（精密仪器及机械专业论文）基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

硕士论文基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 摘要 恒温恒压冷水供水系统在工业制造及科学研究领域有着广泛的应用，它是建立在 冷水机组及计算机自动控制技术基础上的自动供水系统，是水压和水温在规定的范围 内保持恒定的供水系统。计算机自动监控系统是保障供水系统自动正常运行，实现水 温和水压自动调节与控制的关键环节。本论文主要研究供水系统的自动监测与控制技 术。 本研究项目是针对一汽国家发动机试验室冷水供水系统的改造项目设立的，论文 在供水系统总体方案的基础上设计了自动监控系统的总体方案，并重点研究了冷水的 温度控制及压力控制技术。针对恒温恒压供水的大时滞性、非线性、时变性等特点， 将神经网络和模糊控制技术相结合，提出了一种新型的以神经网络表示模糊控制规则 的模糊神经网络控制器，其控制推理基于模糊推理的精确值法，神经网络采用后向传 播( b p ) 学习算法。这种控制器较常规的模糊控制器和p i d 控制器有更好的控制精度、 稳定性和鲁棒性，较好地实现了冷水温度的控制。 水压的控制采用一拖多的变频控制模式实现，论文对大功率电机变频转工频存在 的问题作了深入细致的研究，根据感应电动机相量图分析，指出大功率电机变频转工 频能否成功，关键在于变频转工频瞬时，工频电源和变频输出电源是否相位一致。本 系统采用了鉴频鉴相控制器，成功地解决了大功率电机变频转工频的问题，实现了大 功率电机变频转工频的平稳切换。 一在上述工作的基础上，论文应用组态软件“组态王开发了计算机自动监控程序， 实现了实验室冷水供水系统的自动监控。 关键词：恒温恒压，模糊神经控制器，变频调速，自动监控 硕士论文 a b s t r a c t c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n s t a n tp r e s s u r ec o l dw a t e rs u p p l ys y s t e mh a v eaw i d er a n g e o fa p p l i c a t i o n si nt h ei n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hf i e l d s ，i ti st h e a u t o m a t i cw a t e rs u p p l ys y s t e m so nt h eb a s i so ft h ec h i l l e ra n dc o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n o l o g y , a n dt h ew a t e rp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei sw i t h i nt h ep r o v i s i o n s a u t o m a t i c c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mi st h ek e yt oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no fa u t o m a t i cw a t e r s u p p l ys y s t e m , a n da c h i e v ea u t o m a t i ca d j u s t m e n ta n dc o n t r o lo ft h ew a t e rt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r e t h i sp a p e ri sm a i n l yo nt h er e s e a r c ho ft h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l t e c h n o l o g yo nw a t e rs u p p l ys y s t e m t h i sr e s e a r c hp r o j e c ti se s t a b l i s h e df o rt h et r a n s f o r m a t i o np r o j e c to ft h ec h i n af a w g r o u pc o r p o r a t i o n sn a t i o n a le n g i n el a b o r a t o r i e sc o l dw a t e rs u p p l ys y s t e m i nt h i sp a p e r t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m so v e r a l lp l a ni sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h