楼宇自动化_5_检测装置和执行机构

第5章楼宇自控中的检测装置和执行机构5 1传感器与变送器5 2控制器5 3执行器5 4调节阀的选择与计算 5 1传感器与变送器 在建筑设备自动化系统中 为了对各种变量进行检测 首先要把这些变量转换成容易比较且便于传送的信息 这就要用到传感器 测量传感器 提供与输入量有确定关系的输出量的器件 变送器 从传感器发展而来 能将传感器输出的信号转换为标准信号的器件 标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号 如直流电流4 20mA 直流电压0 5V等 5 1传感器与变送器 5 1 1传感器的常规技术指标1 性能指标包括量程 重复性 准确度等级 灵敏度 飘移 响应时间 响应特性等 2 实用与经济指标1 造价包括电源 转换器 信号调节器及连接电缆 通常安装传感器的造价占很重要的一部分 2 维护任何专门的维护和重新标定都要求涉及额外的人力和费用 5 1传感器与变送器 3 兼容性与其他的元件和标准具有可操作性和可互换性 4 环境可经受住苛刻或危险环境的能力 5 干扰对环境造成 如电磁波或准稳定电磁场 的敏感度 5 1 2HVAC传感器要点简述1 温度传感器是空调环境中最重要的控制参数 包括热电偶 热电阻和热敏电阻 5 1传感器与变送器 2 压力传感器压力传感器被安装在送风系统以监视内部压力 1 电容式压力传感器典型情况下测量范围为69kPa 68900kPa 通常用于测量通风过滤器或VAV系统送风机的控制 5 1传感器与变送器 2 电感式压力传感器通过移动一个机械部件而改变电感量来感受压力 该机械机构是基于磁铁心与电感线圈的相对运动 电感式压力传感器大约0 08mm的移动就可产生10mV的输出电压 因此 对于静态和动态测量 该传感器能产生一个很大的输出 分辨能力强以及具有较高的信噪比 通常被应用在压力相对较低的通风系统 5 1传感器与变送器 5 流速与流量传感器 1 毕托管用于管道通风系统 2 热线式风速仪用于通风气流的测量 该仪表灵敏度高 适合检测很低速的流量 适用于空气流动的测量和导风管内流量的测量 热线风速仪可用于大量程的流量测量 可从很低 0 03m s 到超声速 并且可以测量不稳定的流量 对于送风管内流量测量 其耐用性不如毕托管 5 1传感器与变送器 3 孔板基于管线或通风管两端的压力差进行检测 孔板结构简单 但易被流体磨损 特别是一些污浊并带有微粒的流体 在过去孔板曾被广泛用于管道流体的测量 由于结构简单 因此在HVAC改造项目中 通常仍采用已安装在现场的大部分孔板 4 文丘里流量计工作原理与孔板相似 但节流中的压力损失几乎全部可恢复 不易被磨损 但体积较大 价格较贵 5 1传感器与变送器 5 涡轮流量计用于管道中的液体流量测量 但易受磨损和卡塞 不使用于污浊的流体测量 6 旋涡流量计适用于液体流量测量并具有很高精度 工作原理是基于由旋涡而产生压力波动的频率 旋涡是由于流体冲击垂直挡体而产生的 其频率与流体流速成比例 7 电磁流量计适用于水或泥浆流量测量 不能测气体流量 8 超声波流量计 5 1传感器与变送器 4 湿度测量 1 机械湿度计通过湿气的吸收和解吸改变原材料的体积进行测量 是一种较早的湿度测量方法 但非线性严重且易飘移 已被电子器件所取代 2 干湿球湿度计该测量方法稳定并可达到一定的精度 但通过湿球温度计的风速必须足够高 该湿度计不适用于HVAC控制 5 1传感器与变送器 3 电容式湿度变送器将空气湿度变换为DC0 10V标准信号 该信号与空气相对湿度成线性关系 传送距离远 性能稳定 几乎不用维护 目前被认为是一种较好的传感器 5 舒适传感器舒适不是一个可直接测量的参数 基于Fanger方程 考虑6个参数即居住人员变化率 居住人员衣服保温 干球温度 湿气含量 风速及平均辐射温度 这6个参数的集合用来估计一个 预测均权 PMV 5 1传感器与变送器 PMV被认为能够作为绝大多数人舒适感觉的模型 PMV为负值表示凉的感觉 正值表示暖的感觉 PMV准则已经作为一种国际标准 即ISO7730 舒适性传感器的测量原理对PMV方程作了简化 称之为新PMV方程 该传感器检测空气温度 