变频技术控制中央空调水泵实例.docx
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变频技术控制中央空调水泵实例
摘 要
随着我国各行业不断地发展，能源问题在我国日渐突出，而且近期内无法根本解决，节能工作相当艰巨。
在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，中央空调系统是不可缺少的，它虽然能给人们提供一个舒适的环境，但是耗电量也相当大。
因此，在人们日益重视环保与节能的今天，中央空调的节能问题这是人们所期待要解决的关键技术问题。
中央空调系统除主机的耗能。
冷冻、冷却水泵是第二大耗能设备，由于冷冻泵、冷却泵的配置是按夏季最大流量来确定的，而实际使用中由于气候情况，客观流量活动内容等各种因素的变化，所需负荷的不断变化。
因此为使中央空调系统温度稳定，需要按工况变化对冷冻、冷却泵进行调节，这就需要有较好的自动控制模块。
本文主要简单阐述了中央空调系统自动化控制和节能设计，并介绍了交流电动机变频调速的特点及节能原理，还介绍了西门子S7-200应用，PID在变频调速系统中的应用，并对系统的主回路和控制回路的硬件部分进行了介绍。
采用变频器调节中央空调的转速，使其高效运行，达到节能的目的。
采用模块化设计，CPU主模块是采用CPU226，模拟量扩展模块采用EM231，通过软件设计完成中央空调所需的参数设置和控制要求，系统软件由主程序、初始化程序、模拟量检测程序组成，通过调用子程序来完成系统的数据采集、模拟量检测等功能。
关键词：
中央空调;变频调速技术;PLC;PID
前言
现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境，中央空调系统是不可缺少的。
并且中央空调的耗电量是很大，应用变频调速技术与PLC自动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度,并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点。
空调冷冻泵变频节能,在现如今是一个令人感兴趣的课题，很多专业人士对此进行了研究。
利用在一定条件下水泵的流量Q、扬程H、功率N与转速n间的关系式（称为相似定律或比例定律）
（1）
空调水泵的耗电量与转速或流量的三次方成正比,，只要降低泵的转速就能以三次方的规律降低耗电量。
随着人民生活水平的提高，对空调的需求越来越大，中央空调以其高精度的恒温控制，大面积集中调节，为人们提供宜人的生产和生活环境。
但中央空调系统耗能很大,其电能和热能的消耗量占整个建筑能耗量的40%左右，而在我国目前的建筑设计中很少注重节能观念，忽视设备运行费用和能源消耗，造成能源的巨大浪费，如何解决空调系统的节能问题，已成为当务之急。
1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，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。
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。
变频调速技术简绍
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
1）PAM（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。
2）PWM（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。
由上式可知道：
当频率连续可调时，电动机的同步转速
也连续可调。
又因为异步电动机的转子转速n总是比同步转速
略低一些，所以，当
连续可调时，n也连续可调。
由于磁极对数p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n与频率f成正比，即：
（1.1）
式中：
n为转速；f为频率；p为电机磁极对数；s为转差率。
1.1PLC控制的变频调速系统工作原理
PLC是变频调速控制系统的关键部件。
作用是连接各机组与变频器之间的电气，。
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、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。
水泵机组都可运转在工频以下和变频以下两种状态。
根据实际需要进行切换控制。
可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块，A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器的升降速过程。
温度检测装置将状态送A/D,A/D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D/A模块输出电压的设定曲线升速,从而使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D/A输出为0。
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，接入变频器的第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D/A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。
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。
1.2中央空调的结构原理
一般酒店，大型商场用的是风管试的中央空调，原理是主机通过通往各个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，都是利用运输热量的媒质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1.1所示。
图1.1中央空调工作原理
中央空调系统主要由冷冻主机、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。
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。
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25%—30%，冷却塔的用电占8%—10%。
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
（1.4）
式中：
n为转速；f为频率；p为电机磁极对数；s为转差率。
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。