eo v e r a l lp l a no f t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，a n df o c u so nt h er e s e a r c ho fc o l dw a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o la n d p r e s s u r ec o n t r o lt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ed e l a y , n o n l i n e a r , t i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r d san e w t y p eo ff u z z yc o n t r o l l e r , w i t hn e u r a ln e t w o r k sa n df u z z yc o n t r o ld o s d yi n t e g r a t e d ，w h i c h i san e u r a ln e t w o r kt ot h a tf u z z yc o n t r o lr u l e sf u z z yc o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o lo fr e a s o n i n g b a s e do nf u z z yr e a s o n i n gp r e c i s ev a l u em e t h o d ，u s i n gn e u r a ln e t w o r k st os p r e a da f t e rt h e ( b p ) l e a r n i n ga l g o r i t h m t h i s c o n t r o l l e rh a sab e t t e rc o n t r o la c c u r a c y , s t a b i l i t ya n d r o b u s t n e s st h a nt h ec o n v e n t i o n a l f u z z yc o n t r o l l e r a n dt h ep i dc o n t r o l l e r t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ec o l dw a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o li sv e r yw e l l t h ew a t e rp r e s s u r ec o n t r o lu s e st h eo n ed r a g g i n gs e v e r a lv a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l m o d e o nt h eb a s i so fa r l a l y z i n gv e c t o r - d i a g r a mo fi n d u c t i o n - m o t o r , t h ep h a s eo fw o r k i n g f r e q u e n c yp o w e rw h e t h e ro rn o tc o n s i s t e n tw i t ht h eo u t p u tp h a s eo fv a r i a b l ef r e q u e n c y p o w e ra tt h em o m e n to fc o n v e r s i o ni st h ek e yt od e c i d ew h e t h e rt h ec o n v e r s i o n i s s u c c e s s f u l l y w i t ht h ea p p l i c a t i o no fp h a s ed e t e c t o ri nt h i ss y s t e m ，i ti ss u c c e e dt os o l v et h e p r o b l e mo f v a r i a b l ef r e q u e n c yt ow o r k i n gf r e q u e n c ya n dr e a l i z i n gt h es m o o t hc o n v e r s i o n o f h i g h - p o w e re l e c t r o m o t o r b a s e do nt h ea b o v em e n t i o n e dw o r k s ，u s i n g “k i n gv i e w d e v e l o p e dac o m p u t e r a u t o m a t i cm o n i t o r i n gp r o g r a m , a n da c h i