中央空调智能节能控制系统毕业设计

1、中央空调节能智能控制系统的研究与实现摘要国家“十一五”规划纲要中明确提出,要把节约资源和保护环境作为基本国策,建设低投入、高产出,低消耗、少排放,能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会。提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%等目标。这是针对资源环境压力日益加大的突出问题而提出的,体现了建设资源节约型、环境友好型社会的要求,是现实和长远利益的需要,具有明确的政策导向。中央空调在各大中型民用、商用建筑中的普及,带来了严重的能耗问题。中央空调系统的电耗一般占整座建筑电耗的50%-60%,建筑能耗则占全国总能耗的1/3左右,因此提高能

2、源利用率是我国能源可持续发展的方向。本文以中山古镇灯饰广场中央空调为实例,进行了计算机智能节能控制系统的方案设计,并给出了系统在软件、硬件方面的具体配置和设计内容,开发了相应的应用软件。关键词中央空调,节能,智能控制沈阳工程学院毕业设计(论文AbstractThe national "Eleven Five Year Plan" put forward clearly that we should consider saving resource and protecting environment as a basic national policy, we should

3、 construct low input, high output, low consumption, less emissions, recycled and sustainable national economic system and resource saving environment friendly society. Putting forward the "eleven five" period unit of GDP energy consumption reduced by about 20%, the total discharge of major

4、 pollutants reduced by 10% target. This is the outstanding problem of mounting pressure on resources and the environment is put forward, the construction of a resource-saving, environment-friendly society, is the need of immediate and long-term interests, with a clear policy direction.The popularity

5、 of central air conditioning in the large and medium-sized civil, commercial buildings, brought the serious problem of energy consumption. The power consumption of the central air conditioning system generally account for the entire building power consumption of 50%-60%, building energy consumption

6、accounts for the national total energy consumption of about 1/3, thus improving energy efficiency is China's energy sustainable development direction.In this paper, the Zhongshan Ancient Town Lighting Plaza central air-conditioning as an example, the design of the intelligent energy-saving contr

7、ol system computer program, and gives the system software, hardware configuration and the design content, the corresponding application software was developed.Key Words Central air conditioning, energy-saving, intelligent control中央空调节能智能控制系统的研究与实现目录摘要. I Abstract . II 1 引言 (11.1项目背景和应用价值 (11.2目前的研究现

8、状和技术特点 (11.3课题的可行性 (21.4本章小结 (22 中央空调节能控制技术 (32.1中央空调的控制特点 (32.2节能控制的主要途径 (42.3 本章小结 (53 中央空调节能控制工程综述 (73.1工程简介 (73.2系统配置原则及总体结构 (73.3 设计依据 (83.4 本章小结 (94 智能控制理论的应用 (104.1智能控制理论 (104.2模糊控制 (104.3 智能控制在中央空调的应用 (114.4 本章小结 (115 系统主要硬件、软件及部分设备参数说明 (125.1 需求分析 (125.2 主要硬件设备简介 (125.3 紫金桥组态软件简介 (176 中央空调控

9、制过程 (206.1 模糊PID的建立 (206.2空调工作方式 (24沈阳工程学院毕业设计(论文结论 (29致谢 (30参考文献 (31附录A1.1房间与设备间布置、接线图 (32附录A1.2 紫金桥点组态图及I/O说明表 (34附录A1.3 子程序梯形图 (35附录A1.4 主程序梯形图 (44附录A1.5 变频器参数设定表 (461 引言1.1项目背景和应用价值目前,建筑节能已越来越受到重视,在大型建筑中,中央空调用电量很大,一般要占到建筑物总用电量的40%以上。中央空调系统各部分设备的功率是按照楼宇最大冷负荷及新风量设计的,通常还留有了一定余量。而在实际使用过程中,由于季节、昼夜和用户

10、负荷的变化,空调热负载在绝大部分时间内比计算负载低。例如,中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵,一年四季四季在设定的最大水流量下工作,但由于季节、昼夜和用户负荷的变化,实际空调热负载在绝大部分时问内与决定水泵流量和压力的最大设计负载(负载率为l00% 相比,一年中负载率在50%以下的小时数约占全部运行时间的50%以上。一般冷冻水设计温差为57,冷却水的设计温差为45,在系统流量固定的情况下,全年绝大部分运行时间温差仅为1.03.0,即在低温差、大流量情况下工作,从而增加了管路系统的能量损失,严重浪费了水泵运行的输送能量。因此,如果能通过对楼宇内环境温湿度检测和计算,再根据对楼宇热惯性的预测,使用

11、计算机控制系统对引风机风量、房间管道阀门等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起、停,使空调系统高效、节能运行,将产生明显的经济效果。1.2目前的研究现状和技术特点在中央空调系统中,要求根据室内、外工作条件的变化,不断调整空调设备的运行工况,因此,自动控制系统早就得到了应用,例如在楼宇自动化系统里中央空调的控制就是一个重要的组成部分。但在目前应用的系统中,往往偏重于设备的运行管理,控制方式基本上采用多个回路的PID控制,但由于中央空调是一个干扰大的、高度非线性的复杂系统,而且各个单回路之间的耦合强烈,所以PID控制往往在静、动特性上满足不了性能要求,造成空调系统运行过程中能源的浪费。另一方面,

