【正文】 ，這種控制方法在工況較穩(wěn)定的情況下，可以得到較好的控制效果。 本研究課題的主要工作本文在分析和綜合了PID控制的特點、發(fā)展趨勢以及中央空調(diào)控制任務的基礎上，對中央空調(diào)冷凍水機組采用傳統(tǒng)PID控制，對基于USS通信協(xié)議的RS485總線設計的控制系統(tǒng)進行了研究，并進行了組態(tài)設計，最終設計了中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。研究工作的具體內(nèi)容如下：對空調(diào)系統(tǒng)變頻控制進行了理論分析。對變頻控制系統(tǒng)進行設計，以實現(xiàn)工頻/變頻切換功能。設計了基于RS485網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)?？蓪⒉杉某龌厮疁囟鹊葦?shù)據(jù)信號通過網(wǎng)絡送到主控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠距離傳送。文中對冷凍水機組的控制系統(tǒng)進行了硬件和軟件的設計，采用西門子TD200文本顯示屏作為人機界面，西門子S7200 PLC作為主控制器，用一臺變頻器結(jié)合工頻供電的方式，靈活的驅(qū)動冷凍水機組的三臺水泵。第2章 中央空調(diào)變流量控制的原理 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理 概述空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器，掛式空調(diào)是一種用于給空間區(qū)域提供處理空氣溫度變化的機組。它的功能是對該房間或區(qū)域內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過程的要求。中央空調(diào)系統(tǒng)是一種大型的對建筑物進行集中空氣調(diào)節(jié)并進行管理的設備，一般由空氣處理設備、送(回)風機、送(回)風通道、空氣分配裝置及冷、熱源等組成。根據(jù)需要，它們能組成不同形式的系統(tǒng)。在工程實際中，應從建筑物的用途和性質(zhì)，熱濕負荷特點、空調(diào)機房面積和位置、初投資和運行維修費用等許多方面去考慮，選擇合理的空調(diào)系統(tǒng)。 制冷原理氣態(tài)制冷工質(zhì)(如氟利昂)經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓氣體后進入冷凝器，與水(空氣)進行等壓熱交換，變成低溫高壓液態(tài)。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)干燥過濾器去除水份、雜質(zhì)，進入膨脹閥節(jié)流減壓，成為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，在蒸發(fā)器內(nèi)氣化。液體氣化過程要吸收氣化潛熱，而且液體壓力不同，其飽和溫度(沸點)也不同，壓力越低，飽和溫度越低。例如，1kg的水，飽和溫度為5℃，；1kg的氨，在1個標準大氣壓力()下，℃。因此，只要創(chuàng)造一定的低壓條件，就可以利用液體的氣化獲取所要求的低溫。依此原理，氣化過程吸取冷凍水的熱量，使冷凍水溫度降低(一般降為7℃)。制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸取熱量，溫度升高變成過熱蒸氣，進入壓縮機重復循環(huán)過程。 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成中央空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)主機，風機盤管系統(tǒng)、水系統(tǒng)及相應的控制系統(tǒng)?？照{(diào)主機由壓縮機、蒸發(fā)器和冷凝器組成，風機盤管系統(tǒng)為房間內(nèi)的末端，水系統(tǒng)出冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)組成[7]。典型的中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖21所示,冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制是中央空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分。 中央空調(diào)變流量控制的原理及特點 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述早前，國內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，基本上都采用傳統(tǒng)的定流量控制方式。也就是說，只要啟動空調(diào)主機，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機都在50Hz工頻狀態(tài)下運行。定流量控制方式的特征是系統(tǒng)的循環(huán)水量保持恒定，當負荷發(fā)生變化時，通過改變供水或回水溫度來滿足要求。定流量供水方式最主要的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，不需要復雜的自控設備。但這種控制方式存在以下問題：(1)中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多參量、非線性、時變性的復雜系統(tǒng)，由于末端負荷的頻繁波動，必然造成系統(tǒng)的運行參量偏離空調(diào)主機的最佳工作狀態(tài)，導致主機熱轉(zhuǎn)換效率大大降低，系統(tǒng)長期在低效率狀態(tài)下運行，也會增加系統(tǒng)的能源消耗。(2)無論末端負荷大小如何變化，空調(diào)系統(tǒng)均在設計的額定狀態(tài)下運行，系統(tǒng)能耗始終處于設計的最大值。而由于受多種因素不斷變化的影響，如：季節(jié)交替、氣候晝夜變化、使用頻率、人流量增減等?？照{(diào)負荷的這種不恒定性，決定了系統(tǒng)對空調(diào)冷量的需求也是一個隨機變化的量。若不進行系統(tǒng)優(yōu)化，定會造成能源浪費。