中央空调系统中的变频调速系统设计

本科生课程设计（论文）I摘要中央空调现已广泛的应用在各大商场、办公大厦等场所中，传统控制系统中在控制较适宜的温度的同时，却消耗了大量的能量。如今，人们越来越重视中央空调的舒适性和节能性，本文重点研究了中央空调冷冻泵机组控制系统，为舒适的生活工作环境及有效节能提供了技术条件。本文首先介绍了中央空调的结构和工作原理，总结了传统中央空调的缺点，即冷冻泵、冷却泵不能自我调节负载，长期处于满负荷运行，造成了极大的能源浪费，随着变频技术日趋成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量达到节能目的。该系统采用西门子的 S7200PLC 作为主控制单元，利用传统 PID 控制算法，通过西门子 MM440 变频器控制水泵运转速度，保证系统根据实际负荷的情况调整流量，实现恒温控制，同时又可以节约大量能源。通过对中央空调的理论分析，验证了以出回水温差为根据对其进行变流量控制的可靠性。对变频控制系统进行了设计，为实现温度信号远距离传送，设计了基于 USS 协议的 RS-485 总线通讯的网络。通过西门子 TD200 文本显示器实现人机界面的设计，最后使用 MCGS 工控组态软件进行了系统的组态设计研究。关键词中央空调；PLC ；变频器；PID；RS-485本科生课程设计（论文）II目录第 1 章 绪论 .1.第 2 章 中央空调变频控制方案 .32.1 概述 .32.2 中央空调系统的结构及工作原理 .32.2.1 中央空调系统的结构 .32.2.1 中央空调系统的工作原理 .42.3 中央空调变频调速的总体框图及控制方案 .5第 3 章 硬件设计 .63.1 PLC 的介绍 .63.2 电动机选择 .73.3 温度检测模块 DS18B20.73.4 变频器介绍及选型 .83.4.1 变频器的简介 .83.4.2 变频器的功能作用 .93.4.3 变频器的控制方式 .93.4.4 变频器原理 .103.4.5 变频器选型 .11第 4 章 变频调速系统 .154.1 MM440 系统参数设置 .15第 5 章监控系统软件设计 .185.1 MCGS 组态软件简介 .185.2 基于 MCGS 的中央空调变频调速系统界面设计 .185.3 中央空调变频调速系统组态界面 .195.4 系统背景的组态界面的设计 .19第 6 章 课程设计总结 .21参考文献 .22本科生课程设计（论文）III本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论能源的利用情况标志着一个国家科技进步的水平。在我国大力推广节能产品，禁止使用耗能过大的设备，提高能源的利用率，以缩短与世界先进国家的差距，为中国的现代建设提供能源的保证。但是，近年来，随着经济的进一步发展，大量的公共建筑如宾馆、写字楼、商场、餐饮酒店、运动场馆等拔地而起，中央空调系统也就成为了现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一。由于近年来电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，加之目前各生产、服务业竞争激烈，多数企业利润空间不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。据统计，中央空调的用电量占各类建筑大厦总用电量的 70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的 20%-40%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具有很重要的意义。国家“十一五”规划纲要中明确提出要把节约资源和保护环境基本国策，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会。提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低 20%左右、主要污染物排放总量减少 10%等目标。这是针对资源环境压力日益加大的突出问题提出来的，体现了建设资源节约型、环境友好型社会的要求，是现实和长远利益的需要，具有明确的政策导向。中央空调在各大中型民用、商用建筑中的普及，带来了严重的能耗问题。中央空调系统的电耗一般占整座建筑电耗的 50%60，建筑能耗则占全国总能耗的 1/3 左右，因此提高能源利用率是我国能源可持续发展的方向。中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷，并由此确定空调主机的装机容量及空调水系统的供水流量。然而，实际上每年只有极短时间出现最大冷负荷的情况。因此，中央空调系统在绝大部分时间里，都是在部分负荷（远小于其额定容量）条件下运行的。据统计，实际空调负荷平均只有设备能力的 50%左右，这无疑造成了大量的能源白白浪费。而且，空调水系统的水泵、风机等机电设备，长期处在工频额定状态下高速运行，机械磨损严重，导致设备故障增加和使用寿命缩短。另一方面，空调负荷又具有变动性。由于季节交替、气候变幻、昼夜轮回、使用变化（如旅游旺、淡季）及人流量增减（如宾馆入住率的变化）等各种因本科生课程设计（论文）2素变化的影响，中央空调系统的负荷具有起伏变化和不恒定的特点，如果中央空调的运行方式不能根据负荷的变化而调节，始终在额定容量（即满负荷状态）下运行，也势必造成巨大的能源浪费。近年来随着 IC 产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，同时，可靠性增强，容量增大，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量，已变得越来越现实，其对节约能源、提高经济效益具有重要意义。所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负荷调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性，而且得到越来越多的被广泛推广与应用。采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达 30%以上，能带来良好的经济效益。中央空调系统设计首先是根据室外气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。