楼宇空调自动控制系统技术方案.doc

天津市亚控自动化仪表安装工程有限公司技术方案filename:天津陈塘科技文化园服务中心综合楼空调自控系统http/:telexata:09-05page 23 of 23 一、 设计范围本设计方案为天津市陈塘科技文化园服务中心综合楼空调自动控制系统，完成4层楼14个空调机房18套空调机组和新风机组的自控。根据甲方提供的建筑平面图、空调自控系统图及甲方要求，我公司凭借多年在中央空调自控领域的丰富经验为此自控系统进行优化设计，采用西门子可编程逻辑控制器plc配以各类温、湿度传感器，压差传感器对综合楼共四层空调机房18套空调机组和新风机组进行数据检测和自动控制。对空调机组、新风机组风机启停进行远程控制及状态显示、故障报警，温度湿度等参数显示、超限报警，风过滤器堵塞报警控制，保证综合楼各房间恒温、恒湿控制要求及设备安全运行和远程控制。二、 设计标准dj/tj08-601-2001 智能建筑施工及验收规范jgj/t116-92 建筑电气设计技术规范gbj19-87 采暖通风与空气调节设计规范gbj936-86 工业自动化仪表工程施工及验收标准国家、地方的相关规范标准货物的制造及验收标准三、 设计概述本次综合楼中央空调自动控制系统的设计以严格满足综合楼各房间及展厅、餐厅、厨房、办公区等区域空气质量要求、温湿度要求，系统稳定性、操作性为首要目标，兼顾系统的经济性能为前提，性价比最优为原则进行优化设计。根据中央空调及楼宇自控的要求，保证整个综合楼各房间的温湿度必须控制在规定范围内，因此需要在选定的房间内安装高精度的温、湿度传感器，压差传感器，电动调节阀，风阀执行器等，对表冷阀、加湿阀、新风执行器进行自动控制，同时将检测信号上传至中央控制室，以便于业主进行综合管理。因此我公司为本工程设置了中央空调集中控制系统，本控制系统采用siemens s7-200系列可编程逻辑控制器（plc）安装在各层空调机房的空调机组和新风机组上作为集中控制器，高性能的td-200文本显示器作为系统工作站的人机对话界面，进行机组运行参数的显示，故障报警，控制参数设定等。同时将所有空调机房的可变程序控制器通过modbus rs-485总线方式连接，将各空调机组和新风机组的参数上传至中央控制室，在控制室集中显示各机房空调机组和新风机组的工艺流程画面、运行参数动态显示和控制数据的设定或修改，对报警数据、机组运行数据存档，实现历史数据的查询和各类日报表、月报表的打印，最终实现中央空调控制的自动化和管理办公的无纸化。四、 初步设计方案1、 自控系统网络框图（见附图）2、 中央空调自控系统遵循原则 控制系统划分为若干子系统，子系统设计应遵守“独立完整”的原则，以保持通讯数据高速公路上信息交换量最少。 组态的控制系统，在控制系统局部故障时，不能引起系统的危急状态，并将这一影响降到最小。 控制的基本原则是必须直接并快速地响应代表负荷或能量指令的前馈信号，并通过闭环反馈控制和其它先进控制策略，对该信号进行静态精度和动态补偿的调整。 控制系统任何部分运行方式的切换，不论是人为的还是由联锁系统自动的，均平滑进行，不引起过程变量的扰动，并且不需要运行人员的修正。 控制系统的输出信号为脉冲量或 420ma连续信号，并有上下限设定，以保证控制系统故障时系统设备安全。 控制系统的手操备用，包括人机界面上的软手操和直接作用到控制装置的硬手操两种，系统的“自动”和“手动”之间的切换，必须是双向无扰的。硬手操能在任何的控制系统故障情况下，均能对现场设备实行控制。 控制系统能监视设定值与被控变量之间的偏差，当偏差超过预定范围时，系统将与之对应的m/a站切换至手动并报警。 手动切换一个或一个以上的驱动装置投入自动时，为不产生过程扰动，而保持合适的关系，使处于自动状态的驱动装置等量并反向作用。3、系统参数及被控设备、功能详解现场采样参数包括：综合楼共四层14个机房18套空调机组和新风内所有回风温、湿度，初效段、中效段过滤网压差报警开关，风机运行状态，风机故障报警等。对于吊装式新风机组只采集送风温度，初效段、中效段过滤网压差报警开关，风机运行状态以及风机故障等。现场控制参数包括：在现场人机界面（文本显示器）上可以对空调机组和新风机组控制参数的设定：回风温度、回风湿度等参数的设定，以便对表冷阀、加湿阀进行自动控制。防冻开关保护参数的设定可以直接在开关上设定、调节。报警指示、联锁保护系统包括：回风温湿度超限报警，初效段、中效段过滤网压差报警，防冻开关报警、机组风机故障报警等。联锁停机：防冻开关报警新风阀自动关闭同时联锁停机；风机故障告警时联锁停机，联锁停机均有语音报警提示。