中央空调新风控制系统.doc

第1章 系统原理简介 1.1空调系统原理简介 空调系统主要是调节室内空气的冷、热、干、湿，并起净化空气的作用，使人们工作、生活在比较舒适的环境中。空调系统主要由三部分组成：空气调节系统、制冷系统、供热系统。1.2 PLC控制原理简介 空调监控系统主要利用PLC的控制功能，通过执行装载在PLC内部的预先设定的控制程序并执行上位机实时的命令语句，调节空调系统中的阀门开度、控制水泵启停、监控并采集空调系统中温度传感器、湿度传感器、压力传感器、水流开关等现场仪器仪表的数据，转换为可用的数据格式传送回PLC。PLC接受到数据后将数据实时的显示出来。本次设计采用S7-200可编程控制器进行控制。第2章 中央空调系统简介 2.1 中央空调概述空调是空气调节的简称，是使室内空气温度、湿、清洁度和气流速度保持在一定范围内的一项环境工程技术，它满足生活舒适和生产工艺两大类的要求。 中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管接多个末端的方式来控制不同的房间以达到室内空气调节目的的空调。采用风管送风方式，用一台主机即可控制多个不同房间并且可引入新风，有效改善室内空气的质量，预防空调病的发生。家用中央空调的最突出特点是产生舒适的居住环境，其次从审美观点和最佳空间利用上考虑，使用家用中央空调使室内装饰更灵活，更容易实现各种装饰效果，即使您不喜欢原来的装饰，重新装修，原来的中央空调系统稍微改变即可与新的装修和谐一致。因此称家用中央空调为一步到位、永不落后的选择。家用中央空调是指由一个室外机产生冷（热）源进而向各个房间供冷（热）的空调，它是属于小型商用空调的一种。家用中央空调分为风系统和水系统两种。风系统由室外机、室内主机、送风管道以及各个房间的风口和调节阀等组成；水系统由室外机、水管道、循环水泵及各个室内的末端（风机盘管、明装等）组成。2.2 中央空调系统构成一、中央空调系统的构成图2-1 中央空调系统构成1.冷冻机组 这是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。 2冷却水塔用于为冷冻机组提供“冷却水”； 3“外部热交换”系统由两个循环水系统组成； （1）冷冻水循环系统 由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各房间内进行热交换。 从冷冻机组流出、进入房间的冷冻水简称为“出水”：流经所有的房间后回到冷冻机组的冷冻水简称为“回水”。 （2）冷却水循环系统 由冷冻泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔与大气进行热交换，然后在将降了温的冷却水，送回到冷却机组。如此不断循环，带走了冷冻机组释放的热量。 流进冷冻机组的冷却水简称为“进水”；从冷冻机组流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。二、中央空调工作原理（1）空调制冷：中央空调制冷时，空调系统内置一种吸热介质-制冷剂（冷媒），制冷剂通过膨胀阀节流后经室内机（蒸发器）内部蒸发气化，室内机风扇将冷风吹向室内，吸收室内空气中的热能，制冷剂通过管道回到压缩机吸气端，通过压缩机的压缩，提高了冷媒的温度，在通过室外机（冷凝器）使制冷剂从汽化状态转换为液化状态，在转换过程中，释放出大量的热量，通过室外机风扇将热量排出，通过周而复始的循环，达到制冷的目的。（2）空调制热：中央空调制热时，系统通过电动四通阀的转换，将经过压缩机压缩的高温高压液体直接进入室内机冷凝器（室内机由制冷转为制热，功能由蒸发器转为冷 凝器）、释放出大量的热量由风扇排放到室内，吸收室内的冷空气；系统制冷剂经膨胀阀节流后通过室外机蒸发器由液体转换为气体，将在室内机吸收的冷空气经室外机蒸发器和风扇将冷空气排到室外，制冷剂通过管道回到压缩机吸气端。通过周而复始的循环，达到制热的目的。 