【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(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)以及中央空調(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對(duì)中央空調(diào)冷凍水機(jī)組采用傳統(tǒng)PID控制，對(duì)基于USS通信協(xié)議的RS485總線設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)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(duì)空調(diào)系統(tǒng)變頻控制進(jìn)行了理論分析。對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)工頻/變頻切換功能。設(shè)計(jì)了基于RS485網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)?？蓪⒉杉某龌厮疁囟鹊葦?shù)據(jù)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)送到主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。文中對(duì)冷凍水機(jī)組的控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，采用西門子TD200文本顯示屏作為人機(jī)界面，西門子S7200 PLC作為主控制器，用一臺(tái)變頻器結(jié)合工頻供電的方式，靈活的驅(qū)動(dòng)冷凍水機(jī)組的三臺(tái)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(jī)組。它的功能是對(duì)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(jìn)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(duì)建筑物進(jìn)行集中空氣調(diào)節(jié)并進(jìn)行管理的設(shè)備，一般由空氣處理設(shè)備、送(回)風(fēng)機(jī)、送(回)風(fēng)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(shí)際中，應(yīng)從建筑物的用途和性質(zhì)，熱濕負(fù)荷特點(diǎn)、空調(diào)機(jī)房面積和位置、初投資和運(yùn)行維修費(fèi)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(jī)壓縮成高溫高壓氣體后進(jìn)入冷凝器，與水(空氣)進(jìn)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(jìn)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(diǎn))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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力()下，℃。因此，只要?jiǎng)?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(jìn)入壓縮機(jī)重復(fù)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(jī)，風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、水系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)?？照{(diào)主機(jī)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器組成，風(fēng)機(jī)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(duì)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(diǎn) 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述早前，國(guó)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(dòng)空調(diào)主機(jī)，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)都在50Hz工頻狀態(tài)下運(yùn)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(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，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(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的自控設(shè)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(gè)多參量、非線性、時(shí)變性的復(fù)雜系統(tǒng)，由于末端負(fù)荷的頻繁波動(dòng)，必然造成系統(tǒng)的運(yùn)行參量偏離空調(diào)主機(jī)的最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率大大降低，系統(tǒng)長(zhǎng)期在低效率狀態(tài)下運(yùn)行，也會(huì)增加系統(tǒng)的能源消耗。(2)無(wú)論末端負(fù)荷大小如何變化，空調(diào)系統(tǒng)均在設(shè)計(jì)的額定狀態(tài)下運(yùn)行，系統(tǒng)能耗始終處于設(shè)計(jì)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(fù)荷的這種不恒定性，決定了系統(tǒng)對(duì)空調(diào)冷量的需求也是一個(gè)隨機(jī)變化的量。若不進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，定會(huì)造成能源浪費(fèi)。(3)在工頻狀態(tài)下啟停大功率水泵和風(fēng)機(jī)，沖擊電流大，不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行，且水泵、風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)期在工額額定狀念下高速運(yùn)行，機(jī)械磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致使用壽命縮短和設(shè)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(shí)際負(fù)荷的大小改變冷凍水流量，水泵也可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際所需流量自動(dòng)調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速或運(yùn)行臺(tái)數(shù)，從而達(dá)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(shí)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(gè)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(jìn)行全面綜合考慮，把科學(xué)的節(jié)能理念和方法與成熟的控制理論技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、變頻技術(shù)及其產(chǎn)品進(jìn)行融合，形成了一個(gè)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(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)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(duì)數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可由下式給出： (22)式中：n——電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；s——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由式()可知，改變參數(shù)，s中的任意一個(gè)就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此，可以通過改變?cè)撾娫吹念l率來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)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(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持磁通量不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的[8]。三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： (23)式中：——?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為V?！ㄗ宇l率，單位為Hz。——定子每相繞組串聯(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(dòng)勢(shì)。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(shí)降低，然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是很難控制的，但電動(dòng)勢(shì)較高，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)定定子相電壓=E，則得常數(shù)。