毕业论文设计：PLC、变频器在中央空调冷却水泵节能循环控制中的应用.doc

毕业论文设计：PLC、变频器在中央空调冷却水泵节能循环控制中的应用.doc

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本科生毕业论文

（2012届）

学生姓名张公平

院（系）武汉理工大学独立本科段

专业机电一体化

学号014210110813

导师祁小波王生软

论文题目PLC、变频器在中央空调冷却

水泵节能循环控制中的应用

摘要

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%~14%,并且在冷冻主机低负荷运行中,其耗电更为明显,冷冻水、冷却水循环用电约达30%~40%。

因此对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调节能改造的重要组成部分。

本文着重介绍PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用。

中央空调采用变频调速技术,使电机在很宽范围内平滑调速,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,达到制冷机的正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求,从而达到节能的目的,电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制的。

关键词：

PLC变频器冷却水泵节能

ABSTRCT

Inthetraditionalcentralairconditioningsystem,freezingwater,coolingwatercirculationelectricityaccountsforabout12%~14%oftheelectricitysystem,andinthefrozenhostlow-loadrunning,thepowerconsumptionismoreapparent,freezingwater,coolingwatercirculationelectricityabouttoreach30%~40%.Sotofreezingwater,coolingwatercirculationsystemofenergyautomaticcontroliscentralairconditioningisanimportantpartoftheenergysavingtransformation.ThispaperintroducesthePLC,inverterincoolingwaterpumpenergysavingcirculationapplications.Thecentralairconditioningbyinvertertechnology,makemotorinawiderangesmoothspeed,canremovetheentirethrottle,makethepipelineflow,canfreethrottlingloss.Throughthechangethemotorspeedandchangeinwatervelocitytochangetheflowofwatertothenormalworkofthechillerrequirementsandheatloadbalancerequiredcoldquantityrequirements,soastoachievethepurposeofsavingenergy.ThemotorisvariablefrequencyspeedregulationsystembyPLCcontrollerandthecontrol

oftheswitch.

Keywords:

PLCconvertercoolingwaterpumpenergysaving

引言

经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。

对中央空调控制系统运行效果的优劣评价标准也随着时代发生了很大的变化。

早期的中央空调系统的运行效果好坏取决于是否够“冷”。

如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。

新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造以实现节能、舒适的目的。

传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。

无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。

近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。

而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用已经成为越来越多空调的经营管理者所关注的问题。

故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。

寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系统成为当务之急。

本文所研究的基于Profibus网络的中央空调变频节能控制系统即是在这样的背景下进行的。

其对冷冻和冷却水系统实施变频调速技术，可以根据负荷变化情况适时降速或增速，提高了系统自动化控制水平，避免长期固定在工频运行。

这样不仅可以节能增效，而且利于营造恒温舒适的环境，减轻设备机械磨损，易于维护，降低生产成木。

Profibus现场控制网络的引入，实现了变频器、PLC等设备之间的可靠通讯，并为工业网络与企业网络的无缝链接做准备，管理者不必亲临现场就可对机房运行情况实施监控。

武汉理工大学本科毕业论文

目录

第一章绪论

1.1本课题的研究背景及意义 1

1.2PLC、变频器在冷却水泵节能方面研究现状 1

1.2.1本课题在国内外的现状 1

1.2.2本课题在国内外的发展趋势 2

第二章理论分析 3

2.1中央空调系统的一般结构与工作原理

2.2中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理 3

2.3中央空调系统的节能原理 5

2.4水泵的变频节能原理 6

2.5水泵的变频节能改造方案 6

2.5.1节能改造方案选择 6

2.5.2主电路控制方案 7

2.5.3空调系统水泵变频中注意问题 8

2.6变频控制系统的硬件构成 9

2.7PLC控制冷水机组的原理 11

2.7.1PLC控制系统方案 11

2.7.2PLC控制系统的其他特点 13

2.7.3主要部分PLC程序设计：

13

2.7.4人机界面设计 14

2.8冷却水系统使用变频器节能计算 16

2.9设备选型方案 18

2.9.1PLC的选型 18

2.9.2变频器的选型 18

2.9.3PLC的输入输出模块选型 19

2.9.4温度传感器选型 19

第三章总结与展望

3.1总结 20

3.2展望 20

致谢 21

参考文献 22

第一章绪论

本章首先简单介绍了本课题的研究背景和发展现状、研究意义，然后对PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用近年来国内外的研究进行了分析，最后介绍了本文的主要研究内容。

