空调智能控制 大学毕业论文.doc

山东科技大学学士学位论文 I 摘摘 要要 随着我国经济的不断发展 社会高度信息化 新的高科技技术不断 应用到建筑中 使得建筑的智能化已成为一种发展的必然趋势 众所周知 智能建筑主要由建筑设备自动化系统 BAS 通信自动化系统 CAS 和办公 自动化系统 OAS 三大系统组成 智能建筑也往往是从建筑设备自动化系 统开始 本文主要阐述 智能建筑中的中央空调 冷冻站 系统的 PLC 控制 设计 通常大型建筑都有两套 或两套以上 中央空调系统 由三台冷却水泵 三台冷冻水泵 两台冷却塔风机 两台冷水机组等主要设备组成两套制冷 系统 其中冷水机组是由设备生产厂成套供应的 它一般是根据空气调节 原理及规律等由微处理器自动控制的 冷水机组由压缩机 冷凝器与蒸发 器组成 压缩机把制冷剂压缩 压缩后的制冷机进入冷凝器 被冷却水冷 却后 变成液体 析出的热量由冷却水带走 并在冷却塔里排入大气 液 体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量 使冷冻水降温 然后冷冻水 进入冷风机盘管吸收空气中的热量 本文主要是通过用 plc 对中央空调中变频器的控制来调节中央空调的 各参数以达到所需要求 通过上位机系统 中央管理工作站 下位机系 统 区域工作站 共同对中央空调系统进行控制 上位机主要有 PC 机和 激光打印机以及由 MCGS 构成的人机交互界面组成 下位机主要有 TP21 触 摸屏和 FX 1S 14MR 可编程序控制器组成 关键词关键词 空调系统 可编程控制器 PLC 空调机组自动控制 山东科技大学学士学位论文 II ABSTRACT With the constant development of China s economy a high degree of information based society the new high tech technology applied to the building making the intelligent building has become a development trend As we all know intelligent building construction equipment from the major automation systems BAS communications automation system CAS and office automation systems OAS three system Intelligent Building tend to be from the beginning of construction equipment automation system This article described the intelligent building in the central air conditioning Freezing Point PLC control system design Usually have two sets of large scale construction or two or more central air conditioning system cooling water pump from the Big Three three chilled water pumps two cooling tower fan two chiller comprising two sets of major equipment such as refrigeration system cold water Units from complete sets of equipment manufacturing plant supply It is based on general principles and laws of the air conditioning such as automatic control from the microprocessor Chiller from the compressor condenser and evaporator components Compression of the refrigerant compressors compressed into the refrigerator condenser cooling water cooling a liquid precipitation heat away from the cooling water and cooling Tarja discharged into the atmosphere Liquid refrigerant from the condenser into the evaporator evaporation absorb heat chilled water cooling and chilled water fan coil absorbed into the cold air in the heat This paper is mainly used by the central air conditioning plc in the frequency 山东科技大学学士学位论文 III converter to regulate the control