变频器和PLC在集中空调系统改造中的应用.pdf

技 术 交 流 变频器和 P L C在集中空调系统改造中的应用 李方 园 浙江工商职业技术学院。 浙江 宁波 3 1 5 0 1 2 ● ●。。。。。’’。。。。。。。’。。。。。’’。。。。。。。。。。。‘●-。。‘‘‘‘--。。‘。●-。。。‘‘●●-。。‘。●●。。。。。_●●-。。- ● ● 摘要 介 绍了一种新的控制 方式，它采用广为流行和成熟的交流调速技术、 P L C控制技 术， 对 中央空调的水系统和风机进行改造， 实现 了全 自动闭环控制， 节省了能耗 。 关键词 变频器； P L C； 集中空调 ； 水循环 ； 风机 ； 改造 ● ● ● ，-●------_-●●--_____--●●●__--● __-●_--------_●_-_-●-●_-___-●●-●●-●-●●-__●-●●●● ● 中图分类号 T U 8 3 ， T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 8 4 4 9 2 0 0 9 0 2 0 0 6 4 0 4 O 引言 大部分建筑物一年当中只有几十天时间里 ，集 中 空调系统才处于最大负荷状态。集中空调冷负荷始终 处于动态变化之中， 早晚变化 、 季节交替 、 环境变化等 都实时影响集中空调冷负荷 。 据实际调查 ， 大多数建筑 物每年至少 7 o ％a 间的冷负荷在 5 ％～ 6 0 ％范围内波 动。 而大多数集中空调系统 ， 系统设计以最大冷负荷为 最大功率驱动。这样就造成实际需要冷负荷与最大功 率输 出之间的矛盾 ， 从而带来了巨大能源浪费 ， 给使用 方造成巨额电费支出， 增加了经营者的成本 ， 降低了经 营竞争力。 1 水循环 系统 的变频控制设计 图 1 所示为集中空调系统水循环控制原理 ，该系 统主要分为冷水主机 、 冷水 热水 循环 系统和冷却水 循环系统 ， 智能控制装置主要控制冷水 热水 回路和 。 图 1水循环控制原 理 冷却水 回路 。 1 ． 1冷水循环的控制 冷水循环系统 由冷水泵及冷水管道组成 ，从冷水 机组流出的冷水由冷水泵加压送入冷水管道 ，在各个 房间内进行热交换 ， 带走房间内热量 ， 从而使房间内的 温度下降。 冷水泵的控制方式为 最高层 或最不利端 压力控制 。 在高层的集中空调系统中，各层的空调机组对应 于负载的变动开闭冷水进 口阀， 以此调节室温。 由于冷 水流量经常发生变化， 引起最高层水压的较大变化， 为 了解决这个问题， 需要控制冷水泵的出水阀， 以保持最 高层水压大致恒定 ， 但大多数应用场合 ， 都是保持 出水 阀门开度一定 ，任随压力变化。这样会导致压力损失 大， 效率低。 此时若采用转速控制， 以保持最佳压力 ， 可 防止压力损失 ，较大幅度提高效率和取得好的节能效 果 。 1 ． 2 冷却水循环的控制 冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔 组成。冷水机组进行热交换 ， 在水温冷却的同时， 必将 释放大量 的热量。 这些热量被冷却水吸收， 使冷却水温 度升高。 冷却水泵将升了温的冷却水压人冷却塔， 使之 在冷却塔 中与大气进行热交换 ，然后再把降了温的冷 却水 ， 送 回到冷水机组。如此不断循环 ， 带走冷水机组 释放的热量。冷却水泵的控制方式为 恒温差控制。 6 4 蜷 技 术 交 流 由于冷却塔的水温是随环境温度而变化的 ， 其单 侧水温不能准确地反映冷水机组产生的热量。所 以， 对于冷却水泵 ，以进水和回水的温差作为控制依据 ， 实现进水和回水间的恒温差控制是 比较合理的。温差 大， 说明冷水机组产生的热量大， 应提高冷却水泵的 转速 ， 增大冷却水 的循环速度 ； 反之则应该降低冷却 水泵转速。 1 ． 3 水系统的变频 P E G控制 集 中空调水循环系统的变频 P L C控制原理如图 2 所示 ，包括人机界 面 D P 2 1 0 、 L G P L C的 K 8 0 S C P U模块和 G 7 F A D HA模拟量模 块 。 其 中人机界面功能是数据设定 压差 或温差设定 、 数据显示 温度 、 温差 、 压 力 、 压差 、 状态设定和显示 以及显示维 修说明书上的帮助画面。C P U模块功能 是 内置 P I D的顺序程序控制。模拟量模 块 G 7 F A D H A功能是 2人 1 出 ， 即输入 量为温度 1和 2或压力 1和 2 1 一 进水 回路； 2 一 出水回路 ，输出量为电机转速 信号 控制变频器的信号 。 开关量 电机 输 出 度 度 1 2 图 2 水循 环 P E G控 制图 背景光 S T N液晶显示 ， 可显示 2 4字符 4行 ， 即 1 2汉 字 4行；8 显示器表面 I P 6 5 构造 ， 防水 、 防油。 1 ． 3 ． 