1.1本课题的研究背景及意义

《PCL、变频调速技术在中央空调冷却水泵系统中的应用》针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研究，现如今的社会，讲究环保、节能、可持续发展，如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题，空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分，随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。

但是中央空调的能耗非常大，约占整个建筑总用电量的60%-70%。

对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。

由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20设计余量，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，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。

[1]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调节，存在很大的浪费。

水泵系统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，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。

再因水泵采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3～4倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、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。

综上，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。

1.2PLC、变频器在冷却水泵节能方面研究现状

1.2.1本课题在国内外的现状

中央空调在正常运行时，需要根据室内外的工作环境温度、使用空调的空间大小和设定的温度、冷却水温度的变化量等变量的变化，不断调整自身的运行状况，从而实现既能保证空调的舒适性又能尽量降低能耗的双重目标。

故此，中央空调的控制系统对于一个空调的性能起了至关重要的作用。

大部分中央空调的冷水机组基本都是由人工设定的钟控装置控制，系统定时启动和定时关闭，每天长时间全开或者全关，轮流运行，这样对电网频繁的冲击，不仅恒温效果不佳，让人感到不舒适，同时也浪费了大量的电能，工程设计人员进行空调系统节能控制方面的研究，在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行控制管理办法，，因为得到了广泛的应用。

1.2.2本课题在国内外的发展趋势

变频节能空调近几年来成为我国空调市场上的新宠，拥有变频调速系统的中央空调能够通过温度反馈改变电机的转速使制冷量和环境达到一个平衡，具有更节能、更舒适、更环保的特点。

变频空调在日本的市场占有率已超过90%以上，在欧美等发达国家的市场占有率也超过50%。

2009冷年以来，变频空调在我国国内市场的发展更是日新月异，销售增速达56.24％,销量已占空调总销量的17.33％。

据有关专家预测,2010冷冻年度变频空调市场份额有望达25％。

据统计，我国电动机装机总容量约4亿多KW，其用电量占当年全国发电量的60%～70%，而风机、水泵设备装机总功率达1.6亿KW，年耗电量3200KW·h，约占当年全国电力消耗总量的1/3。

而应用变频器节电率一般在20%～60%，投资回收期1～3年，经济效益相当可观。

所以大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质量重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。

第二章理论分析

2.1中央空调系统的一般结构与工作原理

中央空调系统一般主要由制冷压缩机系统、冷媒（冷冻和冷热）循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等组成。

其工艺结构流程图如图2.1所示，在图2.1中制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂（冷媒介质如R134a、R22等）压缩成液态后送蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。

冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。

冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。

在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵（在夏季称为冷冻水泵）将常温水

泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层

图2.1中央空调系统工艺结构流程图

的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。

理解中央空调系统工艺流程对于节能改造的实现至关重要，从因果关系角度上看，冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统均是主压缩机系统的从动系统。

当主压缩机系统的负荷发生变化时，对冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔需求的冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有节能改造的必要前提条件，才有实现“按需分配”控制方案的可能。

