（电气工程专业论文）冰蓄冷空调控制系统的设计与应用.pdf

西安理工大学工程硕士学位论文 d e s i g na n da p p li c a t i o no ft h e i c es t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m s p e c i a l t y ； e l e c t r i ce n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r - p r o f g a oy o n g p r o f c h e nj i aw e i ( s i g n a t u r e ：阮 ( s i g n a t u r e ：c j 饥龇) a b s t r a c t t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h en e wt y p ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m - - - i c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mw a sd e s i g n e da n dt a k e ni n t op r a c t i c ei nac o o ls t a t i o np r o j e c tf o rs h a a n x ip r o v i n c i a l g o v e r n m e n t f i r s t l yt h e a u t h o ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n db a c k g r o u n do ft h ei c e s t o r a g e a i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h e na n a l y z e dt h em e t h o da n ds t e p so fd e s i g na n da p p l i c a t i o n o fb a sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nt h ei c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n g a tl a s tat h o u g h t f u l l y s t u d yw a sm a d et ot h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yi nd i f f e r e n to p e r a t i o n m o d eo ft h ei c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o n i n g s e c o n d l y , a f t e ra n a l y z e dal o to fl i t e r a t u r e s s i e m e n ss 7 2 0 0p l cw a ss e l e c t e da st h e s i t ec o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h eh v a cd r a w i n g sa n dt h ed e s i r eo ft e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s ， a n das p e c i a ls o f t w a r es t e p 7 一m i c r o w i nw a su s e dt od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e m ，f i m c t i o n m o d u l e sa n dc o n t r o lp r o g r a m s a tt h es a m et i m e ，a n o t h e ri n d u s t r yc o n t r o ls o f t w a r ew h i c hi s p o p u l a r i nc h i n aw a su s e dt od e v e l o pt h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h e r ew e r es o m es o l u t i o n s t ot h ep r o b l e mo ft h ed i f f e r e n to p e r a t i o nm o d eo ft h ei c es t o r a g ea i r - c o n d i t i o n s o m ec h a n g e s