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。
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经计算后对冷却水泵依次开启，以达到节能效果。
1.3空调变频控制系统
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1.2所示。
图1.2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。
1.4总体设计方案
对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变频器和A/D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。
系统的结构图如图1.3所示。
图1.3系统结构图
2电路设计
2.1温度设计
温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。
温度是最常见的工业测控参数，人们经常会遇到温度和温度检测与控制的问题。
2.1.1检测元件选取
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；非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法等。
热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。
热敏电阻有正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三种。
温度特性曲线如图2.1所示。
图2.1各种热敏电阻特性
温度检测用的主要是负温度系数热敏电阻，PTC和CTR热敏电阻则利用在特定温度下电阻值急剧变化的特性构成温度开关器件。
2.1.2模拟量输入模块选取（A/D）
模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，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，再通过一定的运算后控制生产过程达到一定的目的。
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4~20mA电流信号或0~5V、-10V~10V，0~10V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。
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。
（1）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。
（2）硬件连接图如图2.2所示。
图2.2热电阻与EM231硬件连接图
（3）A/D转换的输入/输出关系曲线如图2.3所示。
图2.3A/D转换的输入/输出关系曲线
2.1.3模拟量输出模块选取（D/A）
模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号转换成4~20mA的电流输出信号或0~10V，0~5V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。
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。
D/A转换模块输入/输出关系如图2.4所示。
图2.4D/A转换模块输入/输出关系
（1）模拟量输出端的接线方式：
经过D/A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M0，V0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。
（2）接线方式如图2.5所示。
图2.5EM232端子接线图
2.2变频器的选择
常规设计的交流电动机，通常都是在额定频率、额定电压下工作的。
此时，轴上输出转矩、输出功率都可以达到额定值。
在变频调速的情况下，供电频率是变化的，电机的实际输出也会变化。
由于变频器有一定的通用性，因此在与不同拖动场合的电机配合时，需要选配相应的变频器。
在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。
按连续恒负载运转时所需的变频器容量（kVA）的计算式计算：
（2.3）
（2.4）
（2.5）
式中：
—负载所要求的电动机的轴输出功率，单位为W；
—电动机的效率（通常约0.85）；cosφ—电动机的功率因数（通常约0.75）；
—电动机电压，单位为V；
—电动机电流，单位为A；
k—电流波形的修正系数，对PWM方式，取k=1.05；
—变频器的额定容量；
—变频器的额定电流[6]。
本文选择了三菱FR-A540变频器。
本系统所用的单台水泵功率为2.2kW。
三菱FR-A540变频器的容量为0.4kW~7.5kW。
由于本系统采用的是一台变频器只为一台电机提供电源，即一台变频器对应一台水泵，所以三菱FR-A540的功率以足够胜任。
并且三菱FR-A540变频器性能可靠，价格低廉，市场占有分额大，便于购买。
所以选择三菱FR-A540作为本系统的变频器。
系统所用的单台水泵功率为2.2kW。
三菱FR-A540变频器的容量为0.4kW~7.5kW。
由于系统采用的是一台变频器只为一台电机提供电源，即一台变频器对应一台水泵，所以三菱FR-A540的功率以足够胜任。
并且三菱FR-A540变频器性能可靠，价格低廉，市场占有分额大，便于购买。
所以选择三菱FR-A540作为本系统的变频器。
三菱FR-A540变频器调制方式为PWM调制，控制方式为V/F控制，具有转矩提升，点动，制动与上位机通讯等功能。
变频器端子分布图如图2.6所示。
RU
SV
TW
PC
STF
STRA
STOPB
RHC
RMRUN
RLSU
JOGIPF
RTOL
MRSFU
RESSE
AU
CSFM
SDSD
10EAM
45
图2.6变频器端子分布图
在本系统中，PLC通过D/A转换模块将控制量通过“2”引脚（既电压输入）引入。
2.3LC的选择
空调变频控制系统选配的SIMATICS7-200PLC主要由CPU226模（24DI/16DO）、模拟量输入EM231模块（4AI）和模拟量输出EM232模块（2AO）三部分组成。
CPU模块采集输入信号，通过执行用户程序，刷新系统的输出。
输入和输出模块，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
S7-200系列PLC介绍：
S7-200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。
