中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC設(shè)計

摘 要

本文針利用可編程控制器、模擬量擴展模塊、變頻器、溫度傳感器等代替?zhèn)鹘y(tǒng)再熱量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)中央空調(diào)水泵的變頻調(diào)速。通過對空調(diào)出口溫度進行檢測，變頻系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)中央空調(diào)水泵轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能目的。采用變頻技術(shù)控制中央空調(diào)水泵，是當前空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的有效途徑。

                            目 錄

變頻器的功用是將頻率固定（通常為工頻50Hz）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續(xù)可調(diào)（多數(shù)為0～400Hz）的三相（或單相）交流電。當頻率連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。又因為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低一些，所以，當連續(xù)可調(diào)時，也連續(xù)可調(diào)。由于磁極對數(shù)不同的異步電動機，在相同頻率時的轉(zhuǎn)速是不同的。所以，即使頻率的調(diào)節(jié)范圍相同，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍也是各異的，因此采用變頻和變極調(diào)速相結(jié)合的方法，可以大大提高變頻器的工作效率。

中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù)，電機可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速, 可將所有節(jié)流閥去掉, 使管道暢通，可免去節(jié)流損耗。通過改變電機轉(zhuǎn)速而改變水的流速, 從而改變水的流量，達到制冷機正常工作要求和平衡熱負荷所需冷量要求，達到節(jié)能目的。采用變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵是電機轉(zhuǎn)速的可調(diào)和可控。這種系統(tǒng)可由多臺水泵電機組成，其中只有一臺水泵處于變頻調(diào)速狀態(tài)，就可以達到節(jié)能目的。這種系統(tǒng)最大程度地節(jié)約了設(shè)備。電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)是由PLC控制器進行切換和控制。

中央空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍水和冷卻水兩個系統(tǒng)�，F(xiàn)在水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實現(xiàn)。

（1）冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

該方案在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)。

（2）冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制

該方案在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量。當中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，在保證中中央空調(diào)機組正常工作的前提下，達到節(jié)能增效的目的。

控制原理說明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的頻率，以控制電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負荷小，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能。

由于冷凍機組運行時，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進行不斷循環(huán)的。冷卻水進水出水溫差大，說明冷凍機負荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加大冷卻水的循環(huán)量；溫差小，則說明，冷凍機負荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。

中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)有多種，這里討論我們常見的兩種控制方案單片機控制和PLC控制。

單片機控制是根據(jù)環(huán)境溫度和中央空調(diào)的工況設(shè)定要求的冷卻水和冷凍水的回水溫度設(shè)定值，與單片機采樣由溫度傳感器給出的實際水溫值比較，經(jīng)PI運算后輸出4～20mA電流作為變頻器的輸入給定值，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速行程閉環(huán)控制。單片機輸出控制接觸器通，斷完成機組選擇控制，并在變頻器異常時檢測變頻器發(fā)出的故障信息，充分利用設(shè)備，使中央空調(diào)冷卻水水泵和冷凍水泵變頻調(diào)節(jié)性能達到理想的效果。

PLC先利用變頻器軟啟動1個水泵，開始變頻運行。其轉(zhuǎn)速由零逐步增加，水循環(huán)系統(tǒng)水壓升高，水量增大。安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管的溫度傳感器檢測出冷凍水回水溫度，把它送到變頻器，與變頻器設(shè)定的溫度作比較，通過變頻器內(nèi)部的PID運算，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。變頻器輸出的頻率同時輸入PLC，控制水泵電動機的投入與切出。通過負荷的變化調(diào)整水泵的工作狀態(tài)，達到理想的效果。

雖然用單片機控制比較簡單方便，但是其抗干擾能力差，故障率高，考慮到中央空調(diào)的適用的廣泛性，為了提高使用的可靠性，在這次設(shè)計中我們選擇用PLC控制中央空調(diào)水泵的變頻調(diào)速。

中央空調(diào)是由一臺主機通過風道過風或冷熱水管或管線連接多個末端的方式來控制不同的房間以達到室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)。中央空調(diào)的工作原理與家用一樣，都是利用冷媒的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達到制冷的效果，中央空調(diào)工作原理圖如圖2-1所示。