w a sm a d et oc o m p e n s a t ef o rt h ed r a w b a c ko f e n g i n e e ra p p l i c a t i o no ft h ea i r - c o n d i t i o n i n g c o n t r o ls y s t e m ，s u c ha sa l t e r n a t i n gr u n n i n g ，s t a n d b ys w i t c ha n dn u m b e rc o n t r o la n ds o o n t h e s ew i l lg i v eag o o dr e f e r e n c et oe n g i n e e rp r a c t i c e a f t e ra l o n gt e r mr u n n i n g ，t h ec o n t r o ls y s t e mw a sp r o v e dt ob es a f e ，r e l i a b l ea n df e a s i b l e e v e r yd e m a n do ft h ed e s i g nw a sm e ta n di tc a na l s oa c h i e v et h eg o a lo fs a v i n ge n e r g y k e yw o r d s ：i c es t o r a g ea i rc o n d i t i o n i n gc o n t r o l ，o p e r a t i o nm o d e ，s t a n d - b ys w i t c h ，a l t e r n a t e r u n n i n g ，p r o je c td e s i g n i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 l 、 。 的地方外，论文中不包含其他入的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并己致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 做作者签名嫜一尹厶月巧日 学位论文使用授权声明 本人歉! 丝 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩。 并已经在西安理工大学申请博士，硕士学位口本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即；1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：盘垒纶：，导师签名： 7 嘲f i 7 一 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 近年来，随着我国经济和社会的快速发展，一方面是对煤电油运等重要资源的需求量 明显增加，另一方面是我国的能源资源虽然丰富，但人均拥有量较低，且年消耗量大，浪 费严重。重要能源资源短缺对经济和社会发展的制约进一步加剧，例如，建筑能耗在总能 耗中所占的比例越来越大，而在建筑能耗里，用于暖通空调的能耗又占建筑能耗的3 0 一5 0 。暖通空调用电量日益增加，特别是夏季空调用电量占的比例越来越大，造成城市电 力峰谷供需矛盾十分突出，电网的峰谷差与高峰负荷之比已高达2 5 3 0 ，有的甚至达到 或超过4 0 嵋。 国家计划委员会、国家经济贸易委员会、电力工业部1 9 9 4 5 i j 定的“1 9 9 5 2 0 0 0 年节电 计划 指出“节约高峰电力将是缓解缺电矛盾的重要一环 。同时提出“把用电最高负荷 从用电高峰转移1 0 0 0 1 2 0 0 万千瓦到每天用电低谷或季节用电低谷中去，以缓解电网缺电 的矛盾”。要实现“移峰填谷 单靠供电系统本身难以做到，冰蓄冷系统就是在这样的情 况下应运而生的。所谓冰蓄冷是指在夜间低谷、廉价电时段，开启制冷主机，利用蓄冰设 备，将建筑物空调所需冷量以冰的形式储存起来；白天，在高峰、高价电时段，停止或间 歇运行制冷主机，将储存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷的需要1 。 为鼓励用户使用低谷电，全国各省市陆续制定峰谷电价政策，一般低谷电价只相当于 峰谷的1 2 甚至1 5 h 1 ，以鼓励和促进“移峰填谷”的实现，缓和电力供应紧张的情况，这 无疑是一种战略性的节能措施。同时，也为促进冰蓄冷技术的发展和应用创造了良好的外 部经济环境。现在国家将蓄冷空调作为十大重点节电技术措施在全国推广，蓄冷技术在我 国具有良好的应用环境和发展潜力。 1 2 国内、外发展概况 7 0 年代以来，随着世界范围内的能源危机出现，蓄冷技术的发展得到了新的、更强大 的推动力，美国开始了对蓄冷技术的应用研究插3 ，南加利福尼亚爱迪生电力公司于1 9 7 8 年率先制定分时计费的电费结构，1 9 7 9 年编写并出版了建筑物非峰值期降温导则，1 9 8 1 年后推广应用蓄冷技术，并颁布相关的奖励措施。