【正文】 可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 因此本設(shè)計(jì)根據(jù)中央空調(diào)控制系統(tǒng)的功能要求，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面考慮，選擇西門子 S7200 系列 PLC 作為此中央空調(diào)控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1） 極高的可靠性 。天然冷 /熱源主要包括蒸發(fā)冷卻、室外空氣供冷和太陽能供熱等幾個(gè)方面。水泵是空調(diào)系統(tǒng)中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，通過水泵的工作，可以控河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 制水系統(tǒng)中的流量大小，以間接達(dá)到控制室內(nèi)溫度、濕度及清潔度等空氣指標(biāo)。冷卻水系統(tǒng)主要包括冷卻塔及相關(guān)設(shè)備，其功能是利用水作為介質(zhì)，對(duì)冷 /熱源進(jìn)行降溫處理。風(fēng)機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)中輸送空氣的主要設(shè)備，常采用的風(fēng)機(jī)有離心式、軸流式和貫流式三種。采用側(cè)送風(fēng)方式送入的氣流是以貼附射流的形式出現(xiàn)，這類型氣流具有射程長(zhǎng)、射流衰減充分等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)側(cè)送風(fēng)的管道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于施工，因此被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。 常用的空調(diào)根據(jù)系統(tǒng)的組合情況分為整體式和分體式兩種，整體式空調(diào)將空氣處理設(shè)備（風(fēng)機(jī)、空氣過濾器、加熱器和加濕器等）、制冷設(shè)備（壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器等）和電氣控制系統(tǒng)都安裝在一個(gè)整體框架中，構(gòu)成一個(gè)整體式的設(shè)備；分體式空調(diào)則是將空 氣處理設(shè)備和制冷系統(tǒng)分成兩個(gè)部分，空氣處理設(shè)備置于室內(nèi)成為室內(nèi)機(jī)，制冷系統(tǒng)則基本上全部設(shè)置在室外機(jī)中。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，仍然需要兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)人員不斷地交流設(shè)計(jì)思想，只有充分了解對(duì)方的設(shè)計(jì)思想和過程之后，才能最大程度地避免產(chǎn)生錯(cuò)誤。 （ 3）室內(nèi)風(fēng)速。 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)舒適性空調(diào)的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定是： （ 1）室內(nèi)溫度。這就要求在選擇 PLC、輸入 /輸出模塊、 I/O 點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。 （ 3）測(cè)量冷凍水系統(tǒng)供回水管的壓差△ P=P1 P2 控制其旁通閥（ TV）的開口度，使其維持壓差。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收熱量，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量。 中央空調(diào)的工作原理與家用一樣，都是利用冷媒（運(yùn)輸熱量的媒質(zhì)叫冷媒）的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達(dá)到制冷的效果。 PLC 有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（ RUN）狀態(tài)與停止（ STOP）狀態(tài)。 PLC 的組成 PLC 主要有 CPU 模塊，輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。PLC 的運(yùn)動(dòng)控制功能廣泛的用于各種機(jī)械，如金屬切削機(jī)床，機(jī)器人等。一臺(tái) PLC 可以同時(shí)控制幾臺(tái)設(shè)備，也可以通過聯(lián)網(wǎng)信，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。 1968 年，美國最大的汽車制造廠家 — 通用汽車公司 (GM)提出了研究 PLC 的基本思想，即： 編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序維護(hù)方便，采用插件式結(jié)構(gòu)可靠性高于繼電器控制柜體積小于繼電器控制柜成本可與繼電器控制柜競(jìng)爭(zhēng)可將數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)可直接采用 115V 交流輸入電壓輸出采用 115V 交流電壓，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、交流接觸器等負(fù)載通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便能存儲(chǔ)程序，存儲(chǔ)器容量可達(dá) 4KB， 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制出了世界上第一臺(tái) PLC。 