【導讀】2021屆畢業(yè)設計說明書。專業(yè)班級電氣自動化08-4班。專業(yè)技術職稱高級工程師。畢業(yè)設計（論文）任務書。專業(yè)：機電系班級：電氣自動化08-4班學生姓名：學號：。2021年03月15日至06月10日共12周。地源熱泵空調系統(tǒng)通過PLC控制循環(huán)泵的運行，把溫度變送器檢測出來的模擬量。信號送到EM235模塊，經(jīng)過PLC運算后經(jīng)EM235輸出送至變頻器，通過變頻器給定值。與內部PI調節(jié)來控制空調溫度。搞清系統(tǒng)工作原理，分析并加以說明?？照{系統(tǒng)主電路圖1張。序號設計（論文）各階段工作內容時間分配。1畢業(yè)調查實習，與指導老師交流設計事宜3月15-3月25日。2查閱文獻，搜集資料3月26日-4月5日。3確定系統(tǒng)設計方案4月6日-4月13日。6進一步核定數(shù)據(jù)、完善說明書和圖紙6月1日-6月14日。7畢業(yè)設計答辯6月15日-6月16日。泵工作原理出發(fā)，詳細地進行了地源熱泵空調系統(tǒng)工作原理以及plc自動控制原理,變頻

　　

【正文】 對于多拖動具有負荷平衡功能 變頻器 應用 ，水泵 的應用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩 增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。 補償 節(jié)能 無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率 。 電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、 管路 的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流 從零開始 ，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備的維護費用。 變頻器集成了高壓大功率晶體管技術和電子控制技術，得到廣泛應用。變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的。變頻 器的出現(xiàn)，使得復雜的調速控制簡單化，用變頻器 +交流鼠籠式感應電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術發(fā)展到新階段。 18 艾默生變頻簡介 EV2021 采用獨特的控制方式實現(xiàn)了高轉矩、高精度、寬調速驅動，滿足通用變頻器高性能化的趨勢；具有超出同 類產(chǎn)品的防跳閘性能和適應惡劣電網(wǎng)、溫度、濕度和粉塵能力，極大提高產(chǎn)品可靠性； EV2021 是業(yè)界首次將客戶通用需求與客戶個性化需求、行業(yè)性需求有機融合的革命性產(chǎn)品，實用的 PI、簡易 PLC、靈活的輸入輸出端子、脈沖頻率給定、 停電和停機參數(shù)存儲選擇、頻率給定通道與運行命令通道捆綁、零頻回差控制、主輔給定控制、擺頻控制、定長控制等，為設備制造業(yè)客戶提供高集成度的一體化解決方案，對降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大價值； EV2021 通過優(yōu)化 PWM 控制技術和電磁兼容性整體設計，滿足用戶對應用場所的低噪音、低電磁干擾的環(huán)保要求。 19 第五章 地熱能空調系統(tǒng)的設計 地熱能空調系統(tǒng)的分析 地熱能 空調系統(tǒng)的工作過程是一個不斷進行能量轉換以及熱交換的過程。 其 制冷 運行狀態(tài)是：在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中 ,在冷凍泵 （風機側循環(huán)泵） 的作用下冷凍水流經(jīng)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器進行熱交換，被吸熱降溫后（ 7。 C）被送到終端風機盤管，冷凍水吸收空調室內空氣的熱量升溫后（ 12。 C），再由冷凍泵 （風機側循環(huán)泵）送到蒸發(fā)器形成閉合循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中 ,在冷卻泵 （機組側循環(huán)泵） 的作用下冷卻水流經(jīng)冷凝器，在冷凝器吸熱升溫后（ 37。 C）被送到 熱交換器與地能換熱后（ 32。 C） ， 由冷卻泵 （機組側循環(huán)泵） 送到冷凝器，形成循環(huán) ，熱交換器經(jīng)過地源側循環(huán)泵不斷地把熱量帶到地下。 其 制熱 運行狀態(tài)是：在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中 ,在冷卻泵 （風機側循環(huán)泵） 的作用下冷卻水 流經(jīng)冷凝器，在冷凝器吸熱升溫后（ 37。 C）被送到終端風機盤管， 在室內換熱后 （ 32。 C）再由冷卻泵 （機組側循環(huán)泵） 送到冷凝器，形成循環(huán)。在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中 ,在冷凍泵 （機組側循環(huán)泵） 的作用下冷凍水流經(jīng)蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器進行熱交換，被吸熱降溫后（ 7。 