可編程控制器課程設(shè)計(jì)

1、可編程控制器課程設(shè)計(jì)中央空調(diào)的設(shè)計(jì)一、前言我國(guó)是一個(gè)人均能源相對(duì)貧乏的國(guó)家，人均能源占有量不足世界水平的一半，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已成為世界第二耗能大國(guó)，但能源使用效率普通偏低, 造成電能浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。盡管我國(guó)電網(wǎng)總裝機(jī)容量和發(fā)電量快速擴(kuò)容，但仍趕不上用電量增加的速度，供電形勢(shì)嚴(yán)峻, 節(jié)能節(jié)電已迫在眉睫。中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)

2、荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。二、問題的提出1、原系統(tǒng)簡(jiǎn)介中央空調(diào)系統(tǒng)改造前的主要設(shè)備和控制方式：450冷噸冷氣主機(jī)2臺(tái)，型號(hào)為特靈二極式離心機(jī)，兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行；冷凍水泵和冷卻水泵各有3臺(tái)，型號(hào)均為TS-200-150315，揚(yáng)程32米，配用功率37KW。均采用兩用一備的方式

3、運(yùn)行。冷卻塔3臺(tái)，風(fēng)扇電機(jī)7.5KW，并聯(lián)運(yùn)行。 2、原系統(tǒng)的運(yùn)行及存在問題由于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須按天氣最熱、負(fù)荷最大時(shí)設(shè)計(jì)，且留有10%-20%左右的設(shè)計(jì)余量。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)的調(diào)節(jié)。這樣，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長(zhǎng)期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是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，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命大大下降；同時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)的水錘現(xiàn)象，容易對(duì)機(jī)械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備件費(fèi)用。另外,由于冷凍

4、泵軸輸送的冷量不能跟隨系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷的變化，其熱力工況的平衡只能由人工調(diào)整冷凍主機(jī)出水溫度，以及大流量小溫差來掩蓋。這樣，不僅浪費(fèi)能量，也惡化了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行質(zhì)量。特別是在環(huán)境溫度偏低、某些末端設(shè)備溫控稍有失靈或靈敏度不高時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致大面積空調(diào)室溫偏冷，感覺不適，嚴(yán)重干擾中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。因?yàn)榭照{(diào)偏冷的問題經(jīng)常遇到各種想不到的問題造成不少人力資源的浪費(fèi)。本人提出：“利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊、溫度傳感器等構(gòu)成的溫差閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)冷凍、冷卻水泵進(jìn)行改造，以節(jié)約電能?！?三、節(jié)能改造的可行性分析   改造方案主要有：方案一是通過關(guān)小水閥門來控制流

5、量，經(jīng)測(cè)試達(dá)不到節(jié)能效果。且控制不好會(huì)引起冷凍水未端壓力偏低，造成高層用戶溫度過高，也常引起冷卻水流量偏小，造成冷卻水散熱不夠，溫度偏高；方案二是根據(jù)制冷主機(jī)負(fù)載較輕時(shí)實(shí)行間歇停機(jī)，但再次起動(dòng)主機(jī)時(shí)，主機(jī)負(fù)荷較大，實(shí)際上并不省電，且易造成空調(diào)時(shí)冷時(shí)熱，令人產(chǎn)生不適感；方案三是采用變頻器調(diào)速，由人工根據(jù)負(fù)荷輕重調(diào)整變頻器的頻率，這種方法人為因素較大，雖然投資較小，但達(dá)不到最大節(jié)能效果；方案四是通過變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度模塊和溫度傳感器等構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制，根據(jù)負(fù)載輕重自動(dòng)調(diào)整水泵的運(yùn)行頻率，排除了人為操作錯(cuò)誤的因素。雖然一次投入成本較高，但這種方法在社會(huì)上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，已經(jīng)證實(shí)是

