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可编程控制器课程设计
中央空调设计
一、前言
国内是一种人均能源相对贫乏国家，人均能源占有量局限性世界水平一半，随着国内经济迅速发展，国内已成为世界第二耗能大国，但能源使用效率普通偏低，导致电能挥霍现象十分严重。尽管国内电网总装机容量和发电量迅速扩容，但仍赶不上用电量增长速度，供电形势严峻，节能节电已迫在眉睫。
中央空调系统是当代大型建筑物不可缺少配套设施之一，电能消耗非常大，约占建筑物总电能消耗50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增长一定余量设计，而事实上在一年中，满负载下运营最多只有十多天，甚至十各种小时，几乎绝大某些时间负载都在70%如下运营。普通中央空调系统中冷冻主机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%负载下运营，导致了能量极大挥霍，也恶化了中央空调运营环境和运营质量。
随着变频技术日益成熟，运用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵输出流量，达到节能目提供了可靠技术条件。
二、问题提出
1、原系统简介
中央空调系统改造前重要设备和控制方式：450冷吨冷气主机2台，型号为特灵二极式离心机，两台并联运营；冷冻水泵和冷却水泵各有3台，型号均为TS-，扬程32米，配用功率37KW。均采用两用一备方式运营。冷却塔3台，电扇电机7.5KW，并联运营。
2、原系统运营及存在问题
由于中央空调系统设计时必要按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右设计余量。其中冷冻主机可以依照负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节。这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差状态下运营，导致了能量极大挥霍。并且冷冻、冷却水泵采用均是Y—△起动方式，电机起动电流均为其额定电流3—4倍，在如此大电流冲击下，接触器使用寿命大大下降；同步，启动时机械冲击和停泵时水锤现象，容易对机械器件、轴承、阀门和管道等导致破坏，从而增长维修工作量和备件费用。
此外,由于冷冻泵轴输送冷量不能跟随系统实际负荷变化，其热力工况平衡只能由人工调节冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。这样，不但挥霍能量，也恶化了系统运营环境、运营质量。特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或敏捷度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷，感觉不适，严重干扰中央空调系统运营质量。由于空调偏冷问题经常遇到各种想不到问题导致不少人力资源挥霍。本人提出：“运用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成温差闭环自动调速系统。对冷冻、冷却水泵进行改造，以节约电能。”
三、节能改造可行性分析
   改造方案重要有：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，导致高层顾客温度过高，也常引起冷却水流量偏小，导致冷却水散热不够，温度偏高；方案二是依照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，事实上并不省电，且易导致空调时冷时热，令人产生不适感；方案三是采用变频器调速，由人工依照负荷轻重调节变频器频率，这种办法人为因素较大，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，依照负载轻重自动调节水泵运营频率，排除了人为操作错误因素。虽然一次投入成本较高，但这种办法在社会上已经被广泛应用，已经证明是切实可行高效节能办法。最后决定采用方案四冷冻、冷却泵进行节能改造。如下是分析过程：
1、  中央空调系统简介