到9 0 年代，美国已有4 0 多家电力公司制 定了分时计费电价，从事蓄冷系统开发及冰蓄冷专用制冷机开发的公司也多达数十家；据 估计，至f j l 9 9 3 年6 月，全美国有1 5 0 0 - - - - 2 0 0 0 套蓄冷系统旧。美国蓄能协会预测到2 0 1 0 年全 美采用蓄能技术的空调将达蛰j 9 5 以上。在英国，大型蓄冰系统就有3 0 0 多个，总容量达4 2 l o e m 3 ，在加拿大、德国、澳大利亚等国，蓄冷技术也得到了相当广泛的应用订1 。日本自 然资源相当贫乏，同时人口密度大，能源消耗大，因此对节能非常重视。1 9 9 0 年，只有2 0 0 多个冰蓄冷空调系统，而到了1 9 9 9 年，已发展到了7 0 0 0 多个冰蓄冷系统哺1 。 在我国的台湾省，能源几乎全部要从岛外购近，合理利用电力更为迫切，自1 9 8 4 年从 西安理工大学工程硕士学位论文 国# 1 7 1 进冰蓄冷及控制设备，建成台湾第一个冰蓄冷空调系统以来，蓄冷空调系统发展很 快。1 9 9 2 年台湾只有3 3 个冰蓄冷空调系统，到1 9 9 8 年底已建成6 0 0 多个蓄冰空调系统驯。 我国大陆地区在空调工程中应用蓄冷技术起步较晚，从上世纪9 0 年代初，才开始研究和建 造冰蓄冷和冰蓄冷空调系统。在9 4 年电力部郑州会议上，正式将蓄冰空调系统写入国家红 头文件，被列为十大节能措施之一，当年在深圳电子大厦建成第一个冰蓄冷空调系统时装 机容量降1 氏4 5 以上。国家经贸委办公厅颁发的经贸厅技 1 9 9 7 2 9 8 号文件将冰蓄冷空调作 为今后的重点发展项目。国务院国发 1 9 9 8 3 2 号文件更强调了加快推广蓄冷空调在内的各 种“移峰填谷”的技术措施。有资料显示，n 2 0 0 5 年底，我国已有建成投入使用和正在施 工的冰蓄冷空调系统3 6 4 个，分布在4 个直辖市和1 7 个省，全国2 3 的省市都建造了冰蓄冷 空调系统u 引。 冰蓄冷空调技术离不开控制系统，由于国外在发展冰蓄冷空调系统方面走在了我们的 前面，而且知名的冰蓄冷空调设备厂家自身也在同时研究控制技术，因此工程技术人员在 冰蓄冷空调控制方面积累了大量的理论和工程实践经验。而我国虽然在冰蓄冷空调技术方 面发展迅猛，但冰蓄冷空调的控制原则与控制策略的研究相对滞后，而且有些工程技术人 员( 自控工程师) 对冰蓄冷空调这一新工艺理解肤浅，甚至存在认识上的错误n l l ，从而导致 b a s 运行效果欠佳的事例屡屡发生，甚至自控系统无法正常运行，因此如何实现冰蓄冷空 调的预期控制目标，已成为工程技术人员的难点和急需解决的重点。 1 3 本文研究的意义 。使用蓄冰空调的主要目的是，对国家起到“移峰填谷 作用，解决电力紧张问题；对 用户起到节省费用作用。尤其是用户空调运行费用大大降低是发展蓄冰空调最主要动力。 而节省可观的运行费用是靠先进水平的冰蓄冷空调控制技术来实现的，本文针对陕西省政 府冷站冰蓄冷空调控制系统进行了设计及工程实施工作，试图摸索出一套可行的控制策略 及方案，达到暖通专业的设计目标，为以后更多的冰蓄冷空调工程的实施积累经验，能够 使该控制方案在以后的工程实践中逐渐完善和成熟。 1 4 本文的主要工作 本文根据陕西省政府冷站暖通专业的图纸和工艺要求，从冰蓄冷控制系统的设计和实 施角度出发，论述系统的组成、结构及其实际的解决方案，在设计过程中，按照系统设计 的概念自顶而下的进行图纸及功能设计，主要进行了以下几个方面的设计和应用： ( a ) 阅读和分析了大量国内外相关文献，在了解了冰蓄冷空调工艺流程、熟悉设计目 标和功能需求的基础上，合理选择各类传感器，执行器，现场控制器，完成冰蓄冷空调控 制系统的设计。 ( b ) 通过对大型冷站的自控功能分析和设计，借助p l c 强大的编程能力，完善了冷站 设备的台数控制、交替运行等功能，解决了工程中的技术难题。 ( c ) 通过对冰蓄冷空调的理解，解决了运行模式的切换和融冰速率控制等复杂问题。 2 1 绪论 ( d ) 对模拟量控制模拟量不同的温度控制过程进行了分析和实践，使其达到精度控制 的优化。 ( e ) 通过对实际工程的设计流程的探讨，论述b a s 系统的总体设计、图纸设计、电气 设计、控制功能设计、程序流程设计等设计过程的方法和细节。 本文从工程概况及用户需求出发，在分析了控制系统的构成后，进行了控制系统的平 台选择，通过研究冰蓄冷空调的原理，提出了z ，c 蓄冷空调控制系统的设计目标，并进一步 阐述了为实现设计目标如何进行功能模块的设计，最后给出了本文的结论。 第一章绪论。提出了冰蓄冷空调系统的研究背景，从冰蓄冷空调技术和控制两个 方面分析了国内、外的发展及现状，提出了本文研究的内容和意义。 第二章冰蓄冷空调控制系统的平台选择。从工程概况和和用户需求出发，在阐述 了控制系统的组成后，分析了控制系统的平台选择。 第三章冰蓄冷空调控制系统总体设计。通过对冰蓄冷空调的工艺理解，提出了控 制系统的设计目标。 第四章冰蓄冷空调控制系统模块设计。根据冰蓄冷空调的被控设备，给出了控制 系统的i 0 清单，并对如何实现控制目标进行了详细的功能模块的设计。 第五章结论。通过运行结果进行了设计验证，对本文的设计效果给出、了结论与总 结。