变频器和PLC在中央空调水系统和风机中的应用.pdf

浙江工商职业技术学院 浙江 3 1 5 0 1 2 李方园 【 摘 要】大多数中央空调的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，从而带来了巨大的能源浪费。介 绍了一种新颖的控制方式，它采用国际上最为流行成熟 的交流调速技术、P L C 控制技术，能对中央空调的水系 统和风机实现 全 自动 闭环控 制。 【 关键词】变 频器P L C 中央空调循环水 风机 一 、前言 大部分建筑物在一年当中，只有几十天时间里 ， 中央空调才处于最大负荷。中央空调冷负荷，始终处于 动态变化之中，如每天早晚、季节交替、每年轮回及环 境等等都实时影响中央空调冷负荷 。据实际调查，大 多数建筑物每年至少7 0 ％ 其冷负荷在5 ％- 6 0 ％范围内波 动。而大多数中央空调，因系统设计多数以最大冷负荷 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，从而带来了巨大的能源浪费，给使 用方造成巨额电费支出，增加经营者的成本，降低经营 竞争力。 本文将介绍一种新颖的控制方式，它采用国际上 1k4 “ n t z u u噼 y ’ 、 w． n 1 x ．e 平 弗j 期 最为流行成熟的交流调速技术、P L C 控制技术，能对中 央空调的水系统和风机实现全自 动闭环控制。 二、中央空调水循环系统的变频控制设计 图1 所示为中央空调水循环控制原理。在中央空调 系统中，主要分为冷冻主机、冷冻水 热水循环系 统、冷却水循环系统，智能控制装置主要控制的对象为 冷冻水 热水回路和冷却水回路。 硷垫 回 壁 垒 堡 回 墅 图1中央空调水循环控制原理 1 、7 ． 智能控制装置 2 、6 ． 冷却水泵 3 ． 冷却塔 4 主机 5 ． 热交换 器 1 ． 冷冻水循环的控制 冷冻水系统由冷冻泵及冷冻水管道组成 ，从冷水 机组流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道，在 糖 用 ‰ 通 ＆ m 冰 建 、二 城 妄 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。 冷冻水泵的控制方式为 最高层 或最不利端 压力控制在高层的中央空调系统中，由于各层的空调 机想对应于热负载的变动开闭冷水进口阀，以此调节室 温。由于冷冻水的流量经常发生变化 ，引起最高层水 压的较大变化 ，为了解决该问题，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。如果 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，可防止压力损失并较大幅度提高 效率并取得好的节能效果。 2 ． 冷却水循环的控制 冷却系统由冷却泵及冷却水管道及冷却塔组成。 冷水机组进行热交换，是水温冷却的同时，必将释放大 量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。 冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔 ，使之在冷却塔中 与大气进行热交换，然后再降了温的冷却水，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。 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冻机组产生热量的多少。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，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转 速，增大冷却水的循环速度；反之则应该降低转速。 3 ． 中央空调水系统的变频P I g 控制原理 中央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 H A 模拟量模块。其中人机界面负责数据设定 压差或温差设定、数据显示 温度、温差、压力、 开关量 电动机 开关量 输出 图2 中央空调水循环P L C 控制图 温 温 度 度 l 2 压差、状态设定和显示，以及维修说明书等帮助画 面。C P U 模块负责包括内置P I D 的顺序程序控制。模拟 量模块G 7 F A D H A 为2 入1 出， 输入量为温度l 和2 或压 力1 , I1 2 1 表示进水回路；2 表示出水回路， 输出量为 电动机转速信号 控制变频器的信号。 1 人机界面 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H MI 产品。 2 模拟量和P I D 控制 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 保持其为稳定状态的控制过程 ，通过设定值s v , D 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MV 来减少这种差异。P I D 包括三个控制量比例 P 、积分I 、微分D 。 由中央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 体示意如图3 。 K 8 0 C P U模快 G7 F 模拟量模快 图3 P l D 控制示意 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 0 N 公司的E V 2 0 0 0 。 4 ． 节能预估 根据流体力学原理 ，流量Q 与转速1 7 的一次方成正 比，管压H 与转速n 的二次方成正比，轴功率与转速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。