【正文】 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理 概述空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器，掛式空調(diào)是一種用于給空間區(qū)域提供處理空氣溫度變化的機(jī)組。可將采集的出回水溫度等數(shù)據(jù)信號通過網(wǎng)絡(luò)送到主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。對變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)工頻/變頻切換功能。 本研究課題的主要工作本文在分析和綜合了PID控制的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢以及中央空調(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對中央空調(diào)冷凍水機(jī)組采用傳統(tǒng)PID控制，對基于USS通信協(xié)議的RS485總線設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計，最終設(shè)計了中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。目前，中央空調(diào)控制方法有雙位ON／OFF控制、PID控制、最優(yōu)控制、模糊控制等方法。各種類型的PID控制器因其參數(shù)物理意義明確、易于調(diào)整，并且具有一定的魯棒性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。隨著變流量技術(shù)的成熟，在國外應(yīng)用變流量技術(shù)開始成為暖通行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。從九十年代術(shù)期開始，隨著計算機(jī)及電子技術(shù)的高速發(fā)展，變流量技術(shù)也得到深入的發(fā)展。在變頻技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)出現(xiàn)之前，通常不考慮負(fù)荷的變化，冷凍水泵以固定的流量輸運(yùn)冷凍水到環(huán)路中。變流量空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，與控制技術(shù)和水泵變頻技術(shù)的發(fā)展是緊密相聯(lián)的，可以說變流量技術(shù)是隨著變頻技術(shù)的出現(xiàn)才逐漸發(fā)展起來的[4]。冷水系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)歷了大約六、七十年的發(fā)展，并仍在不斷地完善。智能型空調(diào)器是一個綜合技術(shù)的聚合體，開發(fā)難度較大，現(xiàn)在的樣機(jī)或產(chǎn)品在控制模式上、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性方面相比國際先進(jìn)技術(shù)還存在很大的差距，有待于進(jìn)一步的研究和提高。將這兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，在集散型中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加PLC和變頻技術(shù)，并且與智能控制方法相結(jié)合，將原有的定流量系統(tǒng)改為變流量控制系統(tǒng)，從而使中央空調(diào)的各泵組和冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行跟隨負(fù)荷的變化而同步變化，就能夠在保證負(fù)荷需求的前提下，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的最大節(jié)能。集散型中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)在我國的智能建筑中得到廣泛應(yīng)用，其自動監(jiān)視、測量、控制和管理功能是相當(dāng)優(yōu)越的，自動化程度高，節(jié)約了大量的勞動力和運(yùn)行費(fèi)用[3]。對于樓宇自動控制而言，在確保建筑內(nèi)舒適和安全的辦公環(huán)境的同時，還要實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能目的。通過采用電子膨脹閥調(diào)節(jié)進(jìn)入各室內(nèi)機(jī)的工質(zhì)流量，使之滿足各室內(nèi)的冷(熱)負(fù)荷要求，改變壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)所需要的工質(zhì)循環(huán)量，并采用軟硬件相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)室內(nèi)外風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、四通閥、室內(nèi)機(jī)的風(fēng)向調(diào)節(jié)板等可控部件，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的高舒適性和系統(tǒng)的節(jié)能控制。但并不能從本質(zhì)上解決壓縮機(jī)的起停損失和對電網(wǎng)的沖擊，不能提高空調(diào)器的能效比和季節(jié)性能比。(3)單臺定速壓縮機(jī)多臺室內(nèi)機(jī)同時供冷(熱)系統(tǒng)。(2)單臺定速壓縮機(jī)多臺室內(nèi)機(jī)間歇供冷(熱)系統(tǒng)。(1)一臺定速壓縮機(jī)對應(yīng)一臺室內(nèi)機(jī)的多制冷系統(tǒng)。