中央空调水泵变频调速系统的PLC设计

摘 要

本文针利用可编程控制器、模拟量扩展模块、变频器、温度传感器等代替传统再热量调节系统，实现中央空调水泵的变频调速。通过对空调出口温度进行检测，变频系统实时调节中央空调水泵转速，达到节能目的。采用变频技术控制中央空调水泵，是当前空调系统节能改造的有效途径。

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变频器的功用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0～400Hz）的三相（或单相）交流电。当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调。又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以，当连续可调时，也连续可调。由于磁极对数不同的异步电动机，在相同频率时的转速是不同的。所以，即使频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的，因此采用变频和变极调速相结合的方法，可以大大提高变频器的工作效率。

中央空调系统采用变频调速技术，电机可在很宽的范围内平滑调速, 可将所有节流阀去掉, 使管道畅通，可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速, 从而改变水的流量，达到制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，达到节能目的。采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。这种系统可由多台水泵电机组成，其中只有一台水泵处于变频调速状态，就可以达到节能目的。这种系统最大程度地节约了设备。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制。

中央空调系统通常分为冷冻水和冷却水两个系统。现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。

（1）冷冻水泵系统的闭环控制

该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。

（2）冷却水系统的闭环控制

该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，在保证中中央空调机组正常工作的前提下，达到节能增效的目的。

控制原理说明如下：PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能。

由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。

中央空调水泵变频调速系统有多种，这里讨论我们常见的两种控制方案单片机控制和PLC控制。

单片机控制是根据环境温度和中央空调的工况设定要求的冷却水和冷冻水的回水温度设定值，与单片机采样由温度传感器给出的实际水温值比较，经PI运算后输出4～20mA电流作为变频器的输入给定值，调节水泵转速行程闭环控制。单片机输出控制接触器通，断完成机组选择控制，并在变频器异常时检测变频器发出的故障信息，充分利用设备，使中央空调冷却水水泵和冷冻水泵变频调节性能达到理想的效果。

PLC先利用变频器软启动1个水泵，开始变频运行。其转速由零逐步增加，水循环系统水压升高，水量增大。安装在冷冻水系统回水主管的温度传感器检测出冷冻水回水温度，把它送到变频器，与变频器设定的温度作比较，通过变频器内部的PID运算，调节变频器输出频率。变频器输出的频率同时输入PLC，控制水泵电动机的投入与切出。通过负荷的变化调整水泵的工作状态，达到理想的效果。

虽然用单片机控制比较简单方便，但是其抗干扰能力差，故障率高，考虑到中央空调的适用的广泛性，为了提高使用的可靠性，在这次设计中我们选择用PLC控制中央空调水泵的变频调速。

中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管或管线连接多个末端的方式来控制不同的房间以达到室内空气调节目的的空调。中央空调的工作原理与家用一样，都是利用冷媒的物理原理把室内的热量带到室外去达到制冷的效果，中央空调工作原理图如图2-1所示。

图2-1 中央空调工作原理

工作原理：冷冻主机是中央空调的致冷源，从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。冷却水塔为冷冻主机提供冷却水，冷却水经管道盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。

PLC是变频调速控制系统的关键部件。其作用是协调各机组与变频器之间的电气连接，通过接触器与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。水泵机组都可运转在工频以下和变频以下两种状态。这由系统根据实际需要进行切换控制。

可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块，A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器的升速过程及降速过程。

该控制系统, 在任何状态下, 只需一台水泵电机处于调速状态, 其它电机可根据需要处于工频状态或停机状态, 就可实现热交换从零至最大的控制过程。冷却水、冷冻水系统可分别用一台PLC控制器和一台变频调速器来控制。

空调变频控制系统，依据水泵变频曲线和系统曲线计算出最佳运行模式后，使n台水泵在最佳频率下运行。随着用户量的不断变化,实际差压值会经常偏离设定值。为了彻底消除该水泵系统的剩余扬程，空调变频系统将作进一步的PID调节，控制原理方框图如图2-2所示。