12、在将自适应控制、最优控制等现代控制理论运用到中央空调系统中时,由于它们的分析、综合和设计都是建立在严格和精确的数字模型之上的,所以在工程实施上又具有较大的难度。而智能控制理论正是针对被控对象及其环境和任务的不确定性提出来的,在中央空调系统的控制领域应当具有广阔的前景。目前,智能控制理论有几个主要研究方向,如人工神经网络控制,模糊控制和专家系统,可以将它们运用在中央空调系统中的实时控制、故障诊断、能耗预测等方面。1.3课题的可行性一方面,随着计算机技术的发展,智能控制理论在许多领域得到了成功的应用,模糊控制家用空调器就是计算机技术和模糊控制技术相结合的产物。另一方面,随着中央空调的节能改造和楼宇

13、自动化系统(BAS的推广,将为智能控制系统在中央空调的应用提供广泛的市场基础。本文将以一实际工程(中山古镇灯饰广场为例,对其中央空调系统的节能控制进行设计与实现。古镇灯饰广场的主要设备包括引风机机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、风机盘管等,选择该项目的原因是:它是较典型的综合商业大楼,比较具有代表性,对其中央空调系统进行计算机节能控制,具有显著的经济效益。1.4本章小结本章主要回顾了中央空调控制系统的发展过程,一方面简述了中央空调实现节能控制的市场背景和应用价值,另一方面简述了目前的技术状态和技术特点,说明了由于中央空调是一个干扰大的、高度非线性的复杂系统,而且各个单回路之间的耦合强烈,所以常规

14、的控制往往在静、动特性上满足不了性能要求,造成空调系统运行过程中能源的浪费,因此智能控制理论在中央空调节能控制中具有广阔的应用前景。最后对实例项目进行了一些简单的介绍。2 中央空调节能控制技术空调系统的作用就是对室内空气进行处理,使空气的温度、湿度指标符合场所的使用要求。为此必须对空气进行冷却或加热、减温或加湿以及过滤等处理措施。其相应设备有制冷机组、加热器、风机盘管系统、风管系统、水管系统等。当被调房间温度与湿度受内部热源干扰或室外温湿度变化而发生波动时,首先由温度与湿度传感器把信号送给调节器,调节器与设定值进行比较后发出指令给执行器,执行器动作后,不断调整以符合要求。在中央空调系统中,冷水

15、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,压缩后的制冷剂进入冷凝器,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进行蒸发吸收,使冷冻水降温,然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量,如此循环不已,把房间的热量带出。2.1中央空调的控制特点干扰性:空调系统在全年或全天的运行中,由于外部条件(如气温、太阳辐射、风、晴、雨、雪和内部条件(如空调房间中设备、照明的启、停和投入运行的多少,以及工作人员的增、减等的变化,都将对空调系统的运行形成干扰。

16、调节对象的特性不同的被控对象,在相同的干扰作用下,被控量随时间的变化过程也并不一样。空调自控系统的任务就是为了克服这些干扰因素,维持空调房间一定的温、湿度。但温、湿度的控制效果不但取决于自控系统,更主要的是取决于空调系统的合理性及空调的对象特性。对象的特性包括以下内容:放大系数K。可以表示为房间温度每升高1时所需要加入的热量。如果一个空调房间的放大系数K愈大,在系统受到干扰的影响时,调节参数离开给定值的偏差就愈小,也就是说自动调节系统容易保持平衡,反之,调节参数离开给定值的偏差也就愈大,调节系统就愈不容易保持平衡。对象的时间常数(反映时间T。对于空调房间来讲,时间常数T越大,被调室温变化越慢;

17、T越小,室温变化越快。因此时间常数T不仅反映了调节参数改变速度的快慢,同时也表示热惯性的大小。对象的滞后时间t。空调系统受到突发的干扰作用后,调节参数(如房问温度并不能立即发生变化,而需要经过一段时间才开始变化,这段时间称为滞后时间。例如用于调节送风温度的电加热器的电源接通后,尽管电加热器已有热量传给输送空气,空气温度也有上升,但空调房间内的温度并不会立即起变化,而是要经过一段时间后室温才开始升高。这是因为经过电加热器加热后的空气,需要沿风道输送一段时间后才能到达送风口处,而从送风口处送出的气流与室内空气进行混合产生换热也要有一个过程,这就产生了滞后的问题。对象的滞后时间对调节过程将产生不利的

