PLC、變頻器在中央空調(diào)冷卻水泵節(jié)能循環(huán)控制中的應(yīng)用

1、本科生畢業(yè)論文（ 2012 屆 ） 學(xué) 生 姓 名 院 （系） 武漢理工大學(xué)獨(dú)立本科段 專 業(yè) 機(jī)電一體化 學(xué) 號 014210110813 導(dǎo) 師 論 文 題 目 plc、變頻器在中央空調(diào)冷卻 水泵節(jié)能循環(huán)控制中的應(yīng)用 摘 要 在傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)中,冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占系統(tǒng)用電的12%14%,并且在冷凍主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行中,其耗電更為明顯,冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約達(dá)30%40%。因此對冷凍水、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的能量自動(dòng)控制是中央空調(diào)節(jié)能改造的重要組成部分。本文著重介紹plc、變頻器在冷卻水泵節(jié)能循環(huán)方面的應(yīng)用。中央空調(diào)采用變頻調(diào)速技術(shù),使電機(jī)在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速,可將所有節(jié)流閥去掉,使管道

2、暢通,可免去節(jié)流損耗。通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速而改變水的流速,從而改變水的流量,達(dá)到制冷機(jī)的正常工作要求和平衡熱負(fù)荷所需冷量要求,從而達(dá)到節(jié)能的目的,電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)是由plc控制器進(jìn)行切換和控制的。關(guān)鍵詞：plc 變頻器 冷卻水泵 節(jié)能abstrct in the traditional central air conditioning system, freezing water, cooling water circulation electricity accounts for about 12% 14% of the electricity system, and in the froze

3、n host low-load running, the power consumption is more apparent, freezing water, cooling water circulation electricity about to reach30% 40%.so to freezing water, cooling water circulation system of energy automatic control is central air conditioning is an important part of the energy saving transf

4、ormation. this paper introduces the p l c, inverter in cooling water pump energy saving circulation applications. the central air conditioning by inverter technology, make motor in a wide range smooth speed, can remove the entire throttle, make the pipeline flow, can free throttling loss. through th

5、e change the motor speed and change in water velocity to change the flow of water to the normal work of the chiller requirements and heat load balance required cold quantity requirements, so as to achieve the purpose of saving energy. the motor is variable frequency speed regulation system by plc co

6、ntroller and the controlof the switch. keywords: plc converter cooling water pump energy saving 引 言經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑域，如賓館、酒店、寫字樓、商場、廠房等場所，用于保持整棟大廈溫度恒定。對中央空調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果的優(yōu)劣評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也隨著時(shí)代發(fā)生了很大的變化。早期的中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果好壞取決于是否夠“冷”。如今，人們對中央空調(diào)系統(tǒng)提出新的要求就是舒適節(jié)能，要求在能耗更低的情況下保持室內(nèi)合適的溫度、濕度，讓使用者感覺最舒適。新建的中央空調(diào)系統(tǒng)在

7、按照舒適節(jié)能的目標(biāo)設(shè)計(jì)，而越來越多的使用多年的中央空調(diào)控制系統(tǒng)在進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、舒適的目的。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，中央空調(diào)的制冷機(jī)組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制熱負(fù)荷或新風(fēng)交換量需求選定的，且留有充足余量。無論季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的怎樣變化，各電機(jī)都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，雖然可滿足最大的用戶負(fù)荷，但不具備隨用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率的特性，而在大多數(shù)時(shí)間里，用戶負(fù)荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費(fèi)。近年來節(jié)能降耗被國家擺到空前重要的位置。而國家供電緊張形勢依然沒有根本緩解，電價(jià)不斷上調(diào)，造成中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用上升，如何

8、控制空調(diào)系統(tǒng)的電能費(fèi)用已經(jīng)成為越來越多空調(diào)的經(jīng)營管理者所關(guān)注的問題。故采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)約低負(fù)荷時(shí)主壓縮機(jī)系統(tǒng)和水泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)意義。尋找一種節(jié)能效果明顯，性能穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。本文所研究的基于profibus網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)即是在這樣的背景下進(jìn)行的。其對冷凍和冷卻水系統(tǒng)實(shí)施變頻調(diào)速技術(shù)，可以根據(jù)負(fù)荷變化情況適時(shí)降速或增速，提高了系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，避免長期固定在工頻運(yùn)行。這樣不僅可以節(jié)能增效，而且利于營造恒溫舒適的環(huán)境，減輕設(shè)備機(jī)械磨損，易于維護(hù)，降低生產(chǎn)成木。profibus現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的引入，實(shí)現(xiàn)了變頻器、p l c 等設(shè)備之間的可

9、靠通訊，并為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接做準(zhǔn)備，管理者不必親臨現(xiàn)場就可對機(jī)房運(yùn)行情況實(shí)施監(jiān)控。 武漢理工大學(xué)本科畢業(yè)論文 目 錄第一章 緒 論1.1本課題的研究背景及意義11.2 plc、變頻器在冷卻水泵節(jié)能方面研究現(xiàn)狀11.2.1本課題在國內(nèi)外的現(xiàn)狀11.2.2 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢2第二章 理論分析32.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理2.2 中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)的組成以及工作原理32.3中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能原理52.4水泵的變頻節(jié)能原理62.5水泵的變頻節(jié)能改造方案62.5.1節(jié)能改造方案選擇62.5.2 主電路控制方案72.5.3 空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻中注意問題82.6 變頻控制系統(tǒng)

10、的硬件構(gòu)成92.7 plc 控制冷水機(jī)組的原理112.7.1 plc控制系統(tǒng)方案112.7.2 plc控制系統(tǒng)的其他特點(diǎn)132.7.3 主要部分plc程序設(shè)計(jì)：132.7.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)142.8 冷卻水系統(tǒng)使用變頻器節(jié)能計(jì)算162.9設(shè)備選型方案182.9.1 plc的選型182.9.2變頻器的選型182.9.3 plc的輸入輸出模塊選型192.9.4 溫度傳感器選型19第三章 總結(jié)與展望3.1 總結(jié)203.2 展望20致 謝21參考文獻(xiàn)22第一章 緒 論 本章首先簡單介紹了本課題的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀、研究意義，然后對plc、變頻器在冷卻水泵節(jié)能循環(huán)方面的應(yīng)用近年來國內(nèi)外的研究進(jìn)行了分析，