of central air conditioning in all parameters to achieve the necessary requirements through the host computer system central management workstations the under machine system Regional workstations the common central air conditioning system Control the PC main PC and laser printers as well as by the MCGS a component of human computer interface the crew mainly TP21 touch screen and FX 1S 14MR PLC components Keywords air condition PLC central air conditioning 山东科技大学学士学位论文 IV 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 1 绪绪 论论 1 1 1 空调系统研究背景 1 1 2 本课题的来源与目的 2 1 3 国内外研究现状 3 1 4 选题的意义和课题的主要内容 4 2 空调控制系统的原理构成及运行中存在的问题空调控制系统的原理构成及运行中存在的问题 7 2 1 空调系统的原理及构成 7 2 2 中央空调系统的控制功能及要求 9 2 2 1 空气温度调节系统 10 2 2 2 空气湿度调节系统 11 2 2 3 空调控制系统的要求 13 2 3 空调监控系统的构成 14 2 3 1 空调监控系统的基本结构 15 3 空调系统建模空调系统建模 17 3 1 空调系统的设计要求 17 3 2 检测 联锁与信号显示 18 3 3 自动调节与控制 19 3 4 制冷装置的自动保护与控制 21 4 方案方案 24 4 1 可行性分析 24 4 1 1 泵的转速调节 24 4 1 2 冷却塔的控制 24 4 2 具体方案 25 4 2 1 主电路的控制设计 25 山东科技大学学士学位论文 V 4 2 2 功能控制方式 25 4 2 3 空调制冷系统 26 5 控制系统工作原理控制系统工作原理 29 5 1 控制系统流程如下 29 5 1 1 工艺要求 29 5 1 2 控制实现 30 6 控制系统结构控制系统结构 39 6 1 下位机系统 区域工作站 39 6 2 上位机系统 中央管理工作站 40 6 4 系统扩展控制 43 6 5 控制方案 44 6 6 人机界面 46 7 结结 论论 47 参参 考考 文文 献献 48 致致 谢谢 49 附录附录 中英文对照中英文对照 50 山东科技大学学士学位论文 1 1 绪绪 论论 1 1 空调系统研究背景空调系统研究背景 随着人们生活水平的不断提高 智能建筑得到了迅猛发展 并己成为 21 世纪建筑业的发展主流 所谓智能建筑 就是给传统建筑加上 灵敏 的神经系统和 聪明 的头脑 以提高人们生产 生活环境 给人们带来 多元化信息和安全 舒适 便利的生活条件 而空调系统是智能建筑中楼 宇自动化的一个非常重要的组成部分 在各个行业 各个部门中得到了广 泛的应用 一方面 在空调系统中 通过对空气的净化和处理 使其温度 湿度 流动速度 新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求 以满足 人们的生产 生活需要 另一方面 据统计 空调系统的能耗通常占楼宇 能耗的 60 以上 为使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果 即满 足国际上最新的 能量效率 的要求 因此 研究空调的控制系统具有很 大的经济意义 随着科技的飞速发展 智能控制的应用范围在逐渐拓展 并且引起了 空调控制方案的变革同时 信息技术的飞速发展 引起了自动化系统结构 的变革 逐步形成了以网络自动化系统为基础的控制系统 而现场总线就 是顺应这一形势发展起来的新技术 现场总线中的 Lonworks 总线技术为 智能控制的实施提供了广泛的发展空间 促使智能控制向着分散化 网络 化方向发展 5 并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型 而且具有超调 小 调节迅速 上升时间短和很好的鲁棒性的特点 使得智能控制应用会 越来越广泛 中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一 电能的消 耗非常大 约占建筑物总电能消耗的 50 由于中央空调系统都是按最大 山东科技大学学士学位论文 2 负载并增加一定余量设计 而实际上在一年中 满负载下运行最多只有十 多天 甚至十多个小时 几乎绝大部分时间负载都在 70 以下运行 通常 中央空调系统中主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载 随着变频技术的日益成熟 利用变频器 PLC 数模转换模块 温度 传感器 温度模块等器件的有机结合 构成温差闭环自动控制系统 自动 调节水泵的输出流量 达到节能目的提供了可靠的技术条件 1 2 本课题的来源与目的本课题的来源与目的 本课题的来源是某大型酒店对其中央空调改造要求所设计的 因酒店 是一个比较特殊的场所 