但空调系统绝大部分时间是在不满负荷的情况下工作。在不满负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。现在空调系统在运行调节方式上，风水系统主要是阀门（手动、自动阀门调节） ，主机利用卸荷方式，而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，造成运行成本居高不下。若采用变频控制，能量的传递和运输环节控制为变水量（VWV）和变风量（VAV ） ，使传递和运输耦合并达到最佳温差置换，其动力仅为其它控制系统的 30%60%，而且节能是双效的，因为对制冷主机的需求能耗同时下降。主机采用变频节能控制，保持设计工况下的制冷剂运动的物理量（如温差、压力等）变化，节能较其它调荷方式明显，如约克（YORK）的 YT 型离心式冷水机组，配置变频机组在部分负荷下能效比可降至 0.2kw/冷吨，可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。过去由于价格的原因，在中央空调系统中应用变频技术推广较难。在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天，用此技术与暖通空调专业技术相结合，它并不是一门高价的技术，在小功率空调中其经济性都可承受，在中央空调系统中更不应该成问题：（1）中央空调运行时间更长，节能问题更突出；（2）变频控制在整个系统中所占的造价比例不高；（3）变频控制器的容量越大，每千瓦功率单价越低。中央空调系统采用变频器是可行的，其投资回收一般在 612 个月，以变频控制器使用寿命 10 年计，其净收益在 10 倍投资额以上。本科生课程设计（论文）3第 2 章 中央空调变频控制方案2.1 概述工农业行产各人们的日常生活中，经常需要对一些物理量进行控制，如空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量等，这些系统绝大多数是用交流电机驱动的。以前由于电机的转速无法方便调节，为了达到对上述物理量的控制，人们只好采用一些简单的方法，如用档板调节风量，用阀门来调节流量压力等，致使这些系统不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能被档板和阀门白白浪费。根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频调速器，变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速成进行调节的装置。采用变频器进行风机、水泵的节能改造，极大提高控制和调节的精度，我们可以真正方便地实现恒温空凋系统和恒压供水系统。2.2 中央空调系统的结构及工作原理2.2.1 中央空调系统的结构一个典型的中央空调系统一般由冷、热源机组，冷、热量输送系统，空气处理设备，空气输送设备，空气分配设备，被调对象组成，如图 2.1 所示。图 2.1 中央空调系统的构成图本科生课程设计（论文）42.2.1 中央空调系统的工作原理1四种制冷方法：(1)液体汽化制冷：最常用，如蒸汽压缩式；(2)气体膨胀制冷；(3)涡流管制冷；(4)热电制冷。2制冷原理中央空调技术实际上是人工制冷技术的一种典型系统性应用，当前，人工制冷技术按其补偿过程的不同可主要分为蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式、吸附式四种方法，其中，被广泛应用在中央空调系统的制冷方法主要有两种：蒸汽压缩式制冷循环和吸收式制冷循环。(1) 蒸汽压缩式制冷：蒸汽压缩式制冷过程分为蒸发过程、压缩过程、冷凝过程和节流过程四个过程。1压缩过程：蒸发器中的制冷剂蒸汽被离心压缩机吸入后，原动机（一般为电动机）通过压缩机叶轮对其施加能量，使制冷剂蒸汽的压力提高并进入冷凝器；与此同时，制冷剂蒸汽的温度在压缩终了时也相应提高。2冷凝过程：由压缩机来的高压、高温制冷剂蒸汽，在冷凝器中通过向管内的冷却水放出热量，温度有所下降，同时在饱和压力（冷凝温度所对应的冷凝压力）下，冷凝成为液体。这时，冷却水因从制冷剂蒸汽中摄取了热量，其温度要有所升高。冷却水的温度与冷凝温度（冷凝压力）直接有关。3节流过程：由冷凝器底部来的高温、高压制冷剂液体，流经节流孔口时，发生减压膨胀，压力、温度都降低，变为低压、低温液体进入蒸发器中。4蒸发过程：低压、低温制冷剂液体在蒸发器内从载冷剂（如冷水）中摄取热量后蒸发为汽体，同时使载冷剂的温度降低，从而实现人工制冷，蒸发器内的制冷剂蒸汽又被压缩机吸入进行压缩，重复上述压缩、冷凝、节流、蒸发过程。如此周而复始，达到连续制冷的目的。（2） 吸收式制冷：通过使用两种沸腾点差距较大的物质组成的二元溶液(也称工质对，其低沸腾点组份为制冷剂，高沸腾点组份为吸收剂)，利用溶液在一定条件下能析出低沸点组份的蒸汽，而在另一条件下又能吸收低沸点组份的蒸汽这一特性由制冷机系统采用热能驱动，通过发生、冷凝、蒸发、吸收 4 个过程来完成制冷循环。本科生课程设计（论文）5目前，在中央空调系统中的制冷压缩机以速度型的离心式压缩机和以容积型的螺杆式或活塞式压缩机的应用最为普遍。2.3 中央空调变频调速的总体框图及控制方案系统组成的总体框图如图 2.2 所示图 2.2 系统总体框图本系统采用闭环控制，将设定值送入控制器。用温度检测装置反馈给PLC。通过 PID 算法由变频器控制主泵机组，从而控制中央空调的温度输出。控制方案如图所 2.3 示。图 2.3 PID 控制方案PLC设定显示变频器温度检测主泵机组PLC 变频器 主泵机组温度检测输入给定值反馈温度值本科生课程设计（论文）6第 3 章 硬件设计3.1 PLC 的介绍如图 3.1 所示为 PLC 可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。图 3.1 可编程逻辑控制器PLC 是采用“ 顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在 PLC 运行CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均本科生课程设计（论文）7能被读入。在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数