11、最后介紹了本文的主要研究內(nèi)容。1.1本課題的研究背景及意義pcl、變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)冷卻水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用針對社會(huì)發(fā)展中出現(xiàn)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題選題研究，現(xiàn)如今的社會(huì)，講究環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展，如何在給人類提供方便舒適的生活環(huán)境下而盡量的節(jié)約能源成為了社會(huì)的熱點(diǎn)話題，空調(diào)是現(xiàn)代化樓宇中不可缺少的一部分，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，中央空調(diào)的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。但是中央空調(diào)的能耗非常大，約占整個(gè)建筑總用電量的60%-70%。對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究、節(jié)能改造顯得尤為重要。由于設(shè)計(jì)時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留10-20設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是

12、不會(huì)運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大。1其中，冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在很大的浪費(fèi)。水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費(fèi)電能，而且還造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。再因水泵采用的是y-起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的34倍，一臺(tái)90kw的電動(dòng)機(jī)其起動(dòng)電流將達(dá)到500a，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機(jī)的使用壽命大大下降，同時(shí)，起動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)水垂現(xiàn)象，容易對機(jī)械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，

13、從而增加維修工作量和備品、備件費(fèi)用。綜上，為了節(jié)約能源和費(fèi)用，需對水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造，經(jīng)市場調(diào)查與了解采用成熟的變頻器來實(shí)現(xiàn)，以便達(dá)到節(jié)能和延長電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。這是因?yàn)樽冾l器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化隨之調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能目的。1.2 plc、變頻器在冷卻水泵節(jié)能方面研究現(xiàn)狀1.2.1本課題在國內(nèi)外的現(xiàn)狀中央空調(diào)在正常運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)室內(nèi)外的工作環(huán)境溫度、使用空調(diào)的空間大小和設(shè)定的溫度、冷卻水溫度的變化量等變量的變化，不斷調(diào)整自身的運(yùn)行狀況，從而實(shí)現(xiàn)既能保證空調(diào)的舒適性又能盡

14、量降低能耗的雙重目標(biāo)。故此，中央空調(diào)的控制系統(tǒng)對于一個(gè)空調(diào)的性能起了至關(guān)重要的作用。大部分中央空調(diào)的冷水機(jī)組基本都是由人工設(shè)定的鐘控裝置控制，系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)和定時(shí)關(guān)閉，每天長時(shí)間全開或者全關(guān)，輪流運(yùn)行，這樣對電網(wǎng)頻繁的沖擊，不僅恒溫效果不佳，讓人感到不舒適，同時(shí)也浪費(fèi)了大量的電能，工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究，在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運(yùn)行控制管理辦法，因?yàn)榈玫搅藦V泛的應(yīng)用。1.2.2 本課題在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢變頻節(jié)能空調(diào)近幾年來成為我國空調(diào)市場上的新寵，擁有變頻調(diào)速系統(tǒng)的中央空調(diào)能夠通過溫度反饋改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速使制冷量和環(huán)境達(dá)到一個(gè)平衡，具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點(diǎn)。變

15、頻空調(diào)在日本的市場占有率已超過90%以上，在歐美等發(fā)達(dá)國家的市場占有率也超過50%。2009冷年以來，變頻空調(diào)在我國國內(nèi)市場的發(fā)展更是日新月異，銷售增速達(dá)56.24,銷量已占空調(diào)總銷量的17.33。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測,2010冷凍年度變頻空調(diào)市場份額有望達(dá)25。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s4億多kw，其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的60%70%，而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備裝機(jī)總功率達(dá)1.6億kw，年耗電量3200kwh，約占當(dāng)年全國電力消耗總量的1/3。而應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般在20%60%，投資回收期13年，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。所以大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當(dāng)前推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量重要手段，而且也是

16、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。 第二章 理論分析 2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)與工作原理中央空調(diào)系統(tǒng)一般主要由制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)、冷媒(冷凍和冷熱)循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、盤管風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。其工藝結(jié)構(gòu)流程圖如圖2.1所示，在圖2.1中制冷壓縮機(jī)組通過壓縮機(jī)將制冷劑(冷媒介質(zhì)如r134a、r22等)壓縮成液態(tài)后送蒸發(fā)器中，冷凍循環(huán)水系統(tǒng)通過冷凍水泵將常溫水泵入蒸發(fā)器盤管中與冷媒進(jìn)行間接熱交換，這樣原來的常溫水就變成了低溫冷凍水，冷凍水被送到各風(fēng)機(jī)風(fēng)口的冷卻盤管中吸收盤管周圍的空氣熱量，產(chǎn)生的低溫空氣由盤管風(fēng)機(jī)吹送到各個(gè)房間，從而達(dá)到降溫的目的。冷媒在蒸發(fā)器中被充分壓縮并伴隨

17、熱量吸收過程完成后，再被送到冷凝器中去恢復(fù)常壓狀態(tài)，以便冷媒在冷凝器中釋放熱量，其釋放的熱量正是通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水帶走。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將常溫水通過冷卻水泵泵入冷凝器熱交換盤管后，再將這已變熱的冷卻水送到冷卻塔上，由冷卻塔對其進(jìn)行自然冷卻或通過冷卻塔風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行噴淋式強(qiáng)迫風(fēng)冷，與大氣之間進(jìn)行充分熱交換，使冷卻水變回常溫，以便再循環(huán)使用。在冬季需要制熱時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)僅需要通過冷熱水泵(在夏季稱為冷凍水泵)將常溫水泵入蒸汽熱交換器的盤管，通過與蒸汽的充分熱交換后再將熱水送到各樓層圖2.1中央空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程圖的風(fēng)機(jī)盤管中，即可實(shí)現(xiàn)向用戶提供供暖熱風(fēng)。理解中央空調(diào)系統(tǒng)工藝流程對于節(jié)能改造

18、的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，從因果關(guān)系角度上看，冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)均是主壓縮機(jī)系統(tǒng)的從動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)主壓縮機(jī)系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，對冷凍水、冷卻水的需求量和冷卻塔需求的冷卻風(fēng)量也發(fā)生相應(yīng)的變化，正因如此，我們才有節(jié)能改造的必要前提條件，才有實(shí)現(xiàn)“按需分配”控制方案的可能。2.2 中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)的組成以及工作原理 用水特點(diǎn)在供水系統(tǒng)中，用戶抽用的水是消耗掉的。它并不回到水泵的進(jìn)水口，對拖動(dòng)系統(tǒng)毫無反饋?zhàn)饔谩Ｔ诠┧到y(tǒng)中，當(dāng)通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量時(shí)，揚(yáng)程也隨之改變，并且，揚(yáng)程是和轉(zhuǎn)速的平方成正比。 功率與揚(yáng)程和流量的乘積成正比，而流量和轉(zhuǎn)速成正比，因而功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：q1q2=