微机自控系统功能包括：表冷阀自动控制、加湿阀自动控制、新风阀自动控制、控制原理及控制内容：送风温度1、 恒温控制：在回风风道上安装温湿度传感器，将检测信号引至可编程控制器，控制器通过编写在cpu内的程序自动执行，根据回风温度自动调节表冷阀开度，调节表冷器的水量控制室温，保证了系统的水力平衡，整个控制过程形成了闭环控制。控制原理如下：执行器表冷阀plc回风温度设定值原理说明：将房间温度控制在合理的范围内是中央空调自控的基本要求，首先将回风风道温度信号通过温度变送器转换为标准的420a信号传输到plc控制站的ai模块内进行采样和数字滤波，与plc内部存储的设定值（此设定值可由工作人员根据外部气温的变化和房间适宜温度随时调整）进行偏差pid运算，根据运算结果plc的 ao模块给出420a控制信号到表冷电动调节阀，从而调节表冷器的水量控制室温，且保证系统的水力平衡。2、 恒湿控制：plc控制器通过检测回风湿度，与相对湿度设定值相比较，经控制器作pid运算输出一个模拟量进行控制加湿器、模拟量调节加湿阀达到湿度设定要求。如相对湿度高于设定相对湿度，系统先关闭加湿，若加湿全关，则逐渐加大制冷系统，同时调整加热量使温度恒定，最终确保温度和湿度达到要求。如相对湿度低于设定相对湿度，系统先逐渐关闭制冷系统，若温度升高则逐渐调小加热量，至到热量已调至最小，则终止制冷系统开启过程，并打开加湿，最终确保温度和湿度达到要求。新风与风机连锁，机组关闭后，新风阀自动关闭，防止外界污浊空气进入办公区及展厅内。其控制原理可参考恒温控制系统。3、 新风风门执行控制：当系统刚开机后，plc控制自动给出一个3v的电压信号，将风门执行器开启到30%，在空调运行过程中，根据需要将自动调整风门的开启角度。为了保护设备的安全运行，在冬季设备停用时或防冻开关发出报警信号后，系统自动将新风口风门关闭，保护了空调机组和新风机组。4、 远程启停控制：当控制系统手自动档出于自动控制时，值班人员可在中央控制室监控系统上用鼠标对个空调机组和新风机组进行远程启动，遇有报警或运行条件不具备时，设备不能启动。通过以上监控措施：该控制系统需具有强大的控制功能和系统特点： 极高的可靠性 在图形化操作界面上完成一切操作，便捷的操作 丰富的内置集成功能 提供能够自动调节的严格恒温、恒湿环境 预防突发事故发生，保护设备的投资 将整个综合楼的所有空调机组和新风机组设备统一管理五、上位机系统功能简介1、自控系统的特点：l 逼真的工艺流程画面，画面图标与实物相似，流程图通俗易懂l 极高的可靠性和稳定性，高速度的通讯速率进行数据交换l 功能强大的sql server数据库对运行数据进行归档，方便查询l 在全中文操作界面上完成一切操作、设置和报表打印等l 检测系统免维护，一次调试成功后，不需要专业人员定期维护l 极高的保护功能，如有故障及时报警，对报警值进行存档2、系统集成后将达到功能：2.1动态图形显示功能在上位监控管理计算机彩色显示器上逼真、动态实时显示各空调机房空调机组和新风机组工艺流程、各主要设备的运行状态等数据，送、回风风道上的风流方向等，遇到报警信号时，自动弹出报警提示框，同时故障设备处图标闪烁，直至故障消除。使空调管理人员随时掌握当前动力设备的运行情况，画面应包括但不限于：u 空调机组和新风机组动态工艺流程图。u 空调机组和新风机组参数设定画面。u 空调机组和新风机组回风温湿度等参数动态实时显示。u 空调机组和新风机组运行参数实时、历史变化趋势曲线。u 空调机组和新风机组报警信息查询。（如下图所示动态流程）空调工艺流程图4.2.2实时数据显示功能列表式数据显示画面，直观地查看18套空调机组和新风机组各部位运行参数。回风温湿度，初效、中效过滤网压差开关状态、风机运行状态等，数据全部用中文定义，一目了然浏览各部分的运行参数。如下图所示：4.2.3报表的产生和打印制作出多样化的打印形式，根据需要，可打印出日报表，班报表、月报表、季度报表等，并可对报表打印设置为人工打印和定时打印，不仅提高了管理工作效率而且实现了办公的自动化和无纸化。可以保存一年的历史数据，历史数据的永久保存是存在电脑硬盘中。打印功能包括： 数据的班、日、月、年的定时报表打印。 操作人员的随机打印 全部监视器上可以看到的硬拷贝输出打印 打印格式包括： 时间（年、月、日、时、分、秒） 数据或时间名称 单位（瞬时值、平均值、最大最小值、累积值）4.2.4报警功能报警内容包括：回风温湿度超限报警，过滤网压差报警，防冻开关报警，风机故障报警等。