中央空调循环水节能系统控制实训方案

1.实训任务

设计一个中央空调循环水节能系统的电气控制系统，并在实训室完成模拟调试。

（1）控制要求

1）循环水系统配有冷却水泵两台（M1和M2），冷冻水泵两台（M3和M4），均为一用一备，冷却水泵和冷冻水泵的控制过程相似，实训时只需设计冷却水泵的电气控制系统。

2）正常情况下，系统运行在变频节能状态，其上限运行频率为50Hz，下限运行频率为30Hz，当节能系统出现故障时，可以手动切换到工频运行。

3）在变频节能状态下可以自动调节频率，也可以手动调节频率，每次的调节量为0.5Hz。

4）自动调节频率时，采用温差控制，两台水泵可以进行手动轮换。

5）上述的所有操作都通过触摸屏来进行。

（2）实训目的

1）了解中央空调的工作原理及结构特点。

2）了解中央空调循环水系统节能的基本原理。

3）掌握PLC、变频器、触摸屏和模拟量处理模块的综合控制。

4）掌握PLC、变频器和外部设备的电路设计和PLC的程序设计。

5）能运用PLC、变频器、触摸屏等新器件解决工程实际问题。

2.实训步骤

（1）中央空调系统分析

中央空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、房间风机盘管及循环水系统（包括冷却水和冷冻水系统）、新风机等组成。在冷冻水循环系统中，冷冻水在冷冻机组中进行热交换，在冷冻泵的作用下，将温度降低了的冷冻水（称出水）加压后送入末端设备，使房间的温度下降，然后流回冷冻机组（称回水），如此反复循环（是一个闭式系统）。在冷却水循环系统中，冷却水吸收冷冻机组释放的热量，在冷却泵的作用下，将温度升高了的冷却水（称出水）压入冷却塔，在冷却塔中与大气进行热交换，然后温度降低了的冷却水（称进水）又流进冷冻机组，如此不断循环（通常是一个开式系统）。中央空调循环水系统的工作示意图如图7-78所示。

图7-78 中央空调循环水系统的工作示意图

图7-79 冷却水泵的主电路原理图

（2）设计思路

根据上述控制要求，可画出冷却水泵的主电路原理图如图7-79所示。图中KM1、KM2分别为M1、M2的变频接触器，KM3、KM4为工频接触器，变频接触器通过PLC进行控制，工频接触器通过继电器电路进行控制（实训时，该部分不要求操作），并且，它们相互之间有电气互锁。

控制部分通过两个铂温度传感器（Pt100、3线100Ω）采集冷却水的出水和进水温度，然后通过与之连接的FX_2N-4AD-PT特殊功能模块，将采集的模拟量转换成数字量传送给PLC，再通过PLC进行运算，将运算的结果通过FX_2N-2DA将数字量转换成模拟量（DC 0～10V）来控制变频器的转速。出水和进水的温差大，水泵的转速就大；温差小，水泵的转速就小，从而使温差保持在一定的范围内（4.5～5℃），达到节能的目的。

（3）变频器的设定参数

根据控制要求，变频器的具体设定参数如下。

1）上限频率Pr.1=50Hz；

2）下限频率Pr.2=30Hz；

3）基底频率Pr.3=50Hz；

4）加速时间Pr.7=3s；

5）减速时间Pr.8=3s；

6）电子过电流保护Pr.9=电动机的额定电流；

7）起动频率Pr.13=10Hz；

8）DU面板的第3监视功能为变频繁器的输出功率Pr.54=14；

9）智能模式选择为节能模式Pr.60=4；

10）选择端子2与5为0～10V的电压信号Pr.73=0；

11）允许所有参数的读/写Pr.160=0；

12）操作模式选择（外部运行）Pr.79=2。

（4）PLC、触摸屏的软元件分配

根据系统的控制要求、设计思路和变频器的设定参数，PLC、触摸屏的软元件分配如下。

X0——变频器报警输出信号；M0——冷却泵起动按钮；M1——冷却泵停止按钮；M2——冷却泵手动加速；M3——冷却泵手动减速；M5——变频器报警复位；M6——冷却泵M1运行；M7——冷却泵M2运行；M10——冷却泵手/自动调速切换；Y0——变频运行信号（STF）；Y1——变频器报警复位；Y4——变频器报警指示；Y6——冷却泵自动调速指示；Y10——冷却泵M1变频运行；Y11——冷却泵M2变频运行。

另外，程序中还用到了一些元件，如数据寄存器D20为冷却水进水温度，D21为冷却水出水温度，D25为冷却水进出水温差，D1010为D-A转换前的数字量，D1001为变频器运行频率显示。

（5）触摸屏界面制作

按图7-80所示制作触摸屏的界面。

图7-80 触摸屏的界面(www.xing528.com)