19、nln2。在循環(huán)水系統(tǒng)中，所用的水是并不消耗的，從水泵流出的水又將流回水泵的進(jìn)口處，并且回水本身具有一定的動(dòng)能和位能，將反饋到水泵的進(jìn)水口。在通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量時(shí)，揚(yáng)程并無變化。更準(zhǔn)確地說在循環(huán)水系統(tǒng)中，用揚(yáng)程來描述水泵的做功情形是不夠準(zhǔn)確的。功率與揚(yáng)程和流量的乘積成正比，流量和轉(zhuǎn)速成正比，此處揚(yáng)程不變。所以，在循環(huán)水系統(tǒng)，水泵的功率是和轉(zhuǎn)速的平方成正比。由上式可知，在中央空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速下降12時(shí)，流量下降12，功率下降14，即功率與轉(zhuǎn)速成2次方的關(guān)系下降。如果不用關(guān)小閥門的方法，而是把電機(jī)的轉(zhuǎn)速降下來，那么隨著泵的輸出壓力的降低，在輸送同樣流量的情況下，原來消耗在閥門上的功

20、率就可完全避免。在不裝變頻器時(shí)，泵的出口流量靠閥門控制調(diào)節(jié)，流量小時(shí)，靠關(guān)小閥門調(diào)節(jié)，增加了泵管壓差，使部分能量白白消耗在出口閥門上。使用變頻器后，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，泵揚(yáng)程也相應(yīng)降低，電動(dòng)機(jī)輸出功率也降低了，從而消除了原來消耗在泵出口閥門上的管壓差。例如：將供電頻率由50/hz降為40 hz，則p40/pso=(40/50)2=0.640，即p加=0.640p50(p為電機(jī)軸功率)；將供電頻率由50 hz降為30 hz，則p30pso=(30/50)2=0.36，即p30=0.36p50(p為電機(jī)軸功率)。由以上內(nèi)容可以看出，用變頻器進(jìn)行流量控制時(shí)，可節(jié)約大量電能。而用閥門、自動(dòng)閥調(diào)節(jié)不僅增大

21、了系統(tǒng)節(jié)流損失，而且由于對空調(diào)的調(diào)節(jié)是階段性的，造成整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)；而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器則可一勞永逸地解決該問題，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并可通過變頻節(jié)能收回投資。同時(shí)變頻器的軟啟動(dòng)功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機(jī)組及網(wǎng)管的使用壽命。根據(jù)負(fù)荷變化的反饋信號經(jīng)plc進(jìn)行pid調(diào)節(jié)與變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使泵的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化，這樣就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，尤其在北方地區(qū)，春、秋兩季及早晚溫差較大，變頻調(diào)速節(jié)能的效果更加顯著。2.2 中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)組成圖2.3 制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的原理圖 由圖2.2可以看出，中央空調(diào)的冷水機(jī)組主要有兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)

22、構(gòu)成，即冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，壓縮機(jī)（圖2.3）不斷地從蒸發(fā)器中抽取制冷劑蒸汽，低壓制冷劑蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)部被壓縮為高壓蒸汽后進(jìn)入冷凝器中，制冷劑和冷卻水在冷凝器中進(jìn)行熱交換，制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w，通過熱力膨脹閥后，液態(tài)制冷劑壓力急劇下降，變?yōu)榈蛪阂簯B(tài)制冷劑后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，低壓液態(tài)制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量，冷凍水通過盤管吹出冷風(fēng)以達(dá)到降溫的目的，溫度升高了的循環(huán)水回到冷凍主機(jī)又成為了冷凍水，而變?yōu)榈蛪赫羝闹评鋭?，在通過回氣管重新吸入壓縮機(jī)，開始新的一輪制冷循環(huán)。而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后，由冷卻水泵加壓，通過冷卻水管道到達(dá)散熱塔與外界進(jìn)行熱交換，

23、降溫后的冷卻水重新流入冷凍主機(jī)開始下一輪的循環(huán)。2.3中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能原理 中央空調(diào)系統(tǒng)按負(fù)載類型可分為兩大類，變轉(zhuǎn)矩負(fù)載:如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載;恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載:如主制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)。不同的轉(zhuǎn)矩類型具有完全不同的轉(zhuǎn)矩功率關(guān)系特性，我們知道風(fēng)機(jī)、水泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性滿足流體動(dòng)力學(xué)關(guān)系理論，即以下數(shù)學(xué)關(guān)系成立: n1/n2q1/q2 ,h1/h2(n1/n2), p1/p2(n1/n2) ,其中，n、h、q、p分別表示轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、軸功率。它們之間的關(guān)系曲線如圖2.4所示。 由式(1)可知，若轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速的70%，那么，揚(yáng)程將下降到額定值的50%，同時(shí)，

24、軸輸出功率下降到額定值的35%。從圖2.4中可以看出，管網(wǎng)的阻尼隨揚(yáng)程的降低而減小。在滿足系統(tǒng)基本揚(yáng)程需求的情形下，若系統(tǒng)的流量需求減少到額定流量的50%時(shí)，在變頻控制方式下，其對應(yīng)輸出功率僅約為額定功率的13%。這就為實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造提供了數(shù)學(xué)理論上的可行性保障空間。圖2.4 流量、揚(yáng)程、功率三者間的關(guān)系曲線圖2.4水泵的變頻節(jié)能原理中央空調(diào)進(jìn)行熱交換的大小由冷凍水的流量控制，通常采用的流量控制方法有閥門控制和調(diào)述控制4。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量，如果采用調(diào)速控制，冷凍水的流量由冷凍泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，電機(jī)的耗電量決定于電機(jī)的輸出功率，輸出功率與電機(jī)

25、轉(zhuǎn)速的立方成正比，而電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降，即稍微降低供電頻率，輸出功率將大幅度下降，若電機(jī)轉(zhuǎn)速能根據(jù)實(shí)際所需的熱交換量來調(diào)整，電機(jī)的功率將大大減少，從而顯著節(jié)約電能。2.5水泵的變頻節(jié)能改造方案2.5.1節(jié)能改造方案選擇 （a）冷卻水系統(tǒng) （b）冷凍水系統(tǒng)圖2.5 循環(huán)水系統(tǒng) 冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成了冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷凍主機(jī)在進(jìn)行熱交換、使水溫冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水送回到冷凍機(jī)組?；厮臏囟葘⒏哂谶M(jìn)水的溫度，形成溫差，所以對于

