基于PLC的中央空调设计

摘要

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。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。

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。 关键词：PLC 变频器 中央空调 节能改造 温度控制

ABSTRACT

The central air-conditioning system is one of modern large-scale building

essential supporting facilities, the electrical power consumption is huge, about 50% of the total power consumption of building. Because all the central air-conditioning

systems is designed based on its maximum loading. In fact, the system only has to run about ten days even 10 hours under the condition of maximum loading. It runs with 70% maximum loading most of the time. Usually the frozen host of system could adjust its loading automatically according to the change of temperature. But the refrigeration pump and cooling pump couldn’t adjust automatically and almost run with maximum loading for a long term and that is a waste of energy and also worsens running environment and running quality of central air-conditioning.

With the fast maturity of Frequency Conversion Technology, using organic combination of inverter, PLC, digital analog conversion module, temperature sensor and temperature module to thermoelectric closed-loop automatic control technology which can adjust output flow rate automatically to save energy.

Key words: PLC, Inverter, Central air conditioning, Energy saving reconstruction, Temperature control

第一章 绪论

中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房中的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷选定的，且再留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，能量的浪费是显而易见的。近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运成本费用中占据越来越大的比例，加之目前各生产、服务业竞争激烈，多数企业利润空间不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负荷调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性，而且得到越来越多的被广泛推广与应用。随着PLC技术和变频器的发展，采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，还能节省不必要的电能和水资源的浪费。

通过各个系统的出回水温度测定传送给PLC的PID，再由PID计算出温差来控制各变频器的频率，从而来调节电动机的运转速率。在冷冻循环水体统中，冷冻泵与盘管风机的协调运行使得房间内的温度不会有太大的偏差，让室内的人有舒适感，冷的水温在冷冻泵的作用下在循环系统中流动，当流过房间时吸热温度升高，高温水流经盘管时由风机降一部分温度，随后流回蒸发器与冷凝剂换热降温，温差大电动机运转加快，加速降温。在冷却循环水系统中，冷却泵与冷却塔风机的协调运行使得冷却水的温度很快降下来，与冷冻水换热，保证房间的适宜温度。

第二章 工艺流程图和节能示意图

2.1中央空调系统的工艺流程

中央空调系统一般主要由制冷压缩机系统、冷媒(冷冻和冷热)循环水系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统等组成。其工艺结构流程图如图1所示，在图1中制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂(冷媒介质如r134a、r22等)压缩成液态后送蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将这已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。在冬季需要制热时，中央空调系统仅需要通过冷热水泵(在夏季称为冷冻水泵)将常温水泵入蒸汽热交换器的盘管，通过与蒸汽的充分热交换后再将热水送到各楼层的风机盘管中，即可实现向用户提供供暖热风。

图1 中央空调系统工艺结构流程图

理解中央空调系统工艺流程对于节能改造的实现至关重要，从因果关系角度上看，冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统均是主压缩机系统的从动系统。当主压缩机系统的负荷发生变化时，对冷冻水、冷却水的需求量和冷却塔需求的

冷却风量也发生相应的变化，正因如此，我们才有节能改造的必要前提条件，才有实现“按需分配”控制方案的可能。

中央空调的冷冻水和冷却水是2个独立的系统，冷冻水系统是指在机组和末端封盘之间循环的水系统，进出水温为12-7度，水温较低；冷却水系统是指在机组和室外散热设备之间循环的水系统，进出水温为37-32度，水温较高，冷却水的散热通用散热设备的有冷却塔、室外冷凝器、地下水等。

空调冷冻水是与蒸发器相连空调系统中的水，而冷却水是通过冷凝器与冷却塔相连的水系统。

通俗点说，冷冻水就是在进入建筑物室内的水，用这些水带走房间的热量到机房。但是冷冻水是循环的，它从室内带的热量，又需要其他物质给交换带走，这个物质就是冷却水。

冷冻水／冷却水／冷凝水可以放在一起理解，水系统中主机与末端是通过冷冻水换热，主机与冷却塔经过冷却水换热，末端空气处理设备在得到冷冻水的冷热量后与室内空气换热会产生凝结水

冷冻水是只通过制冷机使其温度下降后再流向冷却工艺的循环水，主要用于中央空调和工厂中需低温冷却的系统。就冷却系统的构成而言，冷冻水分为密闭式和非密闭式，非密闭式又分为部分敞开式和喷淋式两种类型。中央空调冷冻水系统多为密闭式；工厂中冷冻水系统多为敞开式，如天津大沽化工厂某分厂7℃水；带有喷淋装置的冷冻水系统主要见于需进行空气洗涤和控制空气湿度的地方，如纺织厂、电子元器件制造车间等。上述几种不同形式的冷冻水系统，有着许多共同的特点。 2.1.1冷冻水的特点

