，消除了电弧损害，接触不良等，使用寿命长。 （4） 定时准确，定时范围宽。 （5） 体积小，耗电小。 （6） 编程和接线可同步进行，扩展灵活，维修方便。 5.1 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 根据计算出来的冷冻水出回水温差和冷却水进出水温差，分别对冷冻泵变频 器和冷却泵变频器进行无级调速的自动控制如图 5.1，温差变小变频器的运行频 率下降（频率下限为 30hz），温差变大，则变频器的运行频率上升（频率上限 50hz），从而实现恒温差的控制，实现最大限度的节能运行。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 5 plc 主要部分程序分析 16 图 5.1 冷冻泵变频器和冷却泵变频器进行无级调速的自动控制 5.2 fx2n-4da 4 通道的 d/a 转换模块程序分析 d/a 转换模块如图 5.2 的数字量入口地址为：ch1 通道：d1100；ch2 通道： d1101；ch3 通道：d1102；ch4 通道：d1103；数字量的范围为-2000+2000， 对应的电压输出为-10v+10v,变频器输入模拟电压为 0+10v,对应 30hz50hz 的数字量为+1200+2000，为保证 2 台冷却泵之间的变频器运行频 率的同步一致，使用了 ld m8000 mov d1100 d1101 ；2 台冷冻泵也使用了 ld m8000 mov d1102 d1103 的指令。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 5 plc 主要部分程序分析 17 图 5.2 fx2n-4da 4 通道的 d/a 转换模块程序分析图 5.3 手动调速 plc 程序分析 图 5.3 中 x14 为冷却泵手动频率上升， x15 为冷却泵手动频率下降，每次 频率调整 0.5hz，所有手动频率的上限 50hz，下限 30hz。 图 5.3 手动调速 plc 程序分析 5.4 手动调速和自动调速的切换程序 图 5.4 x12 为冷却泵手/自动调速切换开关；x13 为冷冻泵手/自动调速切换 开关。 图 5.4 手动调速和自动调速的切换程序 5.5 温差自动调速程序 温差采样周期，因温度变化缓慢，时间定为 5 秒能满足实际需要；当温差小 于 4.8时，变频器运行频率下降，每次调整 0.5hz；当温差大于 5.2时，变频 器运行频率上升，每次调整 0.5hz；当冷却进出水温差在 4.85.2时不调整变频 器的运行频率。从而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。其 plc 梯形 图如图 5.5。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 5 plc 主要部分程序分析 18 图 5.5 温差自动调速程序 5.6 变频器的保护和故障复位控制 变频器的过电流电子热保护动作时 plc 能自动检测，给出报警信号，提醒值 班人员及时处理，图 5.6 为变频器故障后的复位 plc 程序。 图 5.6 变频器的保护和故障复位控制 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 6 设备调试中遇到的问题和解决办法 19 6 设备调试中遇到的问题和解决办法 1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入 plc，设定变频器参数，检 查电器部分并逐级通电调试。 2、投入试运行时，在人为地减少负荷，冷冻泵频率自动降到 30hz 时，冷冻 主机故障停机，经查是由于冷冻水水流开关动作造成，经维修（更换）后恢复正 常。 3、当仅开一台机组，冷冻泵运行在 25hz 时，（首次设定频率下限为 25hz。）发现顶层部分房间的冷冻水流量偏小，温升偏高，不能满足冷量需求。 经现场分析：虽然冷冻水循环为垂直及水平同程系统，各楼层负载管道水阻几乎 相等，但由于管道最远处达 100 多米，管道保温也有不太理想的地方，冷冻水沿 程的冷量损失较大，最后将冷冻水管道保温重新检修；冷冻泵频率下限也调整至 30hz。经维修、调整后，检测各点工作状况达到较理想要求。 4、用高精度温度计检测各点温度，以便检验温度传感器的精确度及校验各 工况状态。将二楼西餐厅、地下一层桑拿按摩中心等负荷需求不大或装机容量偏 大的设备，手动调小阀门，避免电动阀的频繁开停或造成局部的大流量小温差。 5、冷却水循环也遇到类似冷冻水系统相似的问题，首次将冷却泵频率下限 设为 25hz，在试运行时，冷却塔布水器不能均匀转动布水，最后调整为 30hz， 恢复正常。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 7 结论 20 7 结 论 改造工程由于采用了 4 台变频器，对经常运行的冷冻泵、冷却泵进行一对一 的技术改造，最大限度地为水泵争取了变频运行的时间，把节能空间争取到最大， 虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。从过去运行中所取得 的显著经济效益及系统的综合效益，也验正了利用变频器、plc、数模转换模块、 温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能 改造成是成功的。 由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来 y- 启动大电流对 电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了 y- 启停水泵产生的水锤现象对管 道、阀门、压力表等的损害;消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水 泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长 ；由于水 泵大多数时间运行在额定转速以下，电机的噪声、温升及震动都大大减少，电气 故障也比原来降低，电机使用寿命也相应延长。由于采用了温差闭环变频调速， 提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平。原来几乎每天都要对冷冻机出 水温度进行调整，现在仅在环境温度变化较大时进行调整冷冻机出水温度。减少 了人为因数的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量，酒店的空调室温比 原来更平稳均匀了。 进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一 定关系。根据系统改造后的运行记录（2008 年 1 月至 2008 年 12 月），参考 2007 年度实际用电情况，共节约用电约 22.2 万度，电价按 1.0 元/kwh 计算,每年 可节约 22 万元，平均节能在 30.85%。经济效益十分显著。这次设备改造总投资 13 万元，改造后投入运行不用一年即已收回成本，以后每年可为酒店节约用电约 22 万元。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 致谢 21 致 谢 本文的设计（研究）工作是在邱霖老师的精心指导和悉心关怀下完成的。从 课题的选择到论文的最终完成，邱老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持。 