e v e st h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n go ft h el a b o r a t o r y s c o l dw a t e rs u p p l ys y s t e m k e yw o r d s ：c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n s t a n tp r e s s u r e ，f u z z yn e u r a lc o n t r o l l e r , v a r i a b l e v e l o c i t yv a r i a b l ef r e q u e n c y , a u t o m a t i cm o n i t o r i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：再芝玉蛀 _ 。髫年。6 胁 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 ， 研究生签名：每殳玉盈，礴。加) 筘 硕士论文 基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 1 绪论 1 1 课题来源及其研究意义 近5 年来，我国汽车制造业以平均2 4 5 的速度高速增长。汽车产业己经成为国 民经济的主导产业，汽车产业的增长状态己经成为关系国民经济增长全局的一个至关 重要的因素。按照可借鉴的国际经验，一个大国在进入汽车大众消费阶段后，汽车产 业将会保持2 0 - - - 3 0 年的快速增长。初步预测，在1 5 - - 2 0 年内，我国将成为世界上最 大的汽车消费国，最大的汽车生产国，相当多类型汽车在国际市场最具竞争力( 至少 在成本上) 【l 】。发动机作为汽车的核心部件之一，其性能的好坏直接决定了汽车的性 能高低。汽车产业作为我国新的经济增长点和国民经济支柱产业，将会使国内发动机 厂商面临前所未有的发展机遇。但同时，随着中国加入w t o ，国内市场逐步放开， 进入管制在逐步放松，特别是国家允许发动机及零部件企业可以独资，将使得国内发 动机厂商直接面对国外企业的竞争，生存压力加大1 2 。这就要求国内的发动机企业， 努力加快速度提升自己的技术含量，改造自己的生产工艺，生产出高质量的发动机， 汽车发动机是一种非常复杂的精密动力机械，作为汽车的核心部件，发动机结构复杂， 也对内燃机辅助系统提出较高的要求，这些都是生产一台高性能的发动机的实验室所 要解决的基本问题。正是出于提升自己的发动机制造工艺，达到生产高质量的发动机 的要求，一汽公司提出了发动机实验室的改造工程，“基于冷水机组的供水自动监控 系统 ，这也是本论文的项目来源和现实意义。针对长春一汽汽车发动机试验室提出 的具体要求，结合当前供水技术的发展，设计出由供水主控制计算机( 由计算机和上 位机软件等组成) 、远程通信设备和恒温恒压供水子系统组成的供水系统。供水系统 实现全自动化，能对各个环节自动监测、调节、记录、报警等，是一套经济高效的自 动监控方案，本系统可以克服传统的供水方式普遍存在的不同程度的效率低、可靠性 差、自动化程度不高等缺点，能很好的应用于生活、生产实践。 目前，新型恒压供水系统除了实现恒压供水外，还具有远程监控功能【3 】【4 】，但它 们的功能还不够完善。本文在现有的变频调速恒压供水系统基础上，结合汽车发动机 实验室的技术要求，提出了一种功能更加完善的恒温恒压供水远程监控系统，它具有 远程通信功能、远程测试功能、远程控制功能和故障诊断功能。它能对该系统中的多 种设备进行远程故障诊断，从而及时得到供水系统中的各种故障信息并对故障进行及 时处理，保证该系统的正常运行，相信它将是现代供水系统的发展方向。该系统是远 程通信技术、计算机网络技术、故障诊断技术和测试技术在设备测试系统中的具体应 用。 1 绪论 硕士论文 1 2 背景科研项目情况简介 本论文针对长春一汽集团汽车发动机实验室的供水要求，设计一套由p l c 、变频 器、压力传感器、温度传感器、多台水泵机组、冷水机组、计算机等主要设备构成的 变频恒温恒压供水及其远程监控系统，具有自动变频恒压运行、自动工频运行、现场 手动控制、计算机监控等功能。 冷冻水的出水温度控制精度要求：6 + 1 0 c 。 冷冻水供给到各个供水点时，温度的稳定性( 温度变化) 要求：i o c ( 5 分钟 内温度的变化梯度) 。 冷冻水供给到各个供水点的压力要求：3 一- 4 b a r 。( 最低供水压力点3 b a r ；最高 供水压力点4 b a r ) 。 1 2 1 预期解决的主要问题 ( 1 ) 恒压供水的水压自动控制 变频调速恒压供水系统由水泵、电机、变频器等多个环节所组成，整个系统涉及 较多的参数，其中部分参数难以准确测定，部分参数在系统运行过程中是变化的。水 泵工作特性具有很强的非线性，管路水头的变化以及电力负载及其特性的变化等都将 导致水泵运行工况的改变，从而改变了系统参数。变频调速恒压供水系统对水压的调 节是建立在转速调节基础之上的，管网水压的变化相对于转速改变有一个较长的滞后 时间，是一个典型的大时滞系统。