【文章內(nèi)容簡介】 樓、商場、廠房等場所，用于保持整棟大廈溫度恒定。如今，人們對中央空調系統(tǒng)提出新的要求就是舒適節(jié)能，要求 在能耗更低的情況下保持室內(nèi)合適的溫度、濕度，讓使用者感覺最舒適。 顯然， 中央空調系統(tǒng) 即應 按照舒適節(jié)能的目 標設計。 據(jù)統(tǒng)計，中央空調的用電量占各類大廈總用電量的 60%以上，其中，僅水泵的耗電量約占到空調系統(tǒng)耗電量的 20 一 40%，存在巨大的能源浪費。采用新技術降低系統(tǒng)能耗 非常重要 。 傳統(tǒng)的設計中，中央空調的制冷機組、冷凍循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、冷卻塔風機系統(tǒng)、盤管風機系統(tǒng)等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制熱負荷或新風交換量需求選定的，且留有充足余量。無論季節(jié)、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在 工頻狀態(tài)下全速運行，雖然可滿足最大的用戶負荷，但不具備隨用戶負荷動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)功率的特性，而在大多數(shù)時間里，用戶負荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費。近年來節(jié)能降耗被國家擺到空前重要的位置。而國家供電緊張形勢依然沒有根本緩解，電價不斷上調，造成中央空調系統(tǒng)運行費用上升，如何控制空調系統(tǒng)的電能費用己經(jīng)成為越來越多空調的經(jīng)營管理者所關注的問題。故采用變頻調速技術節(jié)約低負荷時主壓縮機系統(tǒng)和水泵、風機系統(tǒng)的電能消耗，具有極其重要的經(jīng)濟意義。 隨著電力電子技術、微電子技術的發(fā)展，應用變頻調速技術與 PLC 自動控制系統(tǒng)可 以大幅度節(jié)約電能和提高系統(tǒng)的自動化程度， 利用變頻器、 PLC、數(shù)模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調節(jié)水泵的輸出流量，能有效地達到節(jié)能目的。其節(jié)能效率通常都在 40%以上 ，并使系統(tǒng)具有運行可靠、結構簡化、維護維修方便等優(yōu)點，因此可用于新建的中央空調中也可用于對大量舊式中央空調的技術改造，具有廣泛的應用領域。 隨著工業(yè)自動化控制的發(fā)展 ,一種新的工控產(chǎn)品人機界面又稱觸摸屏出現(xiàn) ,給予工業(yè)設備現(xiàn)場控制一種全新的圖形操作界面。它采用能高速通信的 32 位 RISC芯片 ,具有交 互性好 ,編程靈活 ,并且與 PLC 之間的連接簡便 ,在工業(yè)設備控制中已經(jīng)得到廣泛應用 。 本科生畢業(yè)設計 2 綜上所述，本課題的研究意義在于： 1. 通過對中央空調系統(tǒng)的 集中控制 的研究，可以提高能量利用率 ，降低維護費用，減少 勞動強度 ， 智能控制， 對于當今能源短缺的形勢具有重要意義。 2. 空調能耗的降低 相應的對以下方面也有重要作用： 解決當前電力供需矛盾、提高電網(wǎng)的負荷率和發(fā)電設備及輸電設施利用率、保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行、減小國家電力投資 。 第 二 節(jié) 主要研究內(nèi)容 經(jīng)過系統(tǒng)的分析并結合實際情況，本次研究的內(nèi)容和目標是實 現(xiàn)基于 觸摸屏的 PLC 和變頻器的中央空調系統(tǒng)的集中控制，該系統(tǒng)將利用 PLC 和變頻器實現(xiàn)水泵電機的軟啟動和調速，使整個系統(tǒng)的 運行 達到 最佳狀態(tài)。 1. 對變頻技術用于大型中央空調系統(tǒng)的可行性進行分析，以 某 小區(qū) 的 中央空調系統(tǒng)為研究對象，確定 系統(tǒng)的集中控制方案及如何用 PLC 實現(xiàn)。 2. 確定 冷凍、冷卻循環(huán)水泵采用 集中控制 的具體方案， 實現(xiàn) PLC 的功能 。 3． 通過對 PID 控制器基本原理的介紹 ， 初步 分析 模擬量 PID 算法的 控制。 本科生畢業(yè)設計 3 第二 章 中央空調 簡述 本章將概要地講述一下中央空調系統(tǒng)的一般組成及其分類，以及基本的 自動控制原理，然后著重講解一下戶式水冷式中央空調的結構和工作原理。 第一節(jié) 中央空調系統(tǒng)的 組成和分類 一、 中央空調系統(tǒng)的組成 中央空調系統(tǒng)是基于如下三大理論基礎的： ① 質量守恒理論； ② 熱力學第一定律； ③ 熱力學第二定律?；旧?，中央空調系統(tǒng)的科學規(guī)律都可以根據(jù)以上三大理論，通過純粹的數(shù)學推演和科學實驗的修正來予以表達。