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 2 冰蓄冷空调控制系统的平台选择 2 1 工程概述 2 1 1 项目概况 本工程为“陕西省政府前大楼整体维修工程”配套项目之一、其制冷、供热站是前大 楼和原公安厅大楼以及3 7 # 楼等建筑物的室外集中空调动力中心。按前大楼的所需制冷量 进行设计。冷站夏季空调冷源采用冰蓄冷系统，蓄冷方式采用满足负荷均衡的部分蓄冰方 式，蓄冷设备采用三台双工况螺杆式制冷机组，蓄冷系统为闭式并联系统，蓄冰类型选用 冰球蓄冷。 2 1 2 用户需求 工程设计的目标是最终达到用户的使用功能，因此只有在充分了解了用户需求的基础 上，才能设计出满足使用要求的控制系统，以下为本工程的用户需求： ( a ) 双工况冷机蓄冰和空调的运行参数分别为6 - 2 5 6 ；5 1 0 ；经三台“乙 二醇水换热器 换热后的夏季空调冷冻水运行参数为：7 1 2 。 ( b ) 运行模式及控制方法 蓄冰运行模式分别为：“主机蓄冰 、“主机供冷 、“主机+ 冰槽供冷”、“冰槽 供冷 及“基载主机供冷”等五种模式。 表2 1 运行模式时间表 时间 冰槽供冷主机供冷主机+ 冰槽供冷 主机蓄冰基载机制冷 0 ：0 0 1 ：0 0 心 1 ：0 0 2 ：0 0 - 2 ：0 0 3 ：0 0 0 3 ：0 0 4 ：0 0心 4 ：0 0 5 ：0 0 5 ：0 0 6 ：0 0_ 6 ：0 0 7 ：0 0 _ 7 ：3 0 8 ：3 0 - 8 ：3 0 9 ：3 0 0 9 ：3 0 1 0 ：0 0- 1 0 ：0 0 1 1 1 ：0 0 j 1 1 ：0 0 1 2 ：0 0 0-0 4 2 冰蓄冷空调控制系统的平台选择 1 2 ： 0 0 1 3 ：0 0000 1 3 ： o o 1 4 ：0 0_ j 1 4 ：0 0 1 5 ：0 0j心 0 1 5 ：0 0 1 6 ：0 0 j j _ 1 6 ：0 0 1 7 ：3 0 - 0 - 1 7 ：3 0 1 8 ：0 0 t 1 8 ：o o 1 9 ：0 0- - 1 9 ：0 0 2 0 ：0 00 _ 2 0 ：0 0 2 l ：0 0 0 2 1 ：0 0 、2 2 ：o o - - 2 2 ： 0 0 2 3 ：0 0 2 3 ：o o 2 4 ：0 0 0 说明：( 1 ) 表2 1 中7 ：3 0 1 1 ：o o 采用手动方式开启主机+ 冰槽供冷模式，这里的手动方 式并不是指现场逐一手动开启每一个设备，而是指在人机界面上设置了一个开启主机+ 冰 槽供冷模式的手动按钮，该按钮被手动置为“o n 时，程序进入该模式下自动运行。 ( 2 ) 从1 1 ：o o 1 7 ：3 0 系统进入全自动运行方式，即完全根据负荷判断并且进入 某种模式下自动运行。在全自动运行方式下，业主要求融冰优先的策略，即先运行冰槽供 冷模式，若冰槽供冷无法满足负荷的要求，则自动切换至主机+ 冰槽供冷模式。随着负荷 的降低，若主机供冷满足负荷要求则进入主机供冷模式。 ， ( 3 ) 在1 7 ：3 0 2 2 ：0 0 这一时段，首先判定冰槽内是否有冰，若有冰则进入冰槽 制冷模式；无冰则进入机载冷机运行模式。 ( c ) 主要控制功能： 制冷机组、冷冻水系统、冷却水系统的顺序启停控制及连锁； 制冷机组和泵的轮流运行、自动故障复位及参数重设； 双工况冷机运行台数控制； 空调冷热水泵运行台数控制及变频调速控制； 蓄冰装置充冷充足时控制停机； 基载机运行控制； 冷热水供水温度控制。 ( d ) 主要监视项目： 制冷机组、水泵、冷却塔的运行状态； 电动调节阀的开启度和电动阀的开启状态； 冰槽和乙二醇储液箱液位； 5 西安理工大学工程硕士学位论文 制冷机组的冷冻水、冷却水出水温度及累计制冷量等运行参数； 制冷机组运行时间。 2 2 冰蓄冷空调控制系统的组成 控制系统主要由三级组成：上位机；下位机；现场传感器、阀门驱动器等。上位机为 第一级，即监控级。该级主要设操作员站，通过人机交互及友好的界面对整个空调系统进 行集中监控和在线管理。下位机即现场控制器构成第二级，其主要功能是接收安装于被控 设备上的各种传感器传送的数据，按控制器内部预先设置的参数和预先编制的程序来进行 相应的运算( 如p i d 、定时器等) ，并对各被控设备进行控制，且随时根据上位机发出的指 令来调整参数或启动有关程序以改变或启动相应设备的监控。传感器和执行器为第三级， 其安装于现场，负责采集数据和完成控制器发出的命令。 2 2 1 上位机 上位机即监控工作站，主要由计算机和打印机组成，实现网络管理方面的各种功能， 监视和管理所连网络上的所有现场控制器，显示现场传感器、执行器的参数和运行状态等。 为了使用者的方便，工作站使用的操作系统应该是w i n d o w s 2 0 0 0 2 0 0 3 ，组态控制软件的 人机界面应友好，具有简单性和易操作性。打印机用来打印报警、故障、历史记录等报告。 2 2 2 下位机 下位机即现场控制器是以微处理机为基础的可编程直接数字控制器( d d c ) ，它接收传 感器输出的信号，进行数字运算，逻辑分析判断处理后自动输出控制信号，动作执行调节 机构，是整个控制系统的核心，具有a i 、a o 、d i 、d o 四种输入输出接口。