对客人的舒适度要求比较高 且酒店大部分空间 都是全封密的 所以无论是冬天还是夏天 无论是节日还是假日 一年 365 天都必须供应冷气 由于中央空调系统设计时必须按天气最热 负荷最大时设计 且留有 10 20 左右的设计余量 其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减 载 冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节 这样 冷冻 水 冷却水系统几乎长期在大流量 小温差的状态下运行 造成了能量的 极大浪费 而且冷冻 冷却水泵采用的均是 Y 起动方式 电机的起动 电流均为其额定电流的 3 4 倍 在如此大的电流冲击下 接触器的使用 寿命大大下降 同时 启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象 容易对机 械器件 轴承 阀门和管道等造成破坏 从而增加维修工作量和备件费用 另外 由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化 其热力 工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度 以及大流量小温差来掩盖 这样 不仅浪费能量 也恶化了系统的运行环境 运行质量 特别是在环 境温度偏低 某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时 将会导致大面 山东科技大学学士学位论文 3 积空调室温偏冷 感觉不适 严重干扰中央空调系统的运行质量 因为空 调偏冷的问题经常接到客人的投诉 处理这些投诉造成不少人力资源的浪 费 而最重要的是对酒店造成负面影响 影响客人入住意欲 造成不少客 源的流失 所以酒店管理层希望通过对中央空调的改造 达到提升经济 效益的目的 故方案是通过变频器 PLC 数模转换模块 温度模块和温 度传感器等构成温差闭环自动控制 根据负载轻重自动调整水泵的运行频 率 同时根据冷却水温度的高低 自动切投冷却塔散热风机 以达到节能 效果 1 3 国内外研究现状国内外研究现状 我国中央空调仍处于起步阶段 目前其销售对象主要集中在城市高收 入消费群体和房地产开发商 由于其生产及安装成本较高 大范围普及尚 需时日 这对争先上马该项目的企业不能不说是个考验 此外 与普通家 用空调相比 中央空调对核心技术 资金要求更高 所以欲真正立足于该 领域并非易事 我国的中央空调生产大的公司主要有海尔 美的以及格力等大的集团 海尔 1996 年开始涉足中央空调领域 这也是国内第一家进军中央空调 领域的企业 不仅在 2004 年奥运会主办地雅典的空调招标会上中标入驻 奥运村 而且在全国的楼市销售中也获得大丰收 北京 广州 大连 上 海等一些楼区均使用海尔商用空调 美的 2002 年开始进军小型中央空调领域 并借商用空调生产基地落 成之势也正大力推广其 MDV 2002 年美的中央空调销售达到 2 7 亿元 格力二三期空调基地 将重点用于中央空调项目 并且在机构设置上已经 将商用空调的营销和研发与家用空调业务分开 并兴建总投资超过 5 亿元 山东科技大学学士学位论文 4 建筑面积近 10 万元平方米 国内规模最大中央空调生产基地 显示出进 军中央空调市场决心 国际上中央空调技术处于领先地位的大公司主要有大金集团 约克空 调 麦克维尔公司 松下 LG 等 大金集团以欧洲 亚洲 中国 日本 美国为中心 积极有力展开全 球化事业 现已在世界各地拥有 92 个子公司及相关公司 上海大金空调 有限公司是集空调机制造 销售和服务为一体的大型合资企业 作为空调 专业制造厂家 大金在不断推出新产品的同时 还推出先进空调管理系统 为空调维护给出全新理念 约克空调是世界最大的暧通空调和冷冻设备专业制造公司之一 具有 一百多年历史 凭著多年丰富经验及不断拓展技术 约克设备在同业和用 户当中获得一致认同 麦克维尔 20 世纪 90 年代以后 麦克维尔开始进入中国 以 1994 年 深圳麦克维尔空调有限公司和 1996 年武汉麦克维尔空调制冷有限公司的 相继建成投产为标志 麦克维尔在中国的发展进入一个全新阶段 LG 电子从 1996 年开始在韩国生产和销售商用空调 从 2002 年起 完全由韩国进口的 LG 商用空调开始进入中国市场 并在中国北方最大的 家电生产基地 LG 电子 天津 电器有限公司组建一整套系统的市 场推广组织 预计到 2003 年末 年生产能力 5 万台商用空调生产线将在 中国北方建成 目前 LG 电子在天津工厂已经成立单独的研发与销售部 门 并把工作重心转移到商用空调领域 1 4 选题的意义和课题的主要内容选题的意义和课题的主要内容 我国是一个人均能源相对贫乏的国家 人均能源占有量不足世界水平 的一半 随着我国经济的快速发展 我国已成为世界第二耗能大国 但能 山东科技大学学士学位论文 5 源使用效率普通偏低 造成电能浪费现象十分严重 尽管我国电网总装机 容量和发电量快速扩容 但仍赶不上用电量增加的速度 供电形势严峻 节能节电已迫在眉睫 中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一 电能的消 耗非常大 约占建筑物总电能消耗的 50 由于中央空调系统都是按最大 负载并增加一定余量设计 而实际上在一年中 满负载下运行最多只有十 多天 甚至十多个小时 几乎绝大部分时间负载都在 70 以下运行 通常 