由上式可見，調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速有 3種方法，改變電源頻率、改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。 2． 4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本課題是以中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制為基礎(chǔ)，經(jīng)過部分改進(jìn)，采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍水系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)的控制，采用 RS一 485 總線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)最佳啟停時(shí)刻的控制和針對(duì)負(fù)荷的不同分別選擇主機(jī)功率，對(duì)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速和冷卻塔進(jìn)行溫控等技術(shù)手段可有效地降低系統(tǒng)的顯性額外能耗。不同的中央空調(diào)系統(tǒng)，分別有各自具體的節(jié)能措施，例如： 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 對(duì)于辦公樓中央空調(diào)系統(tǒng)，它的使用特點(diǎn)是上班時(shí)人員集中、而下班后僅極少 部分人員加班。而通常情況下，由于季節(jié)和晝夜氣溫的變化以及開機(jī)數(shù)目的不足，實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，因此，電機(jī)容量遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷，出現(xiàn)了大馬拉小車的情況。如圖 32所 示為壓力 H流量 Q 曲線特性圖 :風(fēng)機(jī)、泵類在管路特性曲線 R1 工作時(shí)，工況點(diǎn)為 A，其流量壓力分別為 Q H1，此時(shí)風(fēng)機(jī)、泵類所需的功率正比于 H1 與 Q1的乘積，即正比于 AH1OQ1 的面積。 （ 1）變頻器工作原理 簡(jiǎn)介 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能控制裝置。 ” 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 2 中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能可行性分析 中央空調(diào)原理圖及各結(jié)構(gòu)的作用 圖 21 中央空調(diào)結(jié)構(gòu)原理圖 制冷主機(jī)： 制冷主機(jī)通過壓縮機(jī)讓制冷劑迅速冷凍循環(huán)水的溫度快速降低（一般經(jīng)過制 冷主機(jī)制冷后的水溫在 7℃左右），這是中央空調(diào)冷源提供的地方，通過制冷主機(jī)冷凍的冷 媒水由冷凍水泵送入空調(diào)房間。這樣，冷凍水、冷卻水系統(tǒng)幾乎長(zhǎng)期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)。用戶可在設(shè)備投運(yùn)后幾個(gè)運(yùn)行期后，即可從節(jié)省的電費(fèi)支出中收回投資。中央空調(diào)是一種通過集中制冷，然后分別將冷量輸送到各空調(diào)房間的設(shè)備，以調(diào)節(jié)各個(gè)空調(diào)房間內(nèi)溫度達(dá)到適合人辦公或者生活。中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制在節(jié)能領(lǐng)域具有非常重要的地位。 本文基于變頻器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套能有效實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)節(jié)能的控制系統(tǒng)。 作為建筑內(nèi)部重點(diǎn)耗能設(shè)備，中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電一般要占整座建筑電耗的40%以上。因此中央空調(diào)用戶應(yīng)用變頻節(jié)能控制系統(tǒng)不僅有著良好的直接經(jīng)濟(jì)收益，還能達(dá)到節(jié)約能源 消耗，有利于環(huán)境保護(hù)的社會(huì)效益。而且冷凍、冷卻水泵采用的均是 Y— △ 起動(dòng)方式，電機(jī)的起動(dòng)電流均為其額定電流的 3— 4倍，在如此大的電流沖擊下，接觸器的使用壽命大大下降；同時(shí)，啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)的水錘現(xiàn)象，容易對(duì)機(jī)械器件、軸承、閥門和管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備件費(fèi)用。 冷凍水泵： 制冷主機(jī)的制冷劑被降到冷卻水的溫度后，經(jīng)過節(jié)流閥，溫度變的更低，這時(shí)用水將冷量帶走，這部分水稱為冷凍水，冷凍水帶走制冷劑的冷量后，再到空調(diào)系統(tǒng)末端（如風(fēng)機(jī)盤管，空調(diào)機(jī)組）與空氣換熱，溫度升高后再回到冷水機(jī)組內(nèi)帶走制冷劑冷量，這樣構(gòu)成冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)上的泵稱為冷凍水泵。