方便灵活地与 现场的传感器、执行调节机构直接相连接，对各种物理量进行测量，以及实现对被控系统 的调节与控制。其中： h i - 模拟量输入接口，可用作仪表的检测输入，如温度、压力等，一般为0 一l o v 或4 - 2 0 m h 的直流信号。 a 旷模拟量输出接口，用于操作控制阀、执行器等，如电动阀、三通阀、风门执行器 等，不需要外部电源，输出为0 一i o v 的直流信号。 d i - 数字量输入接口，即触点、液位开关、限位开关的闭合与断开，一般用作检测设 备状态、报警接点、脉冲计数等。 d o 一数字量输出接口，用于控制风机，水泵等运行，亦可作为输出信号与动作增减量 型执行机构。 2 2 3 现场传感器、执行器 传感器是指装设在各监视现场和各种敏感元件、变送器、触点和限位开关、用来检测 现场设备的各种参数( 如温度、湿度、压差、液位等) ，提供给控制器标准的电压、电流 或电阻信号，如铂电阻温度检测器、复合湿度检测器、风道静压变送器、差压变送器。 6 2 冰蓄冷空调控制系统的平台选择 执行器是指装设在各监控现场接受现场控制器的输出指令信号，并调节控制现场运行 设备的机构，如电动阀、电磁阀、调节阀等，包括执行机构( 如电动阀上的电机) 和调节 机构( 电动阀的阀门) 。 2 3 冰蓄冷空调控制系统的平台选择 2 3 1 用户需求分析 ( a ) 满足集中监控系统的需求 该冷站存在机电设备多、功能复杂的特点，需要一套高性价比的楼宇自控系统完成对 冷站内的冷冻水、冷却水、蓄冰装置、冷机等的集中控制和管理。 ( b ) 楼宇自控系统要支持开放协议 将来要做为其它几栋大楼的控制中心，各大楼内均有各自的楼字控制系统，并需要在 此平台上进行系统的集成，为此要求控制系统支持开放的标准协议，为系统的集成奠定基 础。 ( c ) 将机电系统的初期投资费用降到最低并降低运行费用 在满足舒适性的前提下，自控系统通过合理选购及组织设备运行，使大楼的初期投资 费用降到最低。以最低的价格选择最优的设备，即在满足要求的情况下，选择性价比最好 设备，进行系统控制。而且通过软件设置使控制设备得以合理运行，达到运行费用降低的 标准。 ( d ) 尽量减少故障波及面 如果机电设备发生故障而停机，将产生严重后果。自控系统可以从以下几个方面预防 这种局面的出现：随时可以检查设备的故障，立即自动发现故障的同时向中央控制室发出 报警信号，以防损坏贵重设备；监视设备运行状况，一旦发现其中某台设备运行异常，立 即报警通知检修人员前去检查，以防引起更大范围的设备故障；自动记录设备的累计运行 小时数，当累计值达到规定的维修时间时，自动报告中央控制室，及时提醒进行设备检修； 当一组设备中的某台设备出现故障不能继续运转时，自动切换到备用设备；同时，对于临 时停电的情况，当恢复供电后，系统自动执行顺序启动程序，可保证设备投运顺利，避免 启动失败对设备的损害。通过这些检测、报警和处理方式，使冷站对机电设备突发故障具 备有效的预防手段，以确保设备和财产安全。 ( e ) 系统易于将来扩展 自控系统具备灵活的升级空间，为此后的系统扩充打下良好的扩展基础。在性能提升 和扩展上，一方面系统支持控制器性能的升级，另一方面，系统后添加的控制器，可以方 便、灵活的进行系统性能的横向扩展。在开放体系基础上，有可升级的空间，能够满足当 时和后来几年内自控系统的需求。 ( f ) 监控工作站应提供良好的人机界面 监控工作站以动态图形界面给出冷站内的冷冻水系统、冷却水系统、蓄冰设备、冷机 7 西安理工大学工程硕士学位论文 等系统的工艺流程，并在图形界面上实现显示监测点( 压力、温度、湿度、流量、电压、 电流等) 的数值；显示设各的运行状态( 泵的启停状态、调节阀、风阀的开度) ，并在图 形界面上提供设备的启停控制按钮，用于管理人员对监控设备的启停控制。 ( g ) 系统支持登录控制、时间控制及数据记录 系统应具备登录控制功能，对不同级别的操作人员给予不同的操作权限和口令。 系统应具备时间和控制功能，可按预置的时间表自动对系统进行启停控制。 系统应具备数据记录功能，可在指定时间内收集、记录监测值，从而可以方便的制作 分析报表和统计记录。 ( h ) 系统的备份、恢复和维护性能 自控系统在交付给用户后，其维护工作就开始了。如何让用户能够稳定可靠的使用这 个系统，是系统集成商的责任。在工程中，应切实的为用户做好硬件和软件的备份工作， 并在万一系统崩溃的状态下，也能在最短的时间里让用户能够自己恢复系统的运行。 该蓄能采用中央计算机控制系统，现场控制系统采用工业级的西门子s 7 2 0 0 可编程控 制器( p l c ) 作为控制核心，上位计算机采研华工控机与打印机，监控软件采用目前国内 比较流行的组态软件一组态王对系统的蓄冷过程进行现场操作、监测。 2 3 2 控制系统的产品选择 本文是针对陕西省政府利用冰蓄冷中央空调系统的自动运行和监测要求而设计的。自 动控制设备及相应的传感器、电动阀等都是蓄能中央空调系统中非常重要的部分，设备的 好坏直接影响到整个系统的可靠、经济运行，通过分析用户的需求，在综合考虑了产品性 能和经济性能后，选择了可编程控制器( p l c ) 作为控制核心。 