中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载 而与冷 冻主机相匹配的冷冻泵 冷却泵却不能自动调节负载 几乎长期在 100 负载下运行 造成了能量的极大浪费 也恶化了中央空调的运行环境和运 行质量 随着变频技术的日益成熟 利用变频器 PLC 数模转换模块 温度 传感器 温度模块等器件的有机结合 构成温差闭环自动控制系统 自动 调节水泵的输出流量 达到节能目的提供了可靠的技术条件 本课题的任务是 PLC 在中央空调控制系统的应用和上位机监控系统 文章在介绍了空调系统的原理 中央空调是对建筑物内空气进行调节的专 用系统 它通过对风机 阀门 泵等设备的开 关及连续调节来控制室内 温度 湿度 使之满足一定要求 从而提高人体的舒适度 随着人们生活 水平的不断提高 越来越多的大 中型建筑采用中央空调系统 以达到夏 季致冷 冬季取暖的目的 为提高中央空调系统的经济性 可靠性及可维护性 需采用控制产品 对中央空调系统的各个设备进行控制 早期的中央空调控制器多为就地式 专用控制器和 DDC 控制器 它们具有控制功能简单 不易联网及信息集 成度不高等缺点 随着计算机技术 控制技术和网络技术的发展 现在的 中央空调系统都倾向于采用先进 实用 可靠的可编程控制器 PLC 来进 山东科技大学学士学位论文 6 行控制 通过 PLC 在空调系统的推广运用 验证了 PLC 系统的可靠性特点 保证了系统的安全运行和有效节能 同时也为楼宇设备控制系统的控制器 选型提供了新的思路 相信在不久的将来 越来越多的 PLC 系统在空调系 统的运用中日趋成熟 在楼宇设备控制系统中也将会大显身手 可编程器在空调机组自动控制中的应用 说明用可编程控制器完成空调 自控比传统的中间继电器 时间继电器组成的空调自动控制系统有更大的 方便 经济 灵活性 为提高中央空调系统的经济性 可靠性及可维护性 需采用控制产品 对中央空调系统的各个设备进行控制 早期的中央空调控制器多为就地式 专用控制器和 DDC 控制器 它们具有控制功能简单 不易联网及信息集 成度不高等缺点 随着计算机技术 控制技术和网络技术的发展 现在的 中央空调系统都倾向于采用先进 实用 可靠的可编程控制器 PLC 来进 行控制 山东科技大学学士学位论文 7 2 空调控制系统的原理构成及运行中存在的问题空调控制系统的原理构成及运行中存在的问题 2 12 1 空调系统的原理空调系统的原理及构成及构成 要讨论空调控制技术 就必须对控制对象即空调系统有全面 深入的 了解 只有掌握了其原理 特性 要达到的日的及实现手段才能决定采用 何种控制策略 本文在此先对空调系统原理及组成作一介绍 空气调节 24 就是把经过一定处理之后的空气 以一定方式送入室内 将室内空气的温湿度 流动速度和洁净度等控制在一定范围内 影响室内 空气环境参数的变化 主要是由以下两方面造成的 一是外部原因 如太 阳辐射和外界气候条件的变化 另一方面是内部原因 如室内人和设备产生 的热 湿和其它有害物质 当室内空气参数偏离了规定值时 就需要采取 相应的空气调节措施和方法 使其恢复到规定的要求 一般的空调系统包括以下几个部分 1 进风部分 根据生理卫生对空气新鲜度的要求 空调系统必须有一 部分空气取自室外 常称新风 进风口连同引入通道和阻止外来异物的结 构等 组成了进风部分 2 空气过滤部分 由进风部分取入的新风 必须经过一次预过滤 以 除去颗粒较大的尘埃 一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤 装置 根据过滤的效率不同可以分为初效过滤器 中效过滤器和高效过滤 器 3 空气的热湿处理部分 将空气加热 冷却 加湿和减湿等不同的处 理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分 热湿处理设备上要有 两大类型 直接接触式和表面式 山东科技大学学士学位论文 8 直接接触式 与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触 通 常是将其喷淋到被处理的空气中 喷水室 蒸汽加湿器 局部补充加湿装 置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类 表面式 与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触 热湿交换是通 过处理设备的表面进行的 表面式换热器即我们简称的表冷器就属于这一 类 4 空气输送和分配部分 将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房 间内 以保证其合适的温度场和速度场 这是空调系统空气输送和分配部 分的任务 它由风机和不同型式的管道组成 5 冷热源部分 为了保证空调系统具有加热和冷却能力 必须具备冷 源和热源两部分 冷源有自然冷源和人冷源两种 自然冷源指深井水 热 源也有自然和人工两种 自然热源指地热和太阳能 人工热源是指用煤 煤气等作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水 目前应用最为广泛 空气调节的形式很多 按照空气处理设备的设置情况 一般可分为 集 中式空调系统 又称中央空调 半集中式空调系统和全分散式空调系统 其中 集中式空调系统的所有空气处理设备 包括风机 冷却器 加热器 加湿器 过滤器等 都设在一个空调集中的空调机房内 其特点是 经集中 设备处理后的空气 通过风道分送到各空调房间 