平均辐射温度及空气流速 并转换为电信号 在BAS系统中 为达到实时控制的目的 可以估算出一个房间的舒适度以代表全体居住者所能接受的舒适度 5 1传感器与变送器 6 室内空气质量传感器由于室内空气质量优劣易引起建筑综合症 室内空气质量传感器由一个镀有薄层的半导体管 一对电极及半导体内的微型加热元件组成 在保持温度不变的情况下 半导体吸收居住人员身上散发出的气体 导致电子的释放 由此改变两个电极间的电阻而产生一个信号 人体中散发的全部气体混合物与二氧化碳含量成比例关系 该仪表很灵敏且响应快 适用于舒适通风的IAQ应用和空调中的应用 5 1传感器与变送器 7 室内占用传感器室内占有传感器有两个任务 当室内被占用时 保持照明灯和空调接通 反之断开空调和照明灯 1 超声波运动传感器 US 利用多普勒效应 用连续高频声波充满整个房间 在检测范围内 任何运动都会引起原来发射频率的漂移 通过与发射波频率的比较即可辨识出回波频率的任何变化 对于小运动的高灵敏度是这种传感器的主要特点 但对于空调起动 人员及无生命物体的移动容易出现检测错误 5 1传感器与变送器 2 红外运动传感器 IR 通过感受运动红外热源如人员 叉式升降机或其他的散热物体 该传感器能对室内的照明或空调执行相应的开关作用 红外运动探测对空调或风机的起动不会产生错误动作 是一种较可靠的运动传感器 然而 在远距离情况下 它的灵敏度相对较低 3 基于红外的人员计数器利用多普勒效应感受反射光 可计算通过该区域的人员数目 5 2控制器 5 2 1自动控制仪表的分类1 按使用能源分类 1 电动仪表以电作为能源及传送信号的仪表 传送距离远 便于与计算机配合 在生产自动化中被广泛应用 电动仪表分为电气式和电子式两大类 2 自力式自动控制仪表这种仪表不需要辅加能源 只是传感器从被控介质中取得能量 就足以推动执行器动作 5 2控制器 2 按结构形式分类 1 基地式仪表以指示 记录仪表为主体 附加调节装置而组成 即把变送 控制 显示等部分装在一个壳内形成整体 利用一台仪表可完成一个简单控制系统的功能 2 单元式组合仪表根据自动检测与控制的要求 将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元 单元之间由统一的标准信号联系 5 2控制器 3 组装电子式调节仪表又称功能模件式或插入式仪表 是在单元组合仪表的基础上发展起来的成套仪表装置 基本组件是具有不同功能的功能模件 功能模件是指各种典型线路构成的标准电路板 每种电路板具有一种或数种功能 并有同一规格尺寸 输入输出端子 电源和信号线 5 2控制器 5 2 2模拟控制器1 自力式温度控制器用于采暖散热器上 集传感器 控制器与调节阀为一体进行控制 也称恒温控制阀 阀门从全开到全关位置时 室温变化范围为0 5 2 0 5 2控制器 2 电气式模拟控制器 1 电气式温度控制器 用于房间温度控制 气体受热膨胀 5 2控制器 2 电气式压力控制器 用于制冷压缩机高低压保护 5 2控制器 5 2控制器 5 电子式模拟控制器 1 断续输出的电子式模拟控制器1 两位式电子模拟控制器 传感器 测量电路 给定电路 放大电路 显示 e u 开关电路 e I 1K 1K 两位式电子模拟控制器原理框图 5 2控制器 两位式电子模拟控制器特性图a 理想特性b 实际特性 P 1 0 e I e I a P 1 0 e I e I b 1k吸合 呆滞区 5 2控制器 2 三位式电子模拟控制器 传感器 测量电路 给定电路 放大电路 开关电路 1K 三位式电子模拟控制器原理框图 开关电路 2K 12 反向输入端输入 5 2控制器 三位式电子模拟控制器特性图a 理想特性b 实际特性 P 1 0 e a 1 1k吸合 2k吸合 P 1 0 e b 1 1k吸合 2k吸合 5 2控制器 3 位式输出的补偿式控制器 参考4 9 HVAC中的DDC系统有关室外温度补偿控制的内容 夏季工况 室内给定值自动随着室外温度的上升按一定比例关系而上升 既可节省能量 又可消除由于室内外温差大所产生的冷热冲击 冬季工况 当室外温度较低时 为了补偿建筑物冷辐射对人体的影响 室温给定值将自动随着室外温度的降低而适当提高 