在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师辛勤的汗水和心血。老师的严谨 治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的老师身上， 我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。因此我要向我的老 师致以最衷心的感谢和深深的敬意。 此外，本文最终得以顺利完成，也是与机电学院其他老师的帮助分不开的。 虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提 出了一系列可行性的建议，他们是刘静老师，张下栋老师等，在此向他们表示深 深的感谢！同时也向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的 谢意！ 最后衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！ 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 参考文献 22 参考文献 1陈伯时， 电力拖动自动控制系统 ，280-289 页，北京机械工业出版社，2004 年 2殷洪义， 可编程控制器选择设计与维护 ，233-237 页，北京机械工业出版社，2004 年 3蒋能照， 家用中央空调实用技术 ，46-69、104-121 页，北京机械工业出版社，2002 年 4陈玺， 浅谈办公建筑中央空调设计节能措施 ，144-145 页，中国科技信息，2005 年 5吴中俊、黄永红， 可编程控制器原理与应用 ，218-220 页，机械工业出版社,2003 年 6余焰， 基于 plc 控制的中央空调节能改造 ，中国工控网，2008 年 7薛晓明， 变频器技术与应用 ，110-118、181-188 页，北京理工大学出版社，2009 年 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 论文原创性声明 论文原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业论文是在邱霖老师的指导下进行 的设计（研究）工作及取得的成果，论文中引用他（她）人的文献、 数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立 完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位 或证书而使用其材料。 毕业论文作者（签字）： 签字日期： 年 月 日 i 附录 1：开题报告 高等教育自学考试本科毕业论文开题报告 论文题目： plc 和变频器在中央空调节能改造中的应用 考生姓名： 崔德春 准考证号： 011808101162 专业层次： 本 科 院 （系）：机械与动力工程学院 指导教师： 邱 霖 职 称： 讲 师 重庆科技学院 二 o 一 o 年十月二十五日 ii 本课题的目的及意义，国内外研究现状分析 目的：目的：研究中央空调存在的耗能问题，提出节能改造可能性分析，探讨节能 改造的具体方案。分析 plc 与传统继电器之间的控制比较，分析变频器的节能 原理，探讨变频器与 plc 在中央空调系统节能改造中的应用。 意义：意义：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。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，严重干扰中央空调系统的运行质量。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，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量， 为达到节能目的提供了可靠的技术条件。因此，根据以上情况及目前酒店的实 际情况来看，本课题所研究的问题，具有较高的实用性。 目前国内外的研究和发展状况：目前国内外的研究和发展状况： 当今世界，发展“低碳经济”已经成为世界各国实现社会可持续发展和迈向 生态文明的必由之路。因此，目前国内外对中央空调节能的研究和开发也越来 越广泛和深入。下面将对此进行一下简要的介绍。 1、国内主要的一些中央空调节能系统 1 1、1 1 杭州德联科技有限公司研制的杭州德联科技有限公司研制的caccscaccs系统系统 iii 图 1 为该公司研制的 caccs 系统。该系统将末端风机管计量与信息传送、管 网控制、换能系统控制与中央空调机组的控制相结合，形成完整的中央空调制 能优化控制系统简称 caccs）。 图 1 杭州德联科技有限公司研制的caccs系统 1 1、2 2 北京剑能电气有限公司研制的北京剑能电气有限公司研制的 jnvf6-hjnvf6-h 中央空调节电控制系统中央空调节电控制系统 该公司研制的 jnvf6-h 节能控制系统对中央空调系统动力部分采取联动台数 控制和转速控制，使制冷机组、泵组能根据用户终端热负荷的变化进行无级调 整，在满足热负荷和流量的同时，使电能的消耗大为降低。同时变频技术的应 用，使制冷机、泵电机处于高效运行状态，降低了电机功耗。由于 jnvf6-h 节 能控制系统采用闭环控制，循环冷媒流量的变化引起的压力、流量、温度变化 始终处于 jnvf6 节能控制器的监控中，根据终端热负荷的变化，jnvf6 节能控 制器实时调整制冷机组、循环泵组的供冷（热）量，使循环冷媒流量始终与用 户终端的需求相匹配，用户终端温度波动减小，空调系统始终处于最佳效果运 行状态。 2、国外主要的一些中央空调节能系统 美国美国 wfi 研制的地源热泵中央空调节能技术研制的地源热泵中央空调节能技术 地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。地 源热泵技术利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电 能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以 iv 将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人 工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬 季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖;夏季它可以代 替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时,它还可供应生 活用水，是一种有效地利用能源的方式。它的最大优点是节能、无污染和运行 费用低、空气质量高。通常地源热泵耗费 1kw 的能量，用户可以得到 4kw 以 上的热量或冷量。它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种的理想的 “绿色技巧” 。从能源角度来说，它是一种用之不尽的可再生能源。夏季高温差 的散热和冬季低温差的取热，使得地源热泵系统换热效率很高。因此在产生同 样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，而且冬季运行不需要任何赞 助热源和除霜，大大地减少电能耗费和除霜的丧失，从而达到节能的目标