对报警信息进行保存记录，在遇到故障报警、联锁停机时，系统将会记录故障发生的时间、设备号、故障原因以及故障确认时间等，可方便快捷的查询和排除系统故障。计算机系统内配置了故障处理专家系统软件，通过预装的专家系统得到故障原因的详细资料及排除故障的对策。在任何时间和任何显示上工作站都能在画面顶部或底部显示出总的报警信息，操作人员点击该报警信息可以快速地调出与本报警有关的画面。该画面可以显示出故障原因的详细资料及排除故障的对策。所有的报警信号都以时间先后排队，该队可以在画面上显示并存储在内存内。在任何时间该队列在画面上保留最新的128个报警点。这个历史报警队列在画面采用颜色的闪烁和颜色的变化来表示一个报警信号是否被确认或是否被已恢复到正常的工况。在产生任何一个报警信号时，工作站便产生一个报警声音以提醒操作人员、报警内容登录在数据库事件登录清单内，如果需要可以按要求调用并按命令分别打印。对于长期不正常事件（由监视人员对输入信号确认后）可禁止报警和登录。对于未确认的报警状态，持续发出声光报警，直至值班人员确认。4.2.5趋势图功能可以用棒状图或曲线图显示历史趋势或当前趋势，一副画面上可以在一个时间轴上用不同颜色显示1至4条不同的实时或历史曲线。模拟量的变化同时也是显示在图形的坐标上。当前趋势显示可根据实时原理不断校正。操作规程员可以很方便地调整趋势显示的时间坐标或输入范围。每个测量变量趋势图是以时间为背景的，操作人员能够输入开始时间和结束时间。随着时间跨度的变化，采样频率也相应变化。为加快数据检索时间，趋势曲线多所用的数据应存放在数据库中一个特定的缓冲区内，并以新弃旧。4.2.6 安全登录和密码保护设计中把操作级别分为：系统管理员级和操作员级，对各个级别的操作都设置密码，防止非法的操作，确保系统设备安全有序运行。技术人员在上位机监控管理站通过键盘设定的参数有两大类。第一类是各控制回路中的调解参数的设定（如供水压力、供水温度等），第二类是报警限的设定，所有设定的参数需操作员再次确认后才下达。对错误设定、超范围设定要加以屏蔽和送出“错误”信息，工作站会要求立即改正。总之，在使用基于现代自动控制技术和变流量控制技术的智能控制系统可将复杂的机电设备运行管理变得轻松自如。尤其针对服务行业中央空调设备众多、功能复杂，房间办公环境要求极其严格，使用以plc控制器为核心的集中智能控制系统后不但只需要一人就可轻松的负担起整个系统的运行管理及维护工作，可节省大量的人力成本，并避免过于复杂的操作流程所造成的人为失误，降低系统设备故障的风险。大量工程实际成果表明使用基于现代自动控制技术和变流量控制技术的智能控制系统比常规人工操作管理的系统综合节能效率达1530%。五、 主要控制设备简介1、西门子s7系列plc控制器西门子s7-200 cn 系列可编程控制器适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200 cn 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此s7-200 cn 系列具有极高的性能/价格比。s7-200 cn 系列出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块1） 中央处理单元：功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。 集成的24v 负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），输出400ma可用作负载电源。本机数字量输入/输出点具有24 个输入点和16 个输出点。 中断输入：允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 高速计数器 模拟量扩展可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 实时时钟例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 电池模块用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200 天（10 年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。2） 控制单元编程：可以利用pc/ppi 电缆和自由口通讯功能把 s7200 cn cpu 连接到许多和rs-232 标准兼容的设备。