2 模 拟 量和 P I D 控制 本 系统采用 P L C K 8 0 S内置 的 P I D功 能 ，所谓 P I D控制， 就是使一个过程按预设值 S V 保持为稳定 状态的控制过程 ， 通过设定值 S V与过程反馈值 P V进 行比较， 当两项值有差别时， 控制器输 出执行值 M V来 减少这种差异。 P I D包括三个控制量 比例 P 、 积分 I 和 微分 D。 L⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯一 ． ⋯⋯ K8 0 S C P U模 块 G 7 F模拟量模块 图 3 P I D控制原理 1 ． 3 ． 1 人机 界 面 本系统采用 D P 2 1 0人机界面 ， D P 2 1 0是以文字或 指示灯等形式监视 P L C内部寄存器或继电器 的数值 及状态 ，而使操作人员能够 自如地控制机器设备 ， 是 一 款性价 比高的 HMI 产品。 D P 2 1 0文本操作器具有以下优点 1 通过编辑软 件在计算机上作画，自由输入汉字及设定 P L C地址 ， 使用串口通讯下载画面； 2 通讯协议和画面数据一同 下载到显示器 ， 无须 P L C编写通讯程序 ；3 对应 P L C 机种广泛， 除了本系统的 L G P L C外， 还包括三菱 F X 系列 、 欧姆龙 C系列 、 西门子 S 7 2 0 0系列 、 光洋 S G系 列等系列产品； 4 具有密码保护功能； 5 7 个按键可 被定义成功能键 ，可替代部分控制柜上机械按键 ； 6 自由选 择通讯方式 ， R S 2 3 2 ／ R S 4 2 2 ／ R s 4 8 5任选 ；7 带 L G K 8 0 S的内置 P I D具有如下的功能 1 P I D功 能内置于 C P U中， 不需要分开的 P I D模块 ， 使用指令 P I D 8或 P I D 8 A T就可以执行 P I D功能；2 向前向后运 行都有效 ；3 可任意选择 P操作 、 P I 操作 、 P I D操作和 O N ／ O F F操作 ； 4 手动输出有效 ， 用户可以定义强制输 出；5 通过正确的参数设定 ， 无论外界有无干扰 ， 都可 以保持稳定 的运行 ； 6 根据系统特性运行扫描时间 P I D控制器从执行机构得到采样值的时间间隔 是可 变的。 由集中空调水循环系统的控制图可 以看出，本智 能控制设备采用恒压差或恒温差 P I D控制 ， 模拟信号 输入和输 出通过 G 7 F模块 ，设定数据通过 D P 2 1 0操 作 ， 具体如图 3所示。 1 ． 3 ． 3 变频 器选 型 由于本系统采用 P L C的 P I D控制功能， 所 以对变 频器的选型并无特殊要求，只需选用通用变频器， 如 E ME R S O N公司的 E V2 0 0 0 。 1 ． 4 节能估算 根据流体力学原理 ， 流量 Q与转速 n的一次方成 正 比， 管压 与转速 n的二次方成正 比， 轴功率与转 揣 I 65 总第l26期 第30卷 _ uJ 速 n的三次方成正 比。 当所需流量减少 ， 离心泵转速降 低时 ， 其功率按转速的三次方下降。 如所需流量为额定 流量 的 8 0 ％， 则转速也下降为额定转速的 8 0 ％， 而轴 功率降为 5 1 ． 2 ％； 当所需流量为额定流量的 5 0 ％时， 轴 功率降为 1 2 ． 5 ％。当然 ， 转速降低时， 效率也会有所下 降， 同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。 即使如 此， 这种节电效果也非常可观。通过实际证明， 风机水 泵类 ， 节能 4 0 ％～ 5 0 ％ 。 综合实际运行效果 ， 对冷水泵拖动系统 、 冷却水泵 拖动系统 、 风机 包括室内风机和冷却塔风机 拖动系 统实施智能变频控制后的基本节能效果为 3 5 ％～ 5 5 ％H 。 2 集 中空调变频风机的几种控制方式 目前的集中空调系统 中，变频风机正在被广泛使 用， 其有如下突出的优点 节能潜力大 ， 控制灵活 ， 可避 免冷水 、 冷凝水上顶棚的麻烦等。 然而变频风机系统需 要精心设计 、 精心施工 、 精心调试和精心管理 ， 否则有 可能产生诸如新风不足 、 气流组织不好 、 房间负压或正 压过大 、 噪声偏大、 系统运行不稳定 、 节能效果不明显 等一系列问题 。 这里介绍集中空调中变频风机的几种控制方式的 原理和适用场合。 2 ． 1变频风机的静压 P I D控制方式 送风机的空气处理装置是采用冷 、热水来调节空 气温度的热交换器 ， 冷 、 热水是通过冷 、 热源装置对水 进行冷却或加温而得到的。 大型商场 、 人员较集中且面 积较大的场所常使用此类装置。图 4 a 所示为一个空 气处理装置中送风机的静压控制系统 ，送风机安装在 机组送风 口端 ，由热交换器获得的冷源或热源气体通 过送风机和管道输送到每一个通风 口。 