三、循环水系统的控制中央空调系统的外部热交换两个循环系统来完成。循环水系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回水与进水（出）水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了进行热交换的速度，是比较合理的控制方法。 （1）冷冻水循环系统的控制 由于冷冻水的回水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵的变频调速系统，可以简单地根据回水温度进行如下控制：回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度；反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，以节约能源。简言之，对于冷冻水循环系统，控制依据是回水温度，即通过变频调速，实现水的恒温度控制。 （2）冷却水循环系统的控制 由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据来实现进水和回水的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。 第3章 新风机组控制系统 3.1 新风机组简介新风机组是提供新鲜空气的一种空气调节设备。功能上按使用环境的要求可以达到恒温恒湿或者单纯提供新鲜空气。其工作原理是在室外抽取新鲜的空气经过除尘、除湿（或加湿）、降温（或升温）等处理后通过风机送到室内，在进入室内空间时替换室内原有的空气。其典型系统如图3-1所示。图3-1 带新风机组的空调系统3.2 新风机组工作原理1- 进风段 2- 初效过滤段 3- 中效过滤段 4- 加热段5- 加湿段 6- 表冷段 7- 送风机段图3-1 一般空调系统的新风机组组合方式新风机组温度控制系统是由比例积分温度控制器、安装在送风管内的温度传感器和电动调节阀组成。控制器的作用是把置于送风风道的温度传感器所检测到的送风温度传送至温控器与控制器设定的温度进行比较，并根据PI运算的结果，温控器给电动调节阀一个开/关阀的信号，从而使送风温度保持在所需要的范围。电动调节阀与风机连锁，以保证切断风机电源时风阀亦同时关闭。电动调节阀亦可实现与风机的联动，当风机切断电源时关闭电动调节阀。 当过滤网堵塞时或当其超过规定值时，压差开关给出开关信号。 在需要制冷时，温控器置于制冷模式，当传感器测量的温度达到或低于设定温度时，温控器给电动阀一个关阀信号，电动阀的关阀接点接通阀门关闭。如果测量温度没达到设定温度，温控器给电动阀一个开阀信号，电动阀开阀接点接通阀门打开。在需要制热时，温控器置于制热模式，当传感器测量的温度达到或高于设定温度时，温控器给电动阀一个关阀信号，电动阀的关阀接点接通阀门关闭。如果测量温度没达到设定温度，温控器给电动阀一个开阀信号，电动阀开阀接点接通阀门打开。 当盘管温度过低时，低温防冻开关给出开关信号，风机停止运行，防止盘管冻裂。 新风机组原理和中央空调相比不算复杂，新风机组分为单向流、双向流新风机和全热交换新风机，前两种新风机组原理更为简单，而全热交换新风机有节能温度控制系统，工作原理复杂一点，使用效果也是最好的，当然，价格也是最贵的。 3.3 新风机组的控制新风机组系统主要由新风阀门驱动器、风管式温/湿度传感器、过滤网压 差报警开关、防冻报警开关、电动调节阀、恒速风机、配电装置和新风机组控制等硬件组成 ，该系统包括新风、送风。1. 送风温度控制 送风温度控制即是指定出风温度控制，其适用条件通常是该新风机组是以满足室内卫生要求而不是负担室内负荷来使用的。因此，在整个控制时间内，其送风温度以保持恒定值为原则。由于冬、夏季对室内要求不同，因此冬、夏季送风温度应有不同的要求。也即是说，新风机组定送风温度控制时，全年有两个控制值冬季控制值和夏季控制值，因此必须考虑控制器冬、夏工况的转换问题。 