图2-2 系统的控制原理图

系统将差压变送器的实时反馈值与目标设定值比较,其差值被送入PLC的内部PID调节器，经过运算,输出频率信号对水泵进行调速，以达到消除差压动态偏差的目的。

对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变送器和A/D转换模块反馈给PLC进行处理，再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速，从而对温度进行控制。

目前，对冷却水系统和冷冻水系统分别进行调速的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量。冷冻水系统也是如此。在冷冻水和冷却水的回水管道上安装温度传感器，只检测回水温度，然后经过PLC的处理对变频器实行控制。这样可确保中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。温度传感器可采用PT100热电阻；A/D转换模块；PLC；D/A转换模块都选用西门子公司的产品，变频器采用三菱公司的变频器。系统的结构图如图2-3所示。

图2-3 系统结构图

（1）输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程控制器的产品特点，对输入输出电数进行圆整。本设计输入点有15个，输出点11个。

（2）存储器容量的估算

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字）。另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的可编程控制器内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。

（3）机型的选择

通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O相应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析。并且根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高速技术器，又因为电机是双向运行的，所以可编程控制器还需具有可逆技术器。

综合考虑后，本设计选择SIEMENS公司生产的S7系列的S7-200可编程控制器。本文选配的SIMATIC S7-200 PLC主要由CPU226、模拟量输入EM231模块和模拟量输出EM232模块三部分组成。

3.2.1 模拟量输入模块选型（A/D）

模拟量输入模块的基本功能就是将输入PLC的外部模拟量转换为PLC所需的数字量，以供给主控模块进行数据处理和控制。

模拟量输入模块可以直接与热电偶，铂电阻等温度检测元件相连，接受采自温度传感器的信号，温度控制模块实际上就相当于变送器和A/D转换器。将生产现场的温度信号值传送给PLC，经过PLC处理后，通过模拟量输出模块输出。这样就可以实现温度的自动控制。

EM231热电阻模块可以通过DIP开关来选择热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必须将PLC断电后再通电，新的设置才能起作用。

3.2.2 模拟量输出模块选型（D/A）

模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号(如4095等)转换成4～20mA的电流输出信号或0～10V，0～5V的直流电压输出信号，以提供给执行机构。

模拟量输出模块选用西门子公司的EM232模块。数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数，其输出数据格式是左端对齐的，最高有效位：0表示是正值数据字，数据在装载到DAC寄存器之前，4个连续的0是被裁断的，这些位不影响输出信号值。

3.2.3 温度传感器选型

温度检测用的主要是负温度系数热敏电阻，PTC和CTR热敏电阻则利用在特定温度下电阻值急剧变化的特性构成温度开关器件。PT100温度传感器的测量温度范围是：-50℃～450℃。

Pt100热电阻隔离变送器：型号：RS3011。该产品是用PT100传感器测量温度的隔离变送器，在工业上主要用于测量-200~+500℃的温度。变送器内有线性化和长线补偿功能，出厂时按照PT100国标分度表校正，完全达到0.2级精度要求。输入、输出和辅助电源之间是完全隔离（三隔离），可以承受2500VDC的隔离耐压。因本设计需求，特选择输入温度范围为0～+100℃。

在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。按连续恒负载运转时所需的变频器容量(kVA)的计算式计算：  

                                                   （3-1）

式中：—负载所要求的电动机的轴输出功率，单位为W；

—电动机的效率(通常约0.85)；

—电动机的功率因数(通常约0.75)；

—电流波形的修正系数，对PWM方式，取 =1.05；

—变频器的额定容量。

由于本系统所用的单台水泵功率为2.2kW，取=1.05，=2.2kW，=0.85,=0.75，代入公式得：

1.05×2.2/0.85×0.75=3.62kW

三菱FR-A540系列变频器的容量为0.4kW～55kW。由于本系统采用的是一台变频器只为一台电机提供电源，即一台变频器对应一台水泵，所以根据计算得出，应选择三菱FR-A540-3.7K-CH的变频器。功率：3.7KW（三相380V，50Hz）电流：9A