如所需流量的8 0 ％，则 转速也下降为额定转速的8 0 ％，而轴功率降5 1 ． 2 ％；当 所需流量为而额定流量的5 0 ％时，而轴功率降1 2 ． 5 ％。 2 0 0 9 g 第， n 麓 et 9 |l 第 3期m vw ． x ． 『 l 水川 建 ．三 城 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。通过实践证明，风机水泵类，节能 4 0 ％ ～5 0 ％。 综合实际运行效果 ，对冷冻泵拖动系统 、冷却泵 拖动系统、风机 包括室内风机和冷却塔风机拖动系 统实施智能变频柜后的基本节能效果为3 5 ％～5 5 ％，最 小节N e 3 5 ％， 最大达5 5 ％。 三、中央空调变频风机的几种控制方式 目前的中央空调系统中，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 避免冷冻水、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 4 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。 这里介绍在中央空调中变频风机的几种控制方式 的原理和适用场合。 1 ． 变频风机的静压P l 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 行加温或冷却而得到的。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 所示给出了一个空气 处理装置中送风机的静压控制系统。 在第一个空气末端装置的7 5 ％～1 0 0 ％处设置静压 传感器， 通过改变送风机入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 期 口 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。 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 数据通信技术，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。由于变 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 控制方式特别适合于上下楼或被隔开的各个房间内用一 台空气处理装置和公用管道进行空气调节的场合，如在 商务大厦的标准办公层得到了广泛的应用。 2 ． 变频风机的恒温P l D 控制方式 在室内空调要求有诸如舒适性等要求较高而空间又 不是太过于大的空调区域内，可以使用恒温控制。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。 本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 图4 中央空调送风机的静压控制 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 所 示。比例运算是指输出 控制量与偏差的比例关 瓣 ； 呈 业 ． m 水 罄 城 系。积分运算的目的是消除静差。只要偏差存在，积分 作用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 是为了消除其缺点而补充的。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 ， 变频器就必须加大输出频率 ； 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。 空气 风 图5变频风机的恒温控制 3 ． 变频风机的多段速变风量控制方式 在大型的空调大楼中，由于所需要的空气量是随着 楼内人数及昼夜大气温度的变化而不同， 所以相应地对 风量进行调节可以减少输入风扇的电能并调整主机的热 负载。人少时，如周末、星期 日、节假 日，空气需求量 少。所以考虑这些具体情况来改变吸气扇转速，控制进 风量，可减少吸气扇电动机的能耗，同时还可以减轻输 入暖气时锅炉的热负载和输入冷气时制冷机的热负载。 图6 所示为某大楼在不同的工作时段内 平时、周 六、周日或节假日的风量需求量，该风量必须根据二 氧化碳浓度等环境标准来确定最少必需量。由于通常在 设计中都留有一定的余量，因此可以按高速时8 6 ％、中 速时6 7 ％、低速时5 7 ％ 的进风量来进行多段速控制。 该控制方式是基于对风量需求进行经验估算的基 础上进行的程序控制。 如在某地铁线的车站内安装有2 个体积小巧的可开 启表冷器和4 台变频风机，整个系统由电脑控制。工作 人员首先按照地铁客流峰谷表编好调温程序，控制风机 转速高峰时车站温度高 ， 变频风机吹出较大风量；人 少时车站里温度相对较低 ， 风机风量较小，从而站台的 温度可控制在2 9 C，站厅温度控制在3 0 C，乘客舒适度 大为提高。 1 O O 丑 咖}5 0 区 0 图6 变频风机的多段速控制 四 结束语 通过对中央空调水系统和风机采用变频器 I] P L C 控 制后，就可以采用恒参数 压力、压差、温度及温差 等进行工作，当参数减小或增加时，通过降低或增加 水泵转速减小或增加供水 或风量，以保持空调管网 参数恒定 ， 从而达到高效节能目的。 参考文献 【 1 ] 李方园． 变频器行业应用实践【 M】 ． 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 ．GM 收稿日期2 0 0 8 ／ 1 1 ／ 2 5 GIM i I t J I 1 ． 1 2 o o 9 n 麓 et 9 3 第 3期Ⅵ w w ．t、rix． } U 就 扰 r m 水 建 垅