由于控制器的给定值能随室外温度而改变 故称为室外温度补偿式控制器 5 2控制器 室外温度补偿特性 2 2A 2B 0 A C B 1 1G KS KW 1max 5 2控制器 5 2控制器 2 连续输出的电子式控制器连续输出的电子式控制器有比例P 比例积分PI 比例积分微分PID等控制规律 输出信号为DC0 10mA等 1 连续输出电子式控制器的组成 连续式电子控制器组成框图 测量变送电路 传感器 e 给定值调整 反馈电路 连续输出 放大电路 PID调节电路 5 2控制器 2 连续输出的补偿式控制器3 连续输出的串级控制器主控制器的输出作为副控制器的给定值信号 副控制器的输出则控制执行器 4 焓值控制器空调专用节能仪表 为多参数输入仪表 5 2控制器 5 2控制器 5 2 3软件控制器1 直接数字控制器 DDC 用一台计算机取代模拟控制器 对生产过程中多种被控参数进行巡回检测 按预先选用的控制规律 通过输出通道直接作用在执行器上 实现对生产过程的闭环控制 2 计算机控制系统的基本控制算法 1 PID控制算法 5 2控制器 0 e t t t 0 e t u t t t u t 0 0 D P I P D I PID PID调节器的阶跃响应曲线 a 理想PID特性曲线 b 实际PID特性曲线 a b 5 2控制器 5 2控制器 由于计算机是采样控制 它只能根据采样时刻点KT的偏差值来计算控制量 因此 在计算机控制系统中 必须对上式进行离散化处理 即 输出值u k 与调节阀的开度位置一一对应 所以该式称为位置型PID控制算式 在控制系统中 若执行机构需要的是控制量的全量输出 则控制量u k 对应阀门的开度表征了阀位的大小 此时需采用位置型PID控制算法 若执行机构需要的是控制量的增量输出 则 u k 对应阀门开度的增加或减少表征了阀位大小的变化 此时应采用增量型PID控制算法 5 2控制器 增量型PID控制算法 5 2控制器 2 改进型PID控制算法1 积分项的改进方法 分离的PID控制算法在过程的启动 结束或大幅度增减设定值时 系统偏差较大 造成PID运算的积分积累 使系统输出的控制量超过执行机构产生最大动作对应的极限控制量 最终导致系统较大的超调 长时间波动等 采用积分分离措施 当偏差较大时 取消积分作用 当偏差较小时 才将积分作用投入 5 2控制器 变速积分的PID控制算法改变积分项的累加速度 使其与偏差的大小相适应 偏差越大 积分越慢 偏差越小 积分越快 2 微分项的改进方法 微分先行的PID控制算法为了避免给定值改变给系统带来的影响 如超调量过大 系统振荡等 可采用微分先行控制技术 只对被控变量微分 不对偏差微分 即对给定值无微分作用 消除给定值频繁升降给系统造成的冲击 5 2控制器 不完全微分PID控制算法普通的PID控制算式 对具有高频扰动的生产过程 微分作用响应过于灵敏 容易引起控制过程振荡 降低调节品质 尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的 而驱动执行器动作又需要一定时间 如果输出较大 在短暂时间内执行器达不到应有的相应开度 会使输出失真 为克服这一缺点 又要微分作用有效 可以在PID控制输出中串入一阶惯性环节 组成不完全PID控制 5 2控制器 3 可编程控制器是一种数字运算的电子操作系统 专门用于工业环境的控制 采用可编程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制等操作指令 并通过数字式和模拟式的输入 输出信号 控制各种生产过程 4 现场控制单元的软件结构 5 3执行器 5 3 1膨胀阀1 热力膨胀阀 内平衡式热力膨胀阀工作原理 热力膨胀阀是制冷系统的重要自控元件 利用气箱头 感温包 的温度变化作为信号 调节阀开度 改变制冷剂流量 5 3执行器 热力膨胀阀的容量应与制冷系统相匹配 制冷系统的制冷量曲线与膨胀阀的制冷量曲线交点 就是运行时的制冷量 膨胀阀在一定开度下 其制冷量随蒸发温度的上升而下降 5 3执行器 2 电子膨胀阀 电动式电子膨胀阀组成 电动式电子膨胀阀结构 5 3执行器 5 3执行器 