在第一个空气末端装置长度的 7 5 ％～ 1 0 0 ％处设置 口 技 术 交 流 静压传感器 ，通过改变送风机人 口的导叶或风机转速 的办法来控制系统静压。 如果送风干管不只一条， 则需 设置多个静压传感器， 通过比较， 用静压要求最低的传 感器控制风机。 风管静压的设定值 主送风管道末端最 后一个支管前的静压 一般取 2 5 0 ～ 3 7 5 P a 之间。若各 通风 口挡板开启数增加 ， 则静压值比给定值低 ， 控制风 机转速增加 ，加大送风量；若各通风 口挡板开启数减 少 ， 静压值上升 ， 控制风机转速下降， 送风量减少， 静压 又降低 ， 从而形成 了一个静压控 制的 P I D闭环 ， 如图 4 b 所 示 。 在静压 P I D控制算法 中，通常采用两种方式 ， 即 定静压控制法和变静压控制法。定静压控制法是系统 控制器根据设于主风道 2 ／ 3处的静压传感器检测值与 设定值的偏差 ， 变频调节送风机转速 ， 以维持风道内静 压一定。变静压控制法即利用 D D C数据通讯技术 ， 系 统控制器综合各末端的阀位信号， 来判断系统送风量 盈亏， 并变频调节送风机转速 ， 满足末端送风量需要。 变静压控制法在部分 负荷下风机输 出静压低 ， 末 端风 阀开度大 、 噪声低 ， 风机节能效果好 ， 同时又能充 分保证每个末端的风量需要。控制管道静压的好处是 有利于系统稳定运行并排除各末端装置在调节过程中 的相互影响。此种静压 P I D控制方式特别适合上下楼 或被隔开的各个房间内用一台空气处理装置或用公用 管道进行空气调节的场合 ， 如商务大厦的标准办公层。 2 ． 2变频风机的恒温 P I D控制方式 在室 内舒适性等要求较高而空间又不是太大的空 调区域 内 ， 可以使用恒温控制 ， 如 图 5 a 所示 ， 即冷源 或热源直接通过变频风机输入到室内。恒温控制中必 须注意以下几个方面 温控系统的热容量 比较大 ， 控制 指令发 出后 ， 不是瞬间响应 ， 响应速度慢 ； 外界条件如 气温 、 日照等对温控系统的影响很大， 因为控制对象为 气体 ， 温度检测传感器的安装位置非常重要 。 图 4 送风机的静压 PI D控制 a 空气流程b 控制方框图 66 I No．2／ 种 卷 恒温 P I D控制方式利用 了变频器 内置的 P I D算法进行温度控制 ， 当通过 传感器采集的被测温度偏离所希望的 给定值时， P I D程序可根据测量信号与 给定值的偏差 ， 进行 比例 P 、 积分 I 、 微分 D 运算 ， 从而输 出某个适 当的控 制信号给执行机构 即变频器 ， 提高或 降低转速 ， 促使测量值室温恢复到给定 值 ，达到 自动控制的效果 ，如图 5 b 所 示。比例运算是指输出控制量与偏差的 比例关 系 ；积分 运算 的 目的是消除静 技 术 交 流 空气 风 图 5 变频风 机的恒温 P I D控制 a 空 气流程b 控 制方框 图 b 差 ， 只要偏差存在 ， 积分作用就将 控制量 向使偏差消 除的方 向移动 ； 比例作用和积分作用是对控制结果的 修正动作 ， 响应较慢 ； 微分作用是 为了消除响应慢这 一 缺点而补充的， 微分作用根据偏差产生的速度对输 出量进行修正 ， 使控制过程尽快恢复到原来的控制状 态 ， 微分时间是表示微分作用强度的单位 。 恒温控制 中必须要注意 P I D的正作用和反作用 ， 也就是说在夏季 使用冷气 和冬季 使用暖气 是不 一 样的。在使用冷气 中， 如果检测 到的温度高于设定 温度时 ， 变频器就必须加快输 出频率 ； 而在使用 暖气 中， 如果检测到温度高于设定温度时 ， 变 频器就必须降低输 出频率。因此 ，必须 在控制 系统增设夏季／ 冬季 切换开关 以 保证控制的准确性 。 3 结 语 集中空调水系统和风机采用变频器 和 P L C控制后 ， 可 以用恒参数 压力 、 压 差 、 温度 、 温差等 进行控制， 当参数减小 或增加时，通过降低或增加水泵转速来 减小或增加供水 或风 量 ， 以保持空调管网参数恒定， 从而达到高效节能的 目的。 参考文献 【 1 ] 李方园． 变频器行业应用实践[ MI ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 ] 李方园． 变频 器应用技术[ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3 】 叶大 法 ， 杨 国荣 ， 董涛． 双风道 变风量 空调 系统设计 [ J 1 ． 暖通空调 ， 2 0 0 8 ， 1 ． 