浓缩倍数基本保持不变。密闭式冷冻水系统在循环过程中，由于不与空气接触，没有蒸发，所以水量基本上没有损失。部分敞开式冷冻水系统仅是冷水池敞口部分暴露于空气之中，与空气之间的交换量很少，可以忽略不计，故在循环过程中几乎没有水量损失。带有喷淋装置的冷冻水系统，夏季在循环过程中有特殊的吸湿现象，即在循环过程中没有水量损失，反而因空气中的水蒸气进入系统而使系统中的离子浓度低于补充水。由于这种现象在某些地区引起冷冻水变化较大，也是药量损失的主要因素，应引起重视，采取相应措施。而在冬季由于对空气起增湿作用冷冻水有一定的浓缩。 2.1.2冷却水

1、冷却水温度对冷水机组制冷量的影响

我们都知遭 :从运行费来讲，在制冷主机制冷量一定的情况下，冷凝温度越低，制冷系数越大，耗能量就越小。据测算，冷凝温度每增加1℃，单位制冷量

的耗功率约增加3%-4%.所以，从这一角度来讲，保持冷凝温度稳定对提高冷水机组的制冷量是有益的。但为达到此目的，需采取以下措施:增加冷凝器的换热面积和冷却水的水量;或提高冷凝器的传热系数，但是，对于一个空调冷却系统来说，增加冷凝器的面积几乎是不可能的。增加冷却水的水量势必增加水在冷凝器内的流速，这将影响制冷机的寿命，同时还增加了冷却水泵的耗电和管材浪费等一系列问题，而且效果也不尽理想。增大冷却塔的型号，考虑一定量的富余系数尚可，但如果盲目加大冷却塔的型号，以追求降低冷却水温也是得不偿失的，而且，冷却水温度还受当地气象参数的限制。提高冷凝器冷却水侧的放热系数，是实际和有效的，而提高放热系的有效途径是减小水侧的污垢热阻，对冷却水补水进行有效的处理. 2、 冷却水的补水问题

冷却塔水量损失，包括三部分 :蒸发损失，风吹损失和排污损失，即: Qm=Qe+ Qw+Qb

式中 :Qm为冷却塔水量损失；Qe为燕发水量损失；Qw为风吹量损失；Qb为排污水量损失。

(1) 蒸发损失 Qe= (0.001+0.00002θ) Δt Q (1)

式中 :Qe为蒸发损失量； Δt为冷却塔进出水温度差；Q为循环水量；θ为空气的干球温度。

(2) 风吹损失水量

对于有除水器的机械通风冷却塔，风吹损失量为Qw=(0.2%～0.3%)Q (2) (3) 排污和渗漏损失

该损失是比较机动的一项，它与循环冷却水质要求、处理方法、补充水的水质及循环水的 浓缩倍数有关 .浓缩倍数的计算公式: N =Cr/Cm

式中 :N为浓缩倍数；Cr为循环冷却水的含盐量；Cm为补充水的含盐量. 根据循环冷却水系统的含盐量平衡，补充水带进系统的含盐最应等于排污，风吹和渗偏水中所带走的含盐量 .

QmCm= (Qw+Qb)Cr

N =Cr/Cm=Qm/(Qw+Qb)=( Qe+ Qw+Qb)/( Qw+Qb) (3) Qm= QeN/(N 一1)

浓缩倍数为补充水含盐量和经浓缩后冷却水中的含盐量之比，《建筑给水排水设计手册》推荐 N值，一般情况下最高不超过5～6。N值过大，排污和渗漏损失大，必然造成水浪费，N值过小，补水量小，冷却水浓度大，会造成系统的污垢和腐蚀。

由式(1)可以计算出蒸发水量，再由(2)风吹损失水量，最后由式(3)计算出排污和渗漏损失水量。 3 、冷却水的水质

目前，由于空调冷却系统大多数为敞开式循环系统，它效果好，造价低，在工程中得到广泛应用，但是经蒸发冷却后浓缩，水中的 C,Mg,Cl,Si等离子，溶

解固体，悬浮物相应增加，由于空气中和水福化接触，溶氧量增加，CO大量散失，游离的CO含量降低，碳酸钙浓度降低，制冷1_t大幅度下降.如不加强管理，空气中污染物如灰尘、杂物进人系统，会繁殖徽生物绿澡及粘泥，此时污垢和粘泥可引起垢下腐蚀，而腐蚀产品又形成污垢，最后造成设备及管道演蚀穿孔而被停机，冷却水的水指标。目前尚无确切的资料和标准，空调冷却水对水质的要求幅度较宽，主要应从冷却水对设备腐蚀，积垢堵塞及设备清洗难易等情况考虑。

针对以上分析，冷却水在冷却塔内蒸发散热的过程中水质不断发生变化，引起积垢、腐蚀和堵塞，目前，空调冷却补水多采用自来水，对于大型的空调冷却水系统，仅靠补充少量优质自来水是不起作用的，冷却水必须进行处理。 4 、循环冷却水处理

由于空调冷却水系统的结垢、腐蚀和藻类滋生不是在短期内形成的，也不会在短期内对系统有破坏性的影响，所以，往往得不到运行管理人员足够的重视。另外由于空调冷却水系统比较简单，设计人员对其重视不够，并且，冷却水的处理是给排水专业和暖通专业均相关的专业，而冷却水系统多是由暖通专业人员搞，所以，难免造成先天设计不尽合理 .在设计过程中针对空调冷却水系统易结垢腐蚀和菌藻滋生的特点，其处理方法也与冷冻水系统有所不同。冷却水的处理方法可分为化学法和物理法。

