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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。

因此对中央空调的冷冻泵、冷却泵等进行了分析研究，设计出一套合理的高效节能方案，应用到实际的企业中，提高了工作的可靠性，长期运行降低了成本，对中央空调的改造有了很大的实际意义。

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。

绪论

1.1中央空调的简介

中央空调是企业中不可缺少的设备，其主要的控制方式为温度控制、冷水机组开/关机控制、报警控制、风柜控制系统控制、冷冻法控制等。

中央空调在我公司主要是对是设备进行冷却，以此保证设备能够有很好的散热，以及在稳定的温度内工作，使设备能够在最良好的工作环境内工作，保证生产系统能够很好的运行。

我们化纤公司对温度的要求比较严格。

因公司的生产效益，以及设备的使用、维护，对公司设备的要求相当高，且公司的大部分设备都是全年工作的，所以无论是冬天还是夏天，都要求设备工作在同一个温度中运行，所以对存放设备室温的要求也很高。

1.2本课题研究的目的及意义

中央空调是现代大型企业不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占企业总消耗的50%。

由于中央空调系统都是按最大负载并添加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行只有十几天，甚至只有十几个小时，几乎绝大部分运行都在70%以下运行。

对中央空调的节能研究、节能改造尤为重要。

主要是对冷却水泵和冷冻水泵做出相应的调节，已达到节能的目的。

近几年来在工业自动化，机电一体化，改造系统产业等方面，PLC得到广泛的应用。

学习，掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。

采用可编程序控制器（PLC）对中央空调控制系统进行改造，将具有节能降耗、提高功效显著的优点。

2.改造前中央空调的基本情况

2.1改造前中央空调的简介

中央空调系统设计时必须按天气最热、最冷、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，给设备造成影响，严重干扰设备的运行质量。

因为空调偏冷的问题经常使设备造成一些故障，处理这些故障给维修工造成很多的麻烦。

甚至因为这些故障造成停车，这样就对公司的生产进度有了推迟，影响公司的效益，给公司造成很大的损失。

2.2改造前中央空调的工作情况

2.3改造前中央空调存在的问题

节能改造的可行性分析

3.1中央空调的工作过程

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

1、 

中央空调系统简介

中央空调系统结构图

图一

3.2所需设备的选型

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的模拟量信号；

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-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。

4、 

改造需要增加的设备：

名 

称

数 

量

型 

号

PLC

1

FX2N-64MR

变频器

4

FR-F540-37K-CH

温度传感器输入模块

FX2N-4AD-PT

温度传感器

PT-1003850RPM/℃

模拟量输出模块

FX2N-4DA

转换开关

2

250V/5A

启动按钮

18

停止按钮

3.3泵的特性分析节能原理

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、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。

当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P（kw）可按下式计算:

P=ρQH/ηcηF×

10-2 

（1-2）

式中：

P：

电动机的轴功率（KW）

Q：

流量（m3/s）

ρ：

液体的密度（Kg/m-2）

ηc:

传动装置效率

ηF：

泵的效率

H：

全扬程（m）

调节流量的方法：

图二

如图二所示，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）

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,结合公司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。

节能改造中央空调控制系统的要求

4.1电气控制主电路的设计

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：

图三（冷却泵一次接线图）

图四（冷却泵二次接线图）

图五（冷冻泵一次接线图）

图六（冷冻泵二次接线图

5.变频技术

5.1变频器的简介

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。

5.2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。

5.3变频器的改造原理

下图为变频节能系统示意图

变频节能示意图

图七

1、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；

2、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。

5.4变频器参数的设定

三菱FR-F540-37K-CH变频器主要参数的设定

Pr.160 

:

0 

允许所有参数的读/写

Pr.1 

50.00 

变频器的上限频率为50Hz

Pr.2 

30.00 

变频器的下限频率为30Hz

Pr.7 

30.0 

变频器的加速时间为30S

Pr.8 

变频器的减速时间为30S

Pr.9 

:

65.00 

变频器的电子热保护为65A

Pr.52 

14 

变频器DU面板的第三监视功能为变频器的输出功率

Pr.60 

4 

智能模式选择为节能模块

Pr.73 

设定端子2－5间的频率设定为电压信号0～10V

Pr.79 

2 

变频器的操作模式为外部运行

5.5变频器与PLC组成框图.

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

1、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

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:

Y5:

2#冷却泵报警信号

Y6:

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

2、接线图：

图八

PLC与变频器接线图

6.中央空调PLC控制系统组成

6.1PLC的简介

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，有以下特点：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）定时准确，定时范围宽。

（5）体积小，耗电小。

（6）编程和接线可同步进行，扩展灵活，维修方便。

6.2PLC输入∕输出分配表

6.3　PLC的类型的选择

PLC的设计选型包括运算功能,控制功能,通信功能,编程功能,诊断功能和处理速度等特性的选择.选择PLC时,应考虑性能价格比.考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性,可操作性,投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出较满意的产品.输入输出点数对价格有直接影响.每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用.当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量,机架,母板等也要相应增加,因此,点数的增加对CPU选用,存储器容量,控制功能范围等选择都有影响.在估算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比.

在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

1.最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。

同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如：

应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3.力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4.适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

6.3.2西门子S7-200PLC

根据前面对龙门刨床PLC的输入/输出点分配的分析以及以后性能扩展的需要，选用德国西门子公司S7-200系列的cpu224型PLC。

SIMATICS7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

•极高的可靠性

•极丰富的指令集

•易于掌握

•便捷的操作

•丰富的内置集成功能

•实时特性

•强劲的通讯能力

•丰富的扩展模块

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

S7-200系列PLC一共有4个不同的基本型号的8种CPU可供选择。

本文根据需要只对cpu224型加以介绍：

CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

1个RS485通讯/编程口，