因而 系统便于集中管 理 维护 此外还具有节能 卫生 噪音小 使用方便等特点 目前已被 广泛采用 在集中式空调系统中 常见的是混风式系统 该系统的特点是 采用一部分回风与新鲜空气相棍合 这样既保证了室内空气新鲜 又利用 了回风的能量 提高了设备运行的经济性 图 2 1 为一典型的集中式空调 系统 山东科技大学学士学位论文 9 图 2 1 典型的集中式空调系统 这种空气处理机组能根据各种场合要求增减其中的部件 构成各种形 式的空气处理设备 在不同的工况中 AHU Air Handling Unit 的部分部 件可能不被使用 如在冬季加热加湿工况下 表冷器是不工作的 而在夏季 减温减湿工况下 加热器和加湿器是不工作的 空调器的进风通过风阀取 室外新风和部分回风混合 经过滤网去除杂质后送入热交换段及加湿段 处理后符合温湿度要求的空气通过风机进入送风管 从而送到空调房间 使空调房间的温湿度达到要求 部分回风与新风混合 对新风预处理 以 节约能源 此外 当室内空气余热 Q 值发生变化而又需要使室内温度保持不变时 可将送风量固定 而改变送风温度 这种空调系统称为定风量 CAV Constant Air Volume 系统 也可将送风温度固定 而改变送风量 这种空 调系统则称为变风量 VAV Variable Air Volume 系统 本论文就是针对定 风量空调系统的温度控制部分进行研究的 2 22 2 中央空调系统的控制功能及要求中央空调系统的控制功能及要求 空调系统控制的主要对象是 空气温度及相对湿度 下面分别从温度和 相对湿度两个方面介绍空气调节系统 山东科技大学学士学位论文 10 2 2 1 空气温度调节系统空气温度调节系统 1 一般空气的温度调节有以下几种方式 26 1 夏季制冷 A 采用喷水室喷冷水冷却空气的温度调节 B 采用水冷式冷却器冷却空气的温度调节 2 冬季加热 A 热水加热器的加热量调节 B 蒸汽加热器的加热量调节 C 电加热器的加热量调节 各种温度控制方式都有其特点 针对不同项目实际情况 要分析后采 用合适的温度控制方案 由于温度控制分为夏季的冷却和冬季的加热两种 情况 其控制方式也会有所不同 下面分别加以介绍 2 夏季制冷控制方案 由于喷水室冷却方式为开环系统会引起回水水质下降且容易漏水 故 目前基本不采用 本次只讨论水冷式表面冷却器的空气温度调节方法 对于空气冷却调节一般有以下几种方式 1 水量的量调节 利用双通阀改变通过冷却器的冷水量来调节 2 水温的质调节 利用三通阀改变冷冻水和回水的混合比调节水温 3 调节通过冷却器的风量来调节最后混合后的送风温度 3 冬季加热控制方案 加热方式选择 加热一般有热水加热 蒸汽加热 电加热三种方式可以选择 三种热 源发生方式及经济性比较如表 2 1 山东科技大学学士学位论文 11 加热方式 热源特性经济性 热水加热由热泵机组提供时滞一长 反应较 慢 控制复杂 价格中 蒸汽加热由当地工业区提供热源温度 流量较 稳定 动态特性中 价格低 电加热通过电加热器提供控制精度高 控制 简单 价格高 表 2 1 空调加热方式比较 从上表可看出 电加热具有控制精度高 控制简单的优点 但其热效 率低 浪费能源 价格高 作为主调节不合适 一般用于恒温室等对动态 特性要求特别高的区域的辅助调节手段 一般对动态特性没有特殊要求的 不考虑采用 由于当地工业区可以提供的蒸汽是一种廉价 稳定的热源 一般将其作为主调节手段 如果控制对象产生的热扰动较大 蒸汽系统调 节阀全开仍不能满足要求 为改善动态特性 将启动热泵机组提供热水作 为辅助调节 另外如果工业区蒸汽管网系统出现故障 也可以将热水加热 作为备用加热方式 2 2 2 空气湿度调节系统空气湿度调节系统 空调系统中的相对湿度调节 可以采用定露点 间接 和不定露点 直接 的控制方法 定露点法是采用使空气经喷水室后或喷水表面冷却器后露 点相对恒定的方法 使空调房间内空气的相对湿度保持在一定范围内 自 动控制点的露点一般是由空调系统设计时确定的 由于定露法不能反映室 内余湿量或相对湿度的变化 存在着室内湿度的偏差 故此种方法一般用 于室内余湿量变化幅度较小的场合 不定露点的直接控制方法 即用在房间内及回风管内安装的相对湿度 传感器 测量和调节系统中相应的执行机构 以达到空调房间内相对湿度 山东科技大学学士学位论文 12 控制的目的 在夏季 由于空气湿度较大 需要降低湿度 而冬季由于空气 干燥 又需要加大湿度 这两种功能可分别由水冷式表面冷却器和蒸汽加 湿来实现 1 水冷式表面冷却器的去湿控制 该去湿方法的原理其实就是冷却 由于相对湿度较大的空气其露点温 度高 空气冷却降温后 水蒸汽结露为水 从而降低空气的湿度 在冬季 空气千燥或夏季高温处于冷却模式时 基本都不需要强制去湿 而当温度 不高 而湿度较大时 则根据室内湿度探测器的信号与设定值比较 根据 其差值 调节冷冻水阀门开度 强制启动制冷模式 调低冷却器出口的空 气温度以满足去湿要求 此时 由于送风温度偏低 为满足室内温度要求 根据温度探测器的信号 可能要启动蒸汽加热功能 以补偿温度的偏差 其中作原理如图 2 2 图 2 2 水冷式表面冷却器的去湿控制 2 喷蒸汽加湿的控制 采用蒸汽加湿空调系统 它是由装于室内的相对湿度传感器 ME 电 动双通调节阀 MV 及相对湿度调节器 MC 组成 它在调节过程中 根据 湿度传感器所测得的室内相对湿度值 由调节器进行比较 放大后发出调 山东科技大学学士学位论文 13 节信号 使电动调节阀动作 改变喷入空气中的蒸汽量 达到调节室内湿 度的目的 示意图如图 2 