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国家职业资格全省统一鉴定
维修电工技师论文
（国家职业资格二级）
论文题目：
PLC和变频器在中央空调系统中的节能应用
姓名：
张华生
身份证号：
441422196912251612
准考证号：
所在省市：
广东省广州市
所在单位：
广州市微至物业管理有限公司
2017年12月5
一、摘要
本文介绍了我公司中央空调系统原控制方式是传统的接触器和继电器控制，不能跟随外界的气候和温度及负载变化而作出对空调主机全自动调节控制，特别是在部分负荷时固定冷却水流量或采用截止阀对水流量进行调节时将严重影响中央空调系统的运行质量及其能源的浪费，后来领导要求对其各个空调循环系统进行改造，本文着重探讨运用PLC和变频技术对中央空调冷却水采用变水量节能控制方案以及利用变频技术改变水泵电机转速来调节流量和压力的变化取代阀门控制流量，促进整个中央空调各个循环系统的得到优化，达到了全自动智能控制中央空调系统的目的，能取得了良好的效果及经济效益。
二、关键词
PLC、变频器、中央空调、系统改造
三、主要内容
中央空调系统是现代社会企业特别是现代物业大厦，宾馆商场不可缺少的配套设施之一，它能给人们带来四季如春，温馨舒适的每一天，它是企业比较重要的动能设备之一，由于中央空调功率大，电能消耗非常大，加上设计上存在“大马拉小车”的现象，使得中央空调所用电费成为企业一项巨大的开支，能耗约占企业动能设备总用电量消耗的40-50%。
由于因为季节和昼夜的变化，宾馆酒楼客人入住率的变化及娱乐场所开放时间变化，这样大厦所需要冷量具有很明显的需求变化，而传统中央空调并不能监测环境的变化而调节自身的能耗，
在实际工作中发现，中央空调系统系统中冷水机组在满负荷情况下运行的时间并不多，而绝大部分时间的负荷都是在55%—75%之间运行。
通常冷水机组的负荷使用量都是能根据末端负载的使用量和使用条件对冷水机组进行负载自动调节，但在中央空调系统系统中与冷水机组配套使用的冷水循环泵、冷却循环泵却不能自动调节其负载，只要中央空调系统运行，其长期处在100%负载下运行，对中央空调系统的运行环境和运行质量造成不良影响，同时也造成了能量的极大浪费。
随着PLC、变频技术的日益成熟，有效利用PLC、变频器、数模转换模块、温度模块、温度传感器等器件的有效结合，可以很好的构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出功率和流量，达到既可以自动控制水泵又节能的目的。
四、改造前：
广州市华以泰国际大厦概况
广州市华以泰国际大厦空气-水系统的中央空调在2008年安装投入使用，空调运行方案采用并联供冷模式。
华以泰国际大厦是一座三十层综合大楼，地下室设备层至天面118米，空调面积大约30000㎡。
采用全集中供冷。
4.1空调系统主要设备：
（1）螺杆式冷水机组YKEPEPQ65CMG/XD22（1758KW）两台,YEWS200SA50DL（695KW）一台；
（2）末端设备336台盘管风机；冷冻水泵KTZ200-150-320A（45KW）三台，KTB125-100-320（22KW）二台
（3）冷却水泵KTB150-125-410A（55KW）三台，KTB125-100-410A,（37KW）二台。
（4）冷却塔KT-300（7.5KW）二台KT-150（4KW）一台，进水压头5～7米）。
4.2空调设备连接方式：
（1）冷冻水系统管路
冷冻水泵与冷水机组蒸发器采用压入式连接，单级泵管路，与冷水机组一一对应配置，具有送回水干管。
层间水平管有限流装置调节层间流量。
（2）冷却水系统管路
冷却水泵出口接冷水机组冷凝器进水端，单级泵管路，与冷水机组冷却塔一一对应配置，具有回水干管。
冷却塔之间设均压管同一水位运行。
4.3中央空调系统存在的问题
中央空调系统在设计时都是根据建筑面积、当地气候、最大负载量来设计的，且预留有10%—20%左右的设计余量。
其中冷水机组是可以根据负载变化而随机自动进行加载或减载操作，而冷水泵和冷却泵却不能随着负载变化做出相应的调节，这样冷水泵和冷却泵系统就跟随中央空调系统运行，一直处于大水流量、小温差、满负荷运转的状态下运行，造成了水泵做功的极大浪费和电能消耗。
而且冷冻水、冷却泵的启动方式均为Y—△启动，电机的启动电流为其电机额定电流的3—4倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命缩短，同时启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象容易对机械部件、轴承、轴封、阀门和管道等造成损坏，从而增加维修工作量和配件费用。
由于冷水泵输送的冷量不能跟随中央空调系统负载的变化而改变，其热力工况的平衡只能由人工去调整冷水机组的出水温度，用其大流量来掩盖其小温差，这样不仅浪费大部分能量，同时也恶化了系统的运行环境和运行质量，特别是在环境温度偏低时，及一些末端设备温控出现故障或灵敏度下降时，将会导致末端设备出风温度不正常，感觉不适，严重干扰中央空调系统的运行质量。