低壓變頻器主要采用交 — 直 — 交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供 給電動(dòng)機(jī)。由于工藝要求需減小流量到 Q2，實(shí)際上 通過增加管網(wǎng)管阻，使風(fēng)機(jī)、泵類的工作點(diǎn)移到 R2上的 B點(diǎn)，壓力增大到 H2，這時(shí)風(fēng)機(jī)、泵類所需的功率正比于 H2與 Q2的乘積，即正比于 BH2OQ2 的面積。 再從冷卻水流量考慮，冷卻水的作用是要及時(shí)將冷凝器中的熱量帶走，以保證制冷機(jī)能正常工作。目前常用的辦公樓中央空調(diào)系統(tǒng)在一定程度上存在著使用不靈活、能耗較大的問題。而采取有效措施減少冷卻塔的蒸發(fā)耗水和飛水，則能明顯地減少空調(diào)系統(tǒng)的隱性能耗。 研究工作的具體內(nèi)容如下 : （ 1）對(duì)變頻技術(shù)用于大型中央空調(diào)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析，以圖書館中央空調(diào)系河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 統(tǒng)為研究對(duì)象，確定空氣處理機(jī)及冷凍冷卻循環(huán)水泵采用變頻技術(shù)的具體方案； （ 2）確定實(shí)施變頻節(jié)能技術(shù)改造的具體措施，在確保不影響中央空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，完成技術(shù)改造，特別是要處理好工 頻和變頻之間的相互切換問題； （ 3）進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，核算技術(shù)改造的總投資和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)所進(jìn)行的變頻節(jié)能技術(shù)改造的經(jīng)濟(jì)性作出評(píng)價(jià)。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效 率高，也最容易控制，所以變頻調(diào)速也是目前應(yīng)用最為成熟的。 70年代初期出現(xiàn)了微處理器，它的體積小，功能強(qiáng)，價(jià)格便宜，很快被用于 PLC，使它的功能增強(qiáng)，工作速度加快，體積減小，可靠性提高，成本下降。 (3) 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) 可編過程控制其產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置功用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功 能，不同規(guī)模的系統(tǒng)。 (3) 閉環(huán)過程控制 過程控制指對(duì)溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 圖 31 PLC 的結(jié)構(gòu)組成 CPU 模塊： CPU 模塊主要由微處理 器（ CPU 芯片）和存儲(chǔ)器組成。在運(yùn)行狀態(tài)， PLC 通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。 中央空調(diào)工作過程如圖 41所示。如此循環(huán)不已，把室內(nèi)的熱量帶出，達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的。 設(shè)計(jì)原則 （ 1）最 大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求 充分發(fā)揮 PLC 的功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。 硬件電路主要實(shí)現(xiàn)：信號(hào)采集，控制信號(hào)輸出，水泵控制，故障報(bào)警等功能。夏季空調(diào)采用 22～ 28℃。夏季空調(diào)不應(yīng)大于 ，冬季空調(diào)不應(yīng)大于 。 空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)制冷 /制熱傳送介質(zhì)的不同可分為全空氣系統(tǒng)和空氣 水系統(tǒng)。所以兩個(gè)部分一般采用兩根紫銅管連接，便于進(jìn)行制冷劑的循環(huán)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的空調(diào)系統(tǒng)。 條縫送風(fēng)結(jié)構(gòu)是指送風(fēng)口位于房間的頂部，其形狀為條縫形，條縫送風(fēng)結(jié)構(gòu)送出的氣流是向房間的下方送出扁平射流，其射程較短、送風(fēng)的溫度和速度衰減 較快，使得工作區(qū)的溫度分布比較傲均勻，這類方式適用于民用建筑和工業(yè)場(chǎng)合中的一般空調(diào)，它的回風(fēng)口位于房間的側(cè)下方。貫流式風(fēng)機(jī)目前僅用于某些固定的空調(diào)機(jī)組設(shè)備中，例如，風(fēng)機(jī)盤管風(fēng)幕等，而在工程中大量使用的是離心式和軸流式風(fēng)機(jī)。冷卻塔的作用就是將冷卻水在塔內(nèi)利用水的自然蒸發(fā)冷卻降溫，為了充分利用資源，降低運(yùn)行成本，一般采用循環(huán)系統(tǒng)重復(fù)利用冷卻水，定期更換冷卻水以保證水質(zhì)能滿足空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)要求?？