（6）控制程序

根据系统的控制要求，该控制程序主要由以下几部分组成。

1）冷却水进出水温度检测及温差计算程序。CH1通道为冷却水进水温度（D20），CH2通道为冷却水出水温度（D21），D25为冷却水进出水温差，其程序如图7-81所示。

图7-81 冷却水进出水温度检测及温差计算程序

2）D-A转换程序。进行D-A转换的数字量存放在数据寄存器D1010中，它通过FX_2N-2DA模块将数字量变成模拟量，由CH1通道输出给变频器，从而控制变频器的转速，达到调节水泵转速的目的，其程序如图7-82所示。

图7-82 D-A转换程序

3）手动调速程序。M2为冷却泵手动转速上升（上升沿有效），每按一次频率上升0.5Hz，M3为冷却泵手动转速下降（上升沿有效），每按一次频率下降0.5Hz，冷却泵的手动/自动频率调整的上限都为50Hz，下限都为30Hz，其程序如图7-83所示。

图7-83 手动调速程序

4）自动调速程序。因冷却水温度变化缓慢，温差采集周期4s比较符合实际需要。当温差大于5℃时，变频器运行频率开始上升，每次调整0.5Hz，直到温差小于5℃或者频率升到50Hz时才停止上升；当温差小于4.5℃时，变频器运行频率开始下降，每次调整0.5Hz，直到温差大于4.5℃或者频率下降到30Hz时才停止下降。这样，保证了冷却水进出水的恒温差（4.5～5℃）运行，从而达到最大限度的节能，其程序如图7-84所示。

图7-84 自动调速程序

此外，变频器的起、停、报警、复位、冷却泵的轮换及变频器频率的设定、频率和时间的显示等均采用基本逻辑指令来控制，其控制程序如图7-85所示。将图7-81～图7-85所示的程序组合起来，即为系统的控制程序。

图7-85 变频器、水泵起停与报警的控制程序

（7）系统接线图

根据控制要求、设计思路及PLC的I/O分配，可画出冷却泵的控制电路，如图7-86所示。

（8）实训器材

根据控制要求、I/O分配及系统接线图，完成本实训需要配备如下器材：

1）触摸屏模块1个（F940或GT1155，下同）。

2）FX_2N-4AD-PT特殊功能模块1个（配PT100温度传感器2个）。

3）FX_2N-2DA特殊功能模块1个。

4）交流接触器模块1个。

5）指示灯模块1个。

6）其余与上一实训相同。

（9）系统调试

1）设定参数，按上述变频器的设定参数值设置变频器的参数。

2）输入程序，将设计的程序正确输入PLC中。

3）触摸屏与PLC的通信调试，将制作好的触摸屏界面传送给触摸屏，并将触摸屏与PLC连接好，通过操作触摸屏上的触摸键，观察触摸屏指示和PLC输出指示灯的变化是否按要求指示，否则，检查并修改触摸屏界面或PLC程序，直至指示正确。

4）手动调速的调试，按图7-86所示的控制电路图，将PLC、变频器、FX_2N-4AD-PT、FX_2N-2DA连接。调节FX_2N-2DA的零点和增益，使D1010为2400时，变频器的输出频率为30Hz；使D1010为4000时，变频器的输出频率为50Hz；D1010每增减40时，变频器的输出频率增减0.5Hz，然后，通过触摸屏手动操作，观察变频器的输出频率。

5）自动调速的调试，在手动调速成功的基础上，将两个温度传感器放入温度不同的水中，通过变频器的操作面板观察变频器的输出是否符合要求，否则，修正进水、出水的温度值，使出进水温差与变频器输出的频率相符。

6）空载调试，按图7-86所示的控制电路图连接好各种设备（不接电动机），进行PLC、变频器、特殊功能模块的空载调试。分别在手动调速和自动调速的情况下，通过变频器的操作面板观察变频器的输出是否符合要求，否则，检查系统接线、变频器参数、PLC程序，直至变频器按要求运行。

图7-86 冷却泵的控制电路接线图

7）系统调试，按图7-79和图7-86所示正确连接好全部设备，进行系统调试，观察电动机能否按控制要求运行，否则，检查系统接线、变频器参数、PLC程序，直至电动机按控制要求运行。

3.实训报告

（1）分析与总结

1）描述电动机的运行情况，总结操作要领。

2）画出整个系统的接线图，写出必要的设计说明。

（2）巩固与提高

1）若触摸屏画面上的运行时间显示不是以秒为单位显示，而是要显示时、分和秒，则该部分的触摸屏画面如何制作？PLC程序如何设计？

2）若将控制要求改为两台水泵全变频：即高峰时两台水泵全变频运行，当两台水泵达到48Hz时即切换为工频运行；当负载下降到变频器的下限30Hz时，即退出一台，另一台变频运行；当负载增加到变频器的上限50Hz运行时，即切换为两台水泵全变频，请设计PLC的控制程序。