PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用

1 毕业论文毕业论文 黑龙江建筑职业技术学院 材料工程系 二 0 年 月 毕毕业业论论文文 题 目 PLC 和变频器 在中央空调节能改造中的应用 专 业 班 级 学 生 指导教师 黑龙江建筑职业技术学院 材料工程系 二 0 0 九 年 十 月 目目 录录 摘要摘要 第一章第一章 绪论绪论 1 1 第二章第二章 节能改造的可行性分析节能改造的可行性分析 40 40 2 1 原系统的运行及存在问题 40 2 1 1 中央空调系统简介 41 第三章第三章 节能改造的具体方案节能改造的具体方案 81 81 3 1 主电路的控制设计 81 3 1 1 变频器的控制方式 82 3 1 2 主要设备选型 82 3 1 3 改造需要增加的设备 83 3 1 4 主要设备的特性简介 83 3 2 变频节能技术框图及改造原理分析 84 3 2 1 对冷冻泵进行变频改造 84 3 2 2 对冷却泵进行变频改造 85 3 2 3 三菱 FR F540 37K CH 变频器主要参数的设定 85 3 2 4 三菱 PLC 控制器 FX2N 64MR 与三菱 FR F540 37K CH 变频器的 接线以及 I O 分 配 85 3 2 5 三菱 FX2N 64MR PLC 主要部分程序分析 结结 论论 91 91 结束语结束语 91 91 致致 谢谢 91 91 参考文献参考文献 91 91 附附 录录 92 92 黑龙江建筑职业技术学院毕业论文 II PLCPLC 和变频器在中央空调节能改造中的应用和变频器在中央空调节能改造中的应用 摘要摘要 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建筑物不可缺少的配套设施之一 电能的消耗 非常大 约占建筑物总电能消耗的 50 由于中央空调系统都是按最大负载 并增加一定余量设计 而实际上在一年中 满负载下运行最多只有十多天 甚至十多个小时 几乎绝大部分时间负载都在 70 以下运行 通常中央空调 系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载 而与冷冻主机相匹 配的冷冻泵 冷却泵却不能自动调节负载 几乎长期在 100 负载下运行 造成了能量的极大浪费 也恶化了中央空调的运行环境和运行质量 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 达到节能目的提供了可靠的技术条件 关键字 变频器 PLC 节能 温差闭环自动控制 中央空调系统 技师论文 1 第一章 绪论 中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管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 采用风管送风方式 用一 台主机即可控制多个不同房间并且可引入新风 有效改善室内 空气的质量 预防空调病的发生 家用中央空调的最突出特点是产生舒适的居住环境 其 次从审美观点和最佳空间利用上 考虑 使用家用中央空调使室内装饰更灵 活 更容易实现各种装饰效果 即使您不喜欢原来 的装饰 重新装修 原 来的中央空调系统稍微改变即可与新的装修和谐一致 因此称家用中央空调 为一步到位 永不落后的选择 家用中央空调 或称户式中央空调 单无式 可调中央空调 是指由一个室外机产生冷 热 源进而向各个房间供冷 热 的空调 它是属于 小型 商用空调的一种 家用中央空调分为风系 统和水系统两种 风系统由室外机 室内主机 送风管道以及各 个房间的 风口和调节阀等组成 水系统由室外机 水管道 循环水泵及各个室内的末 端 风 机盘管 明装等 组成 家用中央空调的特点是 1 整个家庭都处 于舒适性条件下 避免其它分体机造成的直吹过冷和房内冷热不匀的人体不 适现象 2 装饰性好 配合装修无任何外露管线 3 操作简单 自动运行 无需维护 4 可根据各个房间的朝向 功能等增加或减少送风 热 量 5 可加新风和加湿 使室内空气保持新鲜和卫生 家用中央空调的局限性是 1 布置上 设计和安装要与装修结合才能达到良好的舒适性和装饰效果 2 电源要求 电负荷较大 老式住房要考虑电路负荷是否足够 技师论文 2 第二章 节能改造的可行性分析节能改造的可行性分析 2 12 1 原系统的运行及存在问题 原系统的运行及存在问题 我公司处在工业区 污染比较严重 灰尘量很大且由于地理 环境 大风天气较多 所以大厦大部分空间都是密封的 内部空气比较 湿热 所以无论是冬天还是夏天 无论是节日还是假日 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 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 3 4 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 因为空调偏冷 的问题经常接到客人的投诉 处理这些投诉造成不少人力资源的浪费 技师论文 3 2 1 12 1 1 中央空调系统简介中央空调系统简介 中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程 其理想运行状态是 在冷冻水循环系统中 在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷 冻主机 在蒸发器进行热交换 被吸热降温后 7 C 被送到终端盘管风机 或空调风机 经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后 12 C 再由冷冻 泵送到主机蒸发器形成闭合循环 在冷却水循环系统中 在冷却泵的作用下 冷却水流经冷冻机 在冷凝器吸热升温后 37 C 被送到冷却塔 经风扇 散热后 32 C 再由冷却泵送到主机 形成循环 在这个过程里 冷冻水 冷却水作为能量传递的载体 在冷冻泵 冷却泵得到动能不停地循环在各自 的管道系统里 不断地将室内的热量经冷冻机的作用 由冷却塔排出 如图 一所示 针对中央空调系统的原理以及问题的提出 我认为改造方案主要有四种 方案一是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 方案二是根据制冷主机负载较轻时实行间歇停机 但再次起动主机时 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 方案三是采用变频器调速 由人工根据负荷轻重调整变频器的频率 这 技师论文 4 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 方案四是通过变频器 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 最后决定采用方案四对大厦 冷冻 冷却泵进行节能改造 以下是分析过程 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 安全系数 据统计 在传统的中央空调系统中 冷冻水 冷却水循环用电约 占系统用电的 12 24 而在冷冻主机低负荷运行时 冷却水 冷冻水循 环用电就达 30 40 因此 实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动 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 2 1 22 1 2 泵的特性分析与节能原理泵的特性分析与节能原理 泵是一种平方转矩负载 其转速 n 与流量 Q 扬程 H 