可编程控制器( 以下简称p l c ) 从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃； 其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体 设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。今天的p l c 在处 理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为控制领域的主流 控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。其具有以下特点： ( a ) 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技术，采用 严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚 至数千分之一，故障也就大大降低。此外，p l c 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时 可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使 系统中除p l c 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。 ( b ) 配套齐全，功能完善，适用性强 p l c 发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的控制场合。 除了逻辑处理功能以外，p l c 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 8 2 冰蓄冷空调控制系统的平台选择 多种多样的功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位置控制、温度控制、c n c 等各种控制中。 加上p l c 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容 易。 ( c ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计 算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。 ( d ) 系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及 建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程 序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。 用户特别强调高可靠性，在满足使用需要的前提下的经济性。通过上述p l c 的特点描 述可以看出p l c 的可靠性在控制领域是无与伦比的；同时p l c 发展到今天，已不再是取代传 统的继电器电路，而可用于各种数字控制领域，人机界面也取得了长足的进步，因此从本 工程的角度，p l c 可以完全取代d d c 完成楼宇控制的目标，甚至某些环节还具有优越性。比 如：p l c 强大的编程能力( 多种定时器等) 使得累计运行时间很容易实现、自整定p i d 模块 使p 、i 、d 的参数更容易获得，这些优点都是目前楼宇自控产品所不能及的；另外值得注 意的是，由于p l c 在工控领域的广泛使用，销量远大于楼宇控制产品的d d c ，p l c 已经在价 格上占据了优势。 综上所述，本工程采用中央计算机控制系统，现场控制系统采用工业级的西门子 s 7 2 0 0 可编程控制器( p l c ) 作为控制核心，上位计算机采研华工控机与打印机，监控软 件采用目前国内比较流行的组态软件组态王对系统的蓄冷过程进行现场操作、监测。 ( 1 ) 现场控制器 现场控制器现场控制系统采用工业级的西门子$ 7 - 2 0 0 可编程控制器( p l c ) 作为控制 核心，s 7 2 0 0 可编程控制器做为目前市场上主流的p l c 产品，广泛应用于各行各业、各种 场合中的检测、监测及控制的自动化，其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。该系列产品具有以下特点n 2 l ： ( a ) p l c 的核, c , c p u 已经升级到了i n t e l8 0 4 8 6 ，甚至有些已采用了p e n t i u m 处理器。 ( b ) 采用模块化紧凑设计，可按积木式结构进行系统配置，功能扩展非常灵活方便。 ( c ) 己极快的速度处理自动化控制任务，扫描速度已经达n o 2 2l as 指令。 ( d ) 有很强的网络功能，能够使用多个c p u ，按照工艺流程连接成工业网络，构成完 整的工业生产控制系统。即可实现总线联网也可实现实现点对点通讯。 ( e ) 在软件方面，允许在w i n d o w s 操作平台下，使用相关的程序软件包，和工业通 讯网络软件，可使用c + + 等高级语言。