26、冷卻泵，通過檢測進(jìn)水和回水的溫度差來實(shí)現(xiàn)恒溫差控制是可行的。溫差大，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，可以提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。從冷凍主機(jī)流出的冷凍水流經(jīng)所有的房間后回到冷凍主機(jī)。無疑，回水的溫度將高于出水的溫度，形成溫差。出水管和回水管上裝有檢測溫度的變送器。與plc和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差來控制泵的轉(zhuǎn)速也是可行的，回水溫度高，說明房間溫度高，應(yīng)該提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度。反之，回水溫度低，說明房間溫度低，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，達(dá)到節(jié)約

27、能源的目的。變頻控制原理圖如圖2.6所示圖2.6 中央空調(diào)變頻控制原理圖2.5.2 主電路控制方案一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)水泵，首先“1號泵”啟動(dòng)，進(jìn)行變頻控制，當(dāng)“1號泵”變頻器的輸出已經(jīng)上升到50hz，而溫差仍高于設(shè)定值時(shí)，“2號泵”啟動(dòng)并升速，使“1號泵”和“2號泵”同時(shí)進(jìn)行變頻控制。而“1號泵”變頻器的輸出頻率下降到下限頻率30hz時(shí)，“2號泵”減速并停止運(yùn)行，系統(tǒng)又進(jìn)入到由“1號泵”單獨(dú)進(jìn)行變頻控制7。為了平衡兩臺(tái)水泵的工作情況，可以進(jìn)行切換，使兩臺(tái)水泵輪流擔(dān)任主泵。2.7變頻節(jié)能系統(tǒng)組成框圖：圖2.7 變頻節(jié)能系統(tǒng)組成框圖2.5.3 空調(diào)系統(tǒng)水泵變頻中注意問題在某些中央空調(diào)系統(tǒng)中,沒有考

28、慮冷凍水、冷卻水系統(tǒng)各自的特點(diǎn)而都選擇了采用供、回水壓差或壓力作為變頻控制的信號源,結(jié)果在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)冷卻水泵的頻率基本上總是維持在50hz,從而使冷卻水泵的變頻形同虛設(shè)。我們知道,在冷凍水系統(tǒng)中,隨著空調(diào)負(fù)荷的減少,由于管路上一些閥門的開度自動(dòng)發(fā)生變化,使冷水機(jī)組供、回水管路上的壓力(差)也隨之變化,且隨動(dòng)關(guān)系較為緊密;而在冷卻水管路中,由于沒有設(shè)置與空調(diào)負(fù)荷密切相關(guān)又能自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力的裝置,使得管路中的壓力與空調(diào)負(fù)荷之間不存在直接的自動(dòng)依變關(guān)系,因此,盡管空調(diào)負(fù)荷變化了,冷卻水管路中的壓力也不會(huì)跟著變化?？梢?在現(xiàn)有的冷卻水系統(tǒng)中,要實(shí)現(xiàn)冷卻泵的變頻控制,壓力發(fā)信方式是不起作用的,最好是采用冷

29、卻水溫度或溫差發(fā)信方式。(1)節(jié)能效果的好壞完全取決于操作人員的技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)。由技術(shù)水平高、經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員進(jìn)行調(diào)整,其效果往往較好;反之,則效果就較差。同時(shí),操作人員的責(zé)任心也對節(jié)能效果有很大的影響:有高度責(zé)任感的操作人員可隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速,從而取得較好的節(jié)能效果無責(zé)任感的則可能不采取任何措施,或者始終讓水泵運(yùn)行在低于額定值的某一個(gè)轉(zhuǎn)速,其節(jié)能效果自然較差。因此,在部分負(fù)荷時(shí),手動(dòng)控制也能取得一定處。(2)控制不及時(shí),且始終受操作人員操作時(shí)間間隔長短的影響。由于操作人員不可能時(shí)時(shí)刻刻對系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測并及時(shí)采取相應(yīng)的措施,使得系統(tǒng)所需要的水流量與實(shí)際所提供的水流量之間

30、仍然存在差異,勢必影響系統(tǒng)的節(jié)能效果,嚴(yán)重時(shí)還導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。對負(fù)荷變化比較大的中央空調(diào)系統(tǒng),可能在某個(gè)時(shí)刻負(fù)荷較小,水泵運(yùn)行在較低的轉(zhuǎn)速下面;當(dāng)負(fù)荷升高時(shí),如果操作人員沒能及時(shí)監(jiān)測到這一狀況而沒采取提速措施,就會(huì)引起冷水機(jī)組的工況惡化而可能造成保護(hù)性停機(jī)(如冷卻水不足導(dǎo)致冷凝壓力過高停機(jī)等)。據(jù)筆者了解,目前各單位中央空調(diào)運(yùn)行管理操作人員均為每1小時(shí)或2小時(shí)填寫一次記錄表,而且操作人員往往只在填表的時(shí)候才會(huì)觀察系統(tǒng)的工作狀況,其它時(shí)間內(nèi)一般不會(huì)去巡視,因此這一問題應(yīng)引起特別關(guān)注。(3)控制參數(shù)與控制依據(jù)不明確很顯然,根據(jù)何種運(yùn)行參數(shù)來控制水泵的轉(zhuǎn)速在這種控制方式中得不到具體體現(xiàn),其控制

31、依據(jù)僅僅是操作人員自己的經(jīng)驗(yàn)。而對于不同的人,判斷空調(diào)負(fù)荷的方法也可能各不相同(如有的按溫度或溫差判斷,有的則按壓差或壓力判斷,還有的按冷水機(jī)組顯示的負(fù)荷百分比或電流值判斷等等),由此必然引起判斷結(jié)果的差異,進(jìn)而造成控制依據(jù)的不統(tǒng)一和混亂,必然會(huì)影響其效果。筆者認(rèn)為,既然已經(jīng)為水泵配置了變頻調(diào)速裝置,其控制最好是采用自動(dòng)的閉環(huán)控制方式,這樣成本增加并不多、實(shí)現(xiàn)起來也不困難,而且能增加控制的穩(wěn)定性、提高節(jié)能效果而縮短投資回收期。 多泵并聯(lián)系統(tǒng)中變頻器與泵運(yùn)行控制決策不當(dāng)在多數(shù)中央空調(diào)系統(tǒng)中,往往是多臺(tái)冷凍水泵并聯(lián)工作,冷卻水泵亦然。在這種并聯(lián)泵系統(tǒng)中如何配置變頻器,如何確定部分負(fù)荷時(shí)水泵的運(yùn)行控