化学法。目前，大型冷却水系统多采用化学方法，为此必须在冷却水中加入阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂及其配套的清洗剂等，从而形成了冷却水的全套水处理技术。可供设计大型空调冷却水处理的参考。由于阻垢可保证传热效果(节能)，级蚀剂、杀菌灭藻剂可减少设备腐蚀，延长设备寿命均属正效益，所以被世人所关注，国外各大水处理公司都把此技术作为第一重点来抓，据报道1987年工业水处理剂(冷却水部分)销誉值为5.86亿美元，年初1992年销售值为7.65亿美元，年增长率为6％。近几年来，随着我国国民经济的快速发展，对水处理剂的研究和开发也有了长足的发展.

加药处理法:该方法较早应用于热水锅炉和船泊水处理，近几年来，该方法也被用于冷却水系统，常用的药剂多为固态晶体硅酸盐被膜缓蚀剂。实践证明，有以下几点需要注意:不同的被膜剂要求有不同的溶解温度，对于把加药灌设在循环水系统上的，水温往往能达到溶解温度，而对于把加药灌设在补水系统上的，应特别注意防止水温过低，如果水温过低，被膜缓蚀剂的溶解不好，就会影响缓蚀的作用。

物理方法:是近几年开始普遍广泛使用的一种方法，该方法运行费用低、使用方便、易于控制、无污染是一种比较理想的水处理方法，实际上国外早在60年代便把注意力由化学方法转移到物理方的开发上来。目前，应用的物理方法有磁力法、电解法、超声法、静电法等。

电解法能抑制水垢的附着，但是除垢不彻底，且具有电解孔蚀的危险 ;早期应用的磁力法稳定性比较差，长时间使用不能控制积垢，必须定期清扫积聚在控制器中的氧化铁;而静电法则克服了上述诸方法的缺点，并且，除了防垢和溶垢

外，还有显著的杀菌灭藻的效能。但是静电法和电子水处理法缓蚀作用较专用的化学缓蚀略低，在一般空调冷却水系统内可不考虑采用其它缓蚀方法。而在一些对缓蚀要求较高的系统最好同时适量添加一些缓蚀剂，可获得更好效果。 5 、冷却水系统的管道布置

冷却水系统的管道布置虽然比较简单，但如果考虑不周，也会出现一些问题。由于循环冷却水系统是开式系统，如果冷却塔集水盘容积小或冷却塔距水泵距离太远及并联运行的冷却塔出水管阻力平衡严重失调，就会使空气混入水中，进入水泵并压入管道中，引起严重的水锤致使水泵出水管及其管件损坏。所以，冷却水系统应注意下列几个问题 :

(1) 冷却塔并联使用时管道阻力平衡，冷却塔与泵的距离不能太远；泵应布置在冷水机组的前边(即将冷却水压入冷水机组中);并且，泵应作成自灌式;避免泵的吸水管上下翻弯。另外，冷却泵、冷水机组、冷却塔宜做成一一对应，以便于调节和流量平衡，如果不能实现上述控制时，应采用自动控制系统，冷却塔的进出口处均应设电磁阀，且应同步开、关。或在每台冷却塔的进、出水管上设置平衡阀以保证每台冷却塔的进水量满足其额定流量.为提高吸水管的集水量，设计吸水管时可适当加大吸水管的管径。

(2) 选择冷却塔时首先应注意产品样本给出的性能参数与该产品实际性能的差距。其中包括产品样本的不实及工程建设地点的气象条件与产品标定性能的测试条件不同等因素。要按照工程地点的气象条件进行校核。并应根据该产品的工程应用经验采取相应的调整措施。有时不得不采用较大的裕量系数。

(3) 冷却塔一般安装在高层建筑的裙房屋面。因距离主楼较近，所以尚应考虑冷却塔的吸风距离、防火、噪声、漂雾等问题。关于冷却塔的吸风距离国家规范作了详细的规定。

(4) 选择冷却水泵时要根据冷却水系统的循环阻力，输水高差及自由水头决定，不宜富裕过多。水泵的流量应按校核后的冷水温差决定。多台泵并联工作时 要按并联曲线进行计算和校核。不能盲目地按台数进行水量叠加。

(5) 关于冷却水系统的集水池，以往在设计冷却水设备时，其集水池的容积大多 按冷却水量的10%设置(见空调制冷手册)。这一要求在选用集水型冷却塔时已不适用.集水型冷却塔带有自身的集水箱，其容量较小，但实际证明亦能满足冷却水泵工作的需要。目前的空调冷却水系统，由于受建筑条件的限制，多数无法