有两种不同型号的 pc/ppi 电缆： 带有rs-232 口的隔离型pc/ppi 电缆，用5个dip开关设置波特率和其它配置项 带有rs-232 口的非隔离型pc/ppi 电缆，用4个dip开关设置波特率。 有关非隔离型pc/ppi电缆的技术规范。当数据从rs-232 传送到rs-485 口时，pc/ppi 电缆是发送模式。当数据从rs-485传送到rs-232 口时，pc/ppi 电缆是接收模式。当检测到rs-232 的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。当rs-232 发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。这个时间与电缆上的dip 开关设定的波特率选择有关。3） 数字量扩展模块：数字量扩展模块为使用除了本机集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供了途径。用户使用该模块有下列优势： 最佳适应性用户可分别对plc 及任何扩展模块的混合体进行组态以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用。可提供8、16 和32 个输入/输出点的模块供使用。 灵活性很容易地扩展i/o 点数。当用应范围扩大，需要更多输入/输出点数时，plc 可以增加扩展模块，即可以增加i/o 点数。模块类型s7-200 cn plc 系列目前总共可以提供3 大类，共10 种数字量输入输出扩展模块。4） 模拟量扩展模块：模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能，优点如下： 最佳适应性可适用于复杂的控制场合，直接与传感器和执行器相连，12 位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，例如em235 cn模块可直接与pt100 热电阻相连。 灵活性当实际应用变化时，plc 可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。模块类型扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，s7-200 cn plc 的扩展模块种类很多，固定方式与cpu相同。如果需要扩展模块较多时，模块连接起来会过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。simatic s7-200的应用领域包括： 专用机床 纺织机械 包装机械 通用机械工程应用 控制系统 机床 楼宇自动化 电器制造工业及相关产业 2、上位监控管理计算机选型1）监控管理计算机名 称微型计算机（研华工控机）设备编号os1数量1套组成套一台主机、一台显示器、一个标准键盘、一只鼠标器、一套系统软件主机cpu:pentiun4 3.2ghz以上内存：2g,7ns硬盘驱动器：160gb,转速7200,2048kb缓存软盘驱动器：1.44mb光盘驱动器：52x dvd combaopci插槽：个通讯卡：工业ethernet10mbps,32kb缓存显示器三星21”纯平，1600*1280，点距：0.25mm键盘micresoft 标准键盘鼠标光电式鼠标操作系统windows 2000中文版 操作站是p微处理器的高性能工控机，操作系统为windows xp界面， 操作站设有多级密码保护功能，防止系统被非有关人员使用。 操作站预留网络接口，允许其他管理设备的接入2）打印机名 称黑白激光打印机（惠普）设备编号prt1数量1台型号hp1050幅面a4分辨率1200*1200打印速度16页/每分钟3）ups电源名 称ups电源（山特）设备编号ups1数量1台型号stkc3k延时30min3、f ameview系统组态软件本工程各种检测信号众多，控制复杂，所需监测点较多，因此优秀的过程化系统控制软件必不可少。在过程日趋复杂、对机器和设备功能的要求不断增加的环境中，获得最大的透明性对操作员来说至关重要。人机界面(hmi)提供了这种透明性。f ameview系统代表人(操作员)与过程(机器/设备)之间的接口。控制器是控制过程的实际单元。因此，在操作员和hmi (位于hmi设备端)之间以及f ameview和控制器之间均存在一个接口。hmi系统承担下列任务： 过程可视化过程显示在hmi设备上。hmi设备上的画面可根据过程变化动态更新。这基于过程的变化。操作员对过程的控制操作员可以通过gui (图形用户界面)来控制过程。