【文章內(nèi)容簡介】 和冷卻泵的起 /停信號等。輸入信號經(jīng)程序運算，發(fā)出相應的動作信號，經(jīng)微型繼電器及相應的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運行 ， 以及聲、光報警器件的動作。 PLC 軟件程序設計采用梯形圖語言編程 ， 直觀易懂。 該系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、 水泵機組及溫度檢測裝置組成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。 水泵 機 組 都可運轉在工頻 以 下和變頻 以 下兩種狀態(tài)。這由系統(tǒng)根據(jù)實際需要進行切換控制。 可編程控制器用 I/O擴展接口分別接 入 A/D和 D/A模塊 ， A/D模塊通過 PLC將溫度模擬量轉換為數(shù)字量 ， D/A模塊將 PLC輸出的開關量轉換為模擬量 ， 以控制變頻器的升速過程及降速過程。 溫度檢測裝置將狀態(tài)送 A/D,A/D有多個數(shù)字量 （ 0x 、 1x 、 2x 、 3x … ） 輸人 PLC,進行控制 熱負荷從小至大之間的變化 ， 首先對 PLC進行設定 上限 1x 、下限 0x 。 剛開始工作熱交換量為零。 0x 、 1x 處于關斷狀態(tài)。 PLC控制下 ， 3KM 接通， 1號泵接 入畢業(yè)設計（論文） 5 變頻器電源 ， 同時啟動升速程序 ， 按 D/A模塊輸出電壓的設定曲線升速 ,從而使 1號泵進行軟啟動。 1號泵轉速逐漸增大 ， 熱交換量也逐漸增加。若達到設定的下限 0x時 ， 則 1號泵 在 該頻率下穩(wěn)定運行 ； 若頻率增至 50Hz時還未達到下限 0x ， 則 PLC發(fā)出指令 3KM 釋放 ， 2KM 閉合 ， 1號泵由工頻電網(wǎng)直接供電 ， 全速運轉 ， 同時 D/A輸出為 0。 PLC指令 5KM 閉合 ， 2號泵接 入 變頻調(diào)速狀態(tài) ， 并 由 PLC控制按設定曲線升速。若升到 50Hz頻率下還未達到設定下限 0x ， 則 2號泵切換為工頻 ， 3號泵為變頻調(diào)速 , 繼續(xù)下去 , 直到熱交換量達到下限 0x ， 電機穩(wěn)定運行于此 狀態(tài)下。 如果熱交換量超過上限 1x ， 設定下調(diào)時 ， 接 入 變頻器的第 n個水泵 ， 其輸出頻率降低 ， 若降至 0Hz時 ， 還未達到上限 1x ， 則第 n個水泵停 ， 同時 D/A置 5V， 第 n1個水泵切換變頻狀態(tài) ， 并按設定曲線降低直至達其設定上限 1x ， 水泵穩(wěn)定運行于此狀態(tài)下。 需注意 ， 在水泵進行工頻和變頻電網(wǎng)的切換過程盡可能快 ， 各接觸器間互鎖和動作時間要設置好。 該控制系統(tǒng) , 在任何狀態(tài)下 , 只需一臺水泵電機處于 調(diào)速狀態(tài) , 其它電機可根據(jù)需要處于工頻狀態(tài)或停機狀態(tài) , 就可實現(xiàn)熱交換從零至最大的控制過程。 冷卻水、冷凍水系統(tǒng)可分別用一臺 PLC控制器和一臺變頻調(diào)速器來控制。 中央空調(diào)的結構原理 所謂“中央空調(diào)”是由一臺主機通過風道過風或冷熱水管或管線連接多個末端的方式來控制不同的房間以達到室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)。 一般酒店，大型商場用的是風管試的中央空調(diào)，它的原理是主機通過通往各個空間區(qū)域的通風管道將處理后的冷熱空氣輸送到位。它的優(yōu)點是成本低、操控簡便、噪音低，最主要的缺點是：各個區(qū)域（房間）控溫不準確。 中央空調(diào)的 工作原理與家用一樣，都是利用冷媒（運輸熱量的媒質(zhì)叫冷媒）的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達到制冷的效果 。 中央空調(diào)工作原理 如圖 所示 。 畢業(yè)設計（論文） 6 冷卻塔空 調(diào) 主 機風 機 盤 管風 機 盤 管冷 卻 泵 冷 凍 泵冷 卻 水回 水冷 凍 水出 水冷 卻 水冷 凍 水冷 卻 水 進 水冷 凍 水 回 水房 間 圖 中央空調(diào)工作原理 中央空調(diào) 系統(tǒng)主要 由 冷凍主 機、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風機盤管系統(tǒng) 、 風機和冷卻塔等組成。 (1) 冷凍主機也叫致冷裝置 ，是中央空調(diào)的致冷源，通往各個房間的循環(huán)水由冷凍主機進行內(nèi)部熱交換，降溫為冷凍水 。 (2) 冷卻水循環(huán)系統(tǒng) 由 冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成 。冷凍主機在進行熱交換、使水溫冷卻的 同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降溫了的冷卻水，送回到冷凍機組。如此不斷循環(huán)，帶走了冷凍主機釋放的熱量。 (3) 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成 。從冷凍主機流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過各房間的盤管，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。