送风温度控制时，通常是夏季控制冷盘管水量，冬季控制热盘管水量或蒸汽盘管的蒸汽流量。为了管理方便，温度传感器一般设于该机组所在机房内的送风管上。 2. 室内温度控制 对于一些直流式系统，新风不仅能使环境满足卫生标准，而且还可承担全部室内负荷。由于室内负荷是变化的，这时采用控制送风温度的方式必然不能满足室内要求（有可能过热或过冷）。因此必须对使用地点的温度进行控制。由此可知，这时必须把温感器设于被控房间的典型区域。由于直流系统通常设有排风系统，温感器设于排风管道并考虑一定的修正也是一种可行的办法。 除直流式系统外，新风机组通常是与风机盘管一起使用的。在一些工程中，由于考虑种种原因（如风机盘管的除湿能力限制等），新风机组在设计时承担了部分室内负荷，这种做法对于设计状态时，新风机组按送风温度控制是不存在问题的。但当室外气候变化而使得室内达到热平衡时（如过渡季的某些时间），如果继续控制送风温度，必然造成房间过冷（供冷水工况时）或过热（供热水工况时），这时应采用室内温度控制。因此，这种情况下，从全年运行而言，应采用送风温度与室内温度的联合控制方式。 3. 相对湿度控制 新风机组相对湿度控制的主要一点是选择湿度传感器的设置位置或者控制参数，这与其加湿源和控制方式有关。 （1） 蒸汽加湿 对于要求比较高的场所，应根据被控湿度的要求，自动调整蒸汽加湿量。这一方式要求蒸汽加湿器用间应采用调节式阀门（直线特性），调节器应采用PI型控制器。由于这种方式的稳定性较好，湿度传感器可设于机房内送风管道上。 对于一般要求的高层民用建筑物而言，也可以采用位式控制方式。这样可采用位式加湿器（配快开型阀门）和位式调节器，对于降低投资是有利的。 采用双位控制时，由于位式加湿器只有全开全关的功能，湿度传感器如果还是设在送风管上，一旦加湿器全开，传感器立即就会检测出湿度高于设定值而要求关阀（因为通常选择的加湿器的最大加湿量必然高于设计要求值）；而一旦关闭，又会使传感器立即检测出湿度低于设定值而要求打开加湿器，这样必然造成加湿器阀的振荡运行，动作频繁，使用寿命缩短。显然，这种现象是由于从加湿器至出风管的范围内湿容量过小造成的。因此，蒸汽加湿器采用位式控制时，湿度传感器应设于典型房间（区域）或相对湿度变化较为平缓的位置，以增大湿容量，防止加湿器阀开关动作过于频繁而损坏。 （2） 高压喷雾、超声波加湿及电加湿 这三种都属于位式加湿方式。因此，其控制手段和传感器的设置情况应与采用位式方式控制蒸汽加湿的情况相类似。即：控制器采用位式，控制加湿器启停（或开关），湿度传感器应设于典型房间区域。 （3） 循环水喷水加湿 循环水喷水加湿与高压喷雾加湿在处理过程上是有所区别的。理论上前者属于等培加湿而后者属于无露点加湿。如果采用位式控制器控制喷水泵起停时，则设置原则与高压喷雾情况相似。但在一些工程中，喷水泵本身并不做控制而只是与空调机组联锁起停，为了控制加湿量，此时应在加湿器前设置预热盘管达到控制相对湿度的目的。 （4） 防冻及联锁 在冬季室外设计气温低于0的地区，应考虑盘管的防冻问题。除空调系统设计中本身应采用的预防措施外，从机组电气及控制方面，也应采用一定的手段。 1）限制热盘管电动阀的最小开度 在盘管选择符合一定要求的情况下，才能限制热盘管电动阀的最小开度。尤其是对两管制系统中的冷、热两用盘管更是如此，最小开度设置后应能保证盘管内水不结冰的最小水量Wmin； 2） 设置防冻温度控制 这是防止运行过程中盘管冻裂的又一措施。通常可在热水盘管出水口（或盘管回水连箱上）设一温度传感器（控制器），测量回水温度。当其所测值低到5左右时，防冻控制器动作，停止空调机组运行，同时开大热水阀。 3） 联锁新风阀 为防止冷风过量的渗透引起盘管冻裂，应在停止机组运行时，联锁关闭新风阀。当机组起动时，则打开新风阀（通常先打开风阀、后开风机、防止风阀压差过大无法开启）。无论新风阀是开启还是关闭，前述防冻控制器始终都正常工作。 除风阀外，电动水阀、加湿器和喷水泵等与风机都应进行电气联锁。