在多室內(nèi)機(jī)的房間空調(diào)器(一機(jī)多掛系統(tǒng))方面由于多室內(nèi)機(jī)空調(diào)器的節(jié)能和舒適性控制，涉及到必須對系統(tǒng)中的工質(zhì)循環(huán)量和進(jìn)入各室內(nèi)機(jī)的工質(zhì)流量加以嚴(yán)格精確地控制問題，它不僅與系統(tǒng)的控制有關(guān)，同時也與系統(tǒng)的設(shè)計有著密切的關(guān)系。李家朋在空調(diào)器舒適性和節(jié)能運(yùn)行的控制中，提出了用表征房間熱負(fù)荷大小的“熱容C”和表征房間漏熱程度的“熱阻R”進(jìn)行模糊辯識的方法。西安交大朱瑞琪于1991年開始研究制冷空調(diào)設(shè)備的變頻能量調(diào)節(jié)技術(shù)。 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展在單室內(nèi)機(jī)的房間空調(diào)器方面變頻技術(shù)、微電腦和電子膨脹閥在空調(diào)器上的應(yīng)用為空調(diào)器的智能控制創(chuàng)造了最基本的條件?？照{(diào)節(jié)能的目的是有效利用能源，以最小的能耗創(chuàng)造出一個適合人居住、工作的室內(nèi)環(huán)境。為此，如果能通過冷凍水供回水溫度、壓差，冷卻水泵的流量等工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并對空調(diào)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化起停，使空調(diào)系統(tǒng)高效、節(jié)能運(yùn)行，將產(chǎn)生非常明顯的經(jīng)濟(jì)效果。第四，起停頻繁對設(shè)備長期安全運(yùn)行帶來不利影響。第三，水系統(tǒng)中通過節(jié)流閥或調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量、壓力，冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)中消耗了水泵較大的輸送能量。這至少30%的節(jié)能空間來源于很多方面：第一，負(fù)荷估算值偏大，系統(tǒng)消耗能量大大增加，現(xiàn)在的新型制冷主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載的變化自動加載、卸載，而水泵的流量卻不能隨制冷主機(jī)而調(diào)節(jié)，必然存在很大的能量浪費(fèi)；除此之外，每年的氣象條件是隨季節(jié)呈周期性的變化的，系統(tǒng)并不能做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，許多環(huán)節(jié)上都留有節(jié)能空間。一般冷凍水設(shè)計溫差為5～7℃，冷卻水的設(shè)計溫差為4～5℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年絕大部分運(yùn)行時間溫差僅為1～3℃，即在低溫差、大流量情況下工作，從而增加了管路系統(tǒng)的能量損失，嚴(yán)重浪費(fèi)了水泵運(yùn)行的輸送能量。不管在什么時間，負(fù)荷的多少，各電機(jī)都長期處在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，雖然可滿足最大的用戶負(fù)荷，但不具備隨用戶負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)的功能，而在大多數(shù)時間里，用戶負(fù)荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費(fèi)。建設(shè)節(jié)能型社會，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會宏偉目標(biāo)，構(gòu)建和諧社會的重要基礎(chǔ)保障[1]。采用新技術(shù)降低系統(tǒng)能耗成為當(dāng)務(wù)之急。統(tǒng)計數(shù)字顯示，傳統(tǒng)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)耗電量極大，且存在巨大的能源浪費(fèi)。隨著時間的推移，人們對中央空調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果的評價也改變了。通過西門子 TD200 文本顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計，最后使用 MCGS 工控組態(tài)軟件進(jìn)行了系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計研究。通過對中央空調(diào)的理論分析，驗(yàn)證了以出回水溫差為根據(jù)對其進(jìn)行變流量控制的可靠性。本文首先介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)和工作原理，總結(jié)了傳統(tǒng)中央空調(diào)的缺點(diǎn)，即冷凍泵、冷卻泵不能自我調(diào)節(jié)負(fù)載，長期處于滿負(fù)荷運(yùn)行，造成了極大的能源浪費(fèi)，隨著變頻技術(shù)日趨成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達(dá)到節(jié)能目的。畢 業(yè) 設(shè) 計課題名稱 可編程的中央空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計 姓 名 孫成彩 學(xué) 號201003110736 所 在 系 電子電氣工程系 專業(yè)年級P10電氣七班指導(dǎo)教師 張德迪 職 稱 講師 二O一三 年 四 月 十四 基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計摘要中央空調(diào)現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用在各大商場、辦公大廈等場所中，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中在控制較適宜的溫度的同時，卻消耗了大量的能量。