西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0方法说明
一、前言
大部份建筑物在一年当中，只有几十天时间，中央空调处于大负荷。中央空调冷负荷，始终处于动态变化之中，如每天早晚、每季交替、每年轮回、环境及人文等因素都实时影响着中央空调冷负荷。一般，冷负荷在5～60%范围内波动，大多数建筑物每年至少70%的时间是处于这种情况。而大多数中央空调，因系统设计多数以大冷负荷为大功率驱动。这样，就往往造成实际需要冷负荷与大功率输出之间的矛盾，实际造成巨大能源浪费，给使用方造成巨额电费支出，增加经营者的成本，降低经营竞争力。
本文介绍了AB变频器PF400在中央空调系统的水循环、变频风机和冷却塔风机中的设计和应用。
二、PF400在中央空调水循环系统的设计
中央空调系统的水循环系统主要分为冷冻水（或热水）循环系统、冷却水循环系统，智能变频柜主要控制的对象为冷冻水（热水）回路和冷却水回路。如下图所示。
图一 中央空调水循环控制原理
1、冷冻水循环的控制
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。冷冻水泵的控制方式为：高层（或不利端）压力控制在高层的中央空调系统中，由于各层的空调机想对应于热负载的变动开闭冷水进口阀，以此调节室温。由于冷冻水的liuliang经常发生变化，引起高层水压的较大变化，为了解决该问题，需要控制冷水泵的出水阀，以保持高层水压大致恒定，但大多数应用场合，都是保持出水阀门开度一定，任随压力变化。如果这样，会导致压力损失大，效率低。此时若采用转速控制，以保持佳压力，可防止压力损失并较大幅度tigao效率并取得好的节能效果。
2、冷却水循环的控制
由冷却泵及冷却水管道及冷却塔组成。冷水机组进行热交换，是水温冷却的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，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。冷却水泵的控制方式为：恒温差控制。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。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tigao冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；则应该降低转速。
3、变频控制原理
从以上的分析可以知道，对于中央空调水循环系统的变频控制一般都采用恒压力差或恒温差闭环控制，PF400变频器有一个内置的PID控制回路，用来使过程反馈的压力差或温度差与设定值保持一致。具体示意如图二：
图二 水循环变频控制示意
在PF400的PID控制中，比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系。积分运算的目的是消除静差，只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢。微分作用是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位。
4、节能预估
根据流体力学原理，liuliangQ与转速n的一次方成正比，管压H与转速n的二次方成正比，轴功率与转速n的三次方成正比。即
Q=K1＊n
H=K2＊n2
Ps=K3＊n3