C）被送到 熱交換器與地能換熱 后（ 12。 C），再由冷凍泵 （機組側循環(huán)泵） 送到蒸發(fā)器形成閉合循環(huán) ，熱交換器經(jīng)過地源側循環(huán)泵不斷地把冷涼量帶到地下 。 在這個 循環(huán) 過程 中， 壓縮機 是 輸送氣體和提高氣體壓力的一種從動的流體機械。是 空調 系統(tǒng)的心臟，它從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，通 過電機運轉帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷 制熱 循環(huán)提供動力 。如果壓縮機一直滿負荷運行，這樣就浪費了大量的電能，而且還使 室 內外 溫 差 波動 大，影響人們的健康 。 運用變頻控制技術，可根據(jù)環(huán)境溫度 調節(jié)壓縮機的轉速， 使居室在短時間內迅速達到所需要的溫度，并在低轉速、低能耗狀態(tài) 下以較小的溫差波動，實現(xiàn)了快速、節(jié)能和舒適控溫效果。 20 圖 41 系統(tǒng)自動調節(jié)結構圖 因此，實施對 壓縮機 自動控制是 地源熱泵空調 系統(tǒng)節(jié)能及自動控制的重要組成部分。根據(jù)以上分析 ,結合運行特征，利用變頻器、 PLC、模 擬 量輸入輸出 模塊、溫度傳感器等組成溫差閉環(huán)自動控制。 地熱能空調系統(tǒng)圖設計 該系統(tǒng)選用垂直埋管獲取地下土壤的熱量。地下的土壤的溫度一般都是恒定的，溫度上下相差不大，它 是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地 下 的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散相對的平衡 。當夏天時地下土壤作為冷源，冬季地下土壤作為熱源。 壓縮機不斷地從蒸發(fā)器中抽取制冷劑蒸汽，低壓制冷劑蒸汽在壓縮機內部被壓縮為高壓蒸汽后進入冷凝器中，制冷劑和冷卻水在冷凝器中進行熱交換，制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w，通過熱力膨脹閥后，液態(tài)制冷劑壓力急劇下降，變?yōu)榈蛪?液態(tài)制冷劑后進入蒸發(fā)器，開始新的一輪循環(huán)。 在夏天，如圖 12 所示，閥門 7 打開，閥門 8 關閉。地熱能空調系統(tǒng)內的壓縮機對制冷劑做功，使其進行汽 液轉化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內制冷劑的汽化將由空調側循環(huán)水所攜帶的熱量吸收至制冷劑中，在制冷劑循環(huán)同時再通過冷凝器內在制冷劑的汽化，由地源側循環(huán)水將制冷劑所攜帶的熱量吸收，最終由地源側循環(huán)水轉移至地水、地下水或土壤里。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中，通過風機盤管，以的冷風的形式為房間供冷。 21 圖 1 地熱能空調系統(tǒng)運行圖 在冬天， 如圖 5 所示，閥門 8 打開，閥門 7 關閉。壓縮機對制冷劑做功，由地源側循環(huán)水吸收地表水、地下水或土壤里的熱量，通過蒸發(fā)器內制冷劑的汽化，將地源側循環(huán)水中的熱量吸收至制冷劑中，在制冷劑循環(huán)的同時再通過冷凝器內制冷劑的液化，由空調側循環(huán)水將制冷劑所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉移至室內的過程中，以熱風的形式為房間供暖。 在制冷模式下，對于蒸發(fā)器進水的溫度將高于回水的溫度，形成溫差，通過檢測進水和回水的溫度差來實現(xiàn)恒溫差控制壓縮機的轉速。溫差大，說明地熱能空調系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量大，可以降低壓縮 機的轉速；溫差小，說明地熱能空調系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量小，可以提高壓縮機的轉速。 在制熱模式下，對于冷凝器進水的溫度將低于回水的溫度，形成溫差，通過檢測進水和回水的溫度差來實現(xiàn)恒溫差控制壓縮機的轉速。溫差大，說明地熱能空調系統(tǒng)產(chǎn)生的制熱量大，可以降低壓縮機的轉速；溫差小，說明地熱能空調系統(tǒng)產(chǎn)生的制熱量小，可以提高壓縮機的轉速。 出水管和回水管上裝上溫度的溫度傳感器，與 PLC和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過出水管和回水管的溫差來控制壓縮機的轉速。 空調長時間運行，通風口的過濾網(wǎng)表面容易吸附灰塵，使風吹不進房間。在通風口的過濾網(wǎng)處安裝一個溫度傳感器，在制冷狀態(tài)下，風吹不來，通風道溫度會特別地低，當溫度低于某個值時，風機會自動切斷；在制熱狀態(tài)下，風吹不來，通風道溫度會特別高，當溫度高于某個值時，風機會也自動切斷，說明需要清洗過濾網(wǎng)了，實現(xiàn)了自動控制。 22 地熱能空調系統(tǒng)主電路 分析及設計 該系統(tǒng)有一個壓縮機、三個循環(huán)泵，還有兩個風機盤管，需控制四個電動機的運轉。