将从冷水机组出来的水输送到各个实验室，并且实 时监控压力的变化，由各个实验室里的压力传感器得到压力参数，并与给定的标准参 数进行比对，然后进行对应的操作。对控制算法的设计是本部分的技术攻关难点。 ( 2 ) 水温的自动控制 水温的控制主要由冷水机组进行控制，和压力控制一样，水温的变化具有滞后性、 非线性等特点，是典型的大时滞系统。所以冷水机组出来的水同实验室终端的水温并 不是同步变化的，这就要求我们在设计算法过程中加以控制，保证系统的温度稳定性。 ( 3 ) 主监控程序的设计 远程监控系统的通信特点主要是要求时时在线，通信信息量不是很大。具体情况 如下：由于恒温恒压供水监控需要实时对供水系统的压力、温度和各种工作设备进行 监测和控制，它要求实时在线，要求各供水子系统与控制中心一直保持通信状态；恒 压供水监控系统要传送的信息主要有：压力、温度、电机转速、故障诊断信息和控制 信息，电机的转速可在一定时间内上传一次，也可由恒压供水子系统进行故障诊断后， 上传故障诊断结果。总之恒压恒温供水监控系统虽然要传送的信息比较多，但实际通 信信息量并不很大。所以监控系统采取上、下位机的方式，上位机采用高可靠性工业 2 硕士论文基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 控制计算机，主要任务是获取现场水泵、变频器、冷水机组等运行状况信息，完成实 时显示，并对故障及时报警；下位机的任务是恒温恒压供水控制。 1 3 恒温恒压供水的发展与现状 由于汽车实验室要求的特殊性，本系统既区别于传统的恒压供水，又区别于中央 空调系统的恒温控制，是对两种技术的融合。 冷水机组系统的自动化在我国经历了三个阶段：9 0 年代以前，冷水机组的控制 主要以启停控制为主，很少做温度控制。此阶段主要是根据负荷计算选择相应的冷水 机组进行温度调节，控制上只进行启停控制，实际运行中常因负荷变化剧烈，房间温 度时高时低，无法稳定，也造成一定的能源浪费。9 0 年代初至9 0 年代中期，随着现 代工业化的发展，以及人们对舒适性、节约能源的要求的不断提高，冷水机组控制开 始大量采用温度控制器，实行对房间温度的控制，基本上采用的是单回路控制系统。 9 0 年代后期，随着计算机技术、信息通讯技术和自动控制技术的迅速发展，以及人 们对舒适、便利、安全、高效的工作和生活环境提出了更高的要求，尤其是智能建筑 的迅速发展，在冷水机组控制中开始采用直接数字控制系统( d d c ) 和监督控制系统 ( s c c ) ，此时仍以单回路控制系统为主，但己有许多专家开始提出采用串级控制系 统【5 一。 ( 1 ) 冷水机组变流量控制的研究 当冷水机组的流量在6 0 - - 1 0 0 之间变化时，对冷水机组的效率并没有影响， 因此可以直接采用一次泵变频的方式来降低系统的能耗【8 。0 1 。h a r t m a n 1 1 】提出了c c p ( 冷水机组和冷冻水泵联动) 控制方法。在c c p 控制中，当负荷变化时，泵速和冷 水机组容量是同步调整的。c c p 控制不直接控制冷冻水温度，但是在某些情况下， c c p 控制方案可以在部分负荷时弹性地调整冷冻水温度。 关于采用变流量冷冻水的控制问题，国内许多学者都进行了研究。黄文厚【1 2 】等人 通过对负荷冷量和流量特性的分析，给出了不同台数的冷水机组组合时的控制方案和 其它环节的控制策略。具体控制方法为：通过用户侧的供回水压差来控制水泵的转速， 通过用户侧的需冷量来调节冷水机组的制冷量或运行台数，使供水温度保持在设定的 高、低限范围内，当供水温度超出这一范围时，对冷水机组的制冷量进行再调节或根 据供水温度对水泵进行再调节，当流量降至最低流量时，要辅以压差旁通控制使机组 定流量运行。北京工业大学的孙育英【1 3 】对冷源系统的控制实用程序进行了研究。研究 通过对典型的一级泵冷水系统、二级泵冷水系统、冷却水系统控制要求的分析，从常 规控制算法入手，进而深入分析冷源系统节能途径，依据按需供冷的控制新理论，编 制了实用可行的控制程序，通过模拟验证了程序的正确性。湖南大学的罗新梅【1 4 】对空 3 1 绪论硕士论文 调冷水变流量系统的优化设计与控制进行了研究。 ( 2 ) 多台冷水机组群控的研究 对于多台冷水机组的系统，冷水机组的能耗不仅由其本身的特性( 满负荷性能和 部分负荷性能) 决定，而且还与部分负荷下冷水机组问的负荷分配策略有关。以两台 相同容量的冷水机组为例进行研究，通过绘制冷水机组负荷比一功率比曲线，得到了 最优方案，该方案比常规的以冷量来控制冷水机组的台数的方案可以节约9 的运行 费用【1 5 】。为了优化系统的控制方案，应通过实时检测整个系统的运行参数，计算在当 前工作条件下实际的机组负荷比与功率比，并将这些计算参数存储到对应机组、对应 工况的数据表中。这样随着系统的运行，通过程序计算实际运行时冷水机组的最优组 合方案【1 6 1 。 ( 3 ) 冷水机组中水泵的变频控制的研究 冷水机组中供水系统的能耗是很可观的，其能耗甚至可占系统总能耗的3 0 。一 般在供水系统中，冷冻水量的调节一般是在分水器和集水器间加装压差旁通装置来实 现水量控制，负荷变动大时，进一步控制冷水机组台数，达到调节制冷量的目的。同 时，冷水量还要保证冷水机组中冷凝器和蒸发器对水量的要求，对水量的调节有的冷 冻水系统采用两级泵系统，一次泵系统用来克服蒸发器和机房内部分管路的阻力，水 泵的台数根据冷水机组运行的台数启停，使用定转速的水泵。