32、制方案應(yīng)該引起注意,因?yàn)榧瓤刹捎靡慌_(tái)變頻器對多臺(tái)水泵進(jìn)行切換控制,也可采用多臺(tái)變頻器對多臺(tái)泵進(jìn)行控制,雖然這兩種方案都能實(shí)現(xiàn)全流量范圍內(nèi)的節(jié)能,但在實(shí)際中千萬不能草率,一定要根據(jù)身空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)來決定采用哪種配置,尤其是要正確選擇與之相關(guān)的運(yùn)行控制方案,否則會(huì)的節(jié)能效果,但顯然沒有充分利用變頻節(jié)能的好帶來深刻的教訓(xùn)。2.6 變頻控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 圖2.8系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖由于本控制系統(tǒng)是在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上的變頻節(jié)能改造，考慮到原控制系統(tǒng)的具體情況和工程成本等因素，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為通過profibus 總線協(xié)議通訊的主從式控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中各設(shè)備由現(xiàn)場控制器實(shí)行本地直接自動(dòng)控制。系統(tǒng)的控制參數(shù)的顯示及修

33、改通過觸摸屏操作。預(yù)留以太網(wǎng)通訊接口，便于以后的升級，與監(jiān)控計(jì)算機(jī)互連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。溫度壓力信號的采集由傳感器采集出的模擬量信號通過遠(yuǎn)程i/o 站轉(zhuǎn)換并通過profibus 發(fā)送到plc。選用西門子的plc 及變頻器系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由主控制柜和從控制柜組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。主控制柜中采用西門子緊湊型p l c313c-2 dp 作為主plc，該plc 上集成了profibus dp 通訊口，并且集成了16di/16do。主控制柜上配置mp277 觸摸屏，通過profibus 與plc 相連，可以用來顯示現(xiàn)場狀態(tài)和報(bào)警信息等。6臺(tái)驅(qū)動(dòng)柜對應(yīng)驅(qū)動(dòng)6臺(tái)水泵，編為一二三號冷凍驅(qū)動(dòng)柜和冷卻驅(qū)

34、動(dòng)柜。驅(qū)動(dòng)柜中安裝西門子專用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)泵類的變頻器mm4306及et200m 遠(yuǎn)程i/o 站。每臺(tái)變頻器進(jìn)線端子連到原單機(jī)柜的啟動(dòng)按鈕控制的繼電器下端，出線接回原柜。變頻器配置有profibus 通訊選件，可以與plc進(jìn)行profibus 通信。為了增加通訊線路的抗干擾性同時(shí)保證通訊質(zhì)量，采用西門子標(biāo)準(zhǔn)profibus通訊電纜。通過設(shè)定profibus 網(wǎng)絡(luò)兩端的終端電阻，可以減少由于不匹配而引起的反射，并能吸收噪聲，有效地抑制噪聲干擾。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，profibus通訊速率設(shè)定為500kbps。3對變頻器的控制變頻器的輸入輸出連接見圖2.8從原控制柜星三角啟動(dòng)接觸器引出的380v電源被送

35、入驅(qū)動(dòng)柜，連到空氣開關(guān)，從空氣開關(guān)下端輸出，一端連到變頻器的電源輸入端，一端連到接觸器k2。變頻器的輸出端連到接觸器k1。接觸器k1和k2的輸出連到共同的輸出端子送到水泵電源輸入端。 圖2.9變頻器連接圖在合上空氣開關(guān)時(shí)，通過接觸器k 1和k2的選擇接通就可實(shí)現(xiàn)工頻與變頻的轉(zhuǎn)換。工頻輸出有兩種情況：一種是手動(dòng)工頻輸出。通過觸摸屏選擇手動(dòng)模式，再在驅(qū)動(dòng)柜的工頻與變頻的切換開關(guān)選擇工頻輸出。另一種情況是故障工頻輸出。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障，將故障信號通過profibus輸出給主p l c ，p l c 判斷確為變頻器故障，非水泵故障，則通過profibus 控制et200m 遠(yuǎn)程i/o 站，輸出信號釋放

36、接觸器k 1 ，吸合接觸器k 2 ，工頻輸出；如判斷確為水泵故障，通過profibus 停止變頻器輸出，開啟備用泵。plc 對變頻器的控制傳統(tǒng)的對變頻器的輸出頻率控制是通過向變頻器的模擬量端子輸入420ma 電流信號，實(shí)現(xiàn)輸出頻率0 50hz 之間調(diào)節(jié)。這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，設(shè)備投資較少。但控制精度相對較差，無法將自身運(yùn)行狀態(tài)向主控系統(tǒng)反饋。在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中plc對變頻器的控制是通過profibus 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。通過profibus 通訊（最大速率可達(dá)12mbps），變頻器中眾多的參數(shù)變量都可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)被plc 調(diào)用和修改。mm430 變頻器通訊的報(bào)文有效數(shù)據(jù)塊可以分為兩個(gè)區(qū)域，即p k w 區(qū)（參數(shù)識

37、別id- 數(shù)值區(qū)）和pzd 區(qū)（過程數(shù)據(jù)）。pkw 區(qū)共有4 個(gè)字，通過p k w 區(qū)，用戶可以讀取或修改m m 4 3 0 變頻器的參數(shù)。pzd 區(qū)是為控制和監(jiān)測變頻器而設(shè)計(jì)的，在對于主站發(fā)送給變頻器的p z d 任務(wù)報(bào)文，其第一個(gè)字是變頻器的控制字（s t w ），控制字1 6 位的每一位都具有已定義的意義，包括啟動(dòng)、停止、故障確認(rèn)等，如表1所示。報(bào)文的第二個(gè)字是主設(shè)定值（h s w ），即頻率設(shè)定值，由plc 給定。對于變頻器發(fā)送給主站的pzd 應(yīng)答報(bào)文，其第一個(gè)字是變頻器的控制字（z s w ），反映了變頻器當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，如故障、報(bào)警、過載等，如表2009-7-24-22 所示。報(bào)文

38、的第二個(gè)字是主要的運(yùn)行參數(shù)實(shí)際值，通常將其定義為變頻器的實(shí)際輸出頻率。此外，p z d 報(bào)文的長度通常可以被定義為04 個(gè)字，可以通過bico 互聯(lián)讀取變頻器當(dāng)前的一些狀態(tài)，如輸出電壓、直流母線電壓、輸出電流等。 表2-1 stw 和hsw 的定義2.7 plc 控制冷水機(jī)組的原理2.7.1 plc控制系統(tǒng)方案試驗(yàn)前泵站原有一臺(tái)75kw冷凍機(jī)為全廠集中空調(diào)提供循環(huán)冷卻用水，其中有4臺(tái)55kw離心式抽水泵作并聯(lián)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)分別采用y一起動(dòng)，其中一臺(tái)作備用.另外泵站有4臺(tái)11kw冷卻風(fēng)機(jī)作水溫冷卻用.試驗(yàn)時(shí)對4臺(tái)泵電機(jī)和2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了控制.根據(jù)對泵站的能量分析，系統(tǒng)采取以下方法來達(dá)到節(jié)能目的。(l