同時，房間內(nèi)的熱量被冷凍水吸收，使冷凍水的溫度升高。溫度升高了的循環(huán)水經(jīng)冷凍主機后又成為冷凍水。 畢業(yè)設計（論文） 7 (4) 風機盤管 系統(tǒng) 。 安裝于所有需要降溫的房間內(nèi)，用于將由冷凍水 盤管冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內(nèi)的熱交換。 (5) 風機 。 用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。 (6) 冷卻塔 。 冷凍主機在致冷過程中，必然會釋放熱量，使機組發(fā)熱。冷卻水塔用于為冷凍主機提供 “冷卻水 ”。冷卻水在盤旋流過冷凍主機后，將帶走冷凍主機所產(chǎn)生的熱量，使冷凍主機降溫。 工作原理 ： 冷凍主機是中央空調(diào)的致冷源 ， 從冷凍主機流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道 ， 通過各房間的盤管 ， 帶走房間內(nèi)的熱量 ， 使房間內(nèi)的溫度下降。冷卻水塔為冷凍主機提供冷卻水 ， 冷卻水經(jīng)管道盤旋流過冷凍主機后 ， 將帶走冷凍主機 所產(chǎn)生的熱量 ， 使冷凍主機降溫 。 空調(diào)系統(tǒng)中的控制對象多屬于熱工對象 ， 從控制的角度分析具有以下特點 ： a)多干擾性 。 例如 ： 通過窗戶進入的太陽輻射熱是時間的函數(shù) ， 也受 氣象 條件的影響 ； 室外空氣溫度通過圍護結構對室溫產(chǎn)生的影響 ； 為了換氣所采用的新風 ， 其溫度變化對室溫有直接的影響 ； 室內(nèi)人員的變動 ， 照明 、 機電設備的啟停 ， 均會干擾變動時控制的難度以及能源浪費的問題。 b)多工況性空調(diào)系統(tǒng)中對空氣的處理過程具有很強的季節(jié)性 ， 一年中 ， 至少要分為冬季 ， 過渡季和夏季 。 另外在同一天中 ， 夜晚和白天的空氣工況也不完全相同 ， 因此 ， 空調(diào)對空氣 的處理過程也具有多變性。多工況性的特點就決定了空調(diào)的運行不能設定在某一不變的參數(shù)下 ， 而這就要求空調(diào)的控制系統(tǒng)必須要靈活的動作來適應變化的工況 。 在中央空調(diào)系統(tǒng)設計中，冷凍泵、冷卻泵的裝機容量是取系統(tǒng)最大負荷再增加10%—20%余量作為設計系數(shù)。根據(jù)計算中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占夏季酒店總用電的 25%—30%，冷卻塔的用電占 8%—10%。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及冷卻塔的能量自動控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動控制的重要組成部分。 根據(jù)異步電動機原理 )1(/60 spfn ?? （ ） 式中： n為 轉速 ； f為 頻率 ； p為 電機磁極對數(shù) ； s為 轉差率 。 畢業(yè)設計（論文） 8 由上式可見，調(diào)節(jié)轉速有 3種方法，改變頻率、改變電機磁極對數(shù)、改變轉差率。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，運行效率高。因此改變頻率而改變轉速的方法最方便有效。 以前的冷卻塔是人為的根據(jù)冷卻水溫度選擇冷卻塔開啟的臺數(shù)，非常容易造成能源的浪費現(xiàn)象，現(xiàn)在根據(jù)冷卻水的溫度，由溫度傳感器傳送信號 至 PLC，由 PLC經(jīng)計算后對冷卻 水泵 依次開啟，以達到節(jié)能效果。 空調(diào)變頻控制系統(tǒng)的構架 空調(diào)變頻控制系統(tǒng)，依據(jù)水泵變頻曲線和系統(tǒng)曲線計算出最佳運行模式后，使 n 臺水泵在最佳頻率下運行。隨著用戶量的不斷變化 ,實際差壓值會經(jīng)常偏離設定值。為了徹底消除該水泵系統(tǒng)的剩余揚程，空調(diào)變頻系統(tǒng)將作進一步的 PID 調(diào)節(jié) 。 控制原理方框圖 如圖 所示 。 P I D變 送 器水 泵 轉 速△ P△ U△ P 0e 圖 系統(tǒng)的控制原理圖 系統(tǒng)將差壓變送器的實時反饋值與目標設定值比較 ,其差值被送入 PLC 的內(nèi)部 PID調(diào)節(jié)器， 經(jīng)過運算 ,輸出頻率信號對水泵進行調(diào)速，以達到消除差壓動態(tài)偏差的目的。其算法為： ])( )()(1)([)( ? ??? to Dip td tdeTdtteTteKtu （ ） 式 中 )(tu —— 調(diào)節(jié)器的輸出 ； pK —— 比例時間常數(shù) ； )(te —— 差壓設定值 ( 0P? )與差壓實測值 ( P? )之差 ； Ti—— 差壓積分時間常數(shù) ； DT —— 差壓微分時間常數(shù) 。 以上所有算法 ， 將在西門子的 PLCS7200 上實現(xiàn)。 畢業(yè)設計（論文） 9 總體設計方案的確定 對中央空調(diào) 冷卻水和冷凍水回水 溫度進行檢測，然后將檢測溫度信號經(jīng)變送器和A/D 轉換模塊反饋給 PLC 進行處理，再由 PLC 輸出通過變頻器控制冷卻泵和冷凍泵轉速，從而對溫度進行控制。 目前，對冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)分別進行調(diào)速的方案最為常見，節(jié)電效果也較為顯著。