18、影响,它降低了调节系统的稳定性,增加了调节参数的偏差,延长了调节时问。对象的负荷。当空调系统处于稳定状态,空调房间的空气温度保持恒定时,单位时间流入或流出空调房间的热量,就称为空调房间的负荷。这时流出的热量和流入的热量相平衡。出于外部干扰的作用,将引起对象负荷的变化,从而破坏了原来的能量平衡状态,引起调节参数的变化,于是调节过程便开始,以改变对象的输入或输出的能量,使能量达到新的平衡,令调节参数回到给定值。由此可知:调节对象负荷的变化情况,直接牵涉到对自动调节系统的要求。如果调节对象的负荷发生急剧变化时,就要求自动调节系统具有较高的灵敏度,能够在调节参数变化很小时就开始调节动作,以便迅速恢复平

19、衡。湿度的相关性:在空调的控制中,大多数情况下主要是对空调房间内温度和湿度的控制,这两个参数常常是在一个调节对象里同时进行调节的两个被调量。两个参数在调节过程中又相互影响。如果由于某些原因使空调房间内温度升高,引起空气中水蒸气的饱和分压力发生变化,在含湿量不变的情况下,就引起了室内相对湿度的变化(温度升高相对湿度就会降低,温度降低相对湿度就会增加,在调节过程中,对某一参数进行调节时,同时也引起另一参数的变化。例如在夏季采用表冷器进行去湿处理时,开大冷水阀使相对湿度控制在要求范围内,但如果不进行送风的再热处理,则会使送风温度过低,这种互相影响、互相牵制关联即为互为相关性。整体控制性:空调自动控制

20、系统一般是以空凋房间内的空气温度和相对湿度控制为中心,通过工况转换与空气处理过程每个环节紧密联系在一起的整体控制系统。空调系统中空气处理设备的启停都要根据系统的工作程序,按照有关的操作规程进行,处理过程的各个参数调节及联锁控制都不是孤立进行,而是与室内温、湿度密切相关的。空调系统在运行过程中,任意环节出现问题,都将直接影响空调房间内的温、湿度调节,甚至使系统无法工作而停运。因此空调自控系统是一个整体的控制系统。2.2节能控制的主要途径通过计算机对楼宇内外环境温度、湿度实时测量及对楼宇热惯性的预测,确定最优化的设备启、停时间。此项措施预计可使主机、冷却塔风机平均每天减少运行时间。同时根据楼宇冷负

21、荷变化,通过风机类设备的风量,也可使主机负荷下降。空调机变频变风量控制:空调设备至少有10%设计余量,因此根据空调机制冷区环境温度,在20%90%范围内对空调机进行变频调速,可使空调机动态节能27%78%。另外由于变频调节时风机电流大幅降低,功率因数提高到1,风机发热率可降低70%以上,使用寿命延长35倍。并且可以使楼宇内“忽冷、忽热、过冷、过热”现象将不再出现。中央空调系统是一个干扰大的、高度非线性的、不确定性系统,这是由于:外界气候和空调区域里的人员活动的变化很大,对系统形成很大的干扰;空气调节过程是高度非线性的;各执行器的运行特性也是非线性各个控制回路之间耦合强烈,完全解耦是不可能的;随

22、着时间的推移,设备会老化和更换,从而造成系统参数的变化;在许多系统里,系统的数字模型很难建立;温、湿度等参数变化慢,系统的滞后大。例如,送风系统中出风温度的控制,往往是由新风量控制、新回风混合温度控制、冷盘管冷水量控制、热盘管热水量控制、新风冷却控制等多个控制回路组成,它们之问互相有影响,还受到负荷和室外气候的变化的影响,因此,现在普遍采用的PID控制往往在静、动特性上满足不了性能要求,响应慢、超调大、控制精度低。对于一些基于数学模型的现代控制方法,由于在实际应用中建模的难度大也会受到一定的限制。另一方面,智能控制不仅利用了控制理论知识,还利用了行业专家、控制工程师和操作人员的知识和经验,模仿

23、了人的直觉推理,比较适合象中央空调这样难于建模、工况经常变化但具有控制和操作人员丰富经验的控制过程。比较典型的智能控制如模糊控制、人工神经网络控制、实时专家控制等都适合应用于暖通空调的实时控制、系统分析与诊断、能量与负荷预测等应用场合,现在家用变频空调应用模糊控制已有很多成果,模糊控制、专家系统等控制策略也开始在中央空调的控制中受到重视。2.3 本章小结本章主要阐述了中央空调的控制特点,说明了中央空调系统是一个受多种因素干扰,控制参数多,各个环节之间互相耦合,控制过程时间滞后大的一种复杂的系统,中央空调的监控一般可以从以下几方面考虑:一、机组基本参数的测量与设备的启停控制;二、基本的能量调节;

24、三、冷热源及水管系统的全面调节与控制。在本章中具体分析了节能控制的主要途径,它们包括:空调主机最优启、停时间控制和最佳温度调节控制;阀门的控制;通过以上几个方面,使中央空调系统在保证满足舒适性要求的前提下,高效节能运行。本章最后分析了控制策略的选择,说明了由于中央空调系统是一个干扰大的、高度非线性的、不确定性系统,因此,现在普遍采用的PID控制往往在静、动特性上满足不了性能要求,响应慢、超调大、控制精度低。而一些基于数学模型的现代控制方法,又由于在实际应用中建模的难度大而受到一定的应用限制,因次,智能控制是现在中央空调节能控制的发展方向。在后面章节中将依据本章所叙述的节能控制途径对实例工程项目