39、)設(shè)定一臺(tái)泵為調(diào)節(jié)泵，以冷卻水溫度作為調(diào)節(jié)參數(shù)由于冷卻水的水溫變化慣性非常大，水溫變化所需時(shí)間較長.調(diào)節(jié)泵全額運(yùn)行，全通流量，使水溫緩慢下降，至設(shè)定溫度下限時(shí)關(guān)閉調(diào)節(jié)泵，水溫緩慢上升，至設(shè)定溫度上限時(shí)，開啟調(diào)節(jié)泵，使調(diào)節(jié)泵處于間歇工作狀態(tài)來達(dá)到節(jié)電目的.(2)調(diào)節(jié)泵采用軟起動(dòng)節(jié)電裝置由于泵電機(jī)實(shí)際運(yùn)行在滿載以下(約60%左右)，調(diào)節(jié)泵采用軟起動(dòng)節(jié)電裝置，其目的除解決間隙工作時(shí)泵電機(jī)起動(dòng)和停止所遇到的沖擊電流問題外，同時(shí)在泵電機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)能夠自動(dòng)根據(jù)負(fù)載狀態(tài)調(diào)節(jié)功率因數(shù)，供給電動(dòng)機(jī)的電壓自動(dòng)調(diào)整到全速運(yùn)行所需的最小值，減小不必要的損耗，使功率因數(shù)達(dá)到較高值.(習(xí)采用plc對4臺(tái)泵電機(jī)和2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)

40、行自動(dòng)控制冷卻水的溫度變化與水的流量和冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量有關(guān)，而后者對水溫影響更大.測試結(jié)果表明，當(dāng)50%風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，即使流量增加，水溫的超調(diào)量要比100%風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)大得多，如圖2.10所示.圖2.10 水溫變化曲線采用可編程控制器對泵電機(jī)和風(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠有效地通過水溫的實(shí)時(shí)檢測，達(dá)到節(jié)電的目的.同時(shí)為避免水溫超調(diào)量對控制模式的影響，控制器采用軟件屏蔽技術(shù)，根據(jù)水溫的上升梯度，自動(dòng)調(diào)控電機(jī)和風(fēng)機(jī)的“開”或“關(guān)”，以避免電機(jī)過于頻繁的起動(dòng)和停止.對于冷凍水系統(tǒng),其出水溫度取決于蒸發(fā)器的設(shè)定值,而回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量,中央空調(diào)冷凍水出水溫度與冷凍水的回水溫度設(shè)計(jì)最大溫差為 5(比

41、如:出水 7,回水 12),現(xiàn)采用在蒸發(fā)器出水管和回水管上裝有檢測其溫度的變送器、pid 溫差調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),通過冷凍水溫差(如 t=5)控制,即可使冷凍水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化45(如圖2)。對于冷卻水系統(tǒng),由于低溫冷凍水的溫度取決于冷卻塔的工作情況,我們只需控制高溫冷凍水(冷凝器出水)的溫度,即可控制溫差。現(xiàn)采用溫差變送器、pid 調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng),冷凝器出水的溫度控制在 t2(如 37),使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化45(如圖2.11)。在管道中取壓力信號采樣和溫差變送器,通過 pid 調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,通過plc 控制變頻器,以此控

42、制 3 臺(tái)水泵電機(jī)的運(yùn)行,系統(tǒng)啟動(dòng)開始工作,當(dāng)?shù)?1 臺(tái)電機(jī)運(yùn)行至工頻狀態(tài)時(shí),如管網(wǎng)壓力不夠,變頻器控制 2 臺(tái)電機(jī)開始工作,若工作到工頻狀態(tài)時(shí)管網(wǎng)管壓仍不夠時(shí),變頻器自動(dòng)切換至第 3 泵使其變頻運(yùn)行,第 1、第 2 臺(tái)電機(jī)工頻運(yùn)行,直至管網(wǎng)所需管壓。當(dāng)外部需求降低,管網(wǎng)管壓提高時(shí),第 3 臺(tái)運(yùn)行停止,變頻器自動(dòng)切換至第 2 泵,使其工作在變頻狀態(tài)下,若還達(dá)不到要求,再切換至第1 電機(jī),如此周而復(fù)始,始終讓系統(tǒng)工作在最優(yōu)、最佳、最省的工作狀態(tài)。圖2.11冷卻水泵控制方案圖2.7.2 plc控制系統(tǒng)的其他特點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示功能:顯示機(jī)組的運(yùn)行參數(shù),包括冷水出口溫度、冷水入口溫度、冷卻水出口溫度、冷卻水

43、入口溫度、蒸汽壓力、蒸汽閥門開度,以及溶液泵、冷劑泵等所有屏蔽泵的運(yùn)行狀態(tài)和各種故障報(bào)警的詳細(xì)信息。歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及檢索功能:對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ),數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間最長為 10 年?？梢酝ㄟ^歷史報(bào)表或者歷史趨勢曲線的方式檢索歷史數(shù)據(jù)?？刂乒δ?根據(jù)設(shè)定的參數(shù),并考慮經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù),plc 應(yīng)用反饋數(shù)據(jù)(如室內(nèi)溫度等)進(jìn)行 pid 調(diào)節(jié),以保證運(yùn)行參數(shù)滿足系統(tǒng)要求?？刂葡到y(tǒng)有三種運(yùn)行方式:就地手動(dòng)、軟手動(dòng)和自動(dòng)。就地手動(dòng)就是通過就地手動(dòng)操作設(shè)備對機(jī)組進(jìn)行控制,軟手動(dòng)是通過 plc 對機(jī)組進(jìn)行手動(dòng)控制,自動(dòng)則是根據(jù)編好的控制程序自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備的啟、停及調(diào)節(jié)量。采用程序控制方式,杜絕冷劑污染,有效