圖2-1 中央空調(diào)工作原理

工作原理：冷凍主機是中央空調(diào)的致冷源，從冷凍主機流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過各房間的盤管，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。冷卻水塔為冷凍主機提供冷卻水，冷卻水經(jīng)管道盤旋流過冷凍主機后，將帶走冷凍主機所產(chǎn)生的熱量，使冷凍主機降溫。

PLC是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。其作用是協(xié)調(diào)各機組與變頻器之間的電氣連接，通過接觸器與變頻器柜的繼電器和接觸器進行邏輯切換來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案。PLC的輸入信號有機組選擇信號、運行方式選擇信號、冷卻塔和主機開/關(guān)信號、冷凍泵和冷卻泵的起/停信號等。輸入信號經(jīng)程序運算，發(fā)出相應(yīng)的動作信號，經(jīng)微型繼電器及相應(yīng)的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，以及聲、光報警器件的動作。水泵機組都可運轉(zhuǎn)在工頻以下和變頻以下兩種狀態(tài)。這由系統(tǒng)根據(jù)實際需要進行切換控制。

可編程控制器用I/O擴展接口分別接入A/D和D/A模塊，A/D模塊通過PLC將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，D/A模塊將PLC輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量，以控制變頻器的升速過程及降速過程。

該控制系統(tǒng), 在任何狀態(tài)下, 只需一臺水泵電機處于調(diào)速狀態(tài), 其它電機可根據(jù)需要處于工頻狀態(tài)或停機狀態(tài), 就可實現(xiàn)熱交換從零至最大的控制過程。冷卻水、冷凍水系統(tǒng)可分別用一臺PLC控制器和一臺變頻調(diào)速器來控制。

空調(diào)變頻控制系統(tǒng)，依據(jù)水泵變頻曲線和系統(tǒng)曲線計算出最佳運行模式后，使n臺水泵在最佳頻率下運行。隨著用戶量的不斷變化,實際差壓值會經(jīng)常偏離設(shè)定值。為了徹底消除該水泵系統(tǒng)的剩余揚程，空調(diào)變頻系統(tǒng)將作進一步的PID調(diào)節(jié)，控制原理方框圖如圖2-2所示。

圖2-2 系統(tǒng)的控制原理圖

系統(tǒng)將差壓變送器的實時反饋值與目標設(shè)定值比較,其差值被送入PLC的內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過運算,輸出頻率信號對水泵進行調(diào)速，以達到消除差壓動態(tài)偏差的目的。

對中央空調(diào)冷卻水和冷凍水回水溫度進行檢測，然后將檢測溫度信號經(jīng)變送器和A/D轉(zhuǎn)換模塊反饋給PLC進行處理，再由PLC輸出通過變頻器控制冷卻泵和冷凍泵轉(zhuǎn)速，從而對溫度進行控制。

目前，對冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)分別進行調(diào)速的方案最為常見，節(jié)電效果也較為顯著。該方案在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量。當中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量。冷凍水系統(tǒng)也是如此。在冷凍水和冷卻水的回水管道上安裝溫度傳感器，只檢測回水溫度，然后經(jīng)過PLC的處理對變頻器實行控制。這樣可確保中央空調(diào)機組正常工作的前提下達到節(jié)能增效的目的。溫度傳感器可采用PT100熱電阻；A/D轉(zhuǎn)換模塊；PLC；D/A轉(zhuǎn)換模塊都選用西門子公司的產(chǎn)品，變頻器采用三菱公司的變頻器。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。

圖2-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算

I/O點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當?shù)挠嗔浚�通常根�?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%～20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商可編程控制器的產(chǎn)品特點，對輸入輸出電數(shù)進行圓整。本設(shè)計輸入點有15個，輸出點11個。

（2）存儲器容量的估算

存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字）。另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的可編程控制器內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲2000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。

（3）機型的選擇

通過對輸入/輸出點的選擇、對存儲容量的選擇、對I/O相應(yīng)時間的選擇以及輸出負載的特點選型的分析。并且根據(jù)轎廂樓層位置檢測方法，要求可編程控制器必須具有高速技術(shù)器，又因為電機是雙向運行的，所以可編程控制器還需具有可逆技術(shù)器。

綜合考慮后，本設(shè)計選擇SIEMENS公司生產(chǎn)的S7系列的S7-200可編程控制器。本文選配的SIMATIC S7-200 PLC主要由CPU226、模擬量輸入EM231模塊和模擬量輸出EM232模塊三部分組成。