3 所示 2 2 3 空调控制系统的要求空调控制系统的要求 为达到要求的控制精度而且便于用户使用 中央空调控制系统必须完 成以下主要功能 1 空调区域温 湿度检测与显示 根据空调区域的面积 采用若干个 温 湿度传感器 将其信号取平均值计算 空调区域温 湿度的自动控制 2 新风温 湿度检测与显示 3 送 回风机运行状态 开机 停机 显示 及其启停控制 可通过自动 和手动两种方式 过载故障报警 4 送 回风机与防火阀联锁 发生火灾时防火阀报警并自动关闭送 回风机与风阀 5 过滤器过阻报警 提醒运行人员及时清洗更换过滤器 6 自动调节表冷器或加热器上的三通阀和电动风阀的开度 以调节冷 冻水或蒸汽的流量 中央空调系统对控制系统的要求一般可概括为对控制区域的温湿度 新风量 冷冻水流量的控制等几个方面 其中 空气处理机组是指集中在 空调机房的集中式空气处理设备 包括送 回风机 过滤器 冷却器或加 热器 加湿器等 它是整个中央空调系统的重要组成部分和核心 控制的 目标是将室内的温湿度参数保持在适宜的水平 并且尽量使系统的能耗最 小 山东科技大学学士学位论文 14 图 2 3 喷蒸汽加湿控制 2 3 空调监控系统的构成空调监控系统的构成 本论文讨论采用 Lonworks 现场总线控制系统 Lonworks 现场总线技 术的特点是可靠性高 便于容错 全数字化 通信距离长 多节点 通信 方式灵活 造价低廉 抗干扰能力强 本系统中用分布在现场被控设备处 的多台智能控制器 其核心为神经元芯片 实现对被控设备的实时监控 由 于智能控制器分布在现场 控制功能较为明确 同时任何一台智能控制器 发生故障都不会影响其它设备的正常运行 大大缩小了故障或事故的影响 范围 因此 可靠性大大提高 几种有影响的现场总线技术的比较 4 见表 2 2 山东科技大学学士学位论文 15 表 2 2 几种有影响的现场总线技术的比较 相比表 2 2 中的各种现场总线 Lonworks 网络完全满足了未来发展对 测控网络的要求 目前较流行的现场总线 如 FF Profibus 等 都达不到 这种要求 2 3 1 空调监控系统的基本结构空调监控系统的基本结构 空调监控网络系统 4 的基本结构见图 2 4 所示 图 2 4 监拉系统的基本结构 它可将数据检测 数据处理 系统监控相结合 它主要由 PC 机 现 场智能节点 网络适配器 路由器和通信介质等组成 由现场总线担任过 程现场与安装在控制室中的 PC 机之间的串行数字通信链路 由于现场总 线是基于数字通信的 因此在现场与控制室之间 能实现多变量双向通信 路由器通常只有中继器及不同通信介质间信息转换的功能 传输的距离受 节点中收发器类型的限制 1 网络监视用 PC 机主要实现网络管理方面的各种功能 监视和管 山东科技大学学士学位论文 16 理所连子网及所有现场智能节点 包括温湿度节点 登录节点 监视节点 的运行状态 管理显示屏幕 实现对某些节点的手动操作或控制等 2 网络适配器它是控制网络与 PC 机以及具有数据通信功能的仪器 仪表之间相互连接的接口 网络信息可以通过该网络适配器进 出 PC 机 这样能充分发挥 PC 机的显示和计算能力 使 PC 机成为控制网络的一个 组成部分 通过 PC 机的人机界面 完成收集和监视各个现场节点的信息 实现数据计算 执行控制节点动作等操作 3 现场智能 a 0 点它们是一些带有 Neuron 芯片的 能进行现场数据 开关量 模拟量 采集和处理的 且具有可靠网络通信功能的现场智能装 置 提供有数据测量 数据处理 过程监视和过程控制等功能 可以直接 与工业生产过程 如温湿度传感器 执行器 相连 进行数据采集或输出控 制信息 空调监控系统主要由三级组成 监控级主要设操作员站 必要时也可 加设工程师站 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 工程师站的主要任务则是进行离线管理 如完善系 统运行的组态软件和下载记录相关数据等 从智能建筑系统集成的角度考 虑 管理级是较为重要的一级 其主要任务是将管理部门的决策引入到监 控层的控制决策中去 实现各相关子系统间的协调与信息共享 现场控制 器构成系统的第三级 其主要功能是接收安装于被控设备上的各种传感器 检测器传达的数据 按控制器内部预选设置的参数和预选编制的控制程序 来进行相应的运算 如 PID 延时等 并对各被监控设备进行控制 且随 时根据操作站由网络控制器发出的各种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 山东科技大学学士学位论文 17 3 空调系统建模空调系统建模 3 1 空调系统的设计要求空调系统的设计要求 1 采暖 通风和空气调节系统的自动控制 包括参数检测 参数与动 力设备状态显示 自动调节与控制 工况自动转换 设备联锁与自动保护 以及中央监控与管理等 设计时 应根据建筑物的用途 系统和设备运行 时间 经技术经济比较确定其具体内容 2 符合下列条件之一时 采暖 通风和空气调节系统 应采用自动控 制 一 采用自动控制可合理利用能量实现节能时 二 采用自动控制 方能防止事故 保证系统和设备运行安全可靠时 三 工艺可使用条件对室内温湿度波动范围有一定要求时 3 在满足控制功能和指标的条件下 应尽量简化自动控制系统的控制 环节 4 采用自动控制的采暖 通风和空气调节系统 应做到系统和管道设 计合理 防止运行调节时各并联环路压力失调 其调节机构特性应符合要 求 5 自动控制方式的选择 应根据使用条件及要求 采用电动式 气动 