例如，操作员可以预置控件的参考数值或者启动电机。 显示报警过程的临界状态会自动触发报警，例如，当超出设定值时。 归档过程值和报警hmi系统可以记录报警和过程值。该功能可以记录过程顺序，并检索以前的生产数据。 过程和设备的参数管理hmi系统可以将过程和设备的参数存储在配方中。例如，可以一次性将这些参数从hmi设备下载到plc，以便改变产品版本进行生产。 用户权限管理：hmi系统可以对操作用户权限进行管理。操作权限分为管理员和操作员，管理员可设定用户和修改所有参数设置，操作员只能进行参数查看和启停操作。不同用户可设置独立的操作权限密码。4、检测仪表：1）风阀执行器m9106系列-g-2系列电动执行器是直接安装、非弹簧复位、24 vac供电的电动执行器。该系列执行器为同步电机驱动，提供开关或浮点控制。运行钮矩为6 nm。适用于hvac系统风阀的控制，也适合用于可变风量末端装置（vav box）的阀板控制应用。 所有型号执行器直接安装在风阀轴上，易于安装。特点： 35 dba噪声额定值满足开放式吊顶环境的噪声条件 同步电机驱动,提供恒定的转动时间，与负荷无关 单一螺丝连接件的阀轴直接安装方式,节省了安装时间,并连接牢固 电磁离合器保护执行器齿轮系，使风阀及执行器在停止时免于由于过扭矩而损坏 - m9106-ig-2型转动时间在现场可选择,可为特别的应用提供提供最佳的转动时间 - 安装在圆轴直径可达 13 mm或边长达10 mm尺寸的方轴上 可调整终点位置，并可正转或反转运行 - 1/2英吋 npt螺纹导线开孔满足电气规范要求，并容许使用铠装电缆接线 手动按钮简化了执行器的设定,并现场可调整 输出位置反馈信号提供了简单、精确的阀位信号 正反转 4-20ma/0-10v/2-10v信号选择 内置热保护，堵转保护技术数据驱动器驱动器qf/qm扭矩10, 16, 25, 40n.m 电源ac220v or ac/dc24v运行时间大约 120s运行时功率5va输出角度90 3开关信号单线或双线控制模拟信号420ma, 15v, or 0(2)10v 反馈信号dc0 -10v 安装位置垂直，或水平安装保护等级ip54工作环境- 10c到55c 湿度 小于90% rh2）表冷电动调节阀产品简单介绍honleywell 公司的多功能平衡阀kombi-2-plus 是适用于供热系统及空调冷水系统的回水干管及支管上，是平衡阀设计的一大更新，其特点是一个阀门，多种功能。可精确调节阻力，也可起开关作用。因阀体主轴上有环形密封圈密封，无需保养维修，因所有功能全部通过阀主轴上部完成，与阀体无关，易于保温。特别需要说明的是。所有其它功能例如测量、调节及排空、充液等不必中断系统的运行，可现场完成。不影响系统的整体保温。此阀已通过国际质量检验标准iso9001 的质量检验认可。 特点： o型密封圈无需维修保养 ptfe底部密封 单个调节确保高精度与设定 pn16阀体 dn15到dn40口径有隔膜组件，用于压差自动平衡 阀体由红铜制成，坚固防腐蚀技术数据阀体煤质冷冻水，热水，最大 50% 乙二醇煤质温度-10c. +100c阀体承压16或27公斤渗漏率密封(气密性为din 3230)关断压力10公斤尺寸dn25-dn100材质阀体为不锈钢或铸铜，阀杆为不锈钢驱动器驱动器qf/qm扭矩10, 16, 25, 40n.m 电源ac220v or ac/dc24v运行时间大约 120s运行时功率5va输出角度90 3开关信号单线或双线控制模拟信号420ma, 15v, or 0(2)10v 反馈信号 dc0 -10v 安装位置垂直，或水平安装（禁止倒装）保护等级ip54工作环境- 10c到55c 湿度 小于90% rh重1公斤材质阻燃abs3）温湿度传感器ts-xx-d-yy系列风道温度传感器通过热敏电阻ntc，铂电阻pt和镍电阻敏感元件来检测温度。hsine公司为了兼容国际流行的ddc控制系统，提供了多种规格的温度敏感元件供用户选择。敏感元件包括玻璃封装的热敏电阻是负温度系数的温度敏感元件，白金铂电阻是3851规格的敏感元件和陶瓷封装的镍电阻传感器。下表是传感器选型表，表中列出了敏感元件规格、温度曲线以及兼容厂商信息：代号敏感元件温度曲线兼容厂商n18ntc-1.8k at 25 ccurve 5tac, csin3ntc-3k at 25 ccurve 6alertonn10ntc-10k at 25 ccurve 24hysine, alerton,alc, delta,trane, csin11ntc-10k