空调及冷热源实验系统设计原理方案-毕业设计

空调及冷热源实验系统设计-原理方案摘要本设计为学校实验室设计中央空调方案，拟订一个合理的中央空调系统,为室内学生和指导老师提供舒适的工作环境；同时阐述中央空调的工作原理，让学生从理性上认识中央空调，为学生从事智能化楼宇设计提供理论知识和参考方案。本设计的内容包括：简单的中央空调系统方案；中央空调原理阐述；冷热源的方案分析；PLC控制方式中央空调的原理与方案；PLC与PC机集成的方案等。设计方法是通过收集图书馆资料了解暖通空调的原理，学习一些特定的空调知识和参考原理图设计本方案的各类原理图，通过学习PLC一些知识了解PLC控制中央空调的知识和PLC与个人计算机通讯知识来编写控制方案和集成方案。本设计依据有关规范考虑节能和舒适性要求，所以本设计方案采用变风量系统。关键字：实验室，中央空调，原理方案，PLC，冷热源Thegraduationprojectdesignsacentralairconditioningsystemfortheschoollaboratory,soastocreateacomfortableworkenvironmentforthestuff.Itincludes:asimplecentralair-conditioningsystem;principleonthecentralair-conditioning,hotandcoldsourceoftheprogrammer;PLCcontrolofthecentralair-conditioningprinciplesandprogrammers;PLCandPCintegratedprogrammers.ThedesignIntroducesair-conditioningsystemthroughcollectingInformationatlibrary.Itdesignsmanyschematicsthroughlearningknowledgeofcentralair-conditioningsystem.Moreover,itIncludesandaControlprogrammerwhichisdesignedbylearningairconditioningsystemknowledgeofPLC.ItalsocontainsknowledgethathowtocreateancommunicationbetweencomputerandPLCsoastodevelopanintegratedsolution.Accordingtosomecorrelationstandard,allowforenergysafeandindoorcomfort,theairconditionsystemofthedesignisaVariableAirVolume(VAV)system.Keyword:Laboratory,Centralairconditioning,theprincipleoftheprogrammer,PLC,Coldandheatsource目录1绪论…………….1题目背景及意义……………1国内外空调状况............................................................................................1美国中央空调发展现状……………..1日本中央空调发展现状…………….2中国中央空调现状…………………..3中国中央空调发展趋势……………………3研究方法……………………4论文构成及内容……………52空调原理分析…………………..6空气调节原理………….......6空气状态参数分析…………..……..6空气处理总流程……………………..7冷热源系统原理…………...10空调器原理………….10空调器各设备功能………………….11制冷循环系统的故障分析………….12PLC控制原理………………14PLC的介绍……….…14PLC控制系统主要功能与特点……………….…....153空调冷热源的方案分析………..17实验室空调的特点………....17方案比较与抉择……………17介质分类比较…………………….....17运行方式比较…………………….....18水系统比较与选择………...203.4风系统方案确定……………22冷热源方案确定………….…23空调的控制方式……………243.空气处理机PLC控制原理……….…24冷冻水控制系统………………….…25空调数据集成………………27计算机与PLC连接…………….…….27空调监控系统构成……………….......28结论………………..31参考文献…………..32致谢……………….33附录………………..341绪论1.1题目背景及意义随着我国人民生活水平的不断提高，购买力增强。近年来修建了不少商业建筑，并且向多元化方向发展，建筑规模越来越大。装饰豪华、营销全面、多维服务，集商贸、娱乐、居住、办公为一体的高级商城也层出不穷。商业建筑的一个流动人口众多的公共场所，室内空气的温湿度、洁净度和新鲜空气量等，多顾客和商场职工的身体健康影响很大。因此，商业建筑的空气环境越来越被商业部门所重视。我国卫生防疫部门对商业建筑提出了卫生要求，对较大的重点商场还进行过监测，对一些已建的大中商场要求进行改造，增设通风设施或加建空气调节装置。新建的大中商业建筑纷纷安装了空调系统，以提高商场的档次，吸引更多的顾客。各大城市中频频展开的“商战”更加速了空调系统在商业建筑中的普及。商业建筑不断的增多，以及人们对室内空气的温湿度、洁净度和空气品质问题越来越重视。因此迫切需要为商业建筑物安装配置节能、健康、舒适的中央空调系统来满足人们对高生活水平的追求。为了让在校学生能够更好的了解空调系统（集中式空调）的结构，让学生更好的掌握书本的基础知识和实际的联系，空调及冷热源实验室原理分析可以让学生更好的提高对空调的认识，同时通过理论和对系统观察的感性认识上升为理论认识。目前，随着我国经济的逐步增长，居住条件日益改善人们对生活环境的舒适性的要求越来越高，对中央空调的需求越来越大，对中央空调舒适、健康更加关注。因此，设计一项舒适、健康的中央空调工程是很有实际意义的[2]。国内外空调状况美国中央空调发展现状：美国的中央空调普及率较高，这与其良好的居住条件以及较高的生活水平是分不开的。美国是世界第一经济大国，人民生活水准较高，对居住的舒适性要求也较高，这些都促进了该国中央空调的普及使用。美国的别墅型住宅具有宽敞、高大的特点，通常由中、高收入的家庭居住。由于其层高较大，具有足够的建筑空间用于布置风道，因此在美国，风管式系统在家用小型中央空调中所占的比重相当大。同时，由于美国居民对家用空调舒适性的要求较高，因此多采用有新风的风管式系统。目前，美国风管式系统的年产量约为600万台/年，占其家用空调产量的一半左右。美国的公寓型住宅适合于中、低收入的人群居住，其家用空调的型式以窗式空调器为主，也有采用小区供冷/热水的，一般不使用家用小型中央空调。目前美国窗式空调器年产量约为600万台/年，占其家用空调产量的一半左右。美国的中央空调的型式以风管式系统为主，其具体形式多种多样。风管式单元空调系统和风管式空调箱系统在美国的应用都很广泛，此外，集成了燃气炉的家用小型中央空调系统在美国的应用也非常普遍。此种家用小型中央空调系统在供冷季由制冷机组提供冷量，在供热季由燃气炉提供热量，对室内回风和新风进行处理，消除房间空调负荷，同时也可以满足家庭生活热水的需求[9]。日本小型中央空调发展现状：与美国以风管式系统为主的特点不同，日本的家用空调走的是一条"氟系统"为主的发展道路，从窗式空调器到定速分体式空调器，再到变频分体式空调器。同样，日本的家用小型中央空调也以冷剂式空调即VRV系统为主。