該方案在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量。當中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量。冷凍水系統(tǒng)也是如此。在冷凍水和冷卻水的回水管道上安裝溫度傳感器，只檢測回水溫度，然后經(jīng)過 PLC 的處理對變頻器實行控制。這樣可確保中央空調(diào)機組正常工作的前提下達到節(jié)能增效的目的。溫度傳感器可采用PT100 熱電阻； A/D 轉換模塊； PLC； D/A 轉換模塊都選用西門子公司的產(chǎn)品，變頻器采用三菱公司的變頻器。 系統(tǒng)的結構圖 如 圖 所示 。 設 定 顯 示P L CD / A 轉 換 器A / D 轉 換 器 變 頻 器溫 度 檢 測主 泵 機 組主 接 觸 器 圖 系統(tǒng)結構圖 畢業(yè)設計（論文） 10 本文主要工作 中央空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍水和冷卻水兩個系統(tǒng) 。 現(xiàn)在水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實現(xiàn)。 1)冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制 該方案在保證最末端設備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是 ： 冷凍回水溫度大于設定溫度時頻率無極上調(diào)。 2)冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制 該 方案在保證冷卻塔有一定的冷卻 水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量 。 當中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，在保證中中央空調(diào)機組正常工作的前提下 ， 達到節(jié)能增效的目的。 控制原理說明如下： PLC 控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機的回水與出水的溫差值來控制變頻器的頻率，以控制電機轉速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負荷大，應提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量 ，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負荷小，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能 。 由于冷凍機組運行時，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進行不斷循環(huán)的。冷卻水進水出水溫差大，說明冷凍機負荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，加大冷卻水的循環(huán)量 ； 溫差小，則說明，冷凍機負荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。 通過溫度傳感器 PT100 將溫度信號經(jīng)過變送器和 A/D 轉換模塊傳送到 PLC 中進行處理，然后由 PLC 將控制信號送至變頻器中，變頻器根據(jù)控制信號 做 出相應的頻率調(diào)整，實現(xiàn)對水泵電機轉速的控制。主要工作有：溫度檢測部分設計；選擇變頻器；設計主電路；選擇 PLC 器件并選擇擴展模塊； I/O 口 的 分配及輸入輸出接口電路的設計；顯示及報警等接口設計；編制設計 PLC 程序。 畢業(yè)設計（論文） 11 2 具體電路設計 溫度檢測部分設計 溫度是表征物體或系統(tǒng)的冷熱程度的物理量。根據(jù)分子物理學理論，溫度反應了物體中分子無規(guī)則運動的劇烈程度。物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質(zhì)都與溫度有關，許多生產(chǎn)過程，特別是化學反應過程，都是在一定的溫 度范圍內(nèi)進行的。溫度是最常見的工業(yè)測控參數(shù)，人們經(jīng)常會遇到溫度和溫度檢測與控制的問題。 檢測元件選取 溫度檢測的主要方法根據(jù)敏感元件和被測介質(zhì)接觸與否，可以分成接觸式與非接觸式兩大類。接觸式檢測方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測儀表；基于導體或半導體電阻值所溫度變化的熱電阻溫度檢測儀表；基于熱電效應的熱電偶溫度檢測儀表。非接觸式檢測方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應關系，對物體的溫度進行檢測，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。 熱敏電阻是用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的測溫敏感 元件。熱敏電阻有正溫度系數(shù)（ PTC）、負溫度系數(shù)（ NTC） 和臨界溫度系數(shù) （ CTR） 三種 。 溫度特性曲線 如圖 所示 。 圖 各種熱敏電阻特性 正溫度