二次泵用来克服冷冻水 输送管道及末端装置的阻力，可以采用变频技术，调节水量。因为离心水泵的能耗与 流量的三次方成正比关系，从而可以达到节能的目的 1 y i 1 8 1 。但在使用中，首先应保 证变频水泵能对末端装置提供足够的使用压力。 1 4 本论文主要研究内容 本文针对长春一汽汽车实验室的技术要求，结合当前恒温恒压供水的发展状况， 对实验室的供水系统的设计与实现过程进行了整体研究。全文共分五章： 第一章：绪论。文章主要介绍了课题来源及其研究意义，背景科研项目情况简介， 预期要攻克的主要技术难点。 第二章：供水系统的整体设计。 本章主要介绍系统的总体设计，系统的控制流程，以及冷水机组和p l c 等主要 设备的选型问题。 第三章：实验室冷冻水供水水温的控制算法的设计。 本章主要是恒温供水的总体构成，冷水机组的控制过程，模糊控制的原理，特点 等，以及对模糊神经网络控制器的设计。实时采集实验室终端的温度参数，转化为数 字量后传给上位机与设定数据进行对比，然后通过控制算法将操作命令传给冷水机 4 硕士论文 基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 组。 第四章：实验室冷冻水供水水压的控制算法的设计。 本章主要介绍了恒压供水的总体构成，分析了二次泵供水的原理，最终选择变频 调速作为本系统的供水方案，即当实验室终端的供水压力点低于设定值时，增加运行 的水泵数量，如果还不能满足要求，则由变频器控制加速水泵的转速；当实验室终端 的供水压力点过高时，首先降低水泵转速，如果达到正常运行状态后压力还大于最高 压力，逐个关闭水泵。同时对变频调速的原理，变频器的选型，电机变频工频切换问 题做了深入的研究。 第五章：冷冻水供水系统运行状况的现场手动控制及异地远程监控。 通过对目前上位机开发软件的分析，选择“组态王6 5 开发监控软件。实现了 供水系统中的压力和温度参数测量；能对该系统的出水压力进行检测，从而通过p i d 控制方法实现恒压供水，通过冷水机组对水温进行调控；能对温度、电机的转速进行 测量，从而对电机、管网等进行故障诊断；能选择手动控制和恒温恒压供水系统自动 控制，当变频器出现故障后可选择手动控制，防止出现供水系统不能供水的情况。 第六章：全文的工作情况总结与展望。 5 2 系统的总体设计方案 硕士论文 2 系统的总体设计方案 一汽集团国家汽车发动机试验室恒温恒压供水系统的系统框图如图2 1 所示，系 统为集散测控系统。包括三大部分：中央集中监控环节，现场检测及控制环节，和冷 水机组。 图2 1 系统总体框图 ( 1 ) 中央集中监控环节 该环节位于远地主控室，是本系统的中央控制环节，由中央控制用工业控制计算 机和适配器等构成，在整个系统中处于核心的控制环节，主要功能是监控整个供水系 统的运行状况，具体有：通过与冷水机组p l c 的通讯获取冷水机组的运行状况， 对冷水机组的运行状况实施实时监测，根据运行状况对机组进行故障诊断及故障报 警，并通过修改p l c 的程序，实现对冷水机组的运行控制；通过与系统控制箱中 的p l c 的通讯，获取系统中各监测点的压力、温度和流量数据，经过控制算法得到 控制量传送给机组p l c 和系统控制箱p l c ，一方面调节冷水机组的运行方式控制流 量与温度，另一方面调节水泵及各个阀门控制水压。建立系统运行状况数据库，便 于进行系统运行状况历史数据的查询，为系统的故障诊断提供依据。 6 硕士论文基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 ( 2 ) 现场检测及控制环节 ， 该环节由现场p l c ，温度、流量和压力传感器，调节阀门，交流接触器，变频器 及水泵组成。p l c 的作用一方面是对系统管路的水温及压力进行数据采集，为控制算 法提供数据；另一方面根据算法得出的控制调节量，控制系统中的调节阀门、接触器、 变频器的动作，控制水泵的运行，调节管路中水的压力，实现水压的控制。 ( 3 ) 冷水机组 冷水机组是提供冷水的设备，其内置的p l c 控制机组的运行，通过调节机组压 缩机的能调百分比调节机组的出水温度。机组p l c 可以向中央控制计算机传输工况 数据实现机组运行状况的中央监测，同时可以接收中央控制计算机的机组运行设定参 数设定或改变机组的运行状态。 2 1 系统控制设计 控制系统采用集散控制系统的结构，由中央控制计算机( 上位机) 、嵌入式现场 数据采集及控制器( 下位机) 、通讯网络及控制软件构成，该结构具有较高的可靠性 及可维护性。 中央控制计算机协调整个控制系统正常运转，任务包括系统运行状况的监测，下 位机工作参数的设定与修改，冷水机组运行状况的监测及机组运行参数的设定与修 改，系统运行状况数据库，异地远程监控功能。 图2 1 1 系统控制框图 7 2 系统的总体设计方案 硕士论文 采用一次定频二次变频的工艺供水方案，下位机分为两组，一组控制一次泵系 统、冷水机组运行及温度控制，另一组控制二次泵系统，第一组下位机采用s 7 2 0 0 p l c ( c p u2 2 6 ) ，第二组下位机采用s 7 2 0 0p l c ( c p u2 2 4 ) ，两者在中央控制计算机的 协调下协同工作。