设置大型、符合10%冷却水觉要求的集水他。所以，依靠冷却塔本身的集水箱并做好水位保持及补水即可。有关资料推荐，集水箱的容积一般为冷却水量的2%一3%，建筑条件许可增设水池，其容量也不宜过大，不需要按冷却水量的1O%设置。只要能容纳冷却水系统的水量,能够保证冷却水泵正常起动和工作即可。 2.1.3冷却水塔

用于为冷冻机组提供“冷却水”。 2.1.4“外部热交换”系统 由两个循环水系统组成：

⑴、冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。

⑵、冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，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水塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷冻机组，如此不断循环，带走冷冻机组成释放的热量。 2.1.5冷却风机

⑴、室内风机：安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换；

⑵、冷却塔风机用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。 2.2中央空调末端风机盘管选择时的注意事项

我国在风机盘管检测指标中有如下一些项目：风量、供冷量、供热量、单位风机功率供冷量、水阻力、A声级噪声、凝露、凝结水处理、电机绕组温升、热态绝缘电阻、泄漏电流、接地电阻这些指标。但我们在工程中评价一台风机盘管质量好坏的标准主要还是看其风量、冷量、噪声、耗电量这几个指标。 平时在选择风机盘管时不少人认为盘管技术早已过关，每个厂家的产品都大同小异，因而往往只从价格考虑。从上表我们可看出不同厂家的产品在冷量、耗电量、噪声方面确有不少差异。但仅从耗电量来讲，同款产品最大耗电量与最小耗电量之间相差23W，如果以某办公室盘管每天运行10小时，每年运行200天计算(年

使用系数取0.6)，每年可节约27.6度电，以每度电1.1元计算年节约运行费用30元。如果两者的价格相差百元，那增加的初投资将在三年多的时间中得以收回。这仅仅是经济帐不包括低噪声盘管对提高工作效率以及工作人员身心健康所带来的好处。下面将谈谈具体选型时应注意的几点。

1、盘管冷量不足：这个问题是目前用户投诉最多的一个问题。造成这种问题的主要原因是不少企业没有自己的测试手段，样本上的参数从其它厂家的样本上抄袭的，且自己生产的盘管热工性能又较差(这主要是由翅片形式、胀管质量、生产工艺等造成)。因此建议在进行项目考察时应注意该厂家的测试设施与手段，很难想象一个没有自己测试装置的厂家能产生出好产品来。

2、风量：目前我们在进行具体工程设计中往往是根据计算所得冷负荷通过查阅有关厂家的样本来选择风机盘管。如何考虑盘管的风量是一个问题。国内市场上多数厂家的盘管都只有一种三排管的，但也有厂家提供二排管的盘管。笔者认为对于大多数民用建筑空调系统而言选择二排管的盘管更为有利(对高湿度场合例外)。这是因为二排管的产品在同样冷量下风量较大，这将增大空调房间的换气次数，有利于提高空调精度及舒适性。同样冷量下，采用小温差、大风量送风，会取得比大温差、小风量送风更佳的空调效果。

3、机外余压：由于我国目前的盘管国家标准规定风机盘管的风量、冷量及噪声等参数的测试均是在机外静压为O的条件下进行的。但在实际使用中盘管出风口前往往要接一小段风管及出风百叶，另外有的工程中还设有回风箱，因此在实际使用中会发现盘管的实际风量要小于其名义风量，这样的后果就是房间风量减小，送风温差增大，空调的舒适性下降。有的设计人员为避免这种情况就在选型时按盘管的中档风量选取，以避免风量不足，但却增大工程的初投资。因而笔者建议在国内测试标准尚未改变的情况下，我们在盘管选型时应该优先选择有余压(一般应为10～15Pa)的机组。

4、噪声问题：这是目前国内产品与国外产品差距较大的一个地方，也是目前盘管因质量问题而被投诉的一个要点。造成这一问题的原因多在于盘管中的电机与风机配置及匹配的不合理。

另一个原因是厂家质量管理不严，装配工责任心不强，造成产品质量不稳定。所以我们在考察一个厂家产品时应查阅其由国家权威质检部门出具的该款产品(注意一定要是我们准备订货的那几款产品)噪声检测报告。对于选用批量较大的工程项目应现场抽样送有关质检部门检测。

除了以上讲的几条外，在盘管选型时还应注意其是否有质检部门出具的凝露试验合格报告。其凝结水盘保温应采用整体保温，水盘应优先选择长盘。此外在同等条件下应优先考虑外型小重量轻的产品。关于电器方面的参数目前国内绝大多数厂家的产品均可达标，可不做为考察的重点。

第三章 中央空调系统的节能原理

3.1中央空调系统的分类

中央空调系统按负载类型可分为两大类，①变转矩负载:如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水泵类负载;②恒转矩负载:如主制冷压缩机系统。不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立: n1/n2∝q1/q2 h1/h2∝(n1/n2)2 p1/p2∝(n1/n2)3 (1)

其中，n、q、h、p分别表示转速、流量、扬程、轴功率。它们之间的关系曲线如图2所示。

图2 流量、扬程、功率三者间的关系曲线图

由式1可知，若转速下降到额定转速的70%，那么，扬程将下降到额定值的50%，同时，轴输出功率下降到额定值的35%。从图2中可以看出，管网的阻尼随扬程的降低而减小。在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50%时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13%。这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。 3.2节能的方案

