基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计

基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计摘要本文针对中央空调的节能问题，对中央空调水泵变频调速系统进行分析及设计。利用可编程控制器、模拟量扩展模块、变频器、温度传感器等代替传统再热量调节系统，实现中央空调水泵的变频调速。通过对空调出口温度进行检测，变频系统实时调节中央空调水泵转速，达到节能目的。采用变频技术控制中央空调水泵，是当前空调系统节能改造的有效途径。关键词：中央空调，变频调速技术，可编程控制器PLC，PIDI目录1绪论..............................................................11.1中央空调变频调速的意义......................................11.2变频调速技术介绍............................................11.3本文的主要工作..............................................32系统原理分析及方案设计............................................52.1中央空调结构原理............................................52.2变频调速系统工作原理........................................72.3空调变频控制系统的构架.......................................82.4总体设计方案的确定...........................................93系统硬件设计.....................................................113.1可编程控制器的选型.........................................113.1.1可编程控制器概述......................................113.1.2可编程控制器的选型....................................123.2模拟量I/O模块及传感器选型.................................143.2.1模拟量输入模块选型（A/D）.............................143.2.2模拟量输出模块选型（D/A）.............................173.2.3温度传感器选型........................................183.3变频器的选型及参数设置.....................................203.3.1变频器的选型..........................................203.3.1变频器的参数设置......................................213.4总体电路图.................................................234系统软件设计.....................................................254.1内存变量分配................................................254.2控制系统程序设计...........................................274.2.1主程序设计............................................274.2.2PID控制的设计及实现..................................314.2.3冷却水系统循环控制及PID调节程序......................334.2.4冷冻水系统循环控制及PID调节程序......................37II4.2.5传送冷却水和冷冻水PID参数子程序......................384.2.6中断服务程序..........................................405系统调试.........................................................445.1初始化程序调试.............................................445.2冷却水、冷冻水系统PID调节程序调试.........................47参考文献...........................................................54致谢...............................................................55附录1完整程序....................................................56附录2系统总体电路图..............................................66西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文）11绪论1.1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（调节再热量）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（应大于最小送风量），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[1]。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。1.2变频调速技术介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。目前迅速地普及西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文）2应用的主要是这一种。（2）变频器按电压的调制方式分①PAM（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。②PWM（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[2]。由上式可知道：当频率连续可调时，电动机的同步转速0n也连续可调。又因为异步电动机的转子转速0n总是比同步转速0n略低一些，所以，当0n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：N=psf)1(60（1-1）式中：n-转速；f-频率；p-电机磁极对数；s-转差率。若将电机的运行频率由原来的50Hz下调到40Hz时，电机的实际转速n，降为额定转速0n的80%,即018.0nn，西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文）3由于电机的额定功率3nkw，因此，电机运行在40Hz时的实际功率为：011512.0WnKW（1-2）则节电率为：%8.48512.0%000010（1-3）由此可见，若风机和水泵的电机运行在40Hz时，理论上，电机实际消耗的功率只有额定功率的一半左右，此时，理论上节电率为48.8%，交流变频调速的节电效果相当显著，经济效益十分可观。中央空调系统采用变频调速技术，电机可在很宽的范围内平滑调速,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，达到制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，达到节能目的。采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。这种系统可由多台水泵电机组成，其中只有一台水泵处于变频调速状态，就可以达到节能目的。这种系统最大程度地节约了设备。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制。1.3本文的主要工作中央空调系统通常分为冷冻水和冷却水两个系统。现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。（1）冷冻水泵系统的闭环控制该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。（2）冷却水系统的闭环控制该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流西南科技大学应用型自学考试毕业设计（论文）4量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，在保证中中央空调机组正常工作的前提下，达到节能增效的目的。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频率，以控制电机转速，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。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。通过温度传感器PT100将温度信号经过变送器和A/D转换模块传送到PLC中进行处理，然后由PLC将控制信号送至变频器中，变频器根据控制信号做出相应的频率调整，实现对水泵电机转速的控制。主要工作有：温度检测部分设计；选择变频器；设计主电路；选择PLC器件并选择扩展模块；I/O口的分配及输入输出接口电路的设计；报警等接口设计；编制设计PLC程序；系统仿真。西南科