系统的控制框图如图2 1 1 所示。 2 1 1 二次泵系统控制 采用一拖多的变频控制模式，系统为闭环系统，反馈参数为压力，传感器将测量 的信号传输至下位机，下位机根据参数设定值与实际测量值的偏差通过软件依据控制 算法确定变频器的控制信号，控制变频器的工作达到控制水温及压力的目的。当第一 台水泵变频工作的频率达到工频时，参数仍然小于设定值，则将第一台水泵切换为工 频运行，同时启动第二台水泵交频工作。如果参数反方向变化，则在第二台水泵变频 的频率达到下限时，关闭第一台水泵的运行，由第二台水泵独立变频运行。这样的过 程自动进行可保证供水系统的参数在规定的范围内，优点是成本低，可靠性高。 2 1 2 冷水机组控制 。冷水机组控制子系统是整个控制系统的主要部分之一，由机组控制、水温控制及 一次泵控制等环节组成。 ( 1 ) 机组控制包括每台机组自身的运行控制、机组开启的台数控制。由自身的 p l c 根据机组运行的自身规律和模式以及主控制器$ 7 - 2 0 0p l c ( c p u2 2 6 ) 的指令实现。 ( 2 ) 水温控制子系统由温度信号采集、流量信号采集、数据传输及控制软件等 环节组成。在三台机组的出水管道中及输往实验室的主管道中分别设置四个温度传感 器，监测四个点的温度。在输水主管道中设置一流量计，监测主管道的水流量，转换 得到的温度信号及流量信号传输至主控制单元的数据采集模块，进行数据采集。 $ 7 - 2 0 0p l c ( c p u2 2 6 ) 将数据采集得到的温度数据、流量数据和预定的水温度值作为 温度控制算法方程的参数，由软件根据算法方程确定开启机组的数量、对应的机组编 号和对应开启机组的能调百分比，将能调百分比传输至机组p l c ，由机组p l c 调节压 缩机的能调百分比，实现主输水管道中的水温控制。 控制算法是该环节的核心，为了能够实现通过调节压缩机的能调百分比调节水 温，需要明确提供机组压缩机能调百分比与机组出水温度的关系的经验数据或实验数 据。 ( 3 ) 一次泵的控制。由于一次泵为定频泵，它们的控制实际是供电与断电的切 换，控制程序根据确定的冷水机组开启台数，确定相应一次水泵的开启或关闭，并控 制对应阀门的开关。控制由主控制器输出控制信号经由驱动模块控制一次水泵的供电 与断电。 8 硕士论文基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 ( 4 ) 阀门控制。阀门由$ 7 - 2 0 0p l c ( c p u2 2 6 ) 的软件通过数字i o 或模拟量输出 模块实现，电动阀门由数字i 0 模块控制，比例阀由模拟量输出模块控制。 2 2 冷水机组的选型 目前，冷水机组常用的有活塞式、螺杆式、离心式等压缩式冷水机组及溴化锂吸 收式制冷机组。根据冷凝器的冷却介质不同，还将压缩式冷水机组分为风冷式和水冷 式两种。且活塞式、螺杆式和溴化锂吸收式制冷机尚有冷水机组和冷热水机组。另外， 随着涡旋式压缩机的广泛应用，出现了涡旋式冷水机组。在诸多冷水机组中，选用合 适的冷水机组能够达到设计方案最优，运行管理最佳。在选用冷水机组中，应了解目 前各种冷水机组的型式及特点，从各方面综合考虑。 冷水机组整个热源系统和制冷系统组装在一起，现场施工方便，对机组进行电气 线路和水管的连接与隔热施工，便可投入运行。且自动化程度较高，实现了微电脑智 能化控制，并设有多种自动保护，如设有高低压保护、油压保护、电动机过载保护、 冷媒水系统设有冷媒水冻结保护和断水保护，确保机组运行安全可靠。 2 2 1 常用冷水机组的特点分析 ( 1 ) 活塞式冷水机组 活塞式冷水机组的特点是可以根据负荷要求自动控制压缩机台数及压力、温度、 制冷量等参数。制冷量可实现2 5 l o o 分级调节。机组采用r 1 3 4 a 或r 2 2 作制冷 剂，这两种制冷剂目前均可使用。其中，r 2 2 虽对臭氧层有一定破坏作用，但限制期 在2 0 4 0 年。活塞式压缩机的优点是制造工艺成熟，热力性能较好。开启式和半封闭 式压缩机使用维护方便，且造价低，易于控制。缺点是与其它制冷压缩机相比，机器 零件复杂，体积较大，检修周期短。 ( 2 ) 螺杆式冷水机组 r 螺杆式冷水机组的特点是可设定冷媒水出水温度和控制精度，调节压力比和多台 机组最佳匹配运行。可自动检测运行参数及显示故障种类。其制冷量在1 0 1 0 0 范围内，可实现无级的调节【1 9 1 。与活塞式压缩机相比其优点是体积小，重量轻，输气 系数高，结构简单，适应工况范围宽。缺点是开启式螺杆式压缩机的噪声较大，润滑 系统复杂。目前市场上使用的风冷螺杆式冷水机组，多使用半封闭式压缩机，其存在 的问题得到了改善。 、( 3 ) 离心式冷水机组 离心式冷水机组的特点是蒸发器和冷凝器可做在一个筒体中，作为压缩机的机座 【2 0 】。使用面积和空间小，对基础要求不高。机组采用r 1 3 4 a 或r 1 2 3 作制冷剂。其制 9 2 系统的总体设计方案硕士论文 冷量可在1 0 1 0 0 范围内无级调节( 考虑到小制冷量下效率较低，制冷量一般在 3 0 1 0 0 范围内调节) 。与活塞式压缩机相比其优点是转速高，尺寸小，质量轻， 振动小，寿命长，制冷剂含润滑油量少等优点。缺点是零件加工精度高，结构密封要 求严。 ( 4 ) 溴化锂吸收式制冷机 溴化锂吸收式制冷机( 以下简称溴冷机) 的特点是以水为制冷剂，对环境无破坏 作用；对热源温度要求不高，温度在6 5 以上的热水就可以驱动制冷机工作；机组 振动小，对基础要求不高等。但机组的热力系数低，冷却水耗量较压缩式冷水机组高， 同制冷量下体积较压缩式冷水机组大。另外，直燃型吸收式冷热水机组( 简称直燃机) 除具有以上特点外，与蒸汽双效溴冷机相比，省去了单独设置的锅炉房：直燃机通常 采用燃油或燃气，达到直接完全燃烧，其燃烧产物中所含的硫化物比燃煤少，减少了 对大气的污染，一般在闹市区也允许安装；直燃机一机两用，既可制冷，又可采暖， 还可以起到平衡城市燃气负荷的作用，城市燃气系统冬、夏季燃气负荷很不均衡，冬 季燃气消耗量大，夏季燃气有余，而直燃机夏季使用燃气制冷，较好地平衡了城市燃 气负荷。 2 2 2 冷水机组选型应考虑因素 选择冷水机组应当根据当地气候条件、能源条件、水源及水质条件、冷水机组容 量大小、运行经济性等情况，通过技术经济比较确定。 ( 1 ) 能源条件 对于地区电价不高，电力资源丰富的地区，采用压缩式冷水机组，可以显出压缩 式冷水机组的性能系数高，同制冷量下体积小的优点。而对于用电紧张、电价较高， 但蒸汽供应或燃气( 油) 供应较充足且价格稳定的地区，特别是有废汽的地区，采用 溴冷机可以显出吸收式机组对热源温度要求不高，用电量少且环保的优点。 ( 2 ) 水源和水质条件 ， 水源、水质条件决定了冷水机组中冷凝器的类型，若水源丰富，水价合适，则采 用水冷式冷水机组，反之，采用风冷式冷水机组。采用水冷式冷水机组的优点是制冷 系统冷凝温度低，制冷系统的高压压力低，因而压缩机工作条件好，性能系数高。缺 点是需要一套冷却水系统，初期投资高。 在水源丰富但水质差的地区，一种方法进行水处理后循环使用，另一种方法就是 采用风冷式冷水机组。特别注意的是对溴冷机来讲，冷却水质差又不进行水处理会造 成机组制冷量衰减很快。这种情况下应对冷却水系统采取水处理措施。采用风冷式冷 水机组和冷热水机组的优点是冷凝器的冷却系统简单，机组冷凝器由空气冷却，省去 了复杂的冷却水系统；风冷式冷热水机组可以夏季供冷、冬季供暖，达到一机两用的 l o 硕士论文 基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 目的；但在冬季若采用冷热水机组采暖，机组制热运行时，蒸发器易出现结霜现象， 需要定期停机除霜，影响机组运行；其次，冬季冷热水机组在温度较低的地区工作时， 因制热量不足，需要采用其他辅助加热措施。考虑到风冷冷热水机组冬季结霜及寒冷 地区冬季温度低，造成制冷系统中高低压力比较大，机组性能系数低等问题，风冷式 冷热水机组多用于长江流域及以南地区。 ( 3 ) 冷水机组容量的大小 活塞式冷水机组的制冷量范围为1 0 - 7 0 0 k w ，因此，对于冷负荷小于7 0 0 k w 的 工程，采用活塞式冷水机组是合适的。近年来，涡旋式压缩机因容积效率高，动力平 衡好，工作范围宽，可靠性好等优点，开始广泛使用。涡旋式冷水机组性能系数较高 ( 达到4 3 左右) ，由于大制冷量涡旋式压缩机制造困难，冷水机组一般由多台压缩 机组合而成，制冷量范围在5 0 - 1 8 0 k w ，但价格比活塞式高。从长期运行效果看， 采用涡旋式冷水机组优于活塞式冷水机组。随着涡旋式冷水机组产量的逐渐增大，在 一定制冷量范围内，有可能代替活塞式机组。螺杆式冷水机组常用于空调负荷在 6 0 0 - 1 2 0 0 k w 范围内。由于螺杆式冷水机组变工况性能较好，近年来被广泛应用在 常规空调系统和冰蓄冷空调系统中。离心式冷水机组制冷量较大，多用在制冷量大于 6 0 0 k w 的场合。溴冷机则用在制冷大于3 5 0 k w 的空调场合【2 1 1 。风冷式冷水机组因冷 凝温度较高，制冷剂与空气之间的传热系数低，因此，同样制冷量下，冷凝器体积比 水冷机组大得多，因此，单机制冷量一般在4 0 0 k w 以下。但在某些用水紧张地区采 用大型风冷式冷水机组也很普遍。 ( 4 ) 几种制冷剂 选择冷水机组时，应考虑c f c s 制冷剂对大气臭氧层的危害和c f c s 的禁用时间 表。目前，国产机组中活塞式和螺杆式冷水机组多采用r 2 2 或r 1 3 4 a 制冷剂，离心 式冷水机组采用r 1 3 4 a 或r 1 2 3 制冷剂。r 2 2 ( c h f 2 c l ) 制冷剂属于中温制冷剂，用于 空调冷水机组具有单位容积制冷量大，工作时冷凝压力，蒸发压力适中等优点，但由 于r 2 2 对大气臭氧层有一定的破坏作用，且具有一定的温室效应，所以，在发展中 国家，将在2 0 4 0 年之前停止使用。目前替代r 2 2 的制冷剂常见的有四种：r 1 3 4 a ， r 4 0 7 c ，r 4 1 0 a 。r 1 3 4 a ( c 2 h 2 f 4 ) 制冷剂亦属于中温制冷剂，具有冷凝压力低，排 气温度低的优点，是一种较好的替代r 1 2 的制冷剂，也可以用于替代r 2 2 ，但应采用 醛基类润滑油。虽然r 13 4 a 对大气臭氧层没有破坏作用，由于其具有一定的温室效应， 故随着国际上对温室气体排放限制力度的增加，r 1 3 4 a 制冷剂的使用会受到影响。 r 1 2 3 ( c 2 h f 3 c l 2 ) 制冷剂是一种高温制冷剂，它具有分子量大，对环境危害小，不 燃，使用安全的特点，在大气中的寿命仅为1 - 4 年。