改造方案主要有：方案一是通过关小水阀门来控制流量，经测试达不到节能效果。且控制不好会引起冷冻水未端压力偏低，造成高层用户温度过高，也常引起冷却水流量偏小，造成冷却水散热不够，温度偏高；方案二是根据制冷主机负载较轻时实行间歇停机，但再次起动主机时，主机负荷较大，实际上并不省电，且易造成空调时冷时热，令人产生不适感；方案三是采用变频器调速，由人工根据负荷轻重调整变频器的频率，这种方法人为因素较大，虽然投资较小，但达不到最大节能效果；方案四是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度

传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，排除了人为操作错误的因素。虽然一次投入成本较高，但这种方法在社会上已经被广泛应用，已经证实是切实可行的高效节能方法。最后决定采用方案四对酒店冷冻、冷却泵进行节能改造。

3.3节能方案说明

1、 中央空调系统机组中有冷却水系统和冷冻水系统。我们可对冷却水系统和冷冻水系统进行节能改造。中央空调实际运行时，冷却水系统和冷冻水系统进、出水温差（△T）约为2℃，：冷冻水、冷却水带走热量（r）_= 流量(Q)×温差（△T）我们可以适当提高温差（△T），降低流量(Q)，也即降低转速，即可达到节能目。中央空调系统变频改造原理示意图如下：

2、 冷冻水系统

低温冷冻水温度取决于蒸发器运行参数（冷冻水出水温度为12℃），只需控制高温冷冻水（回水）温度，即可控制温差，现采用温度传感器、PID调节器和变频器组成闭环控制系统，冷冻水回水温度控制T1（例如17℃），使冷冻水泵转速相应于负载变化而变化。

3、 冷却水系统

取冷凝器两侧冷却水温度作为控制参数，采用温度传感器、PID温差调节器和变频器及冷却水泵组成闭环控制系统，冷却水温差控制△T2（例如：5℃），使冷却水泵转速相应于热负载变化而变化，而冷却水温差保持设定值不变，使系统满足主机工况不变条件下，冷却水泵系统节能最大。

4、控制方式

1）冷冻水系统出/回水管路上装有温度变送器，变送器输出4-20mA信号输入中央控制单元进行温差处理，再将温差信号转换为4-20mA信号输入PID控制器，实现全过程闭环自动调节，当温差变大、偏离定值时，变频泵会自动加速，使出/回水温差往定值靠近；反之，当出/回水温差下降，变频泵自动减速。使回水温度上升过高，超出温差设定范围，变频泵频率升至上限，而回水温度仍上限，中央控制单元发出加泵指令，变频泵会自动切换至工频运行，变频器再去软启第二台泵。变频泵频率至下限，而回水温度同时下限，中央控制单元会发出减泵指令，减泵按“先开先停”原则，直至1台泵变频运行；

2）冷却水系统与冷冻水系统控制方式相反；

3）运行台数1-3台间变化，可采用自动加/减泵方法，即实际负荷大小，自动加/泵(PLC控制)；也可采用警告手动开/停泵。

4）当变频器故障跳闸，自动模式下，会自动切换到工频运行，同时给出报警信号。手动模式下，给出报警信号，手动切换工频或开启另一台泵。

5）1台变频器可分别拖动多台泵，可自动轮换，也可人为轮换。

3.4节能原理

由流体传输设备水泵、风机工作原理可知：水泵、风机流量（风量）转速成正比；水泵、风机压力（扬程）转速平方成正比，而水泵、风机轴功率等于流量与压力乘积，故水泵、风机轴功率转速三次方成正比（即与电源频率三次方成正比）上述原理可知：降低水泵、风机转速就，水泵、风机功率可以下降更多。例如:将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=(45/50)3=0.729，即P45=0.729P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=(40/50)3=0.512，即P40=0.512P50（P为电机轴功率）。 由以上内容可以看出，用变频器进行流量（风量）控制时，可节约大量电能。中央空调系统设计时是按现场最大冷量需求量来考虑，其冷却泵，冷冻泵按单台设备最大工况来考虑，实际使用中有90%多时间，冷却泵、冷冻泵都工作非满载状态下。而用阀门、自动阀调节增大了系统节流损失，对空调调节是阶段性，造成整个空调系统工作波动状态；而冷却泵、冷冻泵上加装变频器则可一劳永逸解决该问题，还可实现自动控制，并可变频节能收回投资。同时变频器软启动功能及平滑调速特点可实现对系统平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管使用寿命。，随热负荷而改变水量变流量空调水系统显示了巨大优越性，到越来越广泛应用，采用SPWM变频器调节泵转速，可以方便调节水流量，负荷变化反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制系统，使泵转速随负荷变化，这样就可以实现节能，其节能率通常都20%以上。改造节电率与用户使用情况密切相关，一般情况下，春、秋两季运行节电率较高，可达40%以上，夏季用户本身需要电能就大，可节省空间有限，一般20%左右。