2.2中央空调冷水机组系统的组成以及工作原理

用水特点在供水系统中，用户抽用的水是消耗掉的。

它并不回到水泵的进水口，对拖动系统毫无反馈作用。

在供水系统中，当通过改变转速来调节流量时，扬程也随之改变，并且，扬程是和转速的平方成正比。

功率与扬程和流量的乘积成正比，而流量和转速成正比，因而功率与转速的三次方成正比：

Q1／Q2=nl／n2。

在循环水系统中，所用的水是并不消耗的，从水泵流出的水又将流回水泵的进口处，并且回水本身具有一定的动能和位能，将反馈到水泵的进水口。

在通过改变转速来调节流量时，扬程并无变化。

更准确地说在循环水系统中，用扬程来描述水泵的做功情形是不够准确的。

功率与扬程和流量的乘积成正比，流量和转速成正比，此处扬程不变。

所以，在循环水系统，水泵的功率是和转速的平方成正比。

由上式可知，在中央空调循环系统中，当循环泵转速下降1／2时，流量下降1／2，功率下降1／4，即功率与转速成2次方的关系下降。

如果不用关小阀门的方法，而是把电机的转速降下来，那么随着泵的输出压力的降低，在输送同样流量的情况下，原来消耗在阀门上的功率就可完全避免。

在不装变频器时，泵的出口流量靠阀门控制调节，流量小时，靠关小阀门调节，增加了泵管压差，使部分能量白白消耗在出口阀门上。

使用变频器后，可以降低泵的转速，泵扬程也相应降低，电动机输出功率也降低了，从而消除了原来消耗在泵出口阀门上的管压差。

例如：

将供电频率由50/Hz降为40Hz，则P40/Pso=（40/50）2=0.640，即P加=0.640×P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为30Hz，则P30／Pso=（30/50）2=0.36，即P30=0.36×P50（P为电机轴功率）。

由以上内容可以看出，用变频器进行流量控制时，可节约大量电能。

而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失，而且由于对空调的调节是阶段性的，造成整个空调系统工作在波动状态；而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸地解决该问题，还可实现自动控制，并可通过变频节能收回投资。

同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。

根据负荷变化的反馈信号经PLC进行PID调节与变频器组成闭环控制系统，使泵的转速随负荷变化，这样就可以实现节能，尤其在北方地区，春、秋两季及早晚温差较大，变频调速节能的效果更加显著。

2.2中央空调冷水机组系统组成

图2.3制冷压缩机系统的原理图

由图2.2可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即冷却水循环系统和冷冻水循环系统，压缩机（图2.3）不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换，制冷剂放热后变为高压液体，通过热力膨胀阀后，液态制冷剂压力急剧下降，变为低压液态制冷剂后进入蒸发器，在蒸发器中，低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开始新的一轮制冷循环。

而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换，降温后的冷却水重新流入冷冻主机开始下一轮的循环。

2.3中央空调系统的节能原理

中央空调系统按负载类型可分为两大类，①变转矩负载:

如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水泵类负载;②恒转矩负载:

如主制冷压缩机系统。

不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立:

n1/n2∝q1/q2,h1/h2∝（n1/n2）,p1/p2∝（n1/n2）,其中，n、h、q、p分别表示转速、流量、扬程、轴功率。

它们之间的关系曲线如图2.4所示。

由式

（1）可知，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%，同时，轴输出功率下降到额定值的35%。

从图2.4中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小。

在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50%时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13%。

这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。

图2.4流量、扬程、功率三者间的关系曲线图

2.4水泵的变频节能原理

中央空调进行热交换的大小由冷冻水的流量控制，通常采用的流量控制方法有阀门控制和调述控制[4]。

阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量，如果采用调速控制，冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定，电机的耗电量决定于电机的输出功率，输出功率与电机转速的立方成正比，而电机转速与供电频率成正比，所以电机转速稍有下降，即稍微降低供电频率，输出功率将大幅度下降，若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整，电机的功率将大大减少，从而显著节约电能。

2.5水泵的变频节能改造方案

2.5.1节能改造方案选择

（a）冷却水系统（b）冷冻水系统

图2.5循环水系统

冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。

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，然后再将降了温的冷却水送回到冷冻机组。

回水的温度将高于进水的温度，形成温差，所以对于冷却泵，通过检测进水和回水的温度差来实现恒温差控制是可行的。

温差大，说明冷冻机组产生的热量大，可以提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。

从冷冻主机流出的冷冻水流经所有的房间后回到冷冻主机。

无疑，回水的温度将高于出水的温度，形成温差。

出水管和回水管上装有检测温度的变送器。

与PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制泵的转速也是可行的，回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。