如今，人們越來越重視中央空調(diào)的舒適性和節(jié)能性，本文重點(diǎn)研究了中央空調(diào)冷凍泵機(jī)組控制系統(tǒng)，為舒適的生活工作環(huán)境及有效節(jié)能提供了技術(shù)條件。該系統(tǒng)采用西門子的S7—200PLC作為主控制單元，利用傳統(tǒng) PID 控制算法，通過西門子 MM440 變頻器控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，保證系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的情況調(diào)整流量，實(shí)現(xiàn)恒溫控制，同時又可以節(jié)約大量能源。對變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，為實(shí)現(xiàn)溫度信號遠(yuǎn)距離傳送，設(shè)計了基于 USS 協(xié)議的RS485總線通訊的網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵詞 中央空調(diào)；PLC；變頻器；PID；RS485基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計目錄摘要 I第1章 緒論 1 課題背景 1 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展 2 中央空調(diào)變流量控制的發(fā)展 3 本研究課題的主要工作 4第2章 中央空調(diào)變流量控制的原理 5 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理 5 概述 5 制冷原理 5 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成 5 中央空調(diào)變流量控制的原理及特點(diǎn) 5 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述 5 中央空調(diào)變流量控制的實(shí)現(xiàn)方式 7 中央空調(diào)系統(tǒng)變流量系統(tǒng)的特點(diǎn) 9 電機(jī)的軟啟動原理及應(yīng)用 10 軟啟動設(shè)備介紹 10 軟啟動器的應(yīng)用場合 10 軟啟動器與變頻器之間的區(qū)別對比 10 PID控制的設(shè)計 11 PID控制原理 11 PID控制器的參數(shù)整定 12 PID的反饋邏輯 12 P、I、D參數(shù)調(diào)整原則 13 對空調(diào)系統(tǒng)的PID變頻控制 13 13 PID控制器設(shè)計及實(shí)現(xiàn) 13 本章小結(jié) 15第3章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16 變頻器的原理 16 西門子MM440變頻器性能介紹 16 主要特征 17 控制性能的特點(diǎn) 17 保護(hù)功能 17 變頻器運(yùn)行的環(huán)境條件 17 使用變頻器設(shè)計系統(tǒng)時需注意的問題 18 PLC選型 18 PLC簡介 18 PLC控制功能的選擇 18 西門子S7200PLC介紹 20 模擬量I/O模塊的種類 20 EM231技術(shù)指標(biāo) 21 EM232技術(shù)指標(biāo) 21 EM231 RTD接線及注意事項(xiàng) 21 PT100溫度傳感器 21 PT100溫度變送器 22 人機(jī)界面設(shè)計 22 系統(tǒng)硬件設(shè)計 23 本章小結(jié) 25第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 26 設(shè)備間通訊 26 RS485介紹 26 USS協(xié)議 26 PLC的初始設(shè)定 27 PLC主程序流程圖 29 PLC編程軟件 30 程序設(shè)計 30 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的I/O分配表 30 程序中使用的存儲器及功能 31 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的MCGS組態(tài) 32 MCGS組態(tài)軟件簡介 32 MCGS 32 系統(tǒng)腳本程序編寫 34 組態(tài)運(yùn)行界面 35 本章小結(jié) 36結(jié)論 37致謝 38參考文獻(xiàn) 39附錄C 40 III 第1章 緒論 課題背景隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，為了保證溫度恒定，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，例如酒店、賓館、辦公大廈、商場、工廠廠房等場所。舒適節(jié)能才是最符合人們對中央空調(diào)系統(tǒng)提出新的要求，希望在能耗更低的情況下保持室內(nèi)合適的溫度、濕度。中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在著30％以上的無效能耗，有些中央空調(diào)系統(tǒng)的無效能耗甚至可以高達(dá)50％以上。因?yàn)槟茉词前l(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要因素，我國近年來能源短缺的現(xiàn)實(shí)，節(jié)能減排才是重中之重。