当所需liuliang减少，离心泵转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需liuliang的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率降51。2%；当所需liuliang为而额定liuliang的50%时，而轴功率降12。5%。当然，转速降低时，效率也会有所下降，还应考虑控制装置的附加损耗等影响。如此，这种节电效果也非常可观。通过实际证明，水泵类，节能40%-50%。
综合实际运行效果，对冷冻泵拖动系统、冷却泵拖动系统实施变频控制后的基本节能效果为35%～55%左右。
三、PF400在中央空调变频风机控制的设计
目前的中央空调系统中，变频风机正在在被广泛使用，其有如下突出的优点：节能潜力大，控制灵活，可避免冷冻水、冷凝水上顶棚的麻烦等。变频风机系统需要精心设计，精心施工，精心调试和精心管理，否则有可能产生诸如新风不足、气流组织不好、房间负压或正压过大、噪声偏大、系统运行不稳定、节能效果不明显等一系列问题。
中央空调中变频风机的控制方式主要有以下几种：
1、变频风机的静压PID控制方式
送风机的空气处理装置是采用冷热水来调节空气温度的热交换器，冷、热水是通过冷、热源装置对水进行加温或冷却而得到的。大型商场、人员较集中且面积较大的场所常使用此类装置。图一所示给出了一个空气处理装置中送风机的静压控制系统。
在个空气末端装置的75%到处设置静压传感器，通过改变送风机入口的导叶或风机转速的办法来控制系统静压。如果送风干管不只一条，则需设置多个静压传感器，通过比较，用静压要求低的传感器控制风机。风管静压的设定值（主送风管道末端后一个支管前的静压）一般取250-375Pa之间。若各通风口挡板开启数增加，则静压值比给定值低，控制风机转速增加，加大送风量；若各通风口挡板开启数减少，静压值上升，控制风机转速下降，送风量减少，静压又降低，从而形成了一个静压控制的PID闭环。
图三 中央空调送风机的静压控制
在静压PID控制算法中，通常采用两种方式，即定静压控制法和变静压控制法。定静压控制法是系统控制器根据设于主风道2/3处的静压传感器检测值与设定值的偏差,变频调节送风机转速,以维持风道内静压一定。变静压控制法即利用DDC数据通讯技术，系统控制器综合各末端的阀位信号，来判断系统送风量盈亏，并变频调节送风机转速，满足末端送风量需要。由于变静压控制法在部分负荷下风机输出静压低，末端风阀开度大、噪声低，风机节能效果好，又能充分保证每个末端的风量需要。
控制管道静压的好处是有利于系统稳定运行并排除各末端装置在调节过程中的相互影响。此种静压PID控制方式特别适合于上下楼或被隔开的各个房间内用一台空气处理装置和公用管道进行空气调节的场合，如商务大厦的标准办公层都得到了广泛的应用。
2、变频风机的恒温PID控制方式
在室内空调要求有诸如舒适性等要求较高而空间又不是太过于大的空调区域内，可以使用恒温控制。恒温控制中必须注意以下几个方面：
（1）温控系统的热容量比较大，控制指令发出后，不是瞬间响应，响应速度慢；
（2）外界条件如气温、日照等对温控系统的影响很大；
（3）因为控制对象为气体，温度检测传感器的安装位置非常重要。
本控制方式也是利用了变频器PF400内置的PID算法进行温度控制，当通过传感器采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID程序可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构（即变频器），tigao或降低转速，促使测量值室温恢复到给定值，达到自动控制的效果。
恒温控制中必须要注意PID的正作用和反作用，也就是说在夏季（使用冷气）和冬季（使用暖气）是不一样的。在使用冷气中，如果检测到的温度高于设定温度时，变频器就必须加快输出频率；而在使用暖气中，如果检测到温度高于设定温度时，变频器就必须降低输出频率。必须在控制系统增设夏季/冬季切换开关以保证控制的准确性。