反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。

变频控制原理图如图2.6所示

图2.6中央空调变频控制原理图

2.5.2主电路控制方案

一台变频器控制一台水泵，首先“1号泵”启动，进行变频控制，当“1号泵”变频器的输出已经上升到50HZ，而温差仍高于设定值时，“2号泵”启动并升速，使“1号泵”和“2号泵”同时进行变频控制。

而“1号泵”变频器的输出频率下降到下限频率30HZ时，“2号泵”减速并停止运行，系统又进入到由“1号泵”单独进行变频控制[7]。

为了平衡两台水泵的工作情况，可以进行切换，使两台水泵轮流担任主泵。

2.7变频节能系统组成框图：

图2.7变频节能系统组成框图

2.5.3空调系统水泵变频中注意问题

在某些中央空调系统中,没有考虑冷冻水、冷却水系统各自的特点而都选择了采用供、回水压差或压力作为变频控制的信号源,结果在运行中发现冷却水泵的频率基本上总是维持在50Hz,从而使冷却水泵的变频形同虚设。

我们知道,在冷冻水系统中,随着空调负荷的减少,由于管路上一些阀门的开度自动发生变化,使冷水机组供、回水管路上的压力（差）也随之变化,且随动关系较为紧密;而在冷却水管路中,由于没有设置与空调负荷密切相关又能自动调节压力的装置,使得管路中的压力与空调负荷之间不存在直接的自动依变关系,因此,尽管空调负荷变化了,冷却水管路中的压力也不会跟着变化。

可见,在现有的冷却水系统中,要实现冷却泵的变频控制,压力发信方式是不起作用的,最好是采用冷却水温度或温差发信方式。

（1）节能效果的好坏完全取决于操作人员的技术水平、经验和素质。

由技术水平高、经验丰富的操作人员进行调整,其效果往往较好;反之,则效果就较差。

同时,操作人员的责任心也对节能效果有很大的影响:

有高度责任感的操作人员可随时根据需要调整水泵转速,从而取得较好的节能效果无责任感的则可能不采取任何措施,或者始终让水泵运行在低于额定值的某一个转速,其节能效果自然较差。

因此,在部分负荷时,手动控制也能取得一定处。

（2）控制不及时,且始终受操作人员操作时间间隔长短的影响。

由于操作人员不可能时时刻刻对系统的工作状况进行监测并及时采取相应的措施,使得系统所需要的水流量与实际所提供的水流量之间仍然存在差异,势必影响系统的节能效果,严重时还导致系统不能正常工作。

对负荷变化比较大的中央空调系统,可能在某个时刻负荷较小,水泵运行在较低的转速下面;当负荷升高时,如果操作人员没能及时监测到这一状况而没采取提速措施,就会引起冷水机组的工况恶化而可能造成保护性停机（如冷却水不足导致冷凝压力过高停机等）。

据笔者了解,目前各单位中央空调运行管理操作人员均为每1小时或2小时填写一次记录表,而且操作人员往往只在填表的时候才会观察系统的工作状况,其它时间内一般不会去巡视,因此这一问题应引起特别关注。

（3）控制参数与控制依据不明确很显然,根据何种运行参数来控制水泵的转速在这种控制方式中得不到具体体现,其控制依据仅仅是操作人员自己的经验。

而对于不同的人,判断空调负荷的方法也可能各不相同（如有的按温度或温差判断,有的则按压差或压力判断,还有的按冷水机组显示的负荷百分比或电流值判断等等）,由此必然引起判断结果的差异,进而造成控制依据的不统一和混乱,必然会影响其效果。

笔者认为,既然已经为水泵配置了变频调速装置,其控制最好是采用自动的闭环控制方式,这样成本增加并不多、实现起来也不困难,