在冬季运行时，热水阀应优先于所有机组内的设备的起动而开启。 第4章 中央空调新风控制系统设计 4.1 中央空调控制技术 PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。 中央空调控制系统是由变频器、温度传感器、压力传感器、露点温度传感器、烟雾侦测器、室内静压传感器、滤网压差开关、风机压差开关、外气温湿度传感器、可编程控制器（PLC）以及人机界面等几部分组成。它根据空调系统需要控制部位的参数（如冷却水温度等），由 PLC 来控制调整冷却水电机、冷冻水电机等机组动力单元的运行状态，在精确进行温度控制的同时，大幅度的节约了电能。自动控制理论通过传递函数的数学描述，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法求解不同生产过程的PID经典控制理论，发展到目前更高级的智能控制。现代自动控制技术使空调控制技术由最初的手动调节发展到单环节的自动调节，再到各环节的联合控制，从而形成完整的中央空调的自动控制系统。 4.2 系统配置选型及组成根据设定的参数，并考虑经验运行数据，PLC应用反馈数据 (如室内温度等)进行PID调节，以保证运行参数满足系统要求，完成对新风机组的控制及监控。选型S7-200:CPU224;数字模块EM221、EM222;模拟模块EM231、EM232。风机：设备容量为45KW,可选择星三角启动，额定电流Ie=P/Ucos=80A,按照要求选择电流I=1.3Ie=104.5A,选择断路器NS160/3300-125A；刀开关的额定电流应该为电动机的额定电流的35倍,选择刀开关的型号为：HR5-400A；交流接触器的额定电流比电动机额定电流稍大即可，选择交流接触器型号为：西门子系列3TF5022-0XQ0 110A；采用EE65风速变送器来测进风与回风，其工作电压为24VAC/DC，输出为0-10V或4-20mA；当室外温度降低时，需要检查设备是否结冰，避免空调处于不工作的状态，需要用到防霜冻传感器，采用西门子公司的防霜冻传感器QFA81.3，该传感器的设定范围为-5+15，安装于风机的前侧。对于风道的温度检测采用温度传感器1762G01：G, G0 工作电压 AC 24V (SELV) 或DC 13.5-35VU1 信号输出 DC 0-10V 为测量范围50-+50C (出厂设置) 对于房间内温湿度检测采用温湿度传感器QFM2160：G, G0 工作电压 AC 24V (SELV) 或 DC 13.5-35VG1,G2 工作电压DC13.5-35VU1 信号输出 DC 0-9.5V 为相对湿度 0-95%U2 信号输出DC 0-10V 为温度范围 0-50C 或 35-+35CI1 信号输出4-20mA 为相对湿度0-100%I2 信号输出 DC 0-10V 为温度 0-50C 或者 35-+35C该控制系统设计图为图4-1图4-1 新风机组控制系统设计图由设计要求可得出：DDC监控表如表一所示：DI（数字量输入）风机启动、风机停止、差压开关检测信号（2个）、风机过载、风机运行状态、防冻开关信号、紧急停止DO（数字量输出）风机运行、风机星启动、风机三角运行、报警AI（模拟量输入）新风、回风、送风温度信号；新风、回风、混合风、送风湿度信号；新风阀、回风阀、送风阀控制反馈信号；进水、回水温度信号；冷热水调节阀控制反馈信号（2个）AO（模拟量输出）新风、排风、混风阀开度；送风机、回风机频率；加湿阀开度；冷热水调节阀开度（2个）4.3 中央空调控制系统的内容 (1)当启动风机时，PLC发出控制指令。首先开启回风门和新风门到设定位置，然后启动送风机，同时通过控制变频器，从而调节风机的转速。 (2)露点温度与系统设定值相比较后,用PID方式调节冷水电动阀,控制冷水流量, 使送风温度达到设定值。 (3)送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值