图四 变频风机的恒温控制
3、变频风机的多段速变风量控制方式：
在大型的空调大楼中，由于所需要的空气量是随着楼内人数及昼夜大气温度的变化而不同，相应地对风量进行调节可以减少输入风扇的电能并调整主机的热负载。人少时，如、星期日、节假日，空气需求量少。考虑这些具体情况来改变吸气扇转速，控制进风量，可减少吸气扇电机的能耗，还可以减轻输入暖气时锅炉的热负载和输入冷气时制冷机的热负载。
下图所示为某大楼在不同的工作时段内（平时、周六、周日或节假日）的风量需求量，该风量必须根据二氧化碳浓度等环境标准来确定少必需量。由于通常在设计中都留有一定的余量，可以按高速时86%、中速时67%、低速时57%的进风量来进行多段速控制。
该控制方式是基于对风量需求进行经验估算的基础上进行的程序控制，在PF400进行控制时可以选择通过端子功能切换多段速来实现。
图五 变频风机的多段速控制
四、PF400在冷却塔风机控制中的应用
在中央空调水冷式机组中，使用循环冷却水是常用的方法之一。为了使机组中加热了的水再降温冷却，重新循环使用，常使用冷却塔。风机为机械通风冷却塔的关键部件，通常都采用户外立式冷却塔专用电机。水在冷却塔滴下时，冷却风机使之与空气较充分的接触，将热量传递给周围空气，将水温降下来。
由于冷却塔的设备容量是根据在夏天大热负载的条件下选定的，也就是考虑到恶劣的条件，在实际设备运行中，由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定了机组设备经常是处于在较低热负载的情况下运行，机组的耗电常常是不必要的和浪费的。使用变频调速控制冷却风机的转速，在夜间或在气温较低的季节气候条件下，通过调节冷却风机的转速和冷却风机的开启台数，节能效果就非常显著。
冷却水系统能耗是空调系统总能耗的重要组成部分之一。采用截止阀对冷却水liuliang进行调节将导致能量无谓的浪费，在部分负荷时固定冷却水liuliang以及不对冷却塔风机电机进行控制也将浪费大量电能。如采用微机控制技术和变频调速技术对冷却水系统进行控制节能效果约为30%，具有显著的节能效益。特别对于宾馆、饭店、商场等工作期较长的集中空调系统以及南方地区空调运行期长的其他建筑物空调系统，采用空调冷却水系统的节能运行系统的投资回收期一般在1—2年，具有非常显著的经济效益。
在典型的冷却塔风机控制系统中，变频器可以利用内置PID功能，可以组成以温度为控制对象的闭环控制。图六所示为典型的冷却塔变频控制原理，冷却塔风机的作用是将出水温度降到一定的值，其降温的效果可以通过变频器的速度调整来进行。被控量（出水温度）与设定值的差值经过变频器内置的PID控制器后，送出速度命令并控制PWM输出，终调节冷却塔风机的转速。
图六 冷却塔风机变频控制原理
对冷却塔风机采用变频调速控制，还应注意以下几点：
（1）由于冷却塔风机拖动部分的转动惯量GD2一般都较大，给定加减速时间要长一些，如30－50S。
（2）在实际运转中经常出现由于外界风力作用下，冷却风机会自转，此时如果起动变频器，电动机会进入再生状态，就会出现故障跳，对于变频器应该将启动方式设为转速跟踪再启动。这样一来，变频器在启动前，通过检测电机的转速和方向，实施对旋转中电机的平滑无冲击启动。
（3）由于采用普通电机，应该设置低运转频率，以保持电机合适的温升，一般为频率下限为20Hz。
（4）为防止冷却风机在较宽的运转频率范围内（一般20Hz～50Hz）出现特定转速下的机械共振现象，应该在试运转中分析这种情况，并采取修改参数的方法件系统的固有频率列为跳跃频率。
五、结束语
空调系统的冷负荷是随室外气象条件而变化的，空调系统的设计及设备选型是按不利工况进行的。根据空调负荷变化对水循环、变频风机和冷却塔风机系统进行变频控制，对于空调节能具有十分重要的意义。