3.2.1 模擬量輸入模塊選型（A/D）

模擬量輸入模塊的基本功能就是將輸入PLC的外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC所需的數(shù)字量，以供給主控模塊進行數(shù)據(jù)處理和控制。

模擬量輸入模塊可以直接與熱電偶，鉑電阻等溫度檢測元件相連，接受采自溫度傳感器的信號，溫度控制模塊實際上就相當于變送器和A/D轉(zhuǎn)換器。將生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度信號值傳送給PLC，經(jīng)過PLC處理后，通過模擬量輸出模塊輸出。這樣就可以實現(xiàn)溫度的自動控制。

EM231熱電阻模塊可以通過DIP開關(guān)來選擇熱電阻的類型，接線方式，測量單位和開路故障方向。連接到同一個擴展模塊上的熱電阻必須是相同類型的。改變DIP開關(guān)后必須將PLC斷電后再通電，新的設(shè)置才能起作用。

3.2.2 模擬量輸出模塊選型（D/A）

模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進制數(shù)字信號(如4095等)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出信號或0～10V，0～5V的直流電壓輸出信號，以提供給執(zhí)行機構(gòu)。

模擬量輸出模塊選用西門子公司的EM232模塊。數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換器（DAC）的12位讀數(shù)，其輸出數(shù)據(jù)格式是左端對齊的，最高有效位：0表示是正值數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)在裝載到DAC寄存器之前，4個連續(xù)的0是被裁斷的，這些位不影響輸出信號值。

3.2.3 溫度傳感器選型

溫度檢測用的主要是負溫度系數(shù)熱敏電阻，PTC和CTR熱敏電阻則利用在特定溫度下電阻值急劇變化的特性構(gòu)成溫度開關(guān)器件。PT100溫度傳感器的測量溫度范圍是：-50℃～450℃。

Pt100熱電阻隔離變送器：型號：RS3011。該產(chǎn)品是用PT100傳感器測量溫度的隔離變送器，在工業(yè)上主要用于測量-200~+500℃的溫度。變送器內(nèi)有線性化和長線補償功能，出廠時按照PT100國標分度表校正，完全達到0.2級精度要求。輸入、輸出和輔助電源之間是完全隔離（三隔離），可以承受2500VDC的隔離耐壓。因本設(shè)計需求，特選擇輸入溫度范圍為0～+100℃。

在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率。按連續(xù)恒負載運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量(kVA)的計算式計算：  

                                                   （3-1）

式中：—負載所要求的電動機的軸輸出功率，單位為W；

—電動機的效率(通常約0.85)；

—電動機的功率因數(shù)(通常約0.75)；

—電流波形的修正系數(shù)，對PWM方式，取 =1.05；

—變頻器的額定容量。

由于本系統(tǒng)所用的單臺水泵功率為2.2kW，取=1.05，=2.2kW，=0.85,=0.75，代入公式得：

1.05×2.2/0.85×0.75=3.62kW

三菱FR-A540系列變頻器的容量為0.4kW～55kW。由于本系統(tǒng)采用的是一臺變頻器只為一臺電機提供電源，即一臺變頻器對應(yīng)一臺水泵，所以根據(jù)計算得出，應(yīng)選擇三菱FR-A540-3.7K-CH的變頻器。功率：3.7KW（三相380V，50Hz）電流：9A

三菱FR-A540變頻器調(diào)制方式為PWM調(diào)制，控制方式為V/F控制，具有轉(zhuǎn)矩提升，點動，制動與上位機通訊等功能。

由于三菱FR-A500系列變頻器的輸入信號出廠設(shè)定為漏型邏輯。而S7-200PLC，CPU226DC/DC/DC的輸出均屬于源型邏輯。所以需要改變FR-A540變頻器控制邏輯，將其改為源型邏輯。在變頻器控制回路端子板的背面，把跳線從漏型邏輯位置轉(zhuǎn)移到源型邏輯位置。即將跳線從“SINK”位置移到“SOURCE”位置。由于本設(shè)計中PLC輸出晶體管是由外部電源供電。所以用變頻器SD端子作為公共端，以防止漏電流產(chǎn)生的誤差。系統(tǒng)總體電路圖見圖3-1。可編程控制器輸入輸出I/O口分配情況，見表3-1。

表3-1 輸入輸出I/O口分配表

在本系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號的輸入，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。PLC主程序流程圖如圖4-1所示。