编程工具更为开放。 0 $ 7 - 2 0 0c p u 模块 9 西安理工大学工程硕士学位论文 s 7 2 0 0 的c p u 模块将1 个微处理器，1 个集成电源和数字量i 0 点集成在一个紧凑的封装 中，形成了一个功能强大的微型p l c 。如表2 掣1 3 】所示为$ 7 - 2 0 0 的技术指标。 表2 2s 7 2 0 0 技术指标 5 四u2 2 1c p u 2 2 2 c p u 2 2 4 c p u 2 2 4 x p ；c p u 2 2 6 外形尺寸( r a m ) 9 0 x8 0 x 6 29 0 x 8 0 x6 21 2 0 5 x 8 0 x6 21 4 0 x8 0 x6 21 9 0 x8 0 x 6 2 程序存储器： 4 0 9 6 字节4 0 9 6 字节8 1 9 2 字节1 2 2 8 8 字节1 6 3 8 4 字节 可在运行模式下编辑 4 0 9 6 字节4 0 9 6 字节1 2 2 8 8 字节1 6 3 8 4 字节 2 4 5 7 6 字节 不可在运行模式下编辑 数据存储区2 0 4 8 字节2 0 4 8 字节8 1 9 2 字节1 0 2 4 0 字节1 0 2 4 0 字节 ”一 掉电保持时问5 0 d , 时5 0 d , 时1 0 0 d x 时 1 0 0 小时 1 0 0 d x 时 本机i o数字量 6 入4 出 8 入6 出1 4 入1 0 出1 4 入1 1 0 出 2 4 入1 6 出 模拟量2 入l 出 扩展模块数量0 个模块2 - 5 模块 ：7 个模块7 个模块7 个模块 ；高速计数器 ； 4 路3 0 k h z i 单相 4 路3 0 k h z4 路3 0 k h z ；6 路3 0 k h z 2 路2 0 0 k h z6 路3 0 k h z ：双相2 路2 0 k h z2 咯2 0 k h z l 4 路2 0 k h z3 路2 0 k h z4 路2 0 k i - i z l 路l o o k h z ：脉冲输出( d c ) 2 路2 0 k h z2 路2 0 k h z；2 路2 0 k h z2 路l o o k h z2 路2 0 k h z 一 模拟电位器 11；2 22 ：实时时钟 配时钟卡配时钟卡j 内置内置内置 ：通讯口1r s4 8 5 1r s 4 8 5 1r s 4 8 52r s4 8 5 2r s4 8 5 二，- * 浮点数运算 有 ；i o 映象区 2 5 6 ( 1 2 8 入1 2 8 出) ；布尔指令执行速度 0 2 2 1 - t s 指令 s 7 2 0 0 扩展模块 s 7 2 0 0 扩展模块用于扩展s 7 2 0 0 的i o 点，各扩展模块的技术指标如表2 3 【1 3 】所示。 表2 3s 7 2 0 0 扩展模块技术指标 t a b l e2 3t e c h n i c a li n d e xo fe x t e n dm o d u l ei ns 7 2 0 0 一争庭筷夹美五 一”一+ ”_ 一”l 数字量模块 模拟量模块 输入 输出 混合 输入 输出 混合 智能模块 8 x d c 输入 4 x d c 输出 8 x d c 输出 4 x d c 输入4 x d c 输出 4 x d c 输入4 x 继电器输出 4 输入 2 输出 4 输) k 1 输出 一一一一 8 x a c 输入 4 x 继电器输出 8 x a c 输出 8 x - d c 输入s x d c 输出 8 x d c 输入8 x 继电器输出 1 6 x d c 输入 8 x 继电器输出 1 6 x d c 输入n 6 x d c 输出 1 6 x d c 输, h d l 6 x 继电器输出 4 热电偶输入2 热电阻输入 定位调制解调器p r o f i b u sd p 以太网互联网 其它模块 ：a s i 1 0 ，。一一，- 一一一一一i ， ； ，一，。一+ ， ，- 一- 一一一一w 一，一一一，j 2 冰蓄冷空调控制系统的平台选择 s t e p 7m i c r 0 w i n 控制系统软件 s 7 2 0 0 的专用软件s t e p 7 一m i c r o w i n 用于控制系统的软件开发、功能模块设计 和程序设计，在w i n d o w s 平台上运行的s i m a t i cs 7 - 2 0 0 软件简单、易学能够解决复杂 的自动化任务。特别是具有多回路的p i d 调节功能通过该调节功能可达到系统所达到的 控制精度。该软件具有以下功能： x 二进制的运行 ( 1 6 位、3 2 位数值的运算 k 支持三角函数、对数及指数的运算 可以用组态向导来进行p i d 功能调用、c p u 间的通讯功能 3 1 时，根据冷却塔温度判断的台数应为l ；同 理可以得出第二条语句是当温度( 2 7 c 时，根据冷却塔温度判断的台数应为0 ；第三条语 句是如果系统需求的开启台数为0 ，并且基载冷机启停需求的台数也为o ，那么根据冷却 塔温度判断的台数应为0 。 冷却塔系统需求台数 西安理工大学工程硕士学位论文 统需。 