如再結合室內(nèi)空氣動力學和高等流體力學，那么所有的問題都可以迎刃而解。 中央空調系統(tǒng)一般由如 下三部分組成： ① 冷熱源系統(tǒng)； ② 冷媒輸送系統(tǒng)；③ 空氣分布系統(tǒng)。對于一個典型的中央空調系統(tǒng)，這三部分相互作用與傳遞，如流水作業(yè)般實現(xiàn)室內(nèi)外物質與能量的交換。典型的中央空調系統(tǒng)夏季熱量搬運圖如圖 111 所示。 圖 111 典型的中央空調系統(tǒng)夏季熱量搬運圖 基于以上論述，中央空調的自動控制，主要由如下三部分組成： ① 冷熱源系統(tǒng)的群控 。 ② 水系統(tǒng)控制； ③ 風系統(tǒng)控制。 二、中央空調系統(tǒng)的分類 1． 直流式：這種系統(tǒng)的新風全部來自室外，經(jīng)處理達到所需的溫、濕度和潔凈度后，由風機送入空調房間。在室內(nèi)吸收了余熱、余濕后全部經(jīng)排風口排到室外 。 2． 回風式：這種系統(tǒng)的特點是送風中除一部分室外空氣外，還利用部分室內(nèi)回風。 本科生畢業(yè)設計 4 回風系統(tǒng)由于利用了一部分回風，設備投資和運行費用比直流式大為減少?；仫L式系統(tǒng)還可以分為一次回風系統(tǒng)和二次回風系統(tǒng)。 3． 封閉式：送風全部來自空調房間，而不補給新風。這種系統(tǒng)運行費用低，但衛(wèi)生條件差。 一個完整的室溫調節(jié)系統(tǒng)是 由測定溫度的傳感器，變送器，調節(jié)器，執(zhí)行器和房間對象等幾個環(huán)節(jié) 組成的。 第 二 節(jié) 戶式中央空調 一、 戶式中央空調 器的分類與特點 （一 ） 戶式中央空調器分類： 戶式中央空調器 由室外主機、室內(nèi)風機盤管及其連接部分組成。 戶式中央空調器 按照輸送冷熱量的介質不同，可分為多聯(lián)式、風管式和水冷式等三種類型。（二） 戶式中央空調器的特點： 1． 優(yōu)點 （ 1） 舒適 它適合作為別墅、公寓、家庭的暗藏式空調器，可使冷（熱）風均勻地分布到各房間，形成“零”溫差，而且噪音極低，保證了寧靜的家居環(huán)境，避免了其他分體機常有的直吹過冷和房 間冷熱不均的現(xiàn)象。 （ 2）美觀 空調風道與裝修相結合，完全隱蔽，不占用室內(nèi)空間，為現(xiàn)代家庭空調器（分體機、柜機）的換代產(chǎn)品。 （ 3）個性化設計 戶式中央空調系統(tǒng)是小型化的中央空調系統(tǒng)，可以滿足用戶多居室的需求，以家庭為單元，可適應用戶的個性化需求，不受其他用戶影響。 （ 4）制冷能量調節(jié)范圍大 它采用區(qū)域溫度控制，每一個房間可單獨進行溫度控制。隨著季節(jié)、時間、環(huán)境等變化，系統(tǒng)工作負荷也隨之變化。可根據(jù)負荷的要求自動控制機組的運行，從而達到最佳的性能。 2． 缺點 （ 1）設計布局與裝修必須結合 本科生畢業(yè)設計 5 它的設計和安裝要 與裝修結合，才能達到良好的舒適性和裝飾效果 。 （ 2）電源負荷要求較高 它工作時的電負荷較大，老式住宅要考慮電路負荷是否滿足。 （ 3）價格較昂貴 以一個 150 平方米的三室兩廳計算，普通冷暖分體式空調器共需 19000 元左右，而戶式中央空調系統(tǒng)一般情況下，大約需要 3 萬元。在安裝價格上，戶式中央空調器比起普通家用空調器 并不具有明顯優(yōu)勢。 （ 4）維護困難，維護費用高。 （ 5）安裝復雜，是一項系統(tǒng)工程。 二、 水管式中央空調器 結構及工作原理 水管式中央空調在每個房間的末端設備叫做“風機盤管”，它可以調節(jié)風機的轉速，因 此可以對每個空調房間進行單獨 調節(jié)， 較為節(jié)能。 冷媒系統(tǒng)一般配備一臺壓縮機冷凝器有風冷和水冷形式。風機直接用軸流風機強制散熱，水冷則由冷卻水塔、冷凍泵、風機、 Y 型過濾器、水流開關等組成的冷卻水系統(tǒng)完成熱交換。蒸發(fā)器主要以水 作為輸送冷量或熱量的傳遞介質，經(jīng)由冷凍泵、補水閥、水箱、放空閥、平衡閥、循環(huán)水管線所組成的冷凍水系統(tǒng)輸送到室內(nèi)末端設備。末端設備采用風機盤管來進行熱量交換。但該系統(tǒng)的缺點也顯而易見，除了無法 直接引入新風之外，造價較高，安裝難度大，水管也容易腐蝕，維護難度較大。 該中央空調系統(tǒng)的工作過程是一個 不斷進行能量轉換及熱交換的過程。其理想運行狀態(tài)是：在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，在冷凍泵的作用下冷凍水流經(jīng)冷凍主機，在蒸發(fā)器進行熱交換，被吸熱降溫后（ 7℃）被送到終端盤管風機或空調風機，經(jīng)表冷器吸收空調室內(nèi)空氣的熱量升溫后（ 12℃ ），再由冷凍泵送到主機蒸發(fā)器形成閉合循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，在冷卻泵的作用下冷卻水 流經(jīng)冷凍機，在冷凝器吸收升溫后（ 37℃）被送到冷卻塔，經(jīng)風扇散熱后（ 32℃）再由冷卻泵送到主機，形成循環(huán)。