6、切實(shí)可行的高效節(jié)能方法。最后決定采用方案四冷凍、冷卻泵進(jìn)行節(jié)能改造。以下是分析過程：1、  中央空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過程是一個(gè)不斷進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換以及熱交換的過程。其理想運(yùn)行狀態(tài)是：在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中,在冷凍泵的作用下冷凍水流經(jīng)冷凍主機(jī)，在蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，被吸熱降溫后（7。C）被送到終端盤管風(fēng)機(jī)或空調(diào)風(fēng)機(jī)，經(jīng)表冷器吸收空調(diào)室內(nèi)空氣的熱量升溫后（12。C），再由冷凍泵送到主機(jī)蒸發(fā)器形成閉合循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中,在冷卻泵的作用下冷卻水流經(jīng)冷凍機(jī)，在冷凝器吸熱升溫后（37。C）被送到冷卻塔，經(jīng)風(fēng)扇散熱后（32。C）再由冷卻泵送到主機(jī)，形成循環(huán)。在這個(gè)過程里，冷

7、凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，在冷凍泵、冷卻泵得到動(dòng)能不停地循環(huán)在各自的管道系統(tǒng)里，不斷地將室內(nèi)的熱量經(jīng)冷凍機(jī)的作用，由冷卻塔排出。如圖一所示。在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷凍泵、冷卻泵的裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%20%余量作為設(shè)計(jì)安全系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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%24%，而在冷凍主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷卻水、冷凍水循環(huán)用電就達(dá)30%40%。因此，實(shí)施對(duì)冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的能量自動(dòng)控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動(dòng)控制的重要組成部分。四、控制設(shè)計(jì)的具體方案1、    主電路的控制設(shè)計(jì)根據(jù)具體情況，同時(shí)考慮到成本

8、控制，原有的電器設(shè)備盡可能的利用。冷凍水泵及冷卻水泵均采用兩用一備的方式運(yùn)行，因備用泵轉(zhuǎn)換時(shí)間與空調(diào)主機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)間一致，均為一個(gè)月轉(zhuǎn)換一次，切換頻率不高，決定將冷凍水泵和冷卻水泵電機(jī)的主備切換控制利用原有電器設(shè)備，通過接觸器、啟停按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行電氣和機(jī)械互鎖。確保每臺(tái)水泵只能由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)，避免兩臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)同一臺(tái)水泵造成交流短路事故；并且每臺(tái)變頻器任何時(shí)間只能拖動(dòng)一臺(tái)水泵，以免一臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)水泵而過載。2 變頻器的控制方式變頻器的啟停及頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)由PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊進(jìn)行溫差閉環(huán)控制，手動(dòng)/自動(dòng)切換和手動(dòng)頻率上升、下降由PLC控制。3、  主

9、要設(shè)備選型考慮到設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性及性價(jià)比，以及水泵電機(jī)的匹配。選用三菱FR-F540-37K-CH變頻器；PLC所需I/O點(diǎn)數(shù)為：輸入24點(diǎn)、輸出14點(diǎn)，考慮到輸入輸出需留一定的備用量，以及系統(tǒng)的可靠性和價(jià)格因素，選用FX2N-64MR三菱PLC；溫度傳感器模塊FX2N-4AD-PT，該模塊是溫度傳感器專用的模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊，有4路模擬信號(hào)輸入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），接收冷凍水泵和冷卻水泵進(jìn)出水溫度傳感器輸出的模擬量信號(hào)；溫度傳感器選用PT-100 3850RPM/電壓型溫度傳感器，其額定溫度輸入范圍-100600，電壓輸出010V，對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)字輸出-10006000

10、；模擬量輸出模塊型號(hào)為FX2N-4DA，是4通道D/A轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)通道可單獨(dú)設(shè)置電壓或電流輸出，是一種具有高精確度的輸出模塊。4、  改造需要增加的設(shè)備：名    稱數(shù)    量型    號(hào)PLC1FX2N-64MR變頻器4FR-F540-37K-CH溫度傳感器輸入模塊1FX2N-4AD-PT溫度傳感器4PT-100 3850RPM/模擬量輸出模塊1FX2N-4DA轉(zhuǎn)換開關(guān)2250V/5A啟動(dòng)按鈕18250V/5A停止按鈕2250V/5A五、主要設(shè)備的特性簡(jiǎn)介1、變頻器隨著微電子技術(shù)，電力電子