25、进行具体的方案设计。3 中央空调节能控制工程综述3.1工程简介中央空调节能控制工程,就是综合应用自动控制、计算机、通讯等技术,通过对中央空调系统的优化运行管理和控制,使空调设备处于最佳状态,充分发挥其潜力,在满足工艺条件和使用要求的前提下,最大限度地减少能量消耗、降低运行费用,创造更好的经济效益。3.2系统配置原则及总体结构中央空调节能控制工程,应根据所控制系统的具体类型,如是集中式还是半集中式空调系统,系统原设计所留的裕量多少,使用环境的具体要求和特点等条件,综合考虑系统所采用的软、硬件的性能/价格比来进行配置目前较常见的系统有几种类型,一种是一些国外开发的楼宇控制系统,如西门子兰吉尔的$6

26、00 APOGEE大厦管理系统、Honeywell的EXCEL 5000、江森的METASYS等,以及国内开发的其他一些楼宇控制系统,其中一般都包括了空调控制子系统。这些系统大多采用分布式多层网络结构,由现场控制器,各级工作站和网关等组成。这类系统往往偏重于设备的运行监控管理,而且功能较固定,同时造价会较高。另一种类型是一些为特定项目开发的系统,一般由一些专用的控制器、单片机、工控机等组成,这类系统虽然成本较低,但往往通用性不够强,系统的开放性不够。按照目前的技术条件和发展趋势,按开放式的系统结构,采用市场上较常用的一些软/I埂件构成系统是一种较好的选择。系统结构上可以采用多层计算器网络,现场

27、设备可以采用PLC等通用的控制器进行就地控制,同时通过操作站、管理计算机对现场控制器(PLC进行实时的监督和优化调整,共同构成一个分布式的测控网络。上位机、管理计算机的控制软件和人一机界面可以采用一些通用的工业组态软件如FIX32、InTouch等商业软件包进行二次开发,也可以用VisuaC+、Vi suaBasi c、Borland C+Builder等通用的软件快速开发平台进行开发。数据库可以采用较流行的数据库软件,如0racle、SQL Server、Access等,计算机可以用商业计算机(PC或工业控制计算机(IPC。空调控制系统既可以通过I/O点的扩展将其它机电设备的监控包括近来,也

28、可以通过网关与其它独立的控制系统互相通讯,比较理想的方式是空调控制系统与其它控制系统在整个智能楼宇系统的信息管理级中通过实时数据库进行集成,共同构筑一个分布式的测控网络。中央空调节能控制工程系统集成的实施,应该以系统工程观点抓住四个主要环节:系统集成商或工程承包商选择、系统总体设计、工程管理和系统的运行维护。系统的总体设计是系统集成的必要条件,在系统集成时应综合考虑中央空调控制系统与其它设备监控系统之间的功能与工程界面、合理配置、优化总体设计,以充分利用各子系统的软、硬件优势,使系统成为一个中央综合管理系统,各子系统则集中监测控制各种现场设备,成为集现场信息管理与设备控制融为一体的分布式管理监

29、控系统。同时,应充分重视空调控制系统与其它设备控制系统之间的工程界面的确定,所谓工程界面就是各子系统之间、设备之间的接口与界面的划分,使其不同系统和产品之间接口、通讯、信息的规范化、标准化,以致相互之间能“对话”,或者具有互操作性,在工程实施过程应包括如下几方面内容:1、系统设计界面的确定;2、各子系统设备、材料、软件供应界面的确定;3、系统的技术接口界面的确认;4、系统施工界面的确定。工程界面的确定是系统集成的充分条件,在一套楼宇智能系统中,不仅各子系统是一门专业,而且每个子系统又与其他专业相关,因此工程界面的确定就可以明确各子系统的功能及相应之间接口界面,各供应商(或工程承包商的职责,否则

30、将会导致系统集成的失败。实质上工程界面的确定是各系统的纽带,集成系统如果没有纽带将变为独立分散的子系统,工程界面的确定贯彻于设备选型、系统设计、施工、工程管理及系统维护的全部过程,是系统集成的基本保证。在中央空调节能控制工程中,一般应按一定原则进行分工。3.3 设计依据中央空调节能控制工程涉及许多技术标准及规范,如产品标准和规范;工程标准和规范;验收标准和规范等中华人民共和国有关条例及规范,包括有;民用建筑电气设计规范(JBJ/T1692智能建筑设计标准(GB/T一5031 4-2000电气装置安装工程施工及验收规范(GBJ232-92建筑设计防火规范(GBJl68799修订火灾自动报警系统设