在這個過程里，冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，在冷凍泵、冷卻泵得到動能不停地循環(huán)在各自的管道系統(tǒng)里， 不斷地將室內(nèi)的熱量經(jīng)冷凍機的作用，由冷卻塔排出。 本科生畢業(yè)設計 6 該系統(tǒng)的室內(nèi)末端裝置通常為風機盤管。目前風機盤管一般均可以調節(jié)其風機轉速，從而調節(jié)送入室內(nèi)的冷（熱）量。因此，該系統(tǒng)可以對每個空調房間進行單獨調節(jié)，滿足不同房間不同的空調需求， 同時其節(jié)能性也較好。此外，由于冷（熱）水機組的輸配系統(tǒng)所占空間較小，因此一般不受住宅層高的限制。但此種系統(tǒng)一般難以引進新風，因此，對于通常密閉的空調房間而言，其舒適性較差。 室內(nèi)的風機盤管有多種形式： 明裝與暗裝、立式與臥式、吊頂式等。 小型水管式中央空調器的安裝方便，因使用空氣冷凝器而 省去了冷卻塔，可安裝于屋頂、陽臺或室外，只需連通冷（熱）水路、水泵即可進行系統(tǒng)冷（熱）水循環(huán)。其機組運轉噪聲低，對環(huán)境影響小，與同等能力的其他類型空調器相比，運轉更加平穩(wěn)，從而拓寬了其適應范圍。 小型冷（熱）水管式中央空調系統(tǒng)可滿足用戶的多居室需求，可適應用戶的個性化需求，不受其他用戶的影響；采用主機與末端分離安裝方式，保證了寧靜的居室環(huán)境；主機由微電腦 控制，在室內(nèi)可完成全部操作；室內(nèi)末端安裝可采用暗藏方式，極適宜配合室內(nèi)裝修；系統(tǒng)可根據(jù)實際負荷自動化運行，節(jié)約能源及運行費用；將供冷、供暖費直接轉化電費，開 機計費，停機則不計費，收費直觀、合理。 本科生畢業(yè)設計 7 第三 章 可編程控制器 (PLC)簡介 可編程控制器 (Programmable Logical Controller 簡稱 PLC) 是 一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 縱觀來說，可編程控制器其實 是在傳統(tǒng)繼電接觸器控制的基礎上 ,采用電子技術和計算機技術發(fā)展起來的工業(yè)控制裝置。由于可編程 控制器具有接口簡單、維護方便、使用靈活、可靠性高、通用性強且編程簡單、易于掌握等特點，其發(fā)展非常 迅速，已成為當今實現(xiàn)自動控制的主要手段之一。 第一 節(jié) PLC的定義 國際電工委員會（ IEC）于 1987 年頒布了可編程控制器標準草案第三稿。在草案中對可編程控制器定義如下： “ 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊?控制器及其有關外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計 ” 近年來，可編程控制器發(fā)展很快，幾乎每年都推出不少新系列產(chǎn)品，其功能已遠遠超出了定義的范圍 第二節(jié) PLC的 結構 及工作原理 一 、 PLC 的結構 PLC 專為工業(yè)場合設計，采用了典型的計算機結構，主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。下圖為一典型 PLC 結構簡圖。 本科生畢業(yè)設計 8 圖 221 可編程序控制器結構框圖 PLC 實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同： （一） 中央處理 單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應 的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 （二） 存儲器 存儲器 用來 存放系統(tǒng)軟件 ， 稱為系統(tǒng)程序存儲器。 （三） 輸入 /輸出接口 輸入 /輸出接口 通常也稱 I / O 單元或 I / O 模塊，是 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接通道。 本科生畢業(yè)設計 9 PLC 輸入接口 可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)作為 PLC 對被控制對象進行控制的依據(jù) PLC 輸出接口 將處理結 果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的 I / O 接口的作用 其實主要是 電平轉換功能：由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而 PLC 內(nèi)部 CPU 的處理的信號是標準電平信號。