及泵的轴功率 N 的关系如下式所示 Q1 Q2 n1 n2 H1 H2 n12 n22 N1 N2 n13 n23 1 1 上式表明 泵的流量与其转速成正比 泵的扬程与其转速的平方成正比 泵的轴功率与其转速的立方成正比 当电动机驱动泵 P kw 可按下式计算 P QH c F 10 2 1 2 式中 P 电动机的轴功率 Q 流量 m3 s 液体的密度 Kg m 2 c 传动装置效率 F 泵的效率 H 全扬程 m 调节流量的方法 如图 2 2 所示 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 1 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 技师论文 5 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 n 60f p 1 s 1 3 式中 n 转速 f 频率 p 电机磁极对数 s 转差率 式中 n 转速 f 频率 p 电机磁极对数 s 转差率 由 1 3 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 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 技师论文 81 第三章 节能改造的具体方案 3 13 1 主电路的控制设计 主电路的控制设计 根据具体情况 同时考虑到成本控制 原有的电器设备尽可能的利用 冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备的方式运行 因备用泵转换时间与空调 主机转换时间一致 均为一个月转换一次 切换频率不高 决定将冷冻水泵 和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备 通过接触器 启停按钮 转换开关进行电气和机械互锁 确保每台水泵只能由一台变频器拖动 避免 两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事故 并且每台变频器任何时 间只能拖动一台水泵 以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载 以下为冷冻水泵与冷却水泵一 二次接线图 3 1 冷却泵一次接线图 二次接线图 技师论文 82 冷冻泵一次接线图 冷冻泵二次接线图 3 1 13 1 1 变频器的控制方式变频器的控制方式 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 3 1 23 1 2 主要设备选型主要设备选型 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 技师论文 83 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 3 1 33 1 3 改造需要增加的设备改造需要增加的设备 表 3 1 设备的数量与型号 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 1 43 1 4 主要设备的特性简介 主要设备的特性简介 变频器 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 PLC 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 技师论文 84 点 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 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 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 定时准确 定时范围宽 体积小 耗电小 编程和接线可同步进行 扩展灵活 维修方便 3 23 2 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 下图为变频节能系统示意图 3 2 13 2 1 对冷冻泵进行变频改造对冷冻泵进行变频改造 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 技师论文 85 低 系统负荷小 可降低冷冻泵的转速 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 3 2 23 2 2 对冷却泵进行变频改造 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 3 2 33 2 3 三菱三菱 FR F540 37K CHFR F540 37K CH 变频器主要参数的设定变频器主要参数的设定 1Pr 160 0 允许所有参数的读 写 2Pr 1 50 00 变频器的上限频率为 50Hz 3Pr 2 30 00 变频器的下限频率为 30Hz 4Pr 7 30 0 变频器的加速时间为 30S 5Pr 8 30 0 变频器的减速时间为 30S 6Pr 9 65 00 变频器的电子热保护为 65A 7Pr 52 14 变频器 DU 面板的第三监视功能为变频器的 输出功率 8Pr 60 4 智能模式选择为节能模块 9Pr 73 0 设定端子 2 5 间的频率设定为电压信号 0 10V 10 Pr 79 2 变频器的操作模式为外部运行 3 2 43 2 4 三菱三菱 PLCPLC 控制器控制器 FX2N 64MRFX2N 64MR 与三菱与三菱 FR F540 37K CHFR F540 37K CH 变频器的接线以变频器的接线以 及及 I OI O 分配分配 表 3 2 I O 分配 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 技师论文 86 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 3 6 PLC 与变频器接线图 技师论文 87 3 2 53 2 5 三菱三菱 FX2NFX2N 64MR64MR PLCPLC 主要部分程序分析主要部分程序分析 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 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 FX2N 4DA 4 通道的 D A 转换模块程序分析 D A 转换模块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 30Hz 50Hz 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 手动调速 PLC 程序分析 以冷却泵为例 技师论文 88 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 手动调速和自动调速的切换程序 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 温差自动调速程序 以冷却泵为例说明 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 8 5 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 冷冻泵和冷却泵的变频器运行和停止控制 2 台变频器驱动的冷却泵和 2 台变频器驱动的冷冻泵的起停控制用简单