44、便捷地實(shí)現(xiàn)冷水、冷卻水的變頻控制。通過有效合理地開、?？刂?達(dá)到啟動(dòng)速度快、停機(jī)時(shí)間短的目的,即能節(jié)省能耗,還能避免結(jié)晶,從而提高中央空調(diào)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。連鎖與保護(hù)功能。各機(jī)組相關(guān)設(shè)備的啟、停具有一定的連鎖關(guān)系和時(shí)間順序,該功能由 plc 的連鎖程序完成。同時(shí),為保證機(jī)組的可靠運(yùn)行,對相關(guān)參數(shù)采取了一定的保護(hù)措施,如冷水、冷卻水與機(jī)組的連鎖控制、冷卻水系統(tǒng)與冷卻塔的連鎖控制等。2.7.3 主要部分plc程序設(shè)計(jì)：1) 冷凍水出回水和冷卻水進(jìn)出水的溫度檢測及溫差計(jì)算程序2) fx2n-4da4通道的d/a轉(zhuǎn)換模塊程序分析3) 手動(dòng)調(diào)速plc程序分析（以冷卻泵為例）4) 手動(dòng)調(diào)速和自動(dòng)調(diào)速的切換

45、程序5) 溫差自動(dòng)調(diào)速程序（以冷卻泵為例說明）6) 冷凍泵和冷卻泵的變頻器運(yùn)行和停止控制7) 變頻器的保護(hù)和故障復(fù)位控制2.7.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 在工藝過程日趨復(fù)雜、對機(jī)器和設(shè)備功能的要求不斷增加的環(huán)境中，獲得最大的透明性對操作員來說至關(guān)重要。人機(jī)界面（h m i ）提供了這種透明性。觸摸屏是基于plc 的軟硬一體人機(jī)界面，能以圖形界面形式實(shí)現(xiàn)各種工作狀態(tài)的顯示，并具有使用方便、人機(jī)對話界面友好、組態(tài)方便、可以與plc進(jìn)行良好通訊以及能適應(yīng)車間工作環(huán)境等特點(diǎn)。通過觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)對中央空調(diào)水系統(tǒng)變頻控制系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和操作控制。 mp277 觸摸屏是西門子公司一款基于microsoft wind

46、ows ce 5.0 操作系統(tǒng)的64k 色多功能t f t 面板，上面配置了profibus 接口、用于連接profinet的以太網(wǎng)接口、2個(gè)usb 端口等豐富的接口，可以實(shí)現(xiàn)多種用途并具有很高的性價(jià)比。 mp277 需要使用組態(tài)軟件win cc flexible 進(jìn)行組態(tài)7。win cc flexible是一種視窗下的創(chuàng)新性hmi 軟件，可用于工廠和機(jī)械工程中機(jī)器級的操作員控制和自動(dòng)化過程監(jiān)測。這種工程軟件允許對基于視窗的所有simatic hmi 操作員面板進(jìn)行集成組態(tài)從最小型的微型面板到pc解決方案。觸摸屏的變量輸入、信息顯示及操作畫面的定義等操作功能由win cc flexible組態(tài)

47、軟件來完成。觸摸屏組態(tài)畫面總共有4幅，分別為1# 系統(tǒng)畫面、2# 系統(tǒng)畫面、3# 系統(tǒng)畫面和報(bào)警畫面，前3 幅畫面實(shí)現(xiàn)的功能相同，只是對應(yīng)不同的系統(tǒng)。圖2.12和圖2.13分別為系統(tǒng)操作界面和報(bào)警畫面。win cc flexible 中可以設(shè)置錯(cuò)誤（error）和報(bào)警（alarm）以不同的顏色顯示，并且每類消息都可以設(shè)定不同顏色以區(qū)分正在發(fā)生、已經(jīng)得到應(yīng)答或已經(jīng)離去的報(bào)警和錯(cuò)誤。 圖2.12 系統(tǒng)操作界面圖2.13 報(bào)警畫面4操作時(shí)，觸按操作畫面中冷凍、冷卻系統(tǒng)和冷卻塔的相應(yīng)位置將彈出對應(yīng)的參數(shù)設(shè)定界面，可進(jìn)行手自動(dòng)轉(zhuǎn)換、溫差和壓差設(shè)定、冷卻塔溫度上下限設(shè)定等。觸摸屏和plc 之間的數(shù)據(jù)交互通

48、訊通過外部變量實(shí)現(xiàn)。每個(gè)外部變量帶有鏈接的plc 地址，如整數(shù)型對應(yīng)plc 內(nèi)存地址中一個(gè)字，離散型對應(yīng)plc 內(nèi)存一個(gè)字中一位。對觸摸屏操作時(shí)，整數(shù)型變量可以用彈出的鍵盤修改其值，離散型變量可以用按鍵設(shè)為1 或0。將離散型變量定義到報(bào)警畫面中，在對應(yīng)的plc 地址置1 時(shí)，報(bào)警信息即會(huì)顯示。用戶權(quán)限的設(shè)計(jì)由于觸摸屏只允許空調(diào)操作人員對其進(jìn)行操作， 所以要設(shè)定用戶權(quán)限。win cc flexible 中的用戶權(quán)限包括3 種：管理（a d m i n i s t r a t i o n ）、操作（operate）、監(jiān)控（monitor），可以設(shè)定不同的用戶組，每個(gè)用戶組可以操作的權(quán)限不同。根據(jù)實(shí)

49、際需要，我們設(shè)計(jì)了3 個(gè)用戶組，分別為管理員、操作員、用戶。對自動(dòng)/ 手動(dòng)狀態(tài)切換、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定等功能作了不同的權(quán)限設(shè)置。只有管理員可修改用戶的密碼。當(dāng)操作人員操作觸摸屏要修改參數(shù)或切換狀態(tài)時(shí)，會(huì)彈出窗口提示輸入用戶名和密碼，如圖2.14所示， 只有管理員組的用戶可以修改全部的參數(shù)，操作員組的用戶可以修改部分參數(shù)。輸入正確的用戶名和密碼之后，就可對組態(tài)畫面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定了。按下屏幕右下角的退出鍵退出，如要再次修改，須輸入用戶名和密碼。 圖2.14用戶登錄窗口本文設(shè)計(jì)了基于profibus 網(wǎng)絡(luò)的智能變送器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離精確傳送。控制系統(tǒng)為主從級控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主p l c 與et200m 和變頻器之

50、間的可靠通信，確保系統(tǒng)的安全性。工頻與變頻的切換功能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)狀態(tài)下水泵輸入的工頻與變頻的切換，也保證了自動(dòng)狀態(tài)下變頻器出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)將水泵切入工頻。觸摸屏的采用實(shí)現(xiàn)對冷凍和冷卻循環(huán)水的出回水的溫度和壓力以及水泵轉(zhuǎn)速監(jiān)測。2.8 冷卻水系統(tǒng)使用變頻器節(jié)能計(jì)算冷卻水系統(tǒng):共有電機(jī)4臺(tái)，電機(jī)距冷卻塔垂直落差小于10m。標(biāo)稱數(shù)據(jù)1: 電機(jī):160 kw 3臺(tái) 297 a/臺(tái) 1470r/min水泵:850 m3/h,41m運(yùn)行數(shù)據(jù)1: 進(jìn)出口壓力: 0.10 mpa/0.35 mpa進(jìn)出口溫度:2931/32342開1備方式，運(yùn)行電流:260a/臺(tái)，年均運(yùn)行5000h/臺(tái)，年累計(jì)耗電約178萬kwh標(biāo)