5 3 2电磁阀1 直动式电磁阀 直动式电磁阀工作原理图1 线圈2 动铁芯3 阀盖4 阀塞5 复位弹簧6 固定铁芯塞 开启前 开启后 5 3执行器 5 3执行器 2 导压式电磁阀 5 3执行器 5 3 3电动调节阀1 电动执行机构电动执行机构一般可接收来自控制器的两种信号 一是模拟信号AO 如DC0 10V DC4 20mA等 另一种是断续的开关信号 即两个DO信号 如两个继电器的两个常开触点 一个DO按PI规律开大阀门 另一个按PI规律关小阀门 无DO信号时 阀门停在原位置 在BAS中应用的电动执行机构 大多采用两相交流电容式异步电动机 供电电压为AC24V 5 3执行器 2 调节阀 5 3执行器 调节阀的各部位名称 5 3执行器 5 3 4电动调节风门 5 3执行器 5 3 5阀门定位器接受控制器传输过来的DC0 10V连续控制信号 对以AC24V供电的执行机构的位置进行控制 使阀门位置与控制信号成线性关系 从而起到控制阀门定位的作用 电动阀门定位器可以在控制器输出的0 100 范围内 任意选择执行器的起始点 在20 100 范围内 任意选择全行程的间隔 电动阀门定位器与连续输出的控制器配套使用可实现分程控制 5 3执行器 5 3 6变频器及晶闸管调功器1 变频器制冷空调中采用变频器 一是用于压缩机的能量调节 二是用于水泵 风机的变频调速 根据交流异步电动机的工作原理可知 P对磁极的异步电动机的转速可表示为 可见 采用逆变器来改变电动机的供电频率即可改变电动机转子转速 5 3执行器 按输变电压的不同 变频器有两类 一是中高压变频器 将高压电源直接输入变频器 从变频器输出的变频高压电源直接输入高压电机 称为 高 高 变频调速 另一类是低压变频器 在低压变频器输入侧接入降压变压器 将3 10KV的高压降至380V给变频器供电 再将变频器输出的低压变频电接至升压变压器 将电压升高至电机所需要的电压 称为 高 低 高 变频调速 该方式适用于水泵 风机类 5 3执行器 2 晶闸管调功器用于采用电加热的空调温度自动调节系统 在调节电压或功率时 利用晶闸管的开关特性 在设定周期范围内 根据调节信号的大小 改变电路接通数个周波后再断开数个周波 改变晶闸管在设定周期内导通和断开的时间比 从而达到调节负载两端交流平均电压的目的 一般说来 改变调节阀的阀芯与阀座之间的流通面积 便可控制流量 但实际上由于各种因素的影响 在节流面积变化的同时 还会引起阀前 后压差的变化 从而使流量也发生变化 5 4调节阀的选择与计算 5 4 1调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系 即 1 理想流量特性调节阀在前后压差固定情况下的流量特性称为理想流量特性 阀门的理想流量特性由阀芯的形状所决定 阀芯形状有柱塞阀和开口形阀两类 1 直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系 即单位行程变化所引起的流量变化是常数 5 4调节阀的选择与计算 调节阀放大系数 值得指出的是 qmin并不等于调节阀全关时的泄漏量 一般它是qmax的2 4 而阀泄漏量仅为最大流量的0 1 0 01 直通单座 直通双座调节阀的理想可调比R为30 5 4调节阀的选择与计算 将上式积分可得 调节阀可调比 5 4调节阀的选择与计算 经整理可得 直线流量特性调节阀的单位行程变化所引起相对流量变化率是相等的 但相对流量的变化值不同 即流量小时 相对流量变化的相对值大 而流量大时 相对流量变化的相对值小 特点 阀在小开度时控制作用太强 不易控制 易使系统产生振荡 而在大开度时 控制作用太弱 不够灵敏 控制难于及时 直线流量特性调节阀单位行程变化所引起的流量变化是相等的 现分别在行程的10 50 和80 三点处算出行程变化10 所引起的流量相对值变化 分别为 线性流量特性 R 30 2 8执行器及调节阀的流量特性 当K 1时 变化的百分数与即该点相对流量变化百分数相等 故称为等百分比流量特性 5 4调节阀的选择与计算 2 等百分比 对数 流量特性等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系 