圖4-1 初始化程序流程圖

主程序的梯形圖程序及相應(yīng)注釋如下所示

冷水機組進行熱交換，水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，是冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再降了溫的冷卻水，送回到冷水機組。如此不斷循環(huán)，帶走冷水機組釋放的熱量。

由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單側(cè)水溫不能準確地反映冷凍機組產(chǎn)生熱量的多少。所以，對于冷卻水泵，以進水和回水的溫差作為控制依據(jù)，實現(xiàn)進水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；反之則應(yīng)該降低轉(zhuǎn)速。冷卻水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序梯形圖如下所示

冷凍水系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成，從冷水機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在個房間內(nèi)進行熱交換，帶走房間內(nèi)熱量，從而使房間內(nèi)的溫度下降。

在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時頻率無極上調(diào)。冷凍水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序梯形圖如下所示。

冷卻水PID子程序為SBR-0，冷凍水PID子程序為SBR-1。其梯形圖如下所示。

中斷服務(wù)程序流程圖如圖4-2所示。

圖4-2 中斷服務(wù)程序流程圖

冷卻泵、冷凍泵水溫控制PID算法梯形圖如下所示。

（1）冷卻泵3號備用電機通電試運行

系統(tǒng)首次啟動，為檢測3號備用電機運行情況，將其工頻運行10分鐘后停止。見圖5-1，圖5-2。

圖5-1 冷卻泵3號備用電機工頻啟動10分鐘

①按下I0.7，Q0.0、Q0.7得電。1號變頻器和2號變頻器得電。

②按下I0.7，M2.0得電、自鎖。

③常開觸點M2.0閉合，Q0.5得電、自鎖。3號電機工頻啟動。常開觸點M2.0閉合，定時器T37通電計時。

圖5-2  冷卻泵3號備用電機停止

①10min（600S）后常開觸點T37閉合，M2.4得電，M2.0被復(fù)位。

②常閉觸點M2.4斷開，Q0.5失電，3號電機停止。常開觸點M2.0斷開，定時器T37停止計時。常開觸點T37斷開。

（2）1、2號電機啟動運行

按下I0.0，Q0.1得電，自鎖。1號電機工頻啟動。如圖5-3所示。

按下I0.2，Q0.3得電，自鎖。2號電機工頻啟動。如圖5-4所示。

圖5-3  冷卻泵1號電機工頻啟動

圖5-4  冷卻泵2號電機工頻啟動

（3）冷凍泵啟動

當1號、2號冷卻泵啟動后，冷凍泵啟動。

按下I0.0，I0.2，Q1.0得電，冷凍泵啟動。如圖5-5所示。

圖5-5 冷凍泵電機工頻啟動

本文闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)自動化控制和節(jié)能設(shè)計的基本思路和方法，介紹了交流電動機變頻調(diào)速的特點，在中央空調(diào)變頻調(diào)速中應(yīng)用了PID算法，對系統(tǒng)的主回路和控制回路的硬件應(yīng)用進行了詳細介紹，完成硬件和軟件的設(shè)計，通過模擬量檢測電路檢測冷凍水和冷卻水的溫度，并經(jīng)過分析處理后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC。PLC經(jīng)過PID算法分析計算后，控制變頻器輸出頻率，以控制電機轉(zhuǎn)速。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，PLC主模塊及擴展模塊的選擇能滿足系統(tǒng)的需要，輸入、輸出點數(shù)留有一定的裕量，以滿足系統(tǒng)擴展的要求。模擬量采集采用PT100和變送器組合，通過EM231與PLC相連，在可靠性，精度方面都能達到要求。由于邏輯功能通過軟件實現(xiàn)，從而減少了大量的中間連線，完善了連鎖保護功能，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。因此系統(tǒng)具有開放性好、可擴充能力強、可靠性高、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。

本課題主要是對空調(diào)出口溫度進行檢測，采用變頻器調(diào)節(jié)中央空調(diào)的轉(zhuǎn)速，使其高效運行，達到節(jié)能的目的。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，并且采用PLC和PID調(diào)節(jié)對系統(tǒng)進行自動控制，可以大大節(jié)約電能，對系統(tǒng)的起動特性和運行特性都有很大的改善。并且頻率下調(diào)后，電機避免了長期高速的運行，有效地延長了電機和機組的壽命。

本課題具有較好的實用價值和發(fā)展前景，值得進一步的研究和完善。