3.5中央空调系统节能改造

中央空调系统的四个部分都可以实施节电改造。但冷冻水机组和冷却水机组的改造改造后节电效果最为理想，文章中我们将重点阐述对冷冻机组和冷却机组的变频调速技术改造。

机组是山东金光空调有限公司研制开发的系列中央空调之一，该机组是通过冷却塔对水进行冷却，以冷却水为冷源，以水为供冷介质进行制冷的一种中央空调设备。机组以其高效、低噪音、结构合理、操作简便、运行安全、安装维护方便等优点，广泛应用于宾馆、商场、办公楼、展览馆、机场、体育馆等公共设施的舒适性中央空调系统，并能满足电子、制药、生物、轻纺、化工、冶金、制药、电力、机械等行业的工艺性空调系统的不同使用要求。

冷冻机组可与风机盘管或柜式，吊顶式空气处理机以及新风机组一起组成半集中式空气调节系统，具有风机盘管系统的诸多优点，布置灵活、外形美观、节省建筑空间、调节方便，可以单独停、开而不影响其它房间，运行噪声低等特点。

水冷冷冻机组通过冷却塔，冷却水泵及相应的管道系统等用水进行冷却，制取空调用及工艺用冷冻水。机组单机制冷量大、能效比高、系统结构简单、安装空间省、维护管理方便，机组一次性投资较低。

冷冻机组：通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”作用，使冷冻水降温为5~7℃。并通过循环水系统向各个空调点提供外部热交换源。内部热交换产生的热量，通过冷却水系统在冷却塔中向空气中排放。内部热交换系统是中央空调的“制冷源”。

3.6主要设备的特性简介

3.6.1西门子标准变频器MicroMaster440

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。

它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。

① 基本参数设定 扩展 调整

At.ty 1 At类型：0：普通，1：快速响应，2：稳定

Ctr.A 0 控制算法：0：PID(原有PID）， 1：Ra-PID（高性能型PID) JF.OU 0 JF超调抑制0～100,0:无抑制21 代码设定值说明 P0003 3 专家级 P0004 0 参数过滤器

P0005 21 21-变频器输出频率、22-转速n P0010 0 0-准备运行、1-快速设置 P0100 0 功率单位为kW,频率缺省值50Hz

P0205 1 变转矩，只用于平方V/f特性（水泵、风机）的负载 P0295 30S 变频器风扇延时 P0300 1 异步电动机

P0304 380 电机的额定电压(V) P0305 21.4 电动机的额定电流（A) ② 变频器控制原理

P0307 5.5 电机额定功率（kW) P0308 0.82 电动机额定功率因数 P0310 50 电动机额定频率(Hz) P0311 1000 电动机额定转速(rpm)

P0700 2 选择命令源：1-面板设定、2-端子排输入 P0640 110% 过载限流

P0718 0 0-自动操作、1-手动操作

P0725 0 0-NPN低电平有效、1-PNP高电平有效 P0731 52.3 变频器故障 P0732 52.2 变频器正在运行 P0748 B 故障继电器常开

P0756 0 单极性电压输入（0～10V）

P1000 2 频率设定值的选择：2、模拟量设定值 P1040 20Hz MOP频率设定值（内部） P1080 20Hz 电机最小转速对应频率 P1082 50Hz 电机最大转速对应频率 P1120 50 设置斜坡上升时间 P1121 50 设置斜坡下降时间

P1300 2 变频器的控制方式：抛物线的V/f控制 P1910 0 0-不自动检测、1-自动检测 P3900 0 0-不计算不复位，结束快速调试

3.6.2 PLC S7-200 CPU226

1、PLC的发展

PLC（Programmable Logic Controller）,是一种电子装置，早期称为顺序控制器“Sequence Controller”,1978年NEMA(National Manufacture Association)美国国家电气协会正式命名为Programmable Logic Controller（可编过程控制器。简称PLC）,其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部存储预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺序、计时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如：继电器（Relay）的开关，电磁阀及马达驱动，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。并籍由其外围的装置（计算机/程序书写器）轻易地编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。

PLC与继电器控制系统的有很大的关系。由于在复杂的继电器控制系统中，故障的查找很排除非常困难，若工艺发生变化，控制柜内的组件与接线需作相应的变化，这种改造的工期长，费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外做一台新的控制柜。

1968年，美国最大的汽车制造厂家—通用汽车公司(GM)提出了研究PLC的基本思想，即：

编程简单，可在现场修改程序 维护方便，采用插件式结构 可靠性高于继电器控制柜

体积小于继电器控制柜 成本可与继电器控制柜竞争 可将数据直接送入计算机 可直接采用115V交流输入电压

输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载 通用性强，扩展方便

能存储程序，存储器容量可达4KB

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台风机的设计供风量也比实际需要的风量大，只要启动中央空调主机，水泵PLC。70年代初期出现了微处理器，它的体积小，功能强，价格便宜，很快被用于PLC，使它的功能增强，工作速度加快，体积减小，可靠性提高，成本下降。PLC借鉴微型计算机的高级语言，采用极易为工厂电气人员掌握的梯形图编程语言。现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制、模拟量PID控制，通讯联网等功能。PLC已经广泛应用在各种工业部门，其应用范围已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。