(3)在工頻狀態(tài)下啟停大功率水泵和風機，沖擊電流大，不利于電網(wǎng)的安全運行，且水泵、風機等機電設備長期在工額額定狀念下高速運行，機械磨損嚴重，導致使用壽命縮短和設備故障大幅度增加。綜上來看，定流量控制凸顯出來的問題很多。變流量系統(tǒng)則是根據(jù)實際負荷的大小改變冷凍水流量，水泵也可以根據(jù)系統(tǒng)實際所需流量自動調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速或運行臺數(shù)，從而達到節(jié)約水泵能耗的目的[7]。如圖22所示：圖21 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖22 冷凍水變流量控制系統(tǒng) 中央空調(diào)變流量控制的實現(xiàn)方式中央空調(diào)循環(huán)水變流量控制系統(tǒng)，是將整個中央空調(diào)系統(tǒng)從節(jié)能、高效、環(huán)保、健康、安全、管理等方面進行全面綜合考慮，把科學的節(jié)能理念和方法與成熟的控制理論技術、網(wǎng)絡通訊技術、檢測技術、變頻技術及其產(chǎn)品進行融合，形成了一個完整的節(jié)能與管理體系。 變頻調(diào)速的原理變頻調(diào)速技術的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關系： (21)式中：——為同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min；——為電源頻率，單位為Hz；——為磁極對數(shù)。異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出： (22)式中：n——電動機實際轉(zhuǎn)速；s——異步電動機的轉(zhuǎn)差率。由式()可知，改變參數(shù)，s中的任意一個就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，即對異步電動機進行調(diào)速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合適，保持磁通量不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的[8]。三相異步電機定子每相電動勢的有效值是： (23)式中：——氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值，單位為V?！ㄗ宇l率，單位為Hz?！ㄗ用肯嗬@組串聯(lián)匝數(shù)；——基波繞組系數(shù)；——每極氣隙磁通量。由式()知只要控制好和，便可以控制磁通不變。需要考慮基頻以下和基頻以上兩種情況：1)基頻下調(diào)速即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持磁通量不變，但頻率從額定值向下調(diào)節(jié)，必須同時降低，然而繞組中的感應電動勢是很難控制的，但電動勢較高，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認定定子相電壓=E，則得常數(shù)。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時，可以人為的把電壓抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為b線，無補償?shù)臑閍線。如圖23所示。圖23 恒壓頻比控制特性2)基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從往上增高，但電壓磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調(diào)速控制特性，如圖24所示。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動機都能長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。圖24 異步電動機變頻調(diào)速控制特性在中央空調(diào)水系統(tǒng)中，最主要的運行設備是水泵。水泵調(diào)速運行節(jié)電的理論之一是水泵學比例律。幽水泵學比例律可知，對于同一臺水泵，當以不同轉(zhuǎn)速運行時，水泵的流量Q，揚程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關系[9][12][13]： (24) 由公式(24)知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見，當降低轉(zhuǎn)速時，功率的減少量遠比流量的減少量大得多。因此，控制水泵的轉(zhuǎn)速可以有效地控制水泵的消耗功率，這就是中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的基礎。通過頻率變化來改變電機轉(zhuǎn)速與傳統(tǒng)變速方法相比有以下優(yōu)點：，減小了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊；；；。變頻技術的應用交流變頻調(diào)速技術是將電力電子、自動控制、微電子、電機學等技術集成的一項高新科技。它以其優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果以及在國民經(jīng)濟各領域廣泛的適用性，被國內(nèi)外公認為是世界上應用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案，是電氣傳動的發(fā)展方向。它為提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、節(jié)約能源、降低消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益提供了重要的新手段。 中央空調(diào)系統(tǒng)變流量系統(tǒng)的特點變流量節(jié)能控制系統(tǒng)是目前最先進的節(jié)能控制技術，它與普遍使用的定流量中央空調(diào)控制模式相比，具有以下技術特點：(1) 實現(xiàn)中央空調(diào)綜合性能最優(yōu)，必須針對空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)(包括主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機等)統(tǒng)一考慮，全面控制，使全系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，才能實現(xiàn)最佳綜合節(jié)能。