中央空调系统构造图
中央空调系统工作过程是一种不断进行能量转换以及热互换过程。其抱负运营状态是：在冷冻水循环系统中,在冷冻泵作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热互换，被吸热降温后（7。C）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸取空调室内空气热量升温后（12。C），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中,在冷却泵作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37。C）被送到冷却塔，经电扇散热后（32。C）再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不断地循环在各自管道系统里，不断地将室内热量经冷冻机作用，由冷却塔排出。如图一所示。
在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵装机容量是取系统最大负荷再增长10%—20%余量作为设计安全系数。据记录，在老式中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电12%—24%，而在冷冻主机低负荷运营时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%—40%。因而，实行对冷冻水和冷却水循环系统能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制重要构成某些。
四、控制设计详细方案
1、    主电路控制设计
依照详细状况，同步考虑到成本控制，原有电器设备尽量运用。冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备方式运营，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，均为一种月转换一次，切换频率不高，决定将冷冻水泵和冷却水泵电机主备切换控制运用原有电器设备，通过接触器、启停按钮、转换开关进行电气和机械互锁。保证每台水泵只能由一台变频器拖动，避免两台变频器同步拖动同一台水泵导致交流短路事故；并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同步拖动两台水泵而过载。
2 变频器控制方式
变频器启停及频率自动调节由PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制。
3、  重要设备选型
考虑到设备运营稳定性及性价比，以及水泵电机匹配。选用三菱FR-F540-37K-CH变频器；PLC所需I/O点数为：输入24点、输出14点，考虑到输入输出需留一定备用量，以及系统可靠性和价格因素，选用FX2N-64MR三菱PLC；温度传感器模块FX2N-4AD-PT，该模块是温度传感器专用模仿量输入A/D转换模块，有4路模仿信号输入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），接受冷冻水泵和冷却水泵进出水温度传感器输出模仿量信号；温度传感器选用PT-100 3850RPM/℃电压型温度传感器，其额定温度输入范畴-100℃—600℃，电压输出0—10V，相应模仿数字输出-1000—6000；模仿量输出模块型号为FX2N-4DA，是4通道D/A转换模块，每个通道可单独设立电压或电流输出，是一种具备高精准度输出模块。
4、  改造需要增长设备：
名    称
数    量
型    号
PLC
1
FX2N-64MR
变频器
4
FR-F540-37K-CH
温度传感器输入模块
1
FX2N-4AD-PT
温度传感器
4
PT-100 3850RPM/℃
模仿量输出模块
1
FX2N-4DA
转换开关
2
250V/5A
启动按钮
18
250V/5A
停止按钮
2
250V/5A
五、重要设备特性简介
1、变频器
随着微电子技术，电力电子技术，全数字控制技术发展，变频器应用越来越广泛。变频器能均匀变化电源频率，因而能平滑变化交流电动机转速，由于兼有调频调压功能，因此在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能最佳。
    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。间接变频装置特点是将工频交流电源通过整流器变成直流，再通过逆变器将直流变成频率可控交流电。变频器以软启动取代Y－△ 降压启动，减少了启动电流对供电设备冲击，减少了振动及噪音。
2、PLC
PLC是一种以微解决器为核心，综合了计算机技术，半导体存储技术和自动控制技术新型工业控制器。PLC与老式继电器控制比较，有如下特点：
（1） 通用性好，接线简朴，通过选配相应模块，可适应用于各控制系统。
（2） 功能强，可以通过编程实现任意复杂控制功能。除逻辑控制功能外，还具备模仿量控制，顺序控制，位置控制，高速计数以及网络通信等功能。
（3） 可靠性高，无机械触点，消除了电弧损害，接触不良等，使用寿命长。
（4） 定期精确，定期范畴宽。
（5） 体积小，耗电小。
（6） 编程和接线可同步进行，扩展灵活，维修以便。
六、三菱FR-F540-37K-CH变频器重要参数设定
Pr.160   :  0        容许所有参数读/写
Pr.1     :  50.00    变频器上限频率为50Hz
Pr.2     :  30.00    变频器下限频率为30Hz
Pr.7     :  30.0     变频器加速时间为30S
Pr.8     :  30.0     变频器减速时间为30S
Pr.9     :  65.00    变频器电子热保护为65A
Pr.52    :  14       变频器DU面板第三监视功能为变频器输出功率
Pr.60    :  4        智能模式选取为节能模块
Pr.73    :  0        设定端子2－5间频率设定为电压信号0～10V
Pr.79    :  2        变频器操作模式为外部运营
七、三菱PLC控制器FX2N-64MR与三菱FR-F540-37K-CH变频器接线以及I/O分派
1、I/O分派：
X0:1#冷却泵报警信号
X1:1#冷却泵运营信号
X2:2#冷却泵报警信号
X3:2#冷却泵运营信号
X4:1#冷冻泵报警信号
X5:1#冷冻泵运营信号
X6:2#冷冻泵报警信号
X7:2#冷冻泵运营信号
X10:冷却泵报警复位
X11:冷冻泵报警复位
X12：冷却泵手/自动调速切换
X13：冷冻泵手/自动调速切换
X14：冷却泵手动频率上升
X15：冷却泵手动频率下降
X16：冷冻泵手动频率上升
X17：冷冻泵手动频率下降
X20:1#冷却泵启动信号   
X21：1#冷却泵停止信号
X22:2#冷却泵启动信号   
X23：2#冷却泵停止信号
X24:1#冷冻泵启动信号   
X25：1#冷冻泵停止信号
X26:2#冷冻泵启动信号   
X27：2#冷冻泵停止信号
Y2:冷却泵自动调速信号
Y3：冷冻泵自动调速信号
Y4:1#冷却泵报警信号
Y5：2#冷却泵报警信号
Y6:1#冷冻泵报警信号
Y7：2#冷冻泵报警信号
Y10:1#冷却泵启动
Y11:1＃冷却泵变频器报警复位
Y12:2#冷却泵启动   
Y13:2＃冷却泵变频器报警复位
Y14:1#冷冻泵启动
Y15:1＃冷冻泵变频器报警复位
Y16:2#冷冻泵启动   
Y17:2＃冷冻泵变频器报警复位
2、接线图：