11、技術(shù)，全數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的應(yīng)用越來越廣泛。變頻器能均勻的改變電源的頻率，因而能平滑的改變交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于兼有調(diào)頻調(diào)壓功能，所以在各種異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，性能最好。    變頻器分為間接變頻和直接變頻，變頻水泵采用間接變頻方式。間接變頻裝置的特點(diǎn)是將工頻交流電源通過整流器變成直流，再經(jīng)過逆變器將直流變成頻率可控的交流電。變頻器以軟啟動(dòng)取代Y 降壓?jiǎn)?dòng)，降低了啟動(dòng)電流對(duì)供電設(shè)備的沖擊，減少了振動(dòng)及噪音。2、PLCPLC是一種以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的新型工業(yè)控制器。PLC與傳統(tǒng)的繼電器控制比較，有以下特

12、點(diǎn)：（1） 通用性好，接線簡(jiǎn)單，通過選配相應(yīng)的模塊，可適應(yīng)用于各控制系統(tǒng)。（2） 功能強(qiáng)，可以通過編程實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的控制功能。除邏輯控制功能外，還具有模擬量控制，順序控制，位置控制，高速計(jì)數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。（3） 可靠性高，無機(jī)械觸點(diǎn)，消除了電弧損害，接觸不良等，使用壽命長(zhǎng)。（4） 定時(shí)準(zhǔn)確，定時(shí)范圍寬。（5） 體積小，耗電小。（6） 編程和接線可同步進(jìn)行，擴(kuò)展靈活，維修方便。六、三菱FR-F540-37K-CH變頻器主要參數(shù)的設(shè)定Pr.160   :  0        允許所有參數(shù)的讀/

13、寫Pr.1     :  50.00    變頻器的上限頻率為50HzPr.2     :  30.00    變頻器的下限頻率為30HzPr.7     :  30.0     變頻器的加速時(shí)間為30SPr.8     :  30.0     變頻器的減速時(shí)

14、間為30SPr.9     :  65.00    變頻器的電子熱保護(hù)為65APr.52    :  14       變頻器DU面板的第三監(jiān)視功能為變頻器的輸出功率Pr.60    :  4        智能模式選擇為節(jié)能模塊Pr.73    :  0 &

15、#160;      設(shè)定端子25間的頻率設(shè)定為電壓信號(hào)010VPr.79    :  2        變頻器的操作模式為外部運(yùn)行七、三菱PLC控制器FX2N-64MR與三菱FR-F540-37K-CH變頻器的接線以及I/O分配1、I/O分配：X0:1#冷卻泵報(bào)警信號(hào)X1:1#冷卻泵運(yùn)行信號(hào)X2:2#冷卻泵報(bào)警信號(hào)X3:2#冷卻泵運(yùn)行信號(hào)X4:1#冷凍泵報(bào)警信號(hào)X5:1#冷凍泵運(yùn)行信號(hào)X6:2#冷凍泵報(bào)警信號(hào)X7:2#冷凍泵運(yùn)行信號(hào)X

16、10:冷卻泵報(bào)警復(fù)位X11:冷凍泵報(bào)警復(fù)位X12：冷卻泵手/自動(dòng)調(diào)速切換X13：冷凍泵手/自動(dòng)調(diào)速切換X14：冷卻泵手動(dòng)頻率上升X15：冷卻泵手動(dòng)頻率下降X16：冷凍泵手動(dòng)頻率上升X17：冷凍泵手動(dòng)頻率下降X20:1#冷卻泵啟動(dòng)信號(hào)    X21: 1#冷卻泵停止信號(hào)X22:2#冷卻泵啟動(dòng)信號(hào)    X23: 2#冷卻泵停止信號(hào)X24:1#冷凍泵啟動(dòng)信號(hào)    X25: 1#冷凍泵停止信號(hào)X26:2#冷凍泵啟動(dòng)信號(hào)    X27: 2#冷凍泵停止信號(hào)Y2:冷卻泵自動(dòng)調(diào)速信號(hào)Y