31、计规范(GBJll692商用建筑线缆标准(EIA/TIA一568A信息技术互连国际标准(ISO/IECll80l一95高层民用建筑设计防火规范(GB5004595 1999版中国采暖通风与空气调节设计规范(GBJl987 1997版通风与空调工程施工及验收规范(GB5024397通风空调工程质量检验评定标准(GBJ30488火灾自动报警系统安装使用规范(中国工程标准化委员会标准工业企业通信设计规范(GBJ4281电气装置安装工程施工及验收规范(GBll23292电子计算机机房设计规范(GB50174933.4 本章小结本章主要说明了中央空调节能控制工程的意义和特点,并具体说明了一般系统配置的主

32、要原则和总体结构,目前常见的系统集成形式,并提出了在软、硬件选择方面的一些倾向性意见。最后说明了中央空调节能控制工程应该遵循的一些设计依据。在下一章,将根据前面几章所叙述的中央空调系统的控制特点,节能的主要途径和工程的设计原则和结构,采用合适的软、硬件针对中山古镇灯饰广场的中央空调系统进行具体的方案设计。4 智能控制理论的应用4.1智能控制理论智能控制是控制理论、人工智能(AI和计算机科学相结合的产物。智能控制系统是在控制论、信息论、人工智能、仿生学、神经生理学及计算机科学发展的基础上逐渐形成的一类高级信息与控制系统。结合具体的工业生产过程,各种智能控制系统正在发挥巨大的经济和社会效益。智能控

33、制与智能自动化技术是众多学科和工程技术之集成。一方面,包括经典控制理论及现代控制理论在内的传统控制理论与技术无法满足工业及人类生活中日益复杂的控制与自动化要求:而另一方面,在计算机科学技术地推动下,人工智能科学与技术取得巨大进展。在此情况下,智能控制与智能自动化技术产生了,并逐渐发展起来。随着智能控制研究的深入和应用的扩大,智能控制具有三元结构(自动控制-人工智能-运筹学、四元结构(自动控制-人工智能-运筹学-信息论以及多元结构(自动控制-人工智能-运筹学-信息论-计算机-生物学等,其理论体系也日趋庞大,其中模糊逻辑控制、神经网络和专家系统就是三种典型的智能控制方法。4.2模糊控制一般来讲,模

34、糊控制理论研究的核心问题在于如何解决模糊控制中关于稳定性和鲁棒分析、系统的设计方法(包括规则的获取和优化、隶属函数的选取等、控制系统的性能(稳态精度、抖动及积分饱和度等的提高等问题,这己成为模糊控制研究中的几个公认的基本问题。其中,稳定性和鲁棒性问题的研究最为热烈,从早期基于模糊控制器的“多值继电器”等价模型的描述函数分析法,扩展到相平面法、关系矩阵分析法、圆判据、Lyapunov稳定性理论、超稳定理论、基于滑模控制器的比较法、模糊穴一穴映射及中央空调电气控制系统设计数值稳定性分析方法等非线性理论方法。设计方法的研究也倍受关注,主要表现在对规则的在线学习和优化、隶属函数参数的优化修正等应用了多

35、种思想,如最优控制的二次型性能指标、自适应、神经网络、遗传算法等思想。稳态性能的改善一直受到模糊控制学者的关注。4.3 智能控制在中央空调的应用智能控制在中央空调的应用智能控制在中央空调的应用智能控制在中央空调的应用智能控制在中央空调的应用智能控制在中央空调的应用模糊控制FLC(Fuzzy Logi c Contr01是人工智能领域中形成最早、应用最广泛的一个重要分支,适合于结构复杂且难以用传统理论建模的问题。模糊控制是基于规则的智能控制,以模糊数学为基础,主要由四个基本部件组成,即模糊化接口、知识库、决策逻辑单元、去模糊接口。模糊控制器的控制思路是将中央空调系统的的状态参数作为输入,输出的是

36、空调系统的执行命令。在空调系统的过程控制中,由于控制对象的时滞、时变和非线性的特征比较明显,导致控制参数不易在线调节,而FLC却能较好的适应这些特征,因此引起了空调领域的普遍关注,目前已经成功地应用到家用空调器上。日本、西欧等发达国家在这一领域处于领先水平。常规的模糊控制器有许多不足之处,比如系统的上升特性不理想,超调大,调节时间长,甚至产行振荡,抗干扰能力差,稳态误差大,产生这些缺点的主要原因是常规的模糊控制器在结构上过于简单,在设计过程中也有许多主观因素,而且一旦模糊规则确定就不再变化等。随着模糊控制技术在空调器中应用研究的不断深入,在控制目标方面从早期的温度控制发展到以PMV(Predi

37、Cted Mean rote作为控制基准;在控制策略方面从基于查询表方法的简单模糊控制发展到与其它人工智能领域相结合的智能模糊控制。为了提高控制器的控制效果,适应过程参数的变化对控制系统的要求,出现了在线调整模糊控制参数的自适应、自组织模糊控制器等。如在日本已经出现了基于遗传算法的模糊空调器、模糊神经元控制的空调系统等。4.4 本章小结智能控制不仅利用了控制理论知识,还利用了行业专家、控制工程师和操作人员的知识和经验,模仿了人的直觉推理,适合像中央空调这样难于建模、工况经常变化但具有控制和操作人员丰富经验的控制过程。本章主要简介了模糊逻辑控制、神经网络、专家系统这几种智能控制的特点和它们在中央