PF400变频器已经在国内多家大型中央空调系统得到应用，如宁波北仑行政中心应用了多达80几台，目前使用效果良好。
一、 系统概述：
铁牛是钢铁烧结厂"C"型翻车机卸车线的重要设备，承担将机车牵引来的火车皮（重车）送到翻车机内，由翻车机将物料卸掉的重要任务。其工艺过程如下：（1）、接车：铁牛由一台或多台电机驱动出槽，经过液压平台到运输部与重车相撞。（2）、牵车：铁牛由一台或多台电机驱动，将运输部重车拖至液压平台。（3）、摘钩：重车被牵至液压平台后，铁牛与重车摘钩，铁牛回槽。（4）、将前面的一节车皮送至翻车机内，铁牛回槽后，启动液压平台油泵，抬起液压平台，重车由液压平台溜出，液压平台降落即完成一个循环周期。其生产工艺流程图如图1所示
图 一
二、铁牛改造前系统特点及运行情况：
铁牛改造前使用手动操作，通过两台132KW电机工频驱动实现出槽和牵引，机械部分采用减速箱传动，铁牛出槽时一台电机或两台电机正转，当铁牛快和重车相撞时，由操作工停止电机运转，铁牛靠自惯性与重车相撞，再由操作工启动电机反转，再牵引重车到液压平台，脱钩后回槽。电机启动时系统采用频敏变阻器降压启动，停车时系统使用机械抱闸实现快速制动。
该系统在运行过程中故障率高，维护量大，给正常的生产秩序带来阻碍。具体表现在：使用了频敏变阻器，但启动冲击电流仍然很大，且电机频繁启动，严重影响电机的使用寿命；由于牵引车皮时负载惯性大，机械制动时经常不能一次准确停车定位，造成电机的频繁启停。由于电机仍在旋转时机械开始抱闸，刹车容易损坏。
两台电机的速度和力矩分配不均，使机械齿条和电机的使用寿命受到影响。系统运行过程全部手动，效率低。操作工的工作量大。
三、铁牛变频改造方案及特点：
图二
控制系统中加入S7-200或S7-300PLC和ABB变频器来实现自动控制、实现电机的软启动和电气制动，原系统存在的问题得以解决，其原理框图见图2。自动控制系统选择单周期和循环控制两种方式。选择单周期时，系统自动循环一个周期便停止，如果要继续运行，则重新按启动按钮。选择循环控制时系统自动循环运行，按下停止按钮即时停止。再加入一套手动控制系统，不经过PLC，直接控制继电器，当PLC系统出现故障时，系统也能正常运行。
具体描述：由于系统采用自动控制，铁牛和重车的运行状态和位置需要识别，回槽限位开关（7XK）、铁牛的位置开关（8XK）、重车的到位置开关（9XK），限位开关的功能如下：
铁牛回槽限位开关（7XK）∶ 检测铁牛回槽是否超过极限
铁牛位置开关（8XK）∶ 检测铁牛是否在平台上
重车的位置开关（9XK）∶ 检测重车是否在液压平台上
注：液压缸上限位开关（4XK）和下限位开关（5XK）取现场的现有信号。且原系统有超极限开关（3XK），回槽极限（2XK），出槽极限（1XK），当工作系统选择自动，通过检测元件检测系统的状态和动作及PLC对变频器的状态进行检测，通过检测结果，PLC完成对系统的动作进行控制来实现电机的自动控制。
当自动系统启动，铁牛位于左限位位置，液压平台没有抬升（通过液压平台的下限位开关检测），铁牛由两台或多台电机带动右移，8XK有动作，当铁牛向右且8XK有输出，铁牛与重车相撞后，如果变频器力矩超过设定力矩，则变频器输出信号给PLC，两台电机制动，延时后，两台电机反转，带动重车到液压平台，当位置检测开关9XK有输出时，两台电机制动，延时3秒，铁牛自动向出槽方向运行2秒，铁牛与重车通过人工或自动脱钩，手动或自动让两台或多台电机带动铁牛回槽，回槽限位开关（7XK）有输出时，两台或多台电机制动并输出信号给PLC，液压电机手动启动，液压平台抬升，前面的一节重车与其后面的重车自动脱钩并下滑，液压平台通过手动下降至低处，一个循环结束。下一个周期可以开始。