随着电子技术和计算机技术的进步，PLC的发展趋势有： 向高性能、高速度、大容量发展

大力发展微型PLC，不断增强微型PLC的功能 PLC编程语言的标准化

PLC与其它工业控制产品相互融合 PLC与个人计算机（PC）的融合 PLC与集散控制系统的融合 PLC与CNC的融合

大力开发智能型I/O子系统 PLC与现场总线相融合 增强通讯联网功能 2、PLC的特点

编程方法简单易学，指令丰富

梯形图是使用得最多的PLC的语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，并且包含一些常用的高级便利指令如PID，加减速脉冲，高速计数等。大大简化编程工作量。功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个内部继电器、几十到几百个定时器和计数器、几十个特殊用途继电器，可以实现非常复杂的控制功能。一台PLC可以同时控制几台设备，也可以通过联网信，实现分散控制，集中管理。硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强，编过程控制其产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置功用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能，不同规模的系统。而且PLC的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以通过端子直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强。

PLC用软件代替传统的继电器控制系统中的大量的中间继电器和时间继电器，外面仅有输入和输出相关的少量接线，并且采用了一系列的硬件和软件抗干扰技术如滤波，隔离等，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户认为最可靠的工业控制设备之一。

系统的设计、安装、调试工作量少 维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能，用户可以根据PLC上的发光二极管和编程器提供的信息迅速查明故障原因并予以排除。

体积小，功耗低 3、PLC的应用领域

PLC的应用领域广泛，主要有： 开关量逻辑控制

PLC具有“与”、“或”“非”等逻辑指令，可是实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可用于单台设备，也可以用于自动生产线，如机床电气控制，冲压机械、铸造机械、运输带、包装机械的空控制，电梯的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金系统的高炉上料系统，各种生产线的控制等 运动控制

PLC适用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴/双轴/三轴位置控制，是运动控制与顺序控制机能有机的结合在一起。PLC的运动控制功能广泛的用于各种机械，如金属切削机床，机器人等。 闭环过程控制

过程控制指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analong）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对

模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。PLC的模拟量PID控制控制功能已经广泛应用于轻工、化工、冶金、电力等行业。 数据处理

现代的PLC具有丰富的数据运算（包括四则运算、函数运算、矩阵运算等）、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理功能一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等工业中的一些大型控制系统。 通讯联网

PLC的通讯包括主机与远程I/O之间的通讯，多台PLC之间的通讯、PLC和其它智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间的通讯。PLC与其它智能控

制设备一起，可以组成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统（DCS,又称集散控制系统）。 4、PLC的组成

PLC主要有CPU模块，输入模块、输出模块和编程器组成。 CPU模块：

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。 I/O模块：

输入(Input)模块和输出（Output）模块统称I/O模块，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块主要用来接受和采集输入信号，输入信号包括两类：一类是从按钮，选择开关，接近开关，光电开关等来的开关量输入信号；另一类就是由电位器，测速发电机等提供的连续变化的模拟量信号。

PLC通过输出模块控制接触器、电磁阀等执行机构，另外也可以驱动指示灯、数字显示装置等

CPU模块的工作电压一般是5V，而其输入/输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。为防止外部引入的尖峰电压和干扰噪声损坏CPU模块，影响其正常工作，在I/O模块中，用光电耦合器、可控硅，小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时响应随时变化的输入信号，用户程序不是执行了一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。

3.6.3 温度传感器Pt100铂电阻

铂电阻Pt 100:在0℃，R=100Ω，输入温度在-50℃～100℃范围，电阻变化率0.3851Ω/℃。Pt100温度传感器是一个模拟信号，它在实际应用中是电阻值，它采用三线制接法，把采集到的电阻值转换成电压信号，经控制器内部+/-运算转换成数字值。

3.6.4 A/D转换器和D/A转换器

EM235每个EM235可同时扩展4路模拟量输入和1路模拟量输出通道。其中A/D转换时间为25um，D/A转换时间为100um。

EM232为2路输出通道。

尺寸(宽×高×深)

功耗

+5V DC消耗电流 L+

L+线圈电压范围 LED灯指示

输入点数 隔离(现场与逻辑电路

间) 输入类型 电压输入(单极性) 电压输入(双极性)

电流输入 据字格式数 单极性，全量程 双极性，全量程

电压输入(单极性)

电压输入(双极性)

电流输入 测量误差 模数转换时间 模拟量输入响应时间

共模抑制 共模电压 输入阻抗 最大输入电压 最大输入电流

物理特性

71.2×80×62mm

2W

电源损耗

34 mA

48 mA 20.4～28.8V DC

24V 电源状态，亮表示电源正常，灭表示电源故障

模拟量输入特性

4

光耦隔离：500VAC，1分钟

差分输入

量程范围

0-10V, 0-5V, 0-1V, 0-500mV, 0-100mV, 0-50mV ±10V, ±5V, ±2.5V, ±1V, ±500mV, ±250mV,