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 1 7 修回 日期 2 0 0 8 1 2 1 5 App l i c a t i o n o f Tr a ns du c e r a n d PLC i n t he Re f o r m o f t h e Co n c e nt r a t i o n Ai r c O nd i t i 0 ni n g S y s t e m L I Fa n g y u a n Z h e j i a n gB u s i n e s s T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， N i n g o 3 1 5 0 1 2， C h i n a Abs t r a c t A n e w c o n t r o l me t h o d wa s i n t r o d u c e d a n d a p pl i e d t o r e f o r m t h e f a n a n d wa t e r s y s t e m i n c o n c e nt r a t i o n a i r c o n d i t i o n i n g ，whi c h us e d t h e p o p u l a r a n d ma t ur e c o n t r o l t e c hn o l o g y o f t r a ns du c e r a n d PL C．As a r e s u l t ，t h e s y s t e m c a n r u n u nd e r a u t o ma t i c c l o s e d l o o p c o n t r o l a n d b e c o me e n e r g y s a v i n g ． Ke y wo r d s t r a n s d u c e r ；PLC； c o nc e n t r a t i o n a i r c o n di t i o n i n g； wa t e r c i r c u l a t i o n； fan； r e f o r m 作者简介 李方园 1 9 7 3 一 ， 男， 浙江舟山人 ， 工学学士， 高级工程师， 从事 自动化控制的教学和科研工作。 Ap pl i c a t i o n a n d Ana l y s i s o f t h e Ni p pl e Th r o t t l e ZHANG Yo n g G RE E E l e c t r i c A p p l i a n c e s 。 I N C ． o fZ h u h a i C o ． ， L t d ， Me c h ar d c a l a n d E l e c t r i c a l T e c h n o l o g y R e s e a r c h l r a s t i t u t e ， Z h u h a i 5 1 9 0 7 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ca p i l l a r y ， e l e c t r o n i c e x p a n s i o n v a l v e a n d t h e r ma l e x p a n s i o n v a l v e we r e ma i n p a r t s f o r t h r o t t l i n g o f a i r c o n d i t i o n e r a t p r e s e n t ． As a n e w k i n d o f t h r o t t l i n g me t h o d a p p e a r e d i n r e c e nt y e a r s ， n i p p l e t hr o t t l i ng c a n n o t o n l y h e l p t o s a v e r a w ma t e r i a l s ， l a b o r c o s t a n d s h o rte n p r o du c t i o n p r o c e s s， b u t a l s o i mp r o v e s i n t e g r a l pe r f o r ma n c e a n d r e l i a b i l i t y 0 f t h e a i r c o nd i t i o n e r ． Ke y wo r d s n i p p l e t h r o t t l i n g ； c o s t ； r e l i a b i l i t y；p e rf o r ma n c e 作者简介 张 勇 1 9 8 0 一 ， 男， 陕西武功人， 学士， X - 程师， 项 目负责人， 从事高效系统研究和压缩机可靠性分析。 椭 l 67