由于r 1 2 3 对臭氧层有一定的 破坏作用和一定的温室效应，也将在2 0 4 0 年之前停止使用瞄】。由于某些制冷剂对环 境产生的破坏作用，各国均致力于制冷剂的替代工作，替代工作中，有一个“逐级替 2 系统的总体设计方案硕士论文 代 原则：即用环境参数好的制冷剂替代环境参数差的制冷剂。其排列次序应是：用 h c f c 替代c f c ，用h f c 替代c f c 和h c f c ，用自然工质替代人工合成工质。目前， 可采用的自然工质有水，氨，碳氢化合物，二氧化碳等。溴冷机使用水作制冷剂，避 免了制冷剂对环境的影响，在近年来得到了很大的发展。 ( 5 ) 运行管理经济性 就空调系统运行耗能来说，压缩式冷水机组因需电能作动力进行制冷，所以耗电 量较大；而溴冷机以热能为动力进行制冷，蒸汽或燃气( 油) 耗量大。就目前水平， 国产冷水机组满负荷运行时，单位制冷量耗电( 耗汽量) 和单位制冷量运行费用，水 冷与风冷机组比较，水冷机组运行费用较低；水冷机适中，溴冷机运行费用较高，但 如果在有废热的场合( 如钢铁厂、发电厂等) ，则采用溴冷机为佳，压缩式机组运行 费用较低，随着电力系统峰谷电价的实施，采用蓄冷空调的工程会越来越多，压缩式 冷水机组在夜间用电低谷蓄冷，其运行费用会更低。当然，选择合适的冷水机组还受 到机房大小、位置、初投资、人员素质等因素影响。各类型冷水机组的容量及价格如 表2 2 1 ： 表2 2 1 各类型冷水机组的容量及价格 机组 活塞式螺杆式离心式溴冷机 类型 制冷量 1 0 - - 7 0 0 1 1 6 3 1 1 6 31 2 5 6 3 0 0 ( 则n 单位价格 8 0 0 1 0 0 07 0 0 1 0 0 06 0 0 7 0 01 3 0 0 1 7 0 04 5 0 - 7 0 07 0 0 8 0 0 ( 元k 本系统综合考虑各种冷水机组的特点，并根据一汽汽车集团的要求，选用两台 c w 8 4 0 ，一台c w 3 9 0 水冷螺杆冷水机组。详细技术指标见附表。 2 3 下位机的确定 在集散测控系统中下位机应当是具有内嵌式微处理器、通讯接口，并具有数据采 集和i o 功能的装置，p l c 、亚当模块以及自行设计的基于单片机或d s p 的测量或控制 模块均可以作为下位机。亚当模块可靠性高、体积小具有通讯接口易于构成网络，主 要缺点是不具备自编程能力，适用于仅要求实现数据采集或y o 操作，不进行下位机 编程实现控制的场合。自行设计的基于单片机或d s p 的测量或控制模块的特点是可根 据具体要求专门研制满足特殊要求功能模块，缺点是可靠性及通用性相对较差，研制 周期长，一般仅在需要执行特殊任务时才采用。p l c 具有自编程能力，可靠性及通用 1 2 硕士论文基于冷水机组的供水系统的自动监控技术研究 性强，既有i o 功能又可以采集模拟量，还可通过编程实现控制算法，执行控制任务， 相比较而言在本控制系统中选择p l c 作为下位机比较适宜。 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是6 0 年代末在继电器控制系 统的基础上开发出来的。随着超大规模集成电路的出现，使p l c 向大规模、高性能方 向发展，形成了多种系列化的产品。p l c 不仅能实现继电器控制所具有的逻辑判断、 计数、计时等顺序控制，同时还具有执行算术运算、对模拟量进行控制等功能。随着 p l c 软硬件功能的进一步加强，p l c 已经发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制 系统，它能与其他设备通信、生成报表、调度产出、可诊断自身故障及机器故障。这 些改进使p l c 符合今天对高质量产出的要求，尽管p l c 功能越来越强，但还是保留了 向前简单与易于使用的特点】。无疑，p l c 将在今后的工业自动化领域扮演重要的角 色。在未来的工业生产中，p l c 技术和机器人、c a d c a m 将成为实现工业生产自动 化的三大支柱。 2 3 1 可编程控制器的特点 一个p l c 可以简单的视为具有特殊体系的工业计算机，只不过它比一般的计算机 具有更强的与工业过程相连的接口，具有更加适用于控制要求的编程语言。由于有特 殊的接口器件及监控软件，因此其外形不像计算机，编程语言甚至工作原理与一般的 计算机也有一定的差别【2 4 1 。p l c 的特点表现为以下几个方面： ( 1 ) 硬件的可靠性高 p l c 专为在工业环境的恶劣条件下应用而设计，一个设计良好的p l c 能置于有很 强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。为了及时诊断故 障，有的公司研制了智能可编程i o 系统或故障检测程序，供用户了解i o 组件状态和 监测系统的故障，近来还发展了公共回路远距离诊断和网络诊断技术。 。 ( 2 ) 编程简单和使用方便 p l c 采用面向过程、面向问题的“自然语言 编程，容易掌握。目前大多数p l c 均采用梯形图语言的编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及大多数 电气人员的读图习惯