在水系统方面由于定水量系统控制简单，但节能效果差，多用于生产工艺对系统稳定运行性要求高的场合；变流量系统节能性能好，但控制相对复杂，目前空调系统的负荷变化较大，多采用变流量控制。
变速变水量系统采用变频调速技术改变水泵转速而实现水流量调节的水系统。
空调系统在实际使用过程中，满载运行时间较短，负荷降低时主机能量调节自行卸载，若配套的水泵相应流量能随之减少，水泵能耗就能大幅度降低。
采用变频调速技术，就能改变水泵转速能实现水流量自动调节，取得节能的效果。
变水量系统特点：
保持供水温度在一定范围内，当负荷变化时改变供水量，适应空调主机对循环水量的需要。
变频装置闭环控制方式需要供回水温差进行流量控制，自控系统比定水量控制复杂。
变水量管路系统的扬程损耗，有可变扬程损耗和固定扬程损耗两部分。
输配
管网产生的扬程损耗是可变损耗。
它随着末端流量变化而成平方倍变化，因此管路系统总的扬程损耗也是随流量而变化。
通常多泵并联运行时，水泵应采用相同型号，变水量运行需同频控制，以减少对相邻机组之间的影响。
针对原中央空调系统冷却水泵定速运行的特点，探讨了控制阀门开度、切削叶轮、更换水泵、变频控制等节能方式。
节能改造选定在流量与扬程均有富余的冷却水系统，采用变频控制方式，由变频器闭环控制系统自动调节冷却循环水的流量，在满足空调主机系统冷却需要的前提下，达到节能的目的。
为降低改造成本，在定速变水量控制的基础上，加入一套变频控制装置用闭环控制方式，在空调系统供冷的级差之间跟踪调节，变水量控制能覆盖空调运行全过程。
单台冷却水泵节电率达20%-40%之间。
在水泵与冷水机组一一对应配置分级控制的水系统尤为实用。
经过共同研究与探讨后，向领导提出利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等够成一个利用温差来实现对冷水泵、冷却泵的自动调速系统，对这两个循环系统进行改造，以提高循环系统的使用功能，也可以降低部分运行成本。
在2015年初择机在停机维护期间对其循环系统进行改造。
五、改造后
5.1改造方案：
通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成温差闭环自动控制系统，根据负载变化自动调整循环泵的运行频率，可以大大降低因人为因素造成的误操作。
虽然一次投入成本较高，但这种方法在社会上已被广泛应用，实践证明是切实可行的方法。
在中央空调系统系统设计中，冷水泵和冷却泵的装机容量是取系统满负荷再加10%—20%的余量设计的。
有统计数据显示，在传统的中央空调系统中，冷水泵和冷却泵的运行成本占整个空调系统的10%—25%左右，而在冷水机组处于低负荷运行时，其循环系统的运行成可以想而知就更高了，因此实施对冷水、冷却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部分。
5.2方案实施
根据具体情况同时考虑到改造成本的控制，原有的电器元件尽量利用。
冷水、冷却泵都是采取两用一备的运行方式，因主用泵都处于长期运行状态，为了不影响其使用寿命，将备用泵与两台主用泵进行轮流切换运行，切换周期为半个月一次，与主机切换时间一致。
利用原有电器元件，通过接触器、按钮、转换开关进行相关电气互锁，确保每台水泵只能由一台变频器控制运行，避免两台变频器同时控制一台水泵，造成短路事故，并且每台变频器在任何时间只能控制一台水泵，避免一台变频器同时控制两台水泵，造成变频器过载。
六、主要设备选型
6．1考虑到设备运行的稳定性及性价比，以及水泵电机的匹配，选用了三菱FR-F540-55K-CH变频器；PLC所需要I\O点数为:
输入24点、输出14点，考虑输入输出需要留一定的备用量，以及系统的可靠性和价格因素后PLC选用三菱FX2N-64MR；温度传感器模块选用：
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），接收来自冷水泵和冷却泵进出水温度传感输出的模拟信号，温度传感器选用：
PT-1003850RPM\℃电压型温度传感器，其额定温度输入范围是100-6000℃电压输出0-10V，对应的模拟数字输出100-6000；模拟量输出模块为：
FX2N-4DA，是4通道D\A转换模块，每个通道可以单独设置电压或电流输出，是一种具有高精度的输出模块。
6．2改造所需增加的设备：
名称数量型号
PLC1FX2N-64MR
变频器4FR-F540-55K-CH
温度传感器输入模块1FX2N-4AD-PT
模拟量输出模块1FX2N-4DA
温度传感器4PT-1003850RPM\℃
转换开关2250V-5A
启动按钮18250V-5A
停止按钮2250V-5A
七、变频器系统示意图：
45KW变频器
45KW变频器
D\A转换模块
三菱PLC控制器
冷却进水温度
冷却出水温度
温度模\数转换
M4
冷水进水温度
冷水出水温度
M3
M2
M1
55KW变频器
55KW变频器
冷水泵变频系统冷却泵变频系统
7.1对冷水泵进行变频改造
控制原理:
PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷水机组的回水温度和出水温度读入PLC，并计算出两者温度差值，根据冷水机组的回水与出水温度差值来控制变频器的输出频率，调节水泵的出水流量，控制热交换的速度，温差大，说明大厦内温度高，系统负荷大，应该提高冷水泵的转速，加快冷水的循环速度和流量，加快热交换速度；反之温差小，则说明大厦内温度低，系统负荷小，可降低冷水泵的转速减缓冷水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能。
7.2对冷却泵进行变频改造
由于冷水机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水循环带到冷却塔散热降温，再循环回到冷凝器进行不断循环。
冷却水进水水温温差大，说明冷水机组负荷大，需要冷却带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明冷水机组负荷小，需要带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。
7．3三菱FR-F540-55K-CH变频器参数的设定
Pr.160
0
允许所有参数的读\写
Pr.1
50.00
变频器上限频率为50Hz
Pr.2
30.00
变频器下限频率为40Hz
Pr.7
30.0
变频器的加速时间为30秒
Pr.8
30.0
变频器的减速时间为30秒
Pr.9
70.00
变频器的电子热保护为70A
Pr.52
14
变频器PU面板的第三监视功能为变频器输出功率
Pr.60
4
智能模式选择为节能模式
Pr.73
0
设定端子2—5间的频率设定为电压信号
7．4I\O分配表:
X0
1#冷却泵报警信号
Y2
冷却泵自动调速信号
X1
1#冷却泵运行信号
Y3
冷水泵自动调速信号
X2
2#冷却泵报警信号
Y4:
1
1#冷却泵报警信号
X3
2#冷却泵运行信号
Y5:
2
2#冷却泵报警信号
X4
1#冷水泵报警信号
Y6:
1
1#冷水泵报警信号
X5
1#冷水泵运行信号
Y7:
2
2#冷水泵报警信号
X6
2#冷水泵报警信号
Y10:
1
1#冷却泵启动
X7
2#冷水泵运行信号
Y11:
1
1#冷却泵变频器报警信号复位
X10
冷却泵报警复位
Y12:
2
2#冷却泵启动
X11
冷水泵报警复位
Y13:
2
2#冷却泵变频器报警信号复位
X12
冷却泵手\自动调速切换
Y14:
1
1#冷水泵启动
X13
冷水泵手\自动调速切换
Y15:
1
1#冷水泵变频器报警信号复位
X14
冷却泵手动频率上升
Y16:
2
2#冷水泵启动
X15
冷却泵手动频率下降
Y17:
2
2#冷水泵变频器报警信号复位
X16
冷水泵手动频率上升
X17
冷水泵手动频率下降
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#冷水泵启动信号
X25
1#冷水泵停止信号
X26
2#冷水泵启动信号
X27
2#冷水泵停止信号
八、改造后调试
8．1改造设备安装完毕后，将编好的程序写入PLC中，设定好变频器参数，在设定参数时要注意PLC与变频器间的通讯设置，如果没有设置正确将无法完整正常通讯控制。
最后检查电器部分并按步骤通电调试。
8．2投入时运行时，在人为减少负荷，冷水泵频率自动降到30Hz时，冷水机组故障停机，经检查是由于冷水泵水流开关动作引起，造成无水流信号给冷水机组，使机组保护停机，维修水流开关后恢复正常。
8．3当只一台机组时，冷冻泵运行在35Hz时，（首次设定频率下限为35Hz）发现大厦内末端设备有不同水流量现象或高或低，不能满足冷量需求。
经过现场分析，虽然冷水循环为垂直及水平同程系统，各负载管道水阻几乎相等，但由于管道最远处达150多米，部分管道保温有破损或保温效果不佳的地方，冷水沿程的冷量损失较大，最后将冷水管道进行保温层修补或更换，冷水泵频率下限调整至30Hz，经几次调整后，检测各点工作状态达到理想要求。
九、结束语
本次改造虽然投入不少，但由于改造得成功，近两年来的运行整个中央空调循环系统运行稳定，在运行成本方面也有很大程度的降低，为公司节约成本。
同时，通过这次改造工程是自己在很大程度上学到很多东西，在科技发展快速的今天，我们积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们应尽的社会责任，对落后的生产设备和工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造更好的经济效益，对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。
参考文献
1、《三夌FX/2N可编程序控制器操作手册》
2、《可编程序控制原理与应用》
3、《通用变频器及应用》
4、《电工新技术教材》
5、《空调设计》
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