壓縮機要實現(xiàn)調速，要接變頻器。由于循環(huán)泵的功率特別的大， 在啟動過程中 采用順序啟動，各個循環(huán)泵之間相差一分鐘。風機的功率要小一些，所以用單相電機。其主電路如下圖 6 所示 。 圖 2 空調系統(tǒng)主電路圖 本系統(tǒng)采用三相五制，系統(tǒng)采用獨立接地，以提高 PLC 以及變頻器運行的穩(wěn)定性。啟動時四個電機相隔一定時間順序啟動，通過 PLC 輸出接通中間繼電器，中間繼電器常開觸點與 KM 線圈相連，控制電動機的運行，由于電機容量比較小我們均采用直接啟動。 主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器 FR 實現(xiàn)過載保護，對于變頻本身已經(jīng)有自己的保護環(huán)節(jié)我們無需在接觸熱繼電器。 KA3只用于接通變頻器，不能頻繁啟動或斷開壓縮機，停止或啟動壓縮機 只能 由 KA3 的常開出點控 制。在停止時必須先停止變頻器，在斷開 QF3。室內風機調速我們采用家用風扇調速器，因為風機的功率只有 80W和家用風扇功率幾乎相當。 地熱能空調系統(tǒng)的 PLC 和變頻器 控制部分 系統(tǒng)的起停、運行都在 PLC控制下進行，本設計需要 10 個數(shù)字輸入和 12個數(shù)字輸出接口，還有需要 6 路模擬輸入通道和 1 路模擬量輸出通道， PLC還應留有一部分的空余端子以備其他用途，故選用一個西門子 CPU 226 AC/DC/ 繼電器 24 輸入 /16繼電器 型號 PLC 和二個模擬量輸入輸出模塊 EM235。 啟動時首先選擇夏季或冬季模式，然后按下啟 動按鈕，通過 PLC 輸出控制中間繼電器，中間繼電器控制接觸器和變頻器順序啟動。其 PLC 接線如下圖 3 所示。 23 圖 3 PLC 接線圖 S7200 型 CPU226PLC 集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點。可連接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248路數(shù)字量 I/O 點或 35路模擬量 I/O 點。 13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID控制器。 2 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 從蒸發(fā)器或冷凝器溫度變送器 的 模擬量信號接到西門子 EM235 模塊。 西門子EM235是一個模擬量輸入輸出模塊， CPU通過此模塊可以采集于本模塊相連接現(xiàn)場的模擬信號?？山邮茈娏?、電壓信號，也可連接兩線制 溫度 變送器。 EM235 有 4 路模擬量輸入通道，同時還包括了一路模擬量輸出通道，輸出 010V 電壓 電壓控制變頻器，變頻器通過外部給定與 EM235 信號相比較經(jīng)變頻器內部 PI 調節(jié)控制電機已達到制冷或制熱的效果。 變頻器 控制 的過程：外部電位器給定 010V 對應溫度 1732度。 當我們需要調節(jié)溫度時，把電位器旋轉到一定位置， 由變頻器外部 CCI 輸入，經(jīng) 過內部 PI參數(shù)設置（ 最小量給定范圍和 最大量給定范圍）調整后與由 EM235 模塊反饋回來電壓號經(jīng)過內部 PI 參數(shù)設置（ 最小量反饋范圍和 最大量反饋范圍）調整后產(chǎn)生一個偏差值（ 偏差極限）在允許 值 范圍內 經(jīng)過 PI（ 比例增益 Kp和 積分增益 Kp）內部運算 不調節(jié) 變頻器。超過偏差允許值調節(jié)變頻器。變頻器的 PI 調節(jié)控制圖（圖 6）與接線圖（圖 7） 。 24 圖 6 變頻器 PI 調節(jié)控制圖 圖 7 變頻 PI 調節(jié)接線圖 當壓縮機出現(xiàn)故障 時， 可編程 繼電器輸出 TA、 TC 接通， 故障指示燈變亮 ，故障排除后，按一下復位開關，變頻器 重新 啟動。 25 致謝 在本次設計中，我要真誠的感謝曹金娟老師給予我的指導，在設計過程曹老師嚴格督促我的畢業(yè)設計速度，及時的幫我解決我在設計中遇到的各種問題和困難，在設計中一直對我嚴格要求，在整個畢業(yè)設計過程中都給我耐心的指導和講解，并主動為我提供各種相關技術資料，在曹老師的幫助和指導下我順利完成了本次畢業(yè)設計，也讓我在這次畢業(yè)設計中受益匪淺，在此謹向 曹 老師致以深切的謝意！ 在這次畢業(yè)設計中我同樣還得到 了邯鄲職業(yè)技術學院其他眾多老師的幫助和指導，各位老師在工作中上的一絲不茍得精神和踏實的生活態(tài)度，更是我值得學習的地方。此還要感謝邯鄲職業(yè)技術學院的全體老師，感謝他們對我的培養(yǎng)。感謝家人的關心與支持！ 26 參考文獻 [1] 王兆義 . 可編程控制器教程 [M] . 2版 . 北京：機械 工業(yè)出版社， 2021 [2] 張毅 . 自動檢測技術 [M] . 2版 . 上海：化學 工業(yè)出版社， 2021 [3] 李佐周 . 制冷與空調設備原理 [M] .3版 .北京 ： 中國傳媒大學出版社 ， 2021 [4] 王寒棟 . 制冷空調測控技術 機械 工業(yè)出版社， 2021 [5] 瞿芳 . 機械制圖與 CAD [M] . 2版 . 機械工業(yè)出版社， 2021 27 附錄 1 符號表 28 2 程序 29 30 3