PLC与变频器接线图
八、三菱FX2N－64MR  PLC重要某些程序分析
1、冷冻水出回水和冷却水进出水温度检测及温差计算程序

依照计算出来冷冻水出回水温差和冷却水进出水温差，分别对冷冻泵变频器和冷却泵变频器进行无级调速自动控制，温差变小变频器运营频率下降（频率下限为30Hz），温差变大，则变频器运营频率上升（频率上限50Hz），从而实现恒温差控制，实现最大限度节能运营。
2、FX2N-4DA  4通道D/A转换模块程序分析

D/A转换模块数字量入口地址为：CH1通道：D1100；CH2通道：D1101；CH3          通道：D1102；CH4通道：D1103；数字量范畴为-～+，相应电压输出为-10V～+10V,变频器输入模仿电压为0～+10V,相应30Hz～50Hz数字量为+1200～+，为保证2台冷却泵之间变频器运营频率同步一致，使用了   LD M8000   MOV D1100 D1101 ；2台冷冻泵也使用了 LD M8000  MOV D1102 D1103  指令。
3、手动调速PLC程序分析

X14为冷却泵手动频率上升， X15为冷却泵手动频率下降，每次频率调节0.5Hz，所有手动频率上限50Hz，下限30Hz。
4、手动调速和自动调速切换程序

X12为冷却泵手/自动调速切换开关；X13为冷冻泵手/自动调速切换开关；
5、温差自动调速程序

温差采样周期，因温度变化缓慢，时间定为5秒能满足实际需要；当温差不大于4.8℃时，变频器运营频率下降，每次调节0.5Hz；当温差不不大于5.2℃时，变频器运营频率上升，每次调节0.5Hz；当冷却进出水温差在4.8～5.2℃时不调节变频器运营频率。从而保证冷却泵进出水温差恒定，实现节能运营。
6、冷冻泵和冷却泵变频器运营和停止控制
2台变频器驱动冷却泵和2台变频器驱动冷冻泵起停控制用简朴逻辑顺序控制，PLC程序此处略。
7、变频器保护和故障复位控制
变频器过电流电子热保护动作时PLC能自动检测，给出报警信号，提示值班人员及时解决，如下为变频器故障后复位PLC程序:

8、PLC梯形图和程序设计
(1)、梯形图

(2)、指令表
步    指令
0     LD        M8002
1     T0        K0       K1     K100     K4
10    LD        M8000
11    FROM      K0       K5     D10      K4
20    ADD       D10      K1     D10
27    ADD       D11      K7     D11
34    ADD       D12      K0     D12
41    ADD       D13      K11    D13
48    SUB       D11      D10    D20
55    SUB       D13      D12    D21
62    LD        M8002 
63    TO        K1       K0     H0       K1
72    LD        M8000
73    TO        K1       K1     D1100    K4
82    LD        M8000
83    MOV       D1100    D1101 
88    MOV       D1102    D1103
93    LDI       M10    
94                 MPS
95                 ANDF      X014
97    ADD       D1100    K20     D1100
104              MRD    
105              ANDF      X015
107   SUB       D1100    K20     D1100
114              MRD   
115              AND<=     D1100    K1200  
120   MOV       K1200    D1100
125              MPP      
126              AND>=     D1100    K
131   MOV       K    D1100
136   LDI       M11   
137              MPS      
138              ANDF      X016