38、空调控制中的一些应用状况,说明了智能控制是很适合应用在中央空调控制的一种新型控制策略。5 系统主要硬件、软件及部分设备参数说明本文以中山古镇灯饰广场的中央空凋系统为实例,根据当前中央空调智能控制工程的配置原则、总体结构及主要技术指标,结合中山古镇灯饰广场的实际要求,按照有关设计依据进行了方案设计,并讲述了该项目设计的思路、步骤和具体的设计内容。5.1 需求分析要求对灯饰广场的通风、空调设备的运行及开关状态实行全时间的自动监测,并根据室内冷负荷需求确定冷源系统的主机运行台数,并对空调引风机、阀门进行变频变量控制,同时收集、记录、保存及管理有关系统的重要信息及数据,达到提高运行效率,节能,节省人力

39、,安全延长设备寿命的目的。空调设备主要包括:计算机1台西门子PLC S7-200 CPU226 1台配套6只EM235模拟量扩展模块西门子变频器MM440 2台离心风机2台电动蝶阀4只(配套FXS阀位指示器冷却水泵1台冷冻剂压缩机1台电流型温湿度变送器LTM8701-TR 4台热电偶变送器4台电加热器1台加湿器1台紫金桥组态软件西门子PLC编程软件5.2 主要硬件设备简介中央监控计算机采用组装高性能计算机,有良好的环境适应性,具备对复杂数据高速计算的能力,能够实施监控的整套机组的运行工况,并能保证长期稳定的运行,基本配置如下:CPU:Intel core i7 3960X主板:华硕Extrem

40、e LGA2011内旋:16G硬盘:1TB系统:windows sever 2008 图5.1 S7-200 CPU226CPU226型PLC外型如图5.1所示,其输入、输出、CPU、电源模块均装设在一个基本单元的机壳内,是典型的整体式结构。当系统需要扩展时,选用需要的扩展模块与基本单元连接。图中S7-200PLC外型底部端子盖下是输入量的接线端子和为传感器提供的24V 直流电源端子。基本单元前盖下有工作模式选择开关、电位器和扩展I/O连接器,通过扁平电缆可以连接扩展I/O模块。西门子整体式PLC配有许多扩展模块,如数字量的I/O扩展模块、模拟量的I/O扩展模块、热电偶模块、通信模块等,用户可

41、以根据需要选用,让PLC的功能更强大。CPU226的主机共有24个输入点(I0.0I0.7、I1.0I1.7、I2.0I2.7和16个输出点(Q0.0Q0.7,Q1.0Q1.7。CPU226输入电路采用了双向光电耦合器, 24V直流极性可任意选择,系统设置1M为输入端子(I0.0I1.4的公共端,2M为(I1.5I2.7输入端子的公共端。CPU226的16个输出端从Q0.0Q0.3共用1M和1L公共端,Q0.4Q1.0共用2M和2L公共端,Q1.1Q1.7共用3M和3L公共端,在公共端上需要用户连接适当的电源,为PLC的负载服务。CPU226 PLC有6个高速计数脉冲输入端(I0.0 I0.5

42、,最快的响应速度为30KHz用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号. CPU226 PLC 有2个高速脉冲输出端(Q0.0,Q0.1,输出频率可达20KHz,用于PTO(高速脉冲束和PWM(宽度可变脉冲输出高速脉冲输出。模拟电位器用来改变特殊寄存器(SM28,SM29中的数值,以改变程序运行时的参数,如定时器、计数器的预置值,过程量的控制参数。存储卡该卡位可以选择安装扩展卡。扩展卡有EEPROM存储卡,电池和时钟卡等模块。存储卡用于用户程序的拷贝复制。在PLC通电后插此卡,通过操作可将PLC中的程序装载到存储卡。当卡已经插在基本单元上,PLC通电后不需任何操作,卡上的用户程序数据会自动拷贝在P

43、LC中。利用这一功能,可对无数台实现同样控制功能的CPU22X系列进行程序写入。每次通电就写入一次,所以在PLC运行时,不要插入此卡。电池模块用于长时间保存数据,使用CPU226内部存储电容数据存储时间达190小时,而使用电池模块数据存储时间可达200天。 图5.2 MICROMASTER 440如图5.2是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。本系列有多种号,额定功率范围从120w到200kw(恒定转矩(CT控制方式,或者可达250kW(可变转矩(VT控制方式,供用户选用。本变频器由微处理器控制,并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT作为功率输出器件。因此,它们具有很高