手动系统由于不经过PLC，直接对继电器和变频器进行控制，只是增加两台变频器，与原系统基本相同；形成一套冗余系统，在PLC发生故障时也能运行。手动时可连续运行和点动运行。
系统使用ABB的两台变频器，采用主从传动，DTC（直接转矩控制方式）控制方式，主变频器与其从变频器之间采用光纤通讯，所有来自外部的数字、模拟输入只进入主变频器，主变频器接到外部指令后，其从变频器立即作出与主变频器一致的启动、运行、速度、力矩、电气制动等紧紧跟随。该系统的速度监视功能使电气制动到零速时快速实现机械制动，转矩监视功能不但保护了变频器，还为系统确定了铁牛撞上重车并拽稳重车后使铁牛自动牵引车皮往液压平台方向运行的信号。主从传动方式中的速度、力矩控制使系统实现了两台到多台电机的速度、力矩的平均分配，DTC控制使变频器实现了对电机的jingque的力矩控制，电气制动加机械制动满足了系统的快停和准确定位要求。手动加自动控制系统确保了系统的高效连续可靠运行。
四、ABB变频器优越性能在系统中的体现∶
＊ABB变频器可靠的性能和高精度的控制方式，特别是DTC的控制方式在系统中的应用，大tigao了系统的可靠性和控制精度。
＊ABB变频器的力矩控制方式在系统中的应用，使得铁牛与重车相撞时，利用变频器负载突然加大，转矩突然上升，当输出转矩大于设定转矩时，输出继电器动作，给出控制信号到PLC。从而控制系统准备下一步动作。在此过程中可免去传感器的检测，且动作可靠，运行稳定。
＊ABB变频器主从宏在系统中得到充分应用。由于系统中用了两台电机，当铁牛出车时用一台电机拖动，拖重车时两台电机运行，两台电机是通过齿轮连接拖动，电机与电机之间是硬连接，故两台电机之间力矩分配要均匀，不能使其中一台电机处于重载状态，另一台电机处于轻载状态。ABB变频器的主从应用宏在此能很好地解决改造前两台电机同步性能差和负载分配不均的问题。且主从变频器之间通过光纤通讯，系统稳定性能好。
五、结论：
铁牛改造后，系统实现了自动控制，电机的软启和软停，电气制动加机械制动的快速制动和车皮的准确定位，tigao了生产效率，减少了系统对熟练操作工的依赖，系统运行更加稳定，减少了设备的维护量。减少了铁牛与重车相撞的电流冲击。设备运行效率tigao，节约电能，运行可靠性增加。
在炼铁高炉上料系统控制中,上料小车的控制是控制的核心部分,它是根据生产工艺的要求,把槽下备好的不同料类和不同重量的原料及时、安全、准确定位地运送到高炉炉顶，保证高炉的正常生产，一但控制出现故障，将直接影响高炉的生产。
本文通过上料小车卷扬机负载的特性，采用ABB变频器的主－从控制技术、DTC直接转矩控制技术、机械抱闸控制技术、多步速控制技术，结合西门子PLC控制，实现了对小车的jingque控制，取得了满意的效果，完全满足了高炉生产工艺的要求。
1 控制工艺要求
高炉原料从槽下输送到炉顶有两种输送方式：一是皮带输送、二是小车输送。这次设计是采用小车输送方式，小车输送方式是：小车卷扬机采用交流电动机拖动，电机正、反转控制，牵引通过钢丝绳连接的两台料车在斜桥上一上一下交替工作，为了能对小车做到jingque控制，控制系统必须具备以下条件：
1）、系统能频繁起动、停止。
2）、系统能正、反双向控制。
3）、系统能做到无极调速，调速范围大、平滑性较高，做到平稳起动－加速－稳定运行－减速－平稳停车。
4）、系统起动转矩大，做到平稳起动。
5）、系统在停车时做到稳定、jingque定位，防止料车过头。
6）、在零速时维持大转矩输出，防止料车起动和停车时重载下滑。
2 变频器的选型