即调节阀的放大系数随相对流量的增加而增大 5 4调节阀的选择与计算 将上式积分可得 经整理得 等百分比流量特性 R 30 等百分比特性流量调节阀单位行程变化所引起的流量变化是不等的 在行程的10 50 80 三点处算出行程变化10 所引起的流量相对值的变化分别为 2 8执行器及调节阀的流量特性 5 4调节阀的选择与计算 等百分比流量特性调节阀在行程小时 流量变化小 在行程大时 流量变化大 行程变化相同所引起的相对流量变化率总是相等 因此称为等百分比 特点 此种阀的放大系数随行程的变化而递增 在开度小时 相对流量变化小 工作缓和平稳 易于控制 在开度大时 相对流量变化大 工作灵敏度高 有利于控制系统的工作稳定 5 4调节阀的选择与计算 3 抛物线流量特性抛物线流量特性调节阀的相对流量与相对开度的二次方成比例关系 即 对上式积分代入边界条件后得 5 4调节阀的选择与计算 4 快开流量特性调节阀在开度较小时就有较大流量 随开度的增大 流量很快就达到最大 故称为快开特性 快开特性的阀芯形状是平板的 适用于快速启闭的切断阀或双位控制系统 5 4调节阀的选择与计算 5 4调节阀的选择与计算 直线调节阀理想流量特性 1 直线2 等百分比3 抛物线4 快开 5 3执行器 三通阀的总流量特性 5 4调节阀的选择与计算 三通调节阀理想流量特性1 直线2 等百分比3 抛物线 1 直线特性调节阀在任何开度时 通过两阀芯流量之和不变 2 等百分比特性的三通调节阀总流量是变化的 在50 开度处总流量最小 3 抛物线特性介于两者之间 5 4调节阀的选择与计算 2 工作流量特性调节阀在前后压差随负荷变化的工作条件下 其相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性 空调系统一般采用串联管道 串联管道系统的阻力与通过管道的介质流量成平方关系 当系统总压差为一定时 调节阀一旦动作 随着流量的增大 串联设备和管道的阻力亦增大 这就使调节阀上压差减小 结果引起流量特性的改变 理想流量特性变为工作流量特性 其中S为阀全开时 阀上压差与系统总压差之比值 称S为阀门能力 即 5 4调节阀的选择与计算 假设在无其他串联设备阻力的条件下 阀全开时的流量为qmax 有串联设备阻力条件下 阀全开的流量为q100 两者关系可用下式表示 5 4调节阀的选择与计算 串联管道可调比特性 5 4调节阀的选择与计算 显然 随着串联阻力的增大 S值减小 则q100会减小 这时阀的实际流量特性偏离理想流量特性也就越严重 5 4调节阀的选择与计算 可见 当S 1时 理想流量特性与工作流量特性一致 随着S值的降低 q100逐渐减小 实际可调比R减小 直线特性调节阀趋于快开特性阀 等百分比特性阀趋于直线特性阀 这就使得调节阀在小开度时控制不稳定 大开度时控制迟缓 严重影响控制系统的调节质量 在实际使用时 对S值要严加限制 一般希望不低于0 3 0 5 5 4调节阀的选择与计算 5 4 2调节阀的流通能力调节阀流通能力定义为 阀两端压差为105Pa 流体密度为 1g cm3 调节阀全开时的流量 m3 h 上式适用于空调系统中的冷 热水控制 对于蒸汽阀 由于蒸汽密度在阀前后不同 因此必须考虑密度变化 最大体积流量 5 4调节阀的选择与计算 5 4 3调节阀的选择1 流量特性选择流量特性的选择方法一般有数学计算分析法和经验法 工程上常采用经验法 为了使系统保持良好的调节品质 希望开环总放大系数之积保持为常数 一般情况下 除加热 冷却 器的放大系数的变化外 还应使调节阀的放大系数作相应变化 5 4调节阀的选择与计算 1 根据管道系统压降变化情况来选择 2 根据负荷变化情况来选择当系统负荷变化较大时 选择等百分比阀 当所选调节阀经常工作在小开度时 也宜选等百分比阀 便于微调 不易引起振荡 当系统很稳定 而阀位移动范围较小 阀的特性对系统影响很小时 可选直线阀或等百分比阀 5 4调节阀的选择与计算 2 调节阀结构形式的选择选用时要考虑被测介质的工艺条件 流体特性及生产流程 当阀前后压差较小 要求泄漏量也较小时 应选直通单座阀 如末端装置所用调节阀 当阀前后压差较大