基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计.docx
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基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计
基于PLC的中央空调水泵
变频调速系统设计
摘要
本文针对中央空调的节能问题对中央空调水泵变频调速系统进行分析及设计利用可编程控制器模拟量扩展模块变频器温度传感器等代替传统再热量调节系统实现中央空调水泵的变频调速通过对空调出口温度进行检测变频系统实时调节中央空调水泵转速达到节能目的采用变频技术控制中央空调水泵是当前空调系统节能改造的有效途径
关键词中央空调变频调速技术PID
目录
1绪论1
11中央空调变频调速的意义1
12变频调速技术介绍1
13本文的主要工作3
2系统原理分析及方案设计5
21中央空调结构原理5
22变频调速系统工作原理7
23空调变频控制系统的构架8
24总体设计方案的确定9
3系统硬件设计11
31可编程控制器的选型11
com可编程控制器概述11
com可编程控制器的选型12
32模拟量IO模块及传感器选型14
com模拟量输入模块选型AD14
com模拟量输出模块选型DA17
com温度传感器选型18
33变频器的选型及参数设置20
com变频器的选型20
com变频器的参数设置21
34总体电路图23
4系统软件设计25
41内存变量分配25
42控制系统程序设计27
com主程序设计27
comPID控制的设计及实现31
com冷却水系统循环控制及PID调节程序33
com冷冻水系统循环控制及PID调节程序37
com传送冷却水和冷冻水PID参数子程序38
com务程序40
5系统调试44
51初始化程序调试44
52冷却水冷冻水系统PID调节程序调试47
参考文献54
致谢55
附录1完整程序56
附录2系统总体电路图66
1绪论
11中央空调变频调速的意义
随着空调应用的日益普及其能耗在社会总能耗中所占的比例越来越高减少空调系统的能耗对全社会的节能促进国民经济的持续发展具有重大意义
常规中央空调系统的送风量是根据空调房间的最大热湿负荷确定且保持不变空调负荷减少时通过调节送风温度调节再热量来维持室温这种方法不仅浪费了热量而且浪费制冷机组相当的冷量在变风量空调系统中可根据房间温湿度参数的变化通过变频调速装置调节风机的转速改变送风量应大于最小送风量送风温度保持不变显然变风量空调系统可充分利用最大送风温差节约再热量和与之相应的冷量减少风机的功率消耗提高空调系统的运行经济性[1]
在夏季室内负荷下降时先减少送风量当送风量减至最小送风量时可利用末端再热装置适应室内冷负荷的减少当再热量不足以补偿室内负荷变化时系统由夏季工况转至冬季运行工况系统开始送热风为节省能量可先进行定风量变风温的调节方法当供热负荷继续增加时再改为变风量调节方法
12变频调速技术介绍
变频调速具有高效率宽范围和高精度等特点是运用最广最有发展前途的调速方式交流电机变频调速系统的种类很多从50年代提出的电压源型变频器开始相继发展了电流源型脉宽调制型等各种变频器
1变频器按变换环节分
①交-交变频器
把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源其主要优点是没有中间环节故变换效率高但其连续可调的频率范围窄一般为额定频率的一半以下故它主要用于容量较大的低速拖动系统中
②交-直-交变频器
先把频率固定的交流电整流成直流电再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电由于把直流电逆变成交流电的环节容易控制因此在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面都具有明显的优势目前迅速地普及应用的主要是这一种
2变频器按电压的调制方式分
①PAM脉幅调制变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制在中小容量变频器中这种方式几乎己经不采用了
②PWM脉宽调制变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制SPWM方式
3变频器按直流环节的储能方式分
①电流型直流环节的贮能元件是电感线圈
②电压型直流环节的贮能元件是电容器
变频器的功用是将频率固定通常为工频50Hz的交流电三相的或单相的变换成频率连续可调多数为0～400Hz的三相或单相交流电
也连续可调又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些所以当连续可调时也连续可调
由于磁极对数不同的异步电动机在相同频率时的转速是不同的所以即使频率的调节范围相同转速的调节范围也是各异的因此采用变频和变极调速相结合的方法可以大大提高变频器的工作效率
由于转速与频率成正比即
1-1
式中转速
-频率
-电机磁极对数
-转差率