上料工艺对料车控制的主要要求是：在起动或停车的瞬间也就是在零速时，变频器必须有大的转矩输出，以防止料车下滑，在起动时对转矩的要求大于对速度的要求。当前交流变频调速系统主要为矢量控制和DTC直接转矩控制。众所周知，DTC直接转矩控制系统由电机的电压和电流计算出定子磁链和转矩，采用砰-砰控制来实现变频器的PWM控制，DTC直接转矩控制系统没有电流控制环路，DTC直接转矩控制系统的着眼点是电压，而不是电流。而矢量控制的原理是基于交流电机的电流控制，把交流电流按磁场坐标轴分解为转矩分量和磁场分量，分别加以控制，故矢量控制的着眼点是电流控制。对于交流电机来讲，要想获得快速的转矩响应，在磁链不变的条件下，就要求电流的快速变化，而电流的变化是由电压的快速变化引起的。矢量控制系统的输出电压是由电流调节器的输出产生的，这就存在电流调节的时间滞后。而DTC直接转矩由于没有电流控制环路，砰-砰控制产生的输出电压，没有任何电流限制，电压可以出现过冲现象，故电机可以获得较大的du/dt, 较大的加速电流，产生较快的电流响应及转矩响应就不言而喻了。故采用DTC直接转矩控制的交流调速系统可以获得比矢量控制要快的多的转矩响应，图（1）a为矢量控制系统的转矩阶跃响应，大约为6～7ms，而图（1）b直接转矩控制系统的转矩阶跃响应可以达到1ms左右。DTC直接转矩控制动态控制精度比矢量控制系统高出五个数量级，特别在低速运行、电网供电质量不好、波形发生畸变时，DTC仍然能保持较高的控制精度。
从以上两种控制方式比较得出，DTC直接转矩控制系统可以做到转矩的建立优先于速度，这正是我们所期待的，市面上各种品牌的变频器控制方式大多采用矢量控制，而ABB采用独特的DTC直接转矩控制方式，我们在设计中选用了ABB的ACS800系列变频器。该变频器具有以下功能：①直流励磁功能，该功能保证电机能具有高达200%电机额定转矩的大启动转矩。②直流抱闸功能，使用直流抱闸保持功能可将电机转子锁定在零速。③主、从功能，它是为多传动应用而设计的。④专用的机械制动控制功能，在传动单元停止或未通电时，可用机械制动将电机和被驱动设备锁停在零速状态。⑤输入、输出可编程功能，实现了根据用户要求对设备的灵活控制。⑥多步速功能，用户可以设定不同的速度曲线，实现设备的平稳加减速控制。⑦可以设定不同的启动转矩，在开环和闭环时的的转矩响应时间均小于5ms，速度的静态精度可以到%，动态精度可以到0.1%。⑧完善的报警功能。ACS800系列变频器的特点完全满足了高炉上料系统料车控制的特殊要求。
3 控制系统的设计
在这一次设计中，根据生产工艺负载的需要，计算出拖动负载电机的容量为700KW，如果采用单电机传动，电机、减速机等机械设备体积和重量庞大，对安装和日后的维护带来不方便且工作量大，控制系统的变频器所需的容量大、价格昂贵，在启动和运行过程中，电机电流大，对电气设备、电缆要求等级高，这都增加了投资成本。由于存在这些问题，通过多种方案的比较，后决定采用多传动控制方案，选择采用两台容量为400KW的电机进行拖动，为了降低启动和运行过程中的电流，选择了电压等级为690V的ABB的ACS800系列变频器。
3.1 主、从控制方案的应用
ACS800变频器的主、从功能是为多传动应用而设计的，，其中系统由若干个ACS 800 变频器驱动，电机轴通过齿轮、链条或传送带等相互耦合在一起。由于这种主、从功能，负载可以均匀地分配在传动单元之间。
在高炉上料传动中，主机和从机的电机轴通过减速箱、钢丝绳卷筒进行刚性连接在一起，主机应该采用速度控制模式，从机应该采用转矩控制模式，以使传动单元之间不存在速度差异。所有的外部控制信号将只连接到主机上数字输入口DI1—DI6，而从机的控制信号通过光纤从主机通讯获得，不需另接外部控制信号。由于从机不会通过串行主/ 从机的连接向主机反馈任何数据。单独使用一根电缆将从机故障信息端口RO3传送给主机的启动联锁端口X22组的8和11号端子。该连接在从机出现故障时，主机和从机都会停止运行。表1列出了在主、从控制应用中需要调整的参数。