照{(diào)系統(tǒng)中常用的水泵為離心式水泵，就一般的空調(diào)系統(tǒng)來說，采用轉(zhuǎn)速在 30~120r/s 范圍內(nèi)的離心式水泵比較合適，這類型水泵已經(jīng)基本上滿足空調(diào)系統(tǒng)中水的流量和壓力的變化要求。 6 中央空調(diào)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì) PLC 選型 S7200 是一種小型的 可編程序控制器 ，適 用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 （ 2） 極豐富的指令集 。 CPU226 的 優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面： （ 1） 本機(jī)集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。 由于此中央空調(diào)控制系統(tǒng)總共有 15 個(gè)數(shù)字量輸入， 10 個(gè)數(shù)字量輸出，共需要 25個(gè)數(shù)字量 I/O， 4 個(gè)模擬量輸入，根據(jù) I/O點(diǎn)數(shù)，以及程序容量和控制的要求，選擇 CPU226作為該控制系統(tǒng)的主機(jī)。 因此它可以 用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的 運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。 （ 8） 豐富的擴(kuò)展模塊 。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制， 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 。 ②天然冷 /熱源。 ④水泵的選擇。 ②冷卻水系統(tǒng)。 ③風(fēng)機(jī)。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 側(cè)送風(fēng)結(jié)構(gòu)是指送風(fēng)口位于房間側(cè)壁上方，送氣的方向?yàn)闄M向進(jìn)入，而工作區(qū)得氣流通常是回流；回風(fēng)口與送風(fēng)口同側(cè)。風(fēng)系統(tǒng)的工作原理與全空氣系統(tǒng)一樣，但它僅輸送新風(fēng)；而水系統(tǒng)則是將冷凍水或熱水從空調(diào)機(jī)房輸送到室內(nèi)的裝置中，通過散熱設(shè)備對(duì)室內(nèi)進(jìn)行制冷或加熱。兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)可以同步進(jìn)行，但是需要先分析和研究控制系統(tǒng)的整體功能，對(duì)整體結(jié)構(gòu)深入了解之后，設(shè)計(jì)出整體框架，明確兩個(gè)部分的具體功能及兩個(gè)部分的接口。冬季空調(diào)應(yīng)采用 30%～ 60%，使用條件 無特殊要求時(shí)，可不受此限。室內(nèi)冷 （熱）負(fù)荷、濕負(fù)荷的計(jì)算以室外參數(shù)和室內(nèi)要求保持的空氣參數(shù)為依據(jù)。 （ 3）力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便 （ 4）適應(yīng)發(fā)展的需要 由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。當(dāng)其中一臺(tái)冷卻水泵 /冷凍水泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用冷卻水泵 /冷凍水泵會(huì)自動(dòng)投入工作。 工藝流程 冷水機(jī)組壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走 ，并在冷卻塔里排入大氣。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低、操控簡(jiǎn)便、噪音低，最主要的缺點(diǎn)是：各個(gè)區(qū)域（房間）控溫不準(zhǔn)確。I/O 模塊除了傳遞信號(hào)外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。 PLC 與其它智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)（ DCS,又稱集散控制系統(tǒng)）。開關(guān)量邏輯控制可用于單臺(tái)設(shè)備，也可以用于自動(dòng)生產(chǎn)線，如機(jī)床電氣控制，沖壓機(jī)械、鑄造機(jī)械、運(yùn)輸帶、包裝機(jī)械的空控制，電梯的控制，化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制，冶金系統(tǒng) 的高爐上料系統(tǒng)，各種生產(chǎn)線的控制等 (2) 運(yùn)動(dòng)控制 PLC 適用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)單軸 /雙軸 /三軸位置控制，是運(yùn)動(dòng)控制與順序控制機(jī)能有機(jī)的結(jié)合在一起。 (2) 功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 一臺(tái)小型 PLC 內(nèi)有成百上千個(gè)內(nèi)部繼電器、幾十到幾百個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器、幾十個(gè)特殊用途繼電器，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。由于在復(fù)雜的繼電器控制系統(tǒng)中，故障的查找很排除非常困難，若工藝發(fā)生變化，控制柜內(nèi)的組件與接線需作相應(yīng)的變化，這種改造的工期長(zhǎng)，費(fèi)用高，以至于有的用戶寧愿扔掉