若将电机的运行频率由原来的50Hz下调到40Hz时电机的实际转速n降为额定转速的80即
由于电机的额定功率
因此电机运行在40Hz时的实际功率为
1-2
则节电率为
1-3
由此可见若风机和水泵的电机运行在40Hz时理论上电机实际消耗的功率只有额定功率的一半左右此时理论上节电率为488交流变频调速的节电效果相当显著经济效益十分可观
中央空调系统采用变频调速技术电机可在很宽的范围内平滑调速可将所有节流阀去掉使管道畅通可免去节流损耗通过改变电机转速而改变水的流速从而改变水的流量达到制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求达到节能目的采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控这种系统可由多台水泵电机组成其中只有一台水泵处于变频调速状态就可以达到节能目的这种系统最大程度地节约了设备电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制
13本文的主要工作
中央空调系统通常分为冷冻水和冷却水两个系统现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现
冷冻水泵系统的闭环控制
该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率将其设定为下限频率并锁定变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减控制方式是冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调
冷却水系统的闭环控制
方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量当中中央空调冷却水出水温度低时减少冷却水流量当中中央空调冷却水出水温度高时加大冷却水流量在保证中中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的
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频率以控制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
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
通过温度传感器PT100将温度信号经过变送器和AD转换模块传送到PLC中进行处理然后由PLC将控制信号送至变频器中变频器根据控制信号做出相应的频率调整实现对水泵电机转速的控制主要工作有温度检测部分设计选择变频器设计主电路选择PLC器件并选择扩展模块IO口的分配及输入输出接口电路的设计报警等接口设计编制设计PLC程序
2系统原理分析及方案设计
21中央空调结构原理
中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管或管线连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
一般酒店大型商场用的是风管试的中央空调它的原理是主机通过通往各个空间区域的通风管道将处理后的冷热空气输送到位它的优点是成本低操控简便噪音低最主要的缺点是各个区域房间控温不准确
中央空调的工作原理与家用一样都是利用冷媒运输热量的媒质叫冷媒的物理原理把室内的热量带到室外去达到制冷的效果
中央空调工作原理如图2-1所示
图1中央空调工作原理
中央空调由机冷却水循环系统冷冻水循环系统风机盘管系统风机和冷却塔等组成
冷冻主机也叫致冷装置是中央空调的致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冷却水循环系统冷却泵冷却水管道及冷却塔组成冷冻主机在进行热交换使水温冷却的同时必将释放大量的热量该热量被冷却水吸收使冷却水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温了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
冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道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的温度升高温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水
风机盘管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
风机
6冷却塔冷冻主机在致冷过程中必然会释放热量使机组发热冷却水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