140   ADD       D1102    K20     D1102
147              MRD    
148              ANDF      X017
150   SUB       D1102    K20     D1102
157              MRD  
158              AND<=     D1102    K1200
163   MOV       K1200    D1102
168              MPP
169              AND>=     D1102    K
174   MOV       K    D1102
179   LD        X012
180   OUT       M10
181   LD        X013
182   OUT       M11
183   LDI       T1
184   OUT       T0       K25
187   LD        T0
188   OUT       T1       K25
191   LD        M10
192   ANDF      T0
194              MPS
195              AND>      D20      K52
200   ANI       M12     
201   ADD       D1100    K20      D1100
208              MRD
209              AND<      D20      K48
214   ANI       M12     
215   SUB       D1100    K20      D1100
222              MPP
223              AND>=     D20      K48
228   AND<=     D20      K52
233   OUT       M12
234   LD<       D1100    K1200
239   MOV       K1200    D1100
244   LD>       D1100    K
249   MOV       K    D1100
254   LD        M11
255   ANDP      T0
257              MPS
258              AND>      D21      K52
263   ANI       M13
264   ADD       D1102    K20      D1102
271              MRD
272              AND<      D21      K48
277   ANI       M13
278   SUB       D1102    K20      D1102
285              MPP
286              AND>=     D21      K48
291   AND<=     D21      K52
296   OUT       M13
297   LD<       D1102    K1200
302   MOV       K1200    D1102
307   LD>       D1102    K
312   MOV       K     D1102
317   LD        X010     
318              MPS
319              AND       X000
320              OUT       Y011
321              MPP
322              AND       X002
323              OUT       Y013
324              LD        X011
325              MPS      
326              AND       X004
327              OUT       Y015
328              MPP
329              AND       X006
330              OUT       Y017
331              LD        X020
332              SET       Y010
333              LD        X021
334              RST       Y010
335              LD        X022
336              SET       Y012
337              LD        X023
338              RST       Y012
339              LD        X024
340              SET       Y014
341              LD        X025
342              RST       Y014
343              LD        X026
344              SET       Y016
345              LD        X027
346              RST       Y016
347              LD        X001
348              AND       M8014
349              OUT       C220     K50000000
354   LD        X003   
355   AND       M8014
356   OUT       C221     K50000000
361   LD        X005    
362   AND       M8014
363   OUT       C222     K50000000
368   LD        X007 
369   AND       M8014
370   OUT       C223     K50000000
375   LD        M10
376   OUT       Y002
377   LD        M11
378   OUT       Y003
379   LD        X000
380   OUT       Y004
381   LD        X002
382   OUT       Y005
383   LD        X004
384   OUT       Y006
385   LD        X006
386   OUT       Y007
387           END

九、结论
对于一名自动化学生来说，PLC十分重要，是自动化发展一种重要方向。当前PLC发展更是迅速，因此我觉得学好PLC至关重要。本次课程设计是在学习任务比较重，时间比较短状况下做，对于我在课本知识基本之上更加深了对PLC理解，使我学到了诸多东西，固然也反映了我许多局限性。一方面是动手能力太差，课本很容易看明白，但是到刚开始编程时候却感到无从下手，理不清头绪。固然在同窗们协助下，问题还是得到了一定解决，并且在编程过程中人们互相协作，发扬了团结合伙精神，即锻炼了自己又提高了能力，知难而上，加强了实践操作能力和水平，为咱们此后学习，工作打下了坚实基本。
这次课程设计,多亏了教师和同窗协助,我才得以顺利完毕任务.在此应当感谢教师和同窗关系和协助.这次设计我也看到了自己局限性,但愿在后来时间内好好学习基本知识,为即将走向社会增长自己砝码。

十、参照文献
(1)《中央空调》    冶金工业出版社         何耀    何青     主编
(2)《空调设计》    湖南大学出版社                 殷  平   主编
(3)《通用变频器及其应用》  机械工业出版社         韩安荣   主编
(4)《可编程控制器原理与应用》 华南理工大学出版社  朱寅生   主编
(5)《制冷机器》化学工业出版社                     章建民   主编
(6)《可编程序控制器（PLC）原理及应用》 云南科技出版社 邹金慧       编著
(7) 《可编程序控制器实用技术》  机械工业出版社 王兆义 编著