S7-200系列PLC具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性，强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。
S7-200系列的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。
所以它具有极高的性价比。
S7-200系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块.并可以将这些模块安装在同一机架上。
S7-200PLC的工作原理，PLC的循环扫描工作过程：
各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。
SiemensS7-200PLC的工作过程：
PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。
一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O刷新和外设端口服务五个工作阶段，一次循环所用的时间称为一个工作周期（或扫描周期），其长短与用户程序的长短以及PLC机本身性能有关，其数量级为毫秒级，典型值为几十毫秒。
PLC的循环扫描工作方式也为PLC提供了一条死循环自诊断功能。
PLC内部设置了一个监视定时器WDT，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期。
PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。
正常情况下，监视定时器不会动作，如果由于CPU内部故障使程序执行进入死循环，那么，扫描周期将超过监视定时器的定时时间。
这时，监视定时器动作，运行停止，以示用户。
1硬件电路设计
硬件电路主要实现：
信号采集，控制信号输出，水泵控制，故障报警等功能。
其原理框图如图3.1所示。
图3.1硬件电路原理框图
1.1PLC控制下水泵变频调速系统
该系统主要由变频器、PLC控制器、水泵、数量调节器、主接触等组成自动闭环控制系统。
图3.2系统工作于两种状态下的主回路
系统工作于工频和变频两种状态下的主回路。
系统开始工作时，首先将数显调节器根据所需室温设置好上、下限温度X2、X1，将其与PLC控制相连。
按下启动按钮，系统开始启动，此时热负荷为最大，PLC发出指令使1号水泵软启动并工作在变频状下，其过程为：
KM1吸合，延时t0秒后KM吸合，启动升速程序，按拟好的升速曲线控制变频器运行，频率逐渐上升直至设定值并稳定地工作在变频状态。
1.2输入输出点地址分配
表4输入输出地址分配表
模块号
输入端子号
输出端子号
地址号
信号名称
说明
CPU226
1
I0.0
1号启动
按钮
2
I0.1
1号停止
按钮
3
I0.2
2号启动
按钮
4
I0.3
2号停止
按钮
5
I0.4
3号启动
按钮
6
I0.5
3号停止
按钮
7
I0.6
紧急停车
按钮
8
I0.7
总启动
按钮
9
I1.0
控制温度+1
按钮
10
I1.1
控制温度-1
按钮
11
I1.2
1号电机故障
按钮
12
I1.3
2号电机故障
按钮
1
Q0.0
变频器给电
继电器
2
Q0.1
1号泵工频启动
继电器
3
Q0.2
1号泵变频运行
继电器
4
Q0.3
2号泵工频启动
继电器
5
Q0.4
2号泵变频运行
继电器
6
Q0.5
3号泵工频启动
继电器
7
Q0.6
3号泵变频运行
继电器
8
Q0.7
2号变频器给电
继电器
9
Q1.0
冷冻泵变频运行
EM231
1
AIW0
1号热敏电阻
PT100
2
AIW2
2号热敏电阻
PT100
EM232
1
AQW0
1号变频器
电压
2
AQW2
2号变频器
电压
4PLC控制中央空调变频调速系统的软件设计
系统软件由初始化程序、主程序和中断服务程序三部分组成。
主程序主要对存储区标志位、缓冲区、定时器和PID调节器进行初始化。
子程序由PID调节子程序和寻找最佳工作模式子程序组成。
通常情况下，变频调速系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。
每台电机都可以运转在工频和变频两种状态下，这由PLC系统根据需要进行切换控制。
可编程控制器用I/O扩展板接口分别接入A/D和D/A从模块。
A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器升速过程及降速过程。
需要注意的是，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。
系统是利用电压信号控制变频器，进而控制水泵转速和温度。
控制程序采用PID控制算法控制输出电压。
其中子程序SBR-0为1号变频器的电压控制参数；SBR-1为2号变频器的电压控制参数。
主程序OBI分别调用SBR-0，SBR-1子程序块传送PID控制参数。
定时中断0为每10毫秒中断一次，进入INT-0。
中断服务程序INT-0对2个变频器分别控制。
4.1PLC编程软件
该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表（STL）语言、梯形图（LAD）语言、功能块图（FWD）语言。
PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。
S7-200的编程语言是STEP7，它是用于S7系列PLC进行编程、调试的全新软件，不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，给调试工作也带来极大的方便。
STEP7软件的一个特点是调试功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程序非常有效。
4.2主程序设计
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。
图4.1初始化程序流程
梯形图程序
图4.2初始化程序梯形图
4.2.1冷冻水系统循环控制及PID调节程序
冷冻水系统由冷冻泵及冷冻水管道组成，从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，从而使房间内的温度下降。
图4.7冷冻水泵的闭环控制框图
4.2.2传送冷却水和冷冻水PID参数子程序
图4.8冷冻水系统PID调节程序梯形图
图4.9传送冷却水和冷冻水PID参数梯形图
4.2.3中断服务程序
图4.10中断服务程序流程图
图4.11冷却泵水温控制PID算法梯形图
图4.12冷冻泵水温控制PID算法梯形图
小结
在科技日新月异的今天，积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。
对落后的设备生产工艺进行技术革新
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