工作原理冷冻主机是中央空调的致冷源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冷却水塔为冷冻主机提供冷却水冷却水经管道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
空调系统中的控制对象多属于热工对象从控制的角度分析具有以下特点多干扰性例如通过窗户进入的太阳辐射热是时间的函数也受气象条件的影响室外空气温度通过围护结构对室温产生的影响为了换气所采用的新风其温度变化对室温有直接的影响室内人员的变动照明机电设备的启停均会干扰变动时控制的难度以及能源浪费的问题
多工况性空调系统中对空气的处理过程具有很强的季节性一年中至少要分为冬季过渡季和夏季另外在同一天中夜晚和白天的空气工况也不完全相同因此空调对空气的处理过程也具有多变性多工况性的特点就决定了空调的运行不能设定在某一不变的参数下而这就要求空调的控制系统必须要灵活的动作来适应变化的工况
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1020余量作为设计系数根据计算中央空调系统中冷冻水冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的2530冷却塔的用电占810因此实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔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
根据异步电动机原理
式中n转速f-频率p-电机磁极对数s-转差率
由上式可见调节转速有3种方法改变频率改变电机磁极对数改变转差率
以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数非常容易造成能源的浪费现象现在根据冷却水的温度由温度传感器传送信号至PLC由PLC经计算后对冷却依次开启以达到节能效果
PLC是变频调速控制系统的关键部件其作用是协调各机组与变频器之间的电气连接通过接触器与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案PLC的输入信号有机组选择信号运行方式选择信号冷却塔和主机开关信号冷冻泵和冷却泵的起停信号等输入信号经程序运算发出相应的动作信号经微型继电器及相应的常闭常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行以及声光报警器件的动作PLC软件程序设计采用梯形图语言编程直观易懂
该系统主要由变频器可编程控制器主接触器
水泵机都可运转在工频下和变频下两种状态这由系统根据实际需要进行切换控制
可编程控制器用IO扩展接口分别接入AD和DA模块AD模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量DA模块将PLC输出的开关量转换为模拟量以控制变频器的升速过程及降速过程
温度检测装置将状态送ADAD有多个数字量输人PLC进行控制热负荷从小至大之间的变化首先对PLC进行设定上限下限刚开始工作热交换量为零处于关断状态PLC控制下接通1号泵接入变频器电源同时启动升速程序按DA模块输出电压的设定曲线升速从使1号泵进行软启动1号泵转速逐渐增大热交换量也逐渐增加若达到设定的下限时则1号泵在该频率下稳定运行若频率增至50Hz时还未达到下限则PLC发出指令释放闭合1号泵由工频电网直接供电全速运转同时DA输出为PLC指令闭合2号泵接入变频调速状态并由PLC控制按设定曲线升速若升到50Hz频率下还未达到设定下限则2号泵切换为工频3号泵为变频调速继续下去直到热交换量达到下限电机稳定运行于此状态下
如果热交换量超过上限设定下调时接变频器的第n个水泵其输出频率降低若降至0Hz时还未达到上限则第n个水泵停同时DA置5V第n-1个水泵切换变频状态并按设定曲线降低直至达其设定上限水泵稳定运行于此状态下
需注意在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快各接触器间互锁和动作时间要设置好
该控制系统在任何状态下只需一台水泵电机处于调速状态其它电机可根据需要处于工频状态或停机状态就可实现热交换从零至最大的控制过程
冷却水冷冻水系统可分别用一台PLC控制器和一台变频调速器来控制
空调变频控制系统依据水泵变频曲线和系统曲线计算出最佳运行模式后使n台水泵在最佳频率下运行随着用户量的不断变化实际差压值会经常偏离设定值为了彻底消除该水泵系统的剩余扬程空调变频系统将作进一步的PID调节
控制原理方框图如图所示
图系统的控制原理图
系统将差压变送器的实时反馈值与目标设定值比较其差值被送入PLC的内部PID调节器经过运算输出频率信号对水泵进行调速以达到消除差压动态偏差的目的其算法为
式中-调节器的输出
-比例时间常数
-差压设定值与差压实测值之差
-差压积分时间常数
-差压微分时间常数
以上所有算法将在西门子的PLCS7-200上实现
24总体设计方案的确定