17、3: 冷凍泵自動(dòng)調(diào)速信號(hào)Y4:1#冷卻泵報(bào)警信號(hào)Y5: 2#冷卻泵報(bào)警信號(hào)Y6:1#冷凍泵報(bào)警信號(hào)Y7: 2#冷凍泵報(bào)警信號(hào)Y10:1#冷卻泵啟動(dòng)Y11:1冷卻泵變頻器報(bào)警復(fù)位Y12:2#冷卻泵啟動(dòng)    Y13:2冷卻泵變頻器報(bào)警復(fù)位Y14:1#冷凍泵啟動(dòng)Y15:1冷凍泵變頻器報(bào)警復(fù)位Y16:2#冷凍泵啟動(dòng)    Y17:2冷凍泵變頻器報(bào)警復(fù)位2、接線圖：PLC與變頻器接線圖八、三菱FX2N64MR  PLC主要部分程序分析1、冷凍水出回水和冷卻水進(jìn)出水的溫度檢測(cè)及溫差計(jì)算程序根據(jù)計(jì)算出來的冷凍水出回水溫差和冷卻水進(jìn)出水溫

18、差，分別對(duì)冷凍泵變頻器和冷卻泵變頻器進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的自動(dòng)控制，溫差變小變頻器的運(yùn)行頻率下降（頻率下限為30Hz），溫差變大，則變頻器的運(yùn)行頻率上升（頻率上限50Hz），從而實(shí)現(xiàn)恒溫差的控制，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能運(yùn)行。2、FX2N-4DA  4通道的D/A轉(zhuǎn)換模塊程序分析D/A轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字量入口地址為：CH1通道：D1100；CH2通道：D1101；CH3          通道：D1102；CH4通道：D1103；數(shù)字量的范圍為-2000+2000，對(duì)應(yīng)的電壓輸出為-10V+10V,變頻器輸入模擬

19、電壓為0+10V,對(duì)應(yīng)30Hz50Hz的數(shù)字量為+1200+2000，為保證2臺(tái)冷卻泵之間的變頻器運(yùn)行頻率的同步一致，使用了   LD M8000   MOV D1100 D1101 ；2臺(tái)冷凍泵也使用了 LD M8000  MOV D1102 D1103  的指令。3、手動(dòng)調(diào)速PLC程序分析 X14為冷卻泵手動(dòng)頻率上升， X15為冷卻泵手動(dòng)頻率下降，每次頻率調(diào)整0.5Hz，所有手動(dòng)頻率的上限50Hz，下限30Hz。4、手動(dòng)調(diào)速和自動(dòng)調(diào)速的切換程序X12為冷卻泵手/自動(dòng)調(diào)速切換開關(guān)；X13為冷凍泵手/自動(dòng)調(diào)速切換開關(guān)；5、溫差自動(dòng)調(diào)速

20、程序溫差采樣周期，因溫度變化緩慢，時(shí)間定為5秒能滿足實(shí)際需要；當(dāng)溫差小于4.8時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率下降，每次調(diào)整0.5Hz；當(dāng)溫差大于5.2時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率上升，每次調(diào)整0.5Hz；當(dāng)冷卻進(jìn)出水溫差在4.85.2時(shí)不調(diào)整變頻器的運(yùn)行頻率。從而保證冷卻泵進(jìn)出水的溫差恒定，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。6、冷凍泵和冷卻泵的變頻器運(yùn)行和停止控制2臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)的冷卻泵和2臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)的冷凍泵的起?？刂朴煤?jiǎn)單邏輯順序的控制，PLC程序此處略。7、變頻器的保護(hù)和故障復(fù)位控制變頻器的過電流電子熱保護(hù)動(dòng)作時(shí)PLC能自動(dòng)檢測(cè)，給出報(bào)警信號(hào)，提醒值班人員及時(shí)處理，以下為變頻器故障后的復(fù)位PLC程序:8、PLC梯形圖和程序設(shè)計(jì)(1