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，中央空調(diào)的制冷機(jī)組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)等都是按照建筑物最大負(fù)荷制定的，且留有充足余量。有個例子可以很好的說明這些，中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷凍水泵和冷卻水泵，一年四季長期在固定的最大流量下工作，但由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，在絕大部分時間內(nèi)，空調(diào)的實(shí)際熱負(fù)載與決定水泵流量和壓力的最大設(shè)計負(fù)載相比，一年中負(fù)載率在50％以下的小時數(shù)約占全部運(yùn)行時間的60%以上。也就是說，中央空調(diào)系統(tǒng)存在著至少30％以上的節(jié)能空間。第二，空調(diào)主機(jī)選型容量加大，在冷負(fù)荷估算值加大后，空調(diào)主機(jī)制冷量也相應(yīng)的加大。在傳統(tǒng)的運(yùn)行方式下，只要啟動水泵，就會在工頻滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。起動電流通常為額定值的5倍左右，電機(jī)在如此大的電流沖擊下，進(jìn)行頻繁的起停，對電機(jī)、接觸器觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧沖擊，也會給電網(wǎng)帶來一定沖擊，起動時帶來的機(jī)械沖擊和停止時的承重現(xiàn)象也會對機(jī)械傳動、軸承、閥門等造成疲勞損傷。另外，根據(jù)交流電機(jī)的特性，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié)，最佳的方法就是采用變頻器調(diào)速，采用變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費(fèi)，而且還會極大提高調(diào)節(jié)和控制的精度，從而方便地實(shí)現(xiàn)恒溫空調(diào)系統(tǒng)[2]?？照{(diào)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行可以有效地減少空調(diào)系統(tǒng)能耗和建筑總能耗，提高能源利用率，對減少溫室氣體排放，減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。我國自90年代初開始研究空調(diào)器的智能控制，現(xiàn)已研制出多種形式的變頻空調(diào)器或智能空調(diào)器，對推進(jìn)我國空調(diào)業(yè)的進(jìn)步作出了貢獻(xiàn)。李家朋針對我國房間空調(diào)器普遍采用單相壓縮機(jī)的現(xiàn)狀，探索開發(fā)出兩相變頻器，并應(yīng)用電子膨脹閥進(jìn)行變流量控制，利用16位微機(jī)并引進(jìn)模糊概念提高空調(diào)器的控制功能，為變頻空調(diào)器國產(chǎn)化作出了大膽的探索。研究表明，用此方法研制的模糊控制空調(diào)器會按季節(jié)、氣溫、漏熱情況等條件，自動地選擇合適的工作模式，保證了空調(diào)環(huán)境的舒適度和制冷系統(tǒng)的節(jié)能要求。在這方面，目前國內(nèi)主要是在研制一拖二和一拖三空調(diào)器，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)可分為如下四種方式。這種機(jī)型在控制上難度最小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高，不能體現(xiàn)一機(jī)多掛系統(tǒng)的價格優(yōu)勢和節(jié)能優(yōu)勢。由于制冷工質(zhì)按時間交替分配給各室內(nèi)機(jī)，所以根本不能滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適性要求。這種系統(tǒng)采用定速壓縮機(jī)，降低了空調(diào)器成本，并能減少壓縮機(jī)的啟停次數(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)房間的舒適性控制。(4)單臺變頻壓縮機(jī)多臺室內(nèi)機(jī)同時供冷(熱)系統(tǒng)。隨著智能建筑在中國的飛速發(fā)展，樓宇自動控制技術(shù)和裝置也得到快速的發(fā)展。因此誕生了綜合現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)的集散型控制系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代未至21世紀(jì)初，我國在中央空調(diào)系統(tǒng)的控制領(lǐng)域，同時推出兩項(xiàng)節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品：中央空調(diào)變頻調(diào)速控制節(jié)能系統(tǒng)和中央空調(diào)變流量控制節(jié)能系統(tǒng)。國內(nèi)還有一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的科研團(tuán)體，也都開展了智能空調(diào)器的研制工作，其核心內(nèi)容都集中在對單相壓縮機(jī)變屏調(diào)速控制器和智能型室溫控制器的研究，其研究成果還未見公開發(fā)表。 中央空調(diào)變流量控制的發(fā)展空調(diào)水系統(tǒng)最重要的目的是為空調(diào)系統(tǒng)的各末端裝置提供能量的交換，如何在滿足這個要求的前提下盡可能的節(jié)能，是首先需要解決的問題。在這個發(fā)展和完善的過程中總是不斷的遇到新問題，如：冷水溫差過小、水系統(tǒng)阻力損失過大、管網(wǎng)水力不平衡等問題，這些問題的不斷解決最終推動了變流量技術(shù)的發(fā)展。這種技術(shù)在美國得到了