44、的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术,可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。MICROMASTER440具有缺省的工厂设置参数,它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。由于变频器具有全面而完善的控制功能,在设置相关参数以后,它也可用于更高级的电动机控制系统。MICROMASTER440既可用于单独传动系统。主要特性有:易于安装对控制信号的响应是快速和可重复的对控制信号的响应是快速和可重复的参数设置的范围很广,确保它可对广泛的应用对象进行配置具有多个继电器输具有多个模拟量输出(020mA6 个带隔离的数字输入,并可切换

45、可NPN/PNP 接线2 个模拟输入:ADC1:010V,020mA 和-10 至+10V, ADC2:010V,020mA模块化设计,配置非常灵活开关频率高(传动变频器可到16kHz,因而电动机运行的噪音低详细的变频器状态信息和完整的信息功能4-72 型离心式通风机可输送空气和其他不自燃的、对人体无害的、对钢材无腐蚀性的气体。气体内不允许有粘性物质,所含尘土及硬质颗粒物不大于150mg/m3。气体温度不得超过80。C。该风机具有良好的气动性能,叶轮、皮带轮均经严格的静、动平衡较正,故运转平衡、振动小、效率高、寿命长等特点。广泛适用于工矿企业、大型建筑物、宾馆酒楼等室内通风换气排烟。基本参数:

46、额定电压:380V额定电流:5A额定转速:2900r/min额定频率:50Hz额定功率:15kw标准流量:7728-15445m3/ 全压:3187-2019pa 图5.3 电动蝶阀随着电动阀门的发展目前国内外有很多知名企业,现在电动蝶阀在实际应用中越来越广泛在技术,产品以卓越的品质和完善的售后服务赢得广大客户青睐,连接方式主要有:法兰式和对夹式。是工业自动化控制领域中的重要执行单元。属于电动阀门和电动调节阀中的一个品种。广泛用于纺织、电站、石油化工、供热制冷、制药、造船、冶金、轻工、环保等领域。该产品可用做管道系统的切断阀,控制阀和止回阀。完整的手动控制装置,电动或气动传动装置,可以满足不同

47、工况具体条件。符合最严格的质量要求,能够非常持久的应用。特别是在冶金钢铁,船舶行业,有着非常高的知名度。电动蝶阀适用于需要流量调节的场合。由于蝶阀在管路中的压力损失比较大,大约是闸阀的三倍,因此在选择蝶阀时,应充分考虑管路系统受压力损失的影响,还应考虑关闭时蝶板承受管道介质压力的坚固性。此外,还必须考虑在高温下弹性阀座材料所承受工作温度的限制。蝶阀的结构长度和总体高度较小,开启和关闭速度快,且具有良好的流体控制特性,蝶阀的结构原理最适合制作大口径阀门。当要求蝶阀作控制流量使用时,最重要的是正确选择蝶阀的尺寸和类型,使之能恰当地、有效地工作。中线蝶阀通常,在节流、调节控制与泥浆介质中,要求结构长

48、度短,启闭速度快(1/4转。低压截止(压差小,推荐选用蝶阀。在双位调节、缩口地通道、低噪声、有气穴和气化现象,向大气少量渗漏,具有磨蚀性介质时,可以选用蝶阀。在特殊工况条件下节流调节,或要求密封严格,或磨损严重、低温(深冷等工况条件下使用蝶阀时,需使用特殊设计金属密封带调节装置地三偏心或双偏心地专用蝶阀。电动蝶阀具有以下特性:在高温高压工况下,仍具有稳定的密封性能.它的特殊密封系统可保证从超低温至超高温各温度范围都具有较高的密封性能三维偏心密封系统加之人优化的设计,使阀门开启阻力小.蝶板密封面为一向上凸起的锥形,开启时蝶板圆周面上的各点同时完成脱离密封圈,固体物不易在密封面上堆积.阀门关闭过程

49、通过密封圈的弹性受压来完成,蝶板与密封圈之间不存在相卡现象.阀门的密封性能不受温度变化的影响.阀杆轴径密封采用石墨压制成形密封圈.综上所述确保了零泄漏,金属密封加上在火灾前,中,后均为零泄漏,故是本质火灾安全型.工作电源通常有:AC220V,AC380V等。输入信号:4-20mA 或0-10v等弱电信号。由调节型电动执行机构和阀杆连接调试好以后;以电能作为驱动力来驱动硬密封蝶阀阀板,作0-90°部分回转运动。接收工业自动化控制系统的4-20mA信号来精确控制阀门开度,从而达到流量、温度、压力等不同工艺参数的调节和控制。电流输出温湿度变送器系列是诸如图书馆、档案馆、超市、生产车间、工业

50、自动化、暖通空调、医药化工、通讯机房、环境监测、洁净厂房、智能楼宇、电信基站等环境应用的理想解决方案。选用高质量集成式数字湿度传感器作探头,保证了变送器优良的长期稳定性、低延滞性、以及强抗化学污染能力,这种变送器还具有极优的可重复性使用,维护方便,集成数字温湿度传感器可免校准快速更换,而且成本较低。典型应用:医药化工通讯机房HV AC暖通空调、环境监测电信基站图书、档案馆吧、洁净厂房智能楼宇超市、生产车间特点:极优的性价比,适用不同使用环境长期稳定性好,使用场合灵活易维护,传感器探头可免校准快速更换技术参数:供电电源:15-36VDC相对湿度:0-100%RH湿度传感器:湿敏电容湿度信号输出:

51、4-20mA (两线制精度:±2%RH(25 <±5%RH(-20-80温度测量范围:-25-+50温度信号输出:电流输出4-20mA (两线精度:±0.2热电偶变送器是由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后,再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差,最后放大转换为420mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故,变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接触不良时,变送器会输出最大值(28mA以使仪表切断电源。基本参数:输出信号:4

52、-20ma直流信号基本误差:0.5%接线方式:二线制工作电压:24v允许负载电阻:500工作环境:-25-+805.3 紫金桥组态软件简介紫金桥监控组态软件是紫金桥公司在长期的工程实践中逐步发展起来的一套计算机监控系统。使用紫金桥监控组态软件,可以方便地构造适应自己需要的“数据监控系统”,在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到控制室,并且通过局域网和Internet,可以在任何地方访问生产数据,及时了解、评价生产情况和操作水平。紫金桥监控组态软件的基本功能是数据通讯、数据管理、数据交互。具体的说,数据通讯就是从现场获取数据并将它们加工成可利用形式,把需要控制的信号通过计算机直接发送到现场

53、的执行机构,这样就建立了控制软件所需的双向连接。数据管理就是根据用户的需要,对数据进行更深层次的加工,如量程变换、报警、统计、分析等。数据交互就是根据不同用户的需求,把数据以不同的形式提交给用户以实现交互,如现场操作工需要监控,管理人员需要数据报表、工艺工程师要对数据进行分析等,紫金桥监控组态软件为不同的用户提供了丰富的交互手段。紫金桥监控组态软件已经在工程实践中经过长期的考验,已经广泛应用于石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交通、楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的过程控制、管理监测、现场监视、远程监视、故障诊断、企业管理、资源计划等系统。系统组成:紫金桥监控组态软件主要

54、由工程管理器、开发系统、运行系统、服务器、I/O驱动程序、通信程序组件和Web服务器等部分组成。开发系统又分为客户端和服务器两个版本。下面简单介绍一下它们的功能或作用:工程管理器工程管理器是整个系统的管理器,用于创建、删除、备份、恢复、选择当前工等。开发系统开发系统是一个集成开发环境,可以进行系统的配置、组态。开发系统的客户端版只能进行画面组态、变量定义、脚本程序编辑及系统配置,但不能进行数据库组态和IO驱动组态。开发系统的服务器版,除具有客户端版的全部功能还具有数据库组态和IO驱动组态功能。通常情况下,在紫金桥监控组态软件的应用至少需要一套开发系统服务器版,客户端版则可以根据用户的需要和工程

55、的实际情况进行自由选择。运行系统运行系统是用户开发出来的应用系统的结果显示,可以与最终用户(如现场操作人员等进行交互,提供流程图显示、趋势显示、报警显示、输出报表等多种数据表现形式。服务器服务器是紫金桥监控组态软件的数据处理核心,它一方面进行系统的数据处理,如实时数据的处理、历史数据存贮、报警处理、统计数据管理等,另一方面它还要为系统的其它组件提供数据服务,如运行系统、IO驱动程序、网络通讯组件等提供各种服务。服务器支持分布式访问,可以由多个数据库组成分布组群。通信程序组件通信程序采用以太网(TCP/IP、电话拨号、串口等多种通讯介质进行数据通讯,它是连接客户端(客户端开发系统、客户端运行系统

56、和服务器(RealDB的桥梁,是构成紫金桥监控组态软件分布式系统的重要组成部分I/O驱动程序I/O驱动程序是紫金桥监控组态软件与现场IO通讯的中介,它把不同的IO设备虚拟成逻辑设备,用户不必关心设备与计算机通讯的具体协议,它负责把数据从现场设备采集到实时数据库、并把控制指令下达到实际的物理设备。紫金桥监控组态软件提供了大量的常用IO驱动,包括常见DCS、PLC、板卡、智能仪表等多种IO设备。Web服务器Web服务器是为用户提供Web服务的程序,用户可以通过IE等标准浏览器来访问紫金桥监控组态软件的数据,从远程查看工业现场数据,及时了解工厂生产情况。6 中央空调控制过程6.1 模糊PID的建立中央空调的实际控制对象大多可用高阶的微分方程来描述。但为了分析简便,只要能满足一定的控制精度,常用低阶模型来近似描述控制对象的动态特性。而房间温度作为系统的控制对象,根据能量守恒定律,可建立对象房间的微分方程,它是一个二阶系统,但在控制中往往用纯迟延的阶模型来代替,仿真结果表明,用带迟延的一阶模型来近视描述控制对象完全可以满足实际应用的要求。将受控房间简化为恒温室,其经验传递函数为:G(S=0.386e0.46s4.6s+1当系统中无PID时系统的输入相应曲线如图6.1,无P