變流量控制系統(tǒng)對中央空調(diào)的運行進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。(2) 實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)負荷的跟隨性變流量控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)中央空調(diào)冷媒系統(tǒng)的運行方式，通過對中央空調(diào)運行系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測和閉環(huán)控制，將空調(diào)主機的定流量運行改為變流量運行，實現(xiàn)空調(diào)主機冷媒流量跟隨末端負荷需求而同步變化，在空調(diào)系統(tǒng)的任何負荷條件下，既能確保中央空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，又實現(xiàn)最大的節(jié)能。(3) 空調(diào)主機始終保持高的熱轉(zhuǎn)換效率眾所周知，隨著中央空調(diào)系統(tǒng)負荷的變化，必將導致整個空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)偏離空調(diào)主機的最佳設計參數(shù)，導致主機熱轉(zhuǎn)換效率降低，這一直是傳統(tǒng)中央空調(diào)運行方式無法解決的一大難題。變流量控制系統(tǒng)的一個基本思想就是按照中央空調(diào)主機所要求的最佳運行參數(shù)去控制中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，根據(jù)系統(tǒng)的運行工況及制冷劑工質(zhì)參數(shù)的變化，通過PID控制調(diào)節(jié)，確?？照{(diào)主機始終處于優(yōu)化的最佳工作點上，使主機始終保持較高的熱轉(zhuǎn)換效率，有效地解決了傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)在低負荷狀態(tài)下熱轉(zhuǎn)換效率下降的難題，提高了系統(tǒng)的能源利用率[10]。隨著變頻器技術的成熟及其價格的大幅下降，越來越多的設計師開始認識到在空調(diào)水系統(tǒng)中應用變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速所帶來的巨大效益。這里說到了軟啟動方式，下面來介紹下。 電機的軟啟動原理及應用 軟啟動設備介紹電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機啟動的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑的啟動運行。這就是軟啟動。電機的軟啟動可以通過軟啟動器或者變頻器來實現(xiàn)。軟起動器是一種集軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為SoftStarter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。變頻器(Variablefrequency Drive，VFD)是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。 軟啟動器的應用場合原則上，籠型異步電動機凡不需要調(diào)速的各種應用場合都可適用。目前的應用范圍是交流380V(也可660V)，電機功率從幾千瓦到800kW。軟起動器特別適用于各種泵類負載或風機類負載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變負載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載場合，應用軟起動器(不帶旁路接觸器)則具有輕載節(jié)能的效果。 軟啟動器與變頻器之間的區(qū)別對比軟起動器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；軟起動器實際上是個調(diào)壓器，用于電機起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟起動器功能，但它的價格比軟起動器貴得多，結(jié)構(gòu)也復雜得多。軟啟動器是通過星三角轉(zhuǎn)換來降低啟動電流；而變頻器是通過改變頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速的，能降低能耗。變頻器也有軟啟動功能，是通過改變電源頻率實現(xiàn)。軟啟動器只能通過晶閘管調(diào)壓實現(xiàn)電機軟啟動、軟停車，但不具備調(diào)速功能。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電機控制調(diào)速裝置。通過變頻控制電機運行，是真正的高效調(diào)速方式，效率很高。變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)真正的軟啟動、軟停止和高效調(diào)速。兩者可以配合使用，大中型供水設備中，常由變頻器帶動一臺泵變速運行，由一臺軟啟動器完成其余各泵開、停操作，變頻泵可定時輪換使各泵運行時間均衡，運行中變頻與工頻可實現(xiàn)平穩(wěn)切換。 PID控制的設計在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在本世紀40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多優(yōu)點[11]。，可以廣泛的應用于各種行業(yè)；，使用方便，容易通過簡單的硬件和軟件方式實現(xiàn)。由于其有這些優(yōu)點，PID控制直到現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的基本控制方式之一。溫度是一個普通而又重要的物理量，