式电动气混合式 6 设置自动控制的采暖 通风和空气调节系统 应具有手动控制的可 能 7 采用自动控制时 宜设控制室 当系统控制环节及仪表较少时 其 控制台屏可直接布置在机房内 山东科技大学学士学位论文 18 8 高层民用建筑和生产厂房的空气调节系统 当其数量较多时 可设 中央和区域两级控制 3 2 检测 联锁与信号显示检测 联锁与信号显示 1 采暖 通风和空气调节系统有代表性的参数 应在便于观察的地点 设置检测仪表 当采用集中控制时 其主要参数应设置遥测仪表 2 对下列部分或全部参数的测量 应根据具体情况设置必要的检测 仪表 一 采暖系统的供水 供汽和回水干管中的热媒温度和压力 二 热风采暖系统的室内温度 送风温度和热媒参数 三 送风系统的送风温度和热媒参数 四 兼作热风采暖的送风系统的室内温度 送风温度和热媒参数 五 除尘系统的除尘器进出口静压差 六 空气调节系统的下列参数 1 室内外温湿度 2 一 二次混合风温度 3 喷水室或表面冷却器出口空气温度 4 加热器出口空气温度 5 送回风温度 6 加热器进出口热媒温度和压力 7 喷水室或表面冷却器用的水泵出温度和压力 8 喷水室颧表面冷却器进出口的冷水温度 9 空气过滤器进出口的静压差 10 水过滤器进出口的静压差 11 变风量系统风管的静压 山东科技大学学士学位论文 19 注 1 当室内外湿度无检测要求时 不可设湿度仪表 2 布置检测仪表时 应考虑仪表共用不着的可能性 避免重复设置 3 空气调节系统温度敏感元件和检测元件的装设地点 应符合下列要求 一 在室内 应装设在不受局部热源影响的 有代表性的 空气流通的地点 仅局部区域要求严格时 应装设在要求严格的地点 二 在风管内 宜装设在气流稳定管段的截面中心 三 机器露点温度的敏感元件和检测元件 应装设在挡水板后有代表性的集 团 并应避免辐射热 振动 水滴和二次回风的影响 4 空气调节系统的回风机 控制设备及仪表 应与送风机联镝 必要时 通风和除尘系统的通风和水力除尘装置等 应与送风装置等 应与有关的工 艺设备联锁 5 空气调节系统的电加热器应接地 6 空气调节系统的通风机 水泵和电加热器等 并应设工作状态显示 信号 7 多工况运行的空气调节系统 其运行工况及调节机构的工作状态显 示信号 8 排除剧毒物质或爆炸危险物质的局部排风系统 以及甲 乙类生产 厂房的全面排风系统 应在工作地点设置通风机运行状态显示信号 3 3 自动调节与控制自动调节与控制 1 空气调节系统的调节方式 应根据调节对象的特性数 房间热 湿负荷变化的特点以及控制参数的精度要求等进行选择 2 过渡季节需要调节器新风量的空气调节系统 采用双风机时 可通过回风阀控制新风量 新风阀可不控制 但新风阀面积应按全新风 山东科技大学学士学位论文 20 核算 且应使新风管段的压力损失小于全新风时系统总压力损失的 15 注 系统停止运行时 新风阀应能自动关闭 3 室温允许波动范围大于或等于 1 0 和相对温度允许波动范围 大于或等于 5 的空气调节系统 当水冷式表面冷却器采用变化量控制时 宜由室内温湿度调节器通过高值或低值选择器进行优先控制 并对加热器 或加湿器进行分程控制 冷水系统宜采用两通阀及改变水泵转速或台数控 制 4 全年运行的空气调节系统 要满足室内参数和节能要求的情况 下 宜采用变结构多工况控制系统 机构的极限位置 空气参数的超限值 或分程控制等方式 5 室内相对温度的控制 可采用机器在露点湿度恒定 不理定或 不达到机器露点方式 当室内散湿量较大时 家采用机器人露点温度不恒 定可不达到机器露点温度的方式直接控制室内相对温度 6 当受调节对象纯滞后 时间常数或热湿扰量变化影响 采用单 回路调节不能满足调节参数要求时 空气调节系统可采用串级调节或送风 裣调节 7 变风量系统送风温度的整定值 应按冷却和加热工况分另确定 当冷却和加热工况互换时 控制变风量末端装置的调节器 应相应地变换 其裣调节 8 控制变风量系统送回风机风量的静压控制点 宜设在系统送风 干管末端至管距末三分之一处的管段上 送加风机的风量应进行平衡控制 9 风机盘管的冷水系统 宜采用两通阀变水量控制 且就根据系 统的水量调节情况 行动控制水泵转速或台数 10 设置一次泵和二次泵的闭式冷水系统 末端采用变水量控制 山东科技大学学士学位论文 21 时 一 二次泵运行台数的控制 应根据系统的水力工况 热力工况及水 泵的运行特性 采用压差控制 流量控制和负荷控制 对并联工作的二次 砂进行台数控制时 应考虑变台数运行时的稳定性 11 自动调节阀的选择 应符合下列要求 一 水两通阀 宜采用等百分比特性的 二 水三通阀 宜采用抛物线可线性特性的 三 蒸汽两通阀 当压力损失比大于或等于 0 6 时 宜采用线性特性的 当压力损失比小于 0 6 时 宜采用等百分比特性的 四 调节阀的进出口压差 应符合制造厂的有关规定 且应对调节阀的 流通能力及孔径进行选择计算 12 三通混合阀不宜用作三通分流阀 三通分流阀不得作三通混 合阀 蒸汽两通阀应采用单座阀 13 位于严寒地区和寒冷地区的送风和空气调节系统 其新风加 热宜设防冻自动保护 14 风管的自动调节阀 宜采用多叶对开式调节阀 15 连续供热的散热器采暖系统 必要时 应设置散热器自动调 节阀 16 间歇供热的暖风机热风采暖系统 宜根据热媒的温度或压力 高于整定值时 暖风机自动开启 低于整定值时自动关闭 3 4 制冷装置的自动保护与控制制冷装置的自动保护与控制 1 1 压缩式制冷装置 应设下列安全保护 一 压缩机的安全保护 1 排气压力的高压保护和吸气压力的低压保护 2 