统需” ( b ) 图4 6 冷却塔系统需求台数 f i g u r e4 6t h er e q u i r e m e n tq u a n t i t yo fc o o l i n gt o w e r 图4 6 ( a ) 中a d d _ i 表示加整数指令：将两个1 6 位整数相加或相减，并产生一个1 6 位的结果( o u t ) 。在本行语句中第一个指令烈1 为系统需求开启台数，i n 2 为图4 5 中 冷却塔温度判断台数，两者相加从o u t 中输出冷却塔需求过度计算；再根据第二个加整 数指令将机载冷机启停需求台数加冷却塔需求过度计算，由o u t 输出冷却塔系统系统需 求开启台数。 图4 6 ( a ) 的目的是如果( a ) 中计算出的冷却塔系统需求台数大于4 台，应将4 赋 予冷却塔系统需求台数。( 因为冷却塔只有4 台) 冷却塔累计运行时间 4 冰蓄冷空调控制系统模块设计 i q t y x z t l _ 卜一p c l o c k _ g o s批i - 1 卜一 i q t y x z t 1 ( a ) 1 c a l i t i m e i e ne n o l 冷却塔开机时间1 i no u t i q b y x z t lo o c k _ 6 0 s - 卜一卜一 p ( b ) d i vd i l i e ne n o 冷却泵累计时间1 -i n l0 u t冷却泵时间转换” + 1 0 0 0 i n 2 ( c ) d l ia d di e ne n 2s ne n o 冷却塔时问转换- 一i n o u t一冷却塔时间转换”冷却塔时间转换”i n i o u t 冷却塔累计秒数1 -i n 2 冷却塔景计秒数1 图4 7 ：冷却塔累计时间 f i g u r e4 7t h ec o o l i n gt o w e r sa c c u m u l a t i v et i m e i b g n i _ i t i m e - 1 5 ne n o 卜刊表示开始间隔时间指令：读取内置1 毫秒计数器的当前值， l 刖冷却塔开机时问1 并将该值存储于o u t 。双字毫秒值的最大计时最大间隔为2 的 3 2 次方，即4 9 7 日。 3 5 西安理工大学工程硕士学位论文 表示正向、负向转换指令：其中p 表示在一次扫描中每次执行”关闭至打开” 一pf - 转换时触点接通。 c a li t i m e e n e n o 冷却塔开机时间1 -i n o u t 始计算自转换开始时至目前的累计时间。 d i vd l l e ne n 0 l 冷却塔累计时间1 -i n lo u t- 冷却塔时间转换” + 1 f i -i n 2 d | - i e ne n 0 冷却泵时间转换。-l n 口u t冷却泵时间转换” 表示计算间隔时间指令：计算当前时间与i n 所提供时间的时差，将该时差存储于o u t ， 即运行状态的持续时间。因此( a ) 和( b ) 语句 可以解释为1 # 冷却塔停运至运行转换时开 表示双整数除法指令，由于冷却塔累 计时间1 的单位为毫秒，因此除以1 0 0 0 ， 将单位换算为秒。 表示双整数至整数指令将双字值( i n ) 转换成整 数值，并将结果置入o u t 指定的变量中。即将 双字除法指令的结果转换为整数。 因此( c ) 和( d ) 语句可以解释为将当前的冷却塔累计毫秒数转换为秒数，然后加上前一 个周期的累计秒数作为当前这个周期的冷却塔累计描述。 ( e ) 中使用的加法指令，目的是累计秒数大于3 6 0 0 秒时，将其转换成小时数即a d d _ i 的输出作为l # 冷却塔的累计运行时间；减法指令目的是把不足l 小时的秒数保存下来继 续累计。 在本程序中使用了c l o c k _ 6 0 秒的指令，该位提供时钟脉冲，该脉冲在1 分钟的周期 时间内o f f ( 关闭) 3 0 秒，o n ( 打开) 3 0 秒。该位提供便于使用的延迟或1 分钟时钟脉 冲，结合正向、负向转换指令，使得每6 0 秒刷新一次冷却塔开机时间。同样( c ) 和( d ) 语 句则是是当累计秒数达到6 0 秒时，重新累计。 图4 7 为磷冷却塔累计运行时间的计算程序，批铂 冷却塔、与1 静冷却塔的计算方法 完全相同，这里不在详细描述。 最小运行时间及最大运行时问冷却塔的计算 有了累计运行时间，计算最小运行时间和最大运行时间的冷却塔就变得很容易，这里 就不在列出程序清单。 冷却塔开关机 图4 8 表示了开机的程序，同时也表示了如果有故障转入备用塔开关程序。 程序表示若冷却塔系统需求的台数大于实际开启台数，则需要开启最少运行时间的冷 却塔。若最少运行时间是1 撑冷却塔则开启1 舞，同理开启笏或错、错冷却塔。 图中仅表示了需求台数为1 的情况，2 4 台的情况与1 台基本相同，只需判断除已运 3 6 4 冰蓄冷空调控制系统模块设计 行的外，哪台是最少运行时间即可。 冷却塔系统需求”冷却塔系统需求”最少运行时间冷。i q t s z d l冷却塔故障1开冷却塔延时3 赣l q l q i i 翻 一| = 爿 + 1 图4 8 冷却塔开机程序 f i g u r e4 8t h e s t a r tp r o g r a mo