对中央空调温度进行检测然后将检测温度信号经变送器和AD转换模块反馈给PLC进行处理再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速从而对温度进行控制
系统的结构图图所示
图系统结构图
31可编程控制器的选型
com可编程控制器概述
可编程控制器英文称ProgrammableLogicController简称可编程控制器是用于工业现场的电控制器它继电器控制技术但基于电子计算机通过运行存储在其内存中的程序把经输入电路的物理过程得到的输入信息变换为所要求的输出信息进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制
如果说初期发展起来的可编程控制器主要是以它的高可靠性灵活性和小型化来代替传统的继电接触控制那么当今的可编程控制器则吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果得到了更新的发展从单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化从柔性制造系统工业机器人到大型分散控制系统可编程控制器均承担着主要角色
可编程控制器的硬件组成可编程控制器的硬件部分由中央处理器单元CPU模块存储器输入输出IO模块电源模块通信模块编程器等部分组成如图3-1所示
可编程控制器的工作原理
可编程控制器是以顺序扫描的方式工作的用户程序通过编程器输入并存放在可编程控制器的用户存储器中当可编程控制器运行时用户程序中有众多的操作需要去执行但CPU是不能同时执行多个操作的它只能按分时操作原理工作即每一时刻只执行一个操作由于CPU的运算处理速度很高使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的这种按分时原则顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描执行一次扫描的时间成为扫描周期
可编程控制器的工作过程可编程控制器是在系统软件的控制和指挥下采用循环顺序扫描的方式工作的其工作过程就是程序的执行过程它分为输入采样程序执行和输出刷新三个阶段
图3-1可编程控制器的硬件结构框图
可编程控制器的基本功能
可编程控制器有丰富的指令系统有各种各样的IO接口通信接口有大容量的内存有可靠的自身监控系统因而具有以下基本的功能
逻辑处理功能
数据运算功能
准确定时功能
高速技术功能
中断处理可以实现各种内外中断功能
程序与数据存储功能
自检测自诊断功能
可以说凡普通小型计算机能实现的功能可编程控制器几乎也都可以做到丰富的功能为可编程控制器的广泛应用提供了可能同时也为自动化行业的远程化信息化及智能化创造了条件
在可编程控制器系统设计时确定控制方案之后下一步工作就是可编程控制器工程设计选型工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据工程设计选型和估算时应详细分析工艺过程的特点控制要求明确控制任务和范围确定所需的操作和动作然后根据控制要求估算输入输出点数所需存储器容量确定可编程控制器的功能外部设备特性等最后选择有较高性能价格比的可编程控制器和设计相应的控制系统
输入输出IO点数的估算
IO点数估算时应考虑适当的余量通常根据统计的输入输出点数再增加10～20的可扩展余量后作为输入输出点数估算数据实际订货时还需根据制造厂商可编程控制器的产品特点对输入输出电数进行圆整
2存储器容量的估算
程序容量在设计阶段是未知的需在程序调试之后才知道为了设计选型时能对程序容量有一定估算通常采用存储器容量的估算来替代
存储器内存容量的估算没有固定的公式许多文献资料中给出了不同公式大体上都是按数字量IO点数的10～15倍加上模拟IO点数的100倍以此数为内存的总字数16位为一个字另外再按此数的25考虑余量因此本课题的可编程控制器内存容量选择应能存储2000条梯形图这样才能在以后的改造过程中有足够的空间
机型的选择
目前国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的可编程控制器产品使用户眼花缭乱无所适从通过对输入输出点的选择对存储容量的选择对IO相应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析并且根据轿厢楼层位置检测方法要求可编程控制器必须具有高速技术器又因为电梯是双向运行的所以可编程控制器还需具有可逆技术器综合考虑后本设计选择公司生产的系列的可编程控制器
S7-200系列PLC的主要特点如下
①采用整体固定IO型与基本单元加扩展的结构PLC的CPU电源I0安装于一体结构紧凑安装简单
②运算速度快基本逻辑控制指令每条022us可以实现高速控制
③编程指令编程元件较丰富性价比高
④PLC集成有固定点数的告诉计数输入与高速脉冲输出脉冲频率可以达到20～100kHz
⑤PLC带有RS-485串行通信接口可以支持无协议通信与点到点通信PPI多点通信MPIPROFIBUS总线通信
通过扩展模块S7-200还可以增加如下功能