21、)、梯形圖 (2)、指令表步    指令0     LD        M80021     T0        K0       K1     K100     K410   &

22、#160;LD        M800011    FROM      K0       K5     D10      K420    ADD       D10    

23、;  K1     D1027    ADD       D11      K7     D1134    ADD       D12      K0     D1241 

24、0;  ADD       D13      K11    D13 48    SUB       D11      D10    D2055    SUB       D13 &

25、#160;    D12    D2162    LD        M8002  63    TO        K1       K0     H0       K1

26、72    LD        M800073    TO        K1       K1     D1100    K482    LD        M8000

27、83    MOV       D1100    D1101  88    MOV       D1102    D110393    LDI       M10     94   

28、0;             MPS95                 ANDF      X014 97    ADD       D1100   

29、0;K20     D1100104              MRD     105              ANDF      X015107   SUB  

30、60;    D1100    K20     D1100114              MRD    115              AND<=     D1

31、100    K1200   120   MOV       K1200    D1100125              MPP       126        &#

32、160;     AND>=     D1100    K2000131   MOV       K2000    D1100136   LDI       M11    137       &

33、#160;      MPS       138              ANDF      X016140   ADD       D1102    K20   &#

34、160; D1102147              MRD     148              ANDF      X017150   SUB       D11

35、02    K20     D1102157              MRD   158              AND<=     D1102    K1200 163

36、   MOV       K1200    D1102168              MPP 169              AND>=     D1102  

37、  K2000174   MOV       K2000    D1102179   LD        X012180   OUT       M10181   LD        X013182  

38、; OUT       M11183   LDI       T1184   OUT       T0       K25187   LD        T0188   OUT   

39、;    T1       K25191   LD        M10192   ANDF      T0194              MPS195     

40、60;        AND>      D20      K52200   ANI       M12      201   ADD       D1100    K20 

41、     D1100208              MRD209              AND<      D20      K48214   ANI 

42、60;     M12      215   SUB       D1100    K20      D1100222              MPP223     &

43、#160;        AND>=     D20      K48228   AND<=     D20      K52233   OUT       M12234   LD<  

44、60;    D1100    K1200239   MOV       K1200    D1100244   LD>       D1100    K2000249   MOV       K2000  

45、60; D1100254   LD        M11255   ANDP      T0257              MPS258              AND>

46、      D21      K52263   ANI       M13264   ADD       D1102    K20      D1102271        

47、60;     MRD272              AND<      D21      K48277   ANI       M13278   SUB     

48、0; D1102    K20      D1102285              MPP286              AND>=     D21     

49、K48291   AND<=     D21      K52296   OUT       M13297   LD<       D1102    K1200302   MOV       K1200

50、60;   D1102307   LD>       D1102    K2000312   MOV       K2000     D1102317   LD        X010      318&

51、#160;             MPS319              AND       X000320              OUT &#

52、160;     Y011321              MPP322              AND       X002323         

53、;     OUT       Y013324              LD        X011325              MPS  &#

54、160;    326              AND       X004327              OUT       Y015328   

55、0;          MPP329              AND       X006330              OUT     

56、;  Y017331              LD        X020332              SET       Y010333    

57、0;         LD        X021334              RST       Y010335            

58、;  LD        X022336              SET       Y012337              LD     

59、60;  X023338              RST       Y012339              LD        X024340    &#

60、160;         SET       Y014341              LD        X025342           

61、60;  RST       Y014343              LD        X026344              SET     

62、  Y016345              LD        X027346              RST       Y016347     

63、;         LD        X001348              AND       M8014349            

64、;  OUT       C220     K50000000354   LD        X003    355   AND       M8014356   OUT       C221     K50000000361   LD        X005     362   AND       M8014363   OUT       C222