±100mV,±50mV,±25mV

0～20 mA

0～32000 -32000~32000

输入分辨率

2.5 mV(0～10V量程) 1.25 mV (0～5V量程) 2.5 mV(±5V量程)

1.25 mV (±2.5V量程) 5μA (0～20mA量程)

小于0.5% 小于300μs 1.5ms

40dB，DC to 60Hz

信号电压+共模电压(必须小于等于12V)

不小于10MΩ

30V 30mA

AD转换器分辨率

输出点数

输出范围

电压输出 电流输出

输出分辨率

电压输出 电流输出

数据字格式

电压输出 电流输出

精度

电压输出 电流输出

稳定时间

电压输出 电流输出

12位

模拟量输出特性

1 ±10V 0～20mA

12BIT 11BIT

-32000～+32000

0～32000

典型值: 满量程的±0.5%，最坏情况：满量程的±2%

100μs 2ms

最大驱动@24V用户电源

电压输出 电流输出

3.6.5 PID控制器的选择

最小5000Ω 最大500Ω

SDC15数字显示调节器是一种48×48mm的小型数字调节器，具有多种输入量程，PID控制系统采用新型控制演算法“Rational LooP PID” 5 (微分先行PID)和“Just-FiTTER”(快速恢复设定值)。最多2路控制输出(根据型号不同而不同)可以使用。输出种类可选择继电器输出、电压脉冲输出、电流输出。安装方法有盘安装型和插孔安装型。智能编程器对应，便于设定操作和监视。

第六章 节能设备调试

准备工作做好之后，就可以按照如下步骤调试：

1、安装柜调试

将控制柜安装在控制室，同时接好马达，传感器等的连接线；接线完毕后用万用表测试是否有短路现象，如果有则要排除问题出在哪里，如果没有问题则用兆欧表测量绝缘是否完好；确定绝缘没有问题后，将电源接入控制柜并送电。 2、手动运行调试

待电源送入控制柜后，首先开启控制电源，将写好的程序写入PLC主机，并在触摸屏上设定好参数，并把手自动切换开关打到手动挡，然后通过触摸屏测试水泵和风机是否反转，如果有则任意调换两相变频器输出端电源线；然后确认PLC主机和电量表通讯是否正常， PLC主机和远程监控室电脑通讯是否正常，如果异常则找出问题之所在。 3、自动运行调试

手动测试完毕后，进入自动运行测试，在触摸屏上设定自动启动和停止时间参数，看到了时间是否会自动启动以及停止；然后模拟变频器故障，确认PLC是否会发出报警信号，如果没有报警信号则要找出问题出在哪里。

4、传感器调试

用温度计检测各点温度，并核对温度传感器测量的温度是否和温度计测量的温度一直，如果不一致，则要校正温度，温度校正可以通过设置温度偏移量来实现；用压力计检测末端压力，并核对压力传感器测量的压力是否和压力计测量的压力一致，如果不一致则要校正压力。 5、PID控制调试

检测变频器频率是否根据实际温差与设定温差的变化而变化，如果变化，查看是否按照预定轨迹变化，如冷冻泵频率增加，实际温差是否会逐渐接近设定温差。

6、手动运行调试

以上几项都检测无误后，则设备可以投入试运行状态。在设备运行的头几天，一定要经常查看设备运行是否正常，是否会按照PLC程序运行。

第七章 总结

在科技日新月异的今天，积极推广高新技术的应用，使其转化为生产力，是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新，不仅可以提高生产质量、生产效率，创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。本设计就是针对节能而设计的，通过用PLC结合变频器和各个模块的相互作用，使得各用电设备能够理想的运行，不必空转浪费能源。虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。这里我们也借鉴了一些酒店改造的经验和实际效果，进一步验正了利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能改造是可行的。可以达到我们当初设计的预期效果。

中央空调的节能控制使得电能和水能源得到了节省，室内的温度的变化不会很明显，当温差达到一定温度时，控制器就控制变频器调节循环水泵和风冷泵，使温差减小，使人在屋内有舒适的感觉。一年四季感觉一样舒服，夏天冷冬天热，将在更广阔的领域应用。

第八章 致谢

在一个学期的论文设计中，遇到了好多的困难，新软件学起来很困难，在同学的帮助下，在老师的教导下一步一步地我学会了应用，但学会了软件的应用，还不会编写程序，在这样的压力下到网络上，图书馆里收集相关资料，通过一个月的时间学习收集终于有了一点设计的思路了，大致的提纲罗列出来了，但真正的要往下写的时候却又很多很多的问题，一次次的向指导老师询问，还不时的向了解相关内容的同学学习了解，绘制图画，编写程序时，经常会出现一些失误，自己又没有发现，在同学之间进行互相参阅时给予纠正。

在此我向我的指导老师刘老师，帮助我的同学朋友给以诚挚的谢意，谢谢她们对我的关照。也谢谢学校提供的学习上的帮助，资料上的提供支持。

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