①通信功能扩展通过PROFIBUS-DPEM227AS-iCP243-2调制解调器EM241以太网CP243-1CP243-1IT等通信模块PLC可以与工业以太网现场总线网等不同的网络进行连接组成PLC网络系统
②特殊功能扩展通过多通道模拟量IO模块各种温度测量模块定位脉冲模块等实现现场温度速度位置等参数的控制测量调节功能
本文选配的SIMATICS7-200PLC主要由CPU226模拟量输入EM231模块和模拟量输出EM232模块三部分组成
32模拟量IO模块及传感器选型
com模拟量输入模块选型AD
模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛如常用的温度压力速度流量碱度位移等的工业检测都是对应电压电流的大小模拟量再通过一定的运算如PID后控制生产过程达到一定的目的如恒温等模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的模拟量输入信号按IEC标准为420mA电流信号或5V10V～10V010V的直流电压信号
模拟量输入模块的基本功能就是将输入PLC的外部模拟量转换为PLC所需的数字量以供给主控模块进行数据处理和控制
模拟量输入模块可以直接与热电偶铂电阻等温度检测元件接受采自温度传感器的信号温度控制模块实际上就相当于变送器和AD转换器将生产现场的温度信号值传送给PLC经过PLC处理后通过模拟量输出模块输出这样就可以实现温度的自动控制
EM231热电阻模块可以通过DIP开关来选择热电阻的类型接线方式测量单位和开路故障方向连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的改变DIP开关后必须将PLC断电后再通电新的设置才能起作用
EM231的主要参数见表3-1
表EM231主要参数
自5VDC自IO总线
自L
L电压范围2级或DC传感器供电87mA
60mA
comDCLED指示灯24VDC电源供电良好ON无错OFF无24VDC电源SFON模块故障闪烁输入信号错误OFF无错模拟量输入特性现场至逻辑
现场至24VDC
24V到逻辑500VAC
500VAC
500VAC共模输入范围输入通道至输入通道120VAC共模抑制120dB120VAC输入类型输入范围RTD类型选一种
Pt-100Ω200Ω500ΩPT-1000Ω-10000Ω
Cu-9035Ω
Ni-10Ω120Ω1000Ω
R-150Ω300Ω600Ω输入分辨率温度
电阻01℃
15位加符号位模块更新时间所有通道405ms连线长度最大100米至传感器线回路电阻最大最大为20Ω数据字格式电压-32000至32000最大输入电压30VDC
表3-2EM231设定开关表
输入类型与范围分辨率开关设定SW1SW2SW3单极性0～10V电压输入25mV●╳●单极性0～5V电压输入125mV●●╳单极性0～20mA电流输入5uA●●╳双极性0～±5V电压输入25mV╳╳●双极性0～±25V电压输入125mV╳●╳●-设定开关ON╳-设定开关OFF
由于本设计采用的AD转换模块EM231输入类型为单极性0～5V电压输入所以选择分辨率为125mVSW1SW2SW3分别为ONONOFF的设定
模拟量输入端的接线方式模拟量是通过带屏蔽的双绞线把信号输入每个信道将第一路测量信号接入EM231的A和A-端将第二路测量信号介入EM231的B和B-端
硬件连接图如
图3-2热电阻与EM231硬件连接图
AD转换的输入输出关系曲线图
图3-3AD转换的输入输出关系曲线
com模拟量输出模块选型DA
模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号如4095等转换成420mA的电流输出信号或010V5V的直流电压输出信号以提供给执行机构
模拟量输出模块选用西门子公司的EM232模块其主要参数指标
表3-3EM232模块的主要参数
模拟量输出特性模拟量输出点数2隔离现场侧到逻辑线路无信号范围电压输出
电流输出±10V
0～20mA数据字格式电压
电流-32000～32000
0～32000分辨率全量程电压
电流12位
11位数字量到模拟量转换器DAC的12位读数其输出数据格式是左端对齐的最高有效位0表示是正值数据字数据在装载到DAC寄存器之前4个连续的0是被裁断的这些位不影响输出信号值
DA转换模块输入输出关系
图3-4DA转换模块输入输出关系
1模拟量输出端的接线方式经过DA转换后模拟量通过双绞线把信号输出如果是输出电压信号则将双绞线接到信道的M0V0端如果输出的是电流信号那么应先将双绞线接到信道的M0和I0端
图3-5EM232端子接线图
com温度传感器选型
温度检测的主要方法根据敏感元件和被测介质接触与否可以分成接触式与非接触式两大类接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表基于导体或半导体电阻值所温度变化的热电阻温度检测仪表基于热电效应的热电偶温度检测仪表非接触式检测方法是利用物体的热
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