三菱FR-A540变频器调制方式为PWM调制，控制方式为V/F控制，具有转矩提升，点动，制动与上位机通讯等功能。

由于三菱FR-A500系列变频器的输入信号出厂设定为漏型逻辑。而S7-200PLC，CPU226DC/DC/DC的输出均属于源型逻辑。所以需要改变FR-A540变频器控制逻辑，将其改为源型逻辑。在变频器控制回路端子板的背面，把跳线从漏型逻辑位置转移到源型逻辑位置。即将跳线从“SINK”位置移到“SOURCE”位置。由于本设计中PLC输出晶体管是由外部电源供电。所以用变频器SD端子作为公共端，以防止漏电流产生的误差。系统总体电路图见图3-1。可编程控制器输入输出I/O口分配情况，见表3-1。

表3-1 输入输出I/O口分配表

在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。PLC主程序流程图如图4-1所示。

图4-1 初始化程序流程图

主程序的梯形图程序及相应注释如下所示

冷水机组进行热交换，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，是冷却水温度升高。冷却泵将升了温冷却水压入冷却塔，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。

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。冷却水系统PID调节程序梯形图如下所示

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泵加压送入冷冻水管道，在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。

在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。冷冻水系统PID调节程序梯形图如下所示。

冷却水PID子程序为SBR-0，冷冻水PID子程序为SBR-1。其梯形图如下所示。

中断服务程序流程图如图4-2所示。

图4-2 中断服务程序流程图

冷却泵、冷冻泵水温控制PID算法梯形图如下所示。

（1）冷却泵3号备用电机通电试运行

系统首次启动，为检测3号备用电机运行情况，将其工频运行10分钟后停止。见图5-1，图5-2。

图5-1 冷却泵3号备用电机工频启动10分钟

①按下I0.7，Q0.0、Q0.7得电。1号变频器和2号变频器得电。

②按下I0.7，M2.0得电、自锁。

③常开触点M2.0闭合，Q0.5得电、自锁。3号电机工频启动。常开触点M2.0闭合，定时器T37通电计时。

图5-2  冷却泵3号备用电机停止

①10min（600S）后常开触点T37闭合，M2.4得电，M2.0被复位。

②常闭触点M2.4断开，Q0.5失电，3号电机停止。常开触点M2.0断开，定时器T37停止计时。常开触点T37断开。

（2）1、2号电机启动运行

按下I0.0，Q0.1得电，自锁。1号电机工频启动。如图5-3所示。

按下I0.2，Q0.3得电，自锁。2号电机工频启动。如图5-4所示。

图5-3  冷却泵1号电机工频启动

图5-4  冷却泵2号电机工频启动

（3）冷冻泵启动

当1号、2号冷却泵启动后，冷冻泵启动。

按下I0.0，I0.2，Q1.0得电，冷冻泵启动。如图5-5所示。

图5-5 冷冻泵电机工频启动

本文阐述了中央空调系统自动化控制和节能设计的基本思路和方法，介绍了交流电动机变频调速的特点，在中央空调变频调速中应用了PID算法，对系统的主回路和控制回路的硬件应用进行了详细介绍，完成硬件和软件的设计，通过模拟量检测电路检测冷冻水和冷却水的温度，并经过分析处理后，数据传输到PLC。PLC经过PID算法分析计算后，控制变频器输出频率，以控制电机转速。

本系统采用模块化设计结构，PLC主模块及扩展模块的选择能满足系统的需要，输入、输出点数留有一定的裕量，以满足系统扩展的要求。模拟量采集采用PT100和变送器组合，通过EM231与PLC相连，在可靠性，精度方面都能达到要求。由于逻辑功能通过软件实现，从而减少了大量的中间连线，完善了连锁保护功能，提高了系统运行的可靠性。因此系统具有开放性好、可扩充能力强、可靠性高、安装调试方便等优点，具有良好的发展前景。

本课题主要是对空调出口温度进行检测，采用变频器调节中央空调的转速，使其高效运行，达到节能的目的。将变频调速技术应用于中央空调系统，并且采用PLC和PID调节对系统进行自动控制，可以大大节约电能，对系统的起动特性和运行特性都有很大的改善。并且频率下调后，电机避免了长期高速的运行，有效地延长了电机和机组的寿命。

本课题具有较好的实用价值和发展前景，值得进一步的研究和完善。