低頻時(shí)，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(shí)，可以人為的把電壓抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性為b線，無(wú)補(bǔ)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(shí)，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(dāng)于直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖24所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)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(dòng)機(jī)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(yùn)行設(shè)備是水泵。水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律。幽水泵學(xué)比例律可知，對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量Q，揚(yáng)程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系[9][12][13]： (24) 由公式(24)知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)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(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率的減少量遠(yuǎn)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(chǔ)。通過頻率變化來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速與傳統(tǒng)變速方法相比有以下優(yōu)點(diǎn)：，減小了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊；；；。變頻技術(shù)的應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)是將電力電子、自動(dòng)控制、微電子、電機(jī)學(xué)等技術(shù)集成的一項(xiàng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域廣泛的適用性，被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是世界上應(yīng)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動(dòng)方案，是電氣傳動(dòng)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(jì)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(diǎn)變流量節(jié)能控制系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的節(jié)能控制技術(shù)，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(shù)特點(diǎn)：(1) 實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)綜合性能最優(yōu)，必須針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)(包括主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)等)統(tǒng)一考慮，全面控制，使全系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)最佳綜合節(jié)能。變流量控制系統(tǒng)對(duì)中央空調(diào)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。(2) 實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)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(yùn)行方式，通過對(duì)中央空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和閉環(huán)控制，將空調(diào)主機(jī)的定流量運(yùn)行改為變流量運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)空調(diào)主機(jī)冷媒流量跟隨末端負(fù)荷需求而同步變化，在空調(diào)系統(tǒng)的任何負(fù)荷條件下，既能確保中央空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，又實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能。(3) 空調(diào)主機(jī)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(fù)荷的變化，必將導(dǎo)致整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)偏離空調(diào)主機(jī)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)致主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率降低，這一直是傳統(tǒng)中央空調(diào)運(yùn)行方式無(wú)法解決的一大難題。變流量控制系統(tǒng)的一個(gè)基本思想就是按照中央空調(diào)主機(jī)所要求的最佳運(yùn)行參數(shù)去控制中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)始終處于優(yōu)化的最佳工作點(diǎn)上，使主機(jī)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(fù)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(shù)的成熟及其價(jià)格的大幅下降，越來越多的設(shè)計(jì)師開始認(rèn)識(shí)到在空調(diào)水系統(tǒng)中應(yīng)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(dòng)方式，下面來介紹下。 電機(jī)的軟啟動(dòng)原理及應(yīng)用 軟啟動(dòng)設(shè)備介紹電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機(jī)啟動(dòng)的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑的啟動(dòng)運(yùn)行。這就是軟啟動(dòng)。電機(jī)的軟啟動(dòng)可以通過軟啟動(dòng)器或者變頻器來實(shí)現(xiàn)。軟起動(dòng)器是一種集軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國(guó)外稱為SoftStarter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。變頻器(Variablefrequency Drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 軟啟動(dòng)器的應(yīng)用場(chǎng)合原則上，籠型異步電動(dòng)機(jī)凡不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場(chǎng)合都可適用。目前的應(yīng)用范圍是交流380V(也可660V)，電機(jī)功率從幾千瓦到800kW。軟起動(dòng)器特別適用于各種泵類負(fù)載或風(fēng)機(jī)類負(fù)載，需要軟起動(dòng)與軟停車的場(chǎng)合。同樣對(duì)于變負(fù)載工況、電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，只有短時(shí)或瞬間處于重載場(chǎng)合，應(yīng)用軟起動(dòng)器(不帶旁路接觸器)則具有輕載節(jié)能的效果。 軟啟動(dòng)器與變頻器之間的區(qū)別對(duì)比軟起動(dòng)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(shí)改變頻率；軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟起動(dòng)器功能，但它的價(jià)格比軟起動(dòng)器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。軟啟動(dòng)器是通過星三角轉(zhuǎn)換來降低啟動(dòng)電流；而變頻器是通過改變頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的，能降低能耗。變頻器也有軟啟動(dòng)功能，是通過改變電源頻率實(shí)現(xiàn)。軟啟動(dòng)器只能通過晶閘管調(diào)壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車，但不具備調(diào)速功能。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電機(jī)控制調(diào)速裝置。通過變頻控制電機(jī)運(yùn)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(dòng)、軟停止和高效調(diào)速。兩者可以配合使用，大中型供水設(shè)備中，常由變頻器帶動(dòng)一臺(tái)泵變速運(yùn)行，由一臺(tái)軟啟動(dòng)器完成其余各泵開、停操作，變頻泵可定時(shí)輪換使各泵運(yùn)行時(shí)間均衡，運(yùn)行中變頻與工頻可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。 PID控制的設(shè)計(jì)在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。在本世紀(jì)40年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多優(yōu)點(diǎn)[11]。，可以廣泛的應(yīng)用于各種行業(yè)；，使用方便，容易通過簡(jiǎn)單的硬件和軟件方式實(shí)現(xiàn)。由于其有這些優(yōu)點(diǎn)，PID控制直到現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式之一。溫度是一個(gè)普通而又重要的物理量，