润滑系统的油压差保护 山东科技大学学士学位论文 22 3 电动机过载及单相运行保护 4 冷却水套断水保护 5 离心式压缩机轴承的高温保护 二 卧壳管式蒸发器冷水的防冻保护 三 冷凝器冷却水断水保护及蒸发式冷凝器通风机的事帮保护 2 吸收式制冷装置 应设下列安全保护 一 冷水或冷剂水的低温保护 二 溴化锂溶液的防结晶保护 1 发生器出口浓溶液的高温保护 2 冷剂水的液位保护 3 冷却水断水或流量过低保护 4 停机时防结晶保护 三 冷却水温度过低保护 四 屏蔽泵过载及防汽蚀保护 五 蒸发器中冷剂水温度过高保护 3 设计时 宜采用带能量自动调节装置的制冷设备 当其台数较多时 宜采用能量调节和台数调节相结合的控制方式 4 制冷设备的运行台数 宜根据实际需要的冷负荷 冷水量或冷水温 度进行控制 5 制冷机应与冷却水系统的水泵联锁 当采用风冷式冷凝器时 压缩 式制冷机应与冷凝的通风机联锁 6 制冷装置中 下列主要参数宜设置检测仪表 一 蒸发器的冷水进出口温度 二 冷凝器的冷却水进出口温度 三 压缩机排气和吸气的压力和温度 山东科技大学学士学位论文 23 四 离心式压缩机的轴承温度 五 吸收式制机发生器的蒸汽入口温度和压力 凝结水的出口温度 六 吸收式制冷机屏蔽泵的压力 注 当制冷装置自带检测仪表时 可不另行设置 山东科技大学学士学位论文 24 4 方案方案 我们打算利用变频器 PLC 数模转换模块 温度模块 温度传感器等 构成的温差闭环自动调速系统 对冷却水泵 冷却塔进行设计 以节约电 能 4 1 可行性分析可行性分析 方案是通过变频器 PLC 数模转换模块 温度模块和温度传感器等 构成温差闭环自动控制 根据负载轻重自动调整水泵的运行频率 同时根 据冷却水温度的高低 自动切投冷却塔散热风机 以达到节能效果 以下 是分析过程 4 1 1 泵的转速调节泵的转速调节 根据异步电动机原理 n 60f p 1 s 式中 n 转速 f 频率 p 电机磁极对数 s 转差率 由上式可见 调节转速有 3 种方法 改变频率 改变电机磁极对数 改变转差率 在以上调速方法中 变频调速性能最好 调速范围大 静态 稳定性好 运行效率高 因此改变频率而改变转速的方法最方便有效 4 1 2 冷却塔的控制冷却塔的控制 以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数 非常 容易造成能源的浪费现象 现在根据冷却水的温度 由温度传感器传送信 号至 PLC 由 PLC 经计算后对冷却塔风机依次开启 以 28 为基数 温 山东科技大学学士学位论文 25 度每上升 2 开启两台散热风机 每下降 2 延时 5 分钟后停止 2 台 风机 以达到节能效果 4 2 具体方案具体方案 4 2 1 主电路的控制设计主电路的控制设计 根据具体情况 同时考虑到成本控制 原有的电器设备尽可能的利用 冷却水泵均采用一用一备的方式运行 使用一台变频器控制拖动两台水泵 交替运行 将一台扬程较高的冷水泵作为备用 以下为 冷却水泵一次接线图 图 4 2 1 冷却水泵一次接线图 4 2 2 功能控制方式功能控制方式 工作流程 开机 开启冷水及冷却水泵 由 PLC 控制冷水及冷却水泵的启停 由 冷水及冷却水泵的接触器向制冷机发出联锁信号 开启制冷机 由变频器 温度传感器 温度模块组成的温差闭环控制电路对水泵进行调速以控制工 作流量 同时 PLC 控制冷却塔根据温度传感器信号自动选择开启台数 山东科技大学学士学位论文 26 停机 关闭制冷机 冷水及冷却水泵以及冷却塔延时十分钟后自动关 闭 保护 由压力传感器控制冷水及冷却水的缺水保护 压力偏低时自动 开启补水泵补水 4 2 3 空调制冷系统空调制冷系统 一般由相应的制冷机 冷却水泵 冷却塔风机组成机泵系统 几个机 泵系统可以组成一个制冷大系统 下面以三个机泵系统为例来说明空调自控原理及要求 如下图 1 空调控制在时序方面应满足下列的要求 三套泵系统原理图 山东科技大学学士学位论文 27 a 空调机组起动时序要求 b 空调机组停机时序要求 2 空调控制的原理还应满足下列要求 a 冷冻水回水管上设温度传感器 通过检测其回水温度 控制制冷机组启 停 平时工作时 首先选定任意冷冻机及其附泵运行 另外两个系统由温 度控制器依次投入或退出 b 冷却塔进水管上装设电动阀 与冷却塔风机连锁 使其与机组对应运行 山东科技大学学士学位论文 28 c 在冷却水回水总管上装设温度传感器 通过检测其回水温度 控制冷却 塔运行的台数 同时输出控制电动阀的开度 控制流入冷却塔的水量 d 对变流量系统 利用冷冻水压差控制器 检测系统供回水之间的压差 控制旁通阀的旁通量 使系统基本稳定 3 PLC 与系统各硬件之间的连接 山东科技大学学士学位论文 29 PLC 与系统硬件连接图 山东科技大学学士学位论文 30 5 控制系统工作原理控制系统工作原理 新风机鼓入的新风经加热交换器 制冷交换器 加湿器进入房间 房 间内有温度 湿度 差压检测器测的信号反馈给控制器 由反馈信号通过 数字控制仪来控制加热 制冷交换器控制室内温度 当湿度低时 由加湿 器输出蒸汽 湿度高时 制冷交换器要降温以使空气温度降低 达到除湿 目的 原来的湿度 温度信号还要经过高选处理 当温度信号高时 以温 度控制优先 当湿度信号高时 以湿度控制优先 原来仪表调试比较繁杂 调试不容易满足要求 加热 制冷 加湿器的控制信号是 4 20mA 信号 压力系统原来是由变频器控制 温度 湿度信号是变送器送出的 DC 4 20mA 的信号 输入的信号经过比较判断 当输入的温度信号小于 12mA