51、稱數(shù)據(jù)2:電機(jī):75kw 1臺(tái)140 a/臺(tái) 1470r/min水泵:420m3/h 41m運(yùn)行數(shù)據(jù)2: 進(jìn)出口壓力: 0.10 mpa /0.35 mpa 進(jìn)出口溫度:2931/3234備用方式，運(yùn)行電流:130a，年均運(yùn)行4000h, 年累計(jì)耗電約24萬kwh 根據(jù)主制冷壓縮機(jī)組廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù)表明，單臺(tái)制冷機(jī)組最大冷卻流量需求為350 m3/h，實(shí)際上由于季節(jié)和制冷量需求的變化，新亞藥廠改造前主制冷壓縮機(jī)組投運(yùn)的臺(tái)數(shù)在24套，其中約70%的時(shí)間是3套同時(shí)運(yùn)行，以往運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示年平均冷卻水流量需求約為750 m3/h。結(jié)合以上的基本數(shù)據(jù)，可以知道單臺(tái)冷卻水泵的運(yùn)行肯定無法滿足3臺(tái)

52、及以上主制冷機(jī)組同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對冷卻水流量的需求，這就造成全年70%以上的時(shí)間處于2臺(tái)冷卻水泵同時(shí)運(yùn)行的工況，顯然，不僅存在揚(yáng)程的浪費(fèi)，同時(shí)，流量也遭到無法有效控制的浪費(fèi)。 需要指出的是，若只簡單地從冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流來看(額定電流為297a, 實(shí)際運(yùn)行電流260a)，好像沒有理想的節(jié)能空間，但實(shí)際上對于中央空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、水泵來說，系統(tǒng)節(jié)能空間的判定依據(jù)應(yīng)為揚(yáng)程和流量的富裕度，并要求根據(jù)這兩個(gè)富裕度指標(biāo)來綜合判斷在流量需求增加時(shí)，是采用單泵提升流量方式還是并行增加泵數(shù)來達(dá)到提升流量方式，以便實(shí)現(xiàn)以最小的電能消耗滿足流量需求的變化。 (1)揚(yáng)程的富裕度判定 泵的標(biāo)稱揚(yáng)程h1(

53、本系統(tǒng)為41m)與系統(tǒng)實(shí)際需求最小揚(yáng)程h2(本系統(tǒng)為15m)之比值h的大小，即:h=h2/h1=15/4136.5% (2) 由式2和風(fēng)機(jī)、水泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、功率間的數(shù)學(xué)關(guān)系可知，單從系統(tǒng)實(shí)際需求揚(yáng)程的角度看，冷卻水電機(jī)只需要約23%的額定輸出功率即可滿足系統(tǒng)基本揚(yáng)程的需求。但此時(shí)的流量供給也僅約為泵標(biāo)稱額定流量的61%。 (2)流量的富裕度判定 冷卻水系統(tǒng)冷卻水進(jìn)出蒸發(fā)器的實(shí)際溫差t1(本系統(tǒng)溫差3)與蒸發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)出水允許溫差t2(一般溫差= 5)之比值t的大小，即:t=t1 /t23/5=60% (3) 同樣，由式3和風(fēng)機(jī)、水泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、功率間的數(shù)學(xué)關(guān)系

54、可知，單從系統(tǒng)實(shí)際需求的流量來看，2臺(tái)冷卻水電機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際上僅需要約各自22%的額定功率即可滿足流量的需求。但此時(shí)泵的揚(yáng)程供給也僅為標(biāo)稱額定揚(yáng)程的36%，因小于系統(tǒng)36.5%的基本揚(yáng)程指標(biāo)而系統(tǒng)無法正常工作。 由以上的計(jì)算分析可以看出，2臺(tái)泵實(shí)際有用功總共僅約為單臺(tái)電機(jī)標(biāo)稱額定功率的45%左右，即從理論上完全可以由1臺(tái)160kw的電機(jī)就可以勝任，但是，在當(dāng)前的設(shè)備指標(biāo)和工況條件下，即便采用變頻控制方案，我們也很難實(shí)現(xiàn)對流量和揚(yáng)程的最佳有效性統(tǒng)一控制，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是泵的標(biāo)稱數(shù)據(jù)即泵的選型不當(dāng)所致。因此，決定對2臺(tái)160kw的泵進(jìn)行重新選型配置，新泵的標(biāo)稱數(shù)據(jù)如下: 型號slow3

55、50-380 流量1424m3/h 揚(yáng)程31m 新泵的這個(gè)標(biāo)稱數(shù)據(jù)指標(biāo)足以保證單臺(tái)泵投入運(yùn)行的條件下至少能夠滿足全年70%以上時(shí)間的系統(tǒng)對冷卻水流量的需求。雖然對2臺(tái)泵的重新配置會(huì)增加節(jié)能改造成本，但從經(jīng)濟(jì)效益上看，這一投入是值得的。泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算對于泵類設(shè)備采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果，可以根據(jù)已知泵類在不同控制方式下的流量一負(fù)載關(guān)系曲線和現(xiàn)場運(yùn)行的負(fù)荷變化情況進(jìn)行計(jì)算。 以一臺(tái)is150-125-400型離心泵為例，額定流量200.16mh，揚(yáng)程50m；配備y225m-4型電動(dòng)機(jī)，額定功率45kw。根據(jù)運(yùn)行要求，水泵連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行，其中每天11小時(shí)運(yùn)行在90負(fù)荷，l3小時(shí)運(yùn)行在50負(fù)荷；全年運(yùn)行時(shí)間在250天。則每年的節(jié)電量為：w1=45ll271250=33536.25kwhw2=451387250=127237.5kwhw= w1+ w2=33536.25+127237.5=160773.75kwh每度電按0.5元計(jì)算，則每年可節(jié)約電費(fèi)8.039萬元。圖2.15節(jié)能原理圖節(jié)能案例蕪湖新源大廈是集酒店與寫字樓為一體的綜合性大廈。空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)及水泵配置表2-2 設(shè)備配置表設(shè)備運(yùn)行情況：制冷運(yùn)行時(shí)間約145天，日均時(shí)間