【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(diào)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(diào)系統(tǒng) 即應(yīng) 按照舒適節(jié)能的目 標設(shè)計。 據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)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(diào)系統(tǒng)耗電量的 20 一 40%，存在巨大的能源浪費。采用新技術(shù)降低系統(tǒng)能耗 非常重要 。 傳統(tǒng)的設(shè)計中，中央空調(diào)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(diào)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(diào)，造成中央空調(diào)系統(tǒng)運行費用上升，如何控制空調(diào)系統(tǒng)的電能費用己經(jīng)成為越來越多空調(diào)的經(jīng)營管理者所關(guān)注的問題。故采用變頻調(diào)速技術(shù)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(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)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(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)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(jié)構(gòu)簡化、維護維修方便等優(yōu)點，因此可用于新建的中央空調(diào)中也可用于對大量舊式中央空調(diào)的技術(shù)改造，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)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(shè)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(shè)備控制中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 。 本科生畢業(yè)設(shè)計 2 綜上所述，本課題的研究意義在于： 1. 通過對中央空調(diào)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(diào)能耗的降低 相應(yīng)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(shè)備及輸電設(shè)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(jié)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(diào)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(diào)速，使整個系統(tǒng)的 運行 達到 最佳狀態(tài)。 1. 對變頻技術(shù)用于大型中央空調(diào)系統(tǒng)的可行性進行分析，以 某 小區(qū) 的 中央空調(diào)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(shè)計 3 第二 章 中央空調(diào) 簡述 本章將概要地講述一下中央空調(diào)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(diào)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 第一節(jié) 中央空調(diào)系統(tǒng)的 組成和分類 一、 中央空調(diào)系統(tǒng)的組成 中央空調(diào)系統(tǒng)是基于如下三大理論基礎(chǔ)的： ① 質(zhì)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(diào)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(jié)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(diào)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(diào)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(zhì)與能量的交換。典型的中央空調(diào)系統(tǒng)夏季熱量搬運圖如圖 111 所示。 圖 111 典型的中央空調(diào)系統(tǒng)夏季熱量搬運圖 基于以上論述，中央空調(diào)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(diào)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(diào)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(shè)計 4 回風系統(tǒng)由于利用了一部分回風，設(shè)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(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)是 由測定溫度的傳感器，變送器，調(diào)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(diào) 一、 戶式中央空調(diào) 器的分類與特點 （一 ） 戶式中央空調(diào)器分類： 戶式中央空調(diào)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(diào)器 按照輸送冷熱量的介質(zhì)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(diào)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(diào)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(diào)風道與裝修相結(jié)合，完全隱蔽，不占用室內(nèi)空間，為現(xiàn)代家庭空調(diào)器（分體機、柜機）的換代產(chǎn)品。 （ 3）個性化設(shè)計 戶式中央空調(diào)系統(tǒng)是小型化的中央空調(diào)系統(tǒng)，可以滿足用戶多居室的需求，以家庭為單元，可適應(yīng)用戶的個性化需求，不受其他用戶影響。 （ 4）制冷能量調(diào)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?？筛鶕?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(shè)計布局與裝修必須結(jié)合 本科生畢業(yè)設(shè)計 5 它的設(shè)計和安裝要 與裝修結(jié)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(diào)器共需 19000 元左右，而戶式中央空調(diào)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(diào)器比起普通家用空調(diào)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(diào)器 結(jié)構(gòu)及工作原理 水管式中央空調(diào)在每個房間的末端設(shè)備叫做“風機盤管”，它可以調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，因 此可以對每個空調(diào)房間進行單獨 調(diào)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(guān)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(zhì)，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(shè)備。末端設(shè)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(diào)系統(tǒng)的工作過程是一個 不斷進行能量轉(zhuǎn)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(diào)風機，經(jīng)表冷器吸收空調(diào)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(shè)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(diào)節(jié)其風機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的冷（熱）量。因此，該系統(tǒng)可以對每個空調(diào)房間進行單獨調(diào)節(jié)，滿足不同房間不同的空調(diào)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)噪聲低，對環(huán)境影響小，與同等能力的其他類型空調(diào)器相比，運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，從而拓寬了其適應(yīng)范圍。 小型冷（熱）水管式中央空調(diào)系統(tǒng)可滿足用戶的多居室需求，可適應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)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(yīng)用而設(shè)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(shù)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(chǔ)上 ,采用電子技術(shù)和計算機技術(shù)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(yīng)用而設(shè)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(shù)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(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu) 及工作原理 一 、 PLC 的結(jié)構(gòu) PLC 專為工業(yè)場合設(shè)計，采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成。下圖為一典型 PLC 結(jié)構(gòu)簡圖。 本科生畢業(yè)設(shè)計 8 圖 221 可編程序控制器結(jié)構(gòu)框圖 PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng) 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(gòu)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(shè)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(jié) 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(zhuǎn)換功能：由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)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。