在世界冷剂式空调行业中，在二十世纪九十年代以前，60％的市场被日本所占有，并且在设备开发和控制技术上都处于世界最前沿。这为日本发展VRV系统提供了技术保证。同时，日本国土面积小而人口众多，人口密度非常大，其住宅多属于高密度住宅，建筑结构较为紧凑。一般层高均较低，不适合于布置需要占用较大层高的风管式空调系统。而且日本是个国内资源匮乏的国家，其能源消耗主要依赖于从国外进口，因此该国非常强调节能。家用空调作为能源消耗大户，其节能技术的开发尤其受到重视。VRV系统的节能性是其在日本得到广泛应用的一个重要原因。另外，对于专业的空调安装队伍来讲，VRV系统的安装非常规范，施工费用低。以上这些因素决定了日本家用小型中央空调的型式以VRV系统为主。

此外，在日本，对于比较高档的别墅住宅，也有采用风管式系统的，风管式单元空调系统和风管式空调箱系统都有应用。对于面积很大的高级住宅还采用新风机组+风管式空调箱系统，通过新风道将室外空气引入室内，运行时需要关闭房间所有的窗户，原则上可实现全年连续运行。对于中级住宅或规模较小的高级住宅也有采用冷/热水机组的，在这种系统中，室内末端装置多采用落地式风机盘管，当采用吊顶式风机盘管，在冬季供热时，室内上下温差太大，通常辅以电热壁毯作为辅助热源[9]。中国中央空调现状中央空调在世界上已有百年的发展历史，在中国也有20多年的应用时间，然而真正引起国内企业关注还是近几年。目前国内市场中央空调领域竞争已经进入白热化阶段，随着价格战连绵不断，在家用空调领域几乎已经无利可图的企业纷纷开始在中央空调领域寻找新的发展空间和利润增长点。2003年中央空调市场容量将达到85亿元，2005年达到200亿元以上。市场空间迅速巨大，而利润至少是40%以上。这对于众多在市场上艰难逐利的企业，尤其是仍在价格战中挣扎的家电企业来说，无疑是极其诱人的。与家用空调行业相比，中央空调仍保持较高利润空调，这使得由原来约克、大金、开利等国外品牌所占领的国内中央空调市场开始发生变化，国内一些品牌也纷纷进入这个领域。中央空调领域存在激烈的竞争：a.品牌竞争前几年还是约克、大金、开利等国外品牌占领国内商用空调市场，近几年已风生水起，海尔、美的、格力、松下、LG等企业纷纷进入这一领域，以争取更多主动权。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。b.技术竞争中央空调品种多，发展迅速。在中央空调发展趋势中，健康、环保、节能也将是永远的主题。中国中央空调市场虽然还处于发展初期，但是不少企业已经在上述方面做了诸多尝试，以下是在市场上应用的几种不同类型中央空调[2]。1.3中国中央空调发展趋势：随着我国经济的逐步增长，居住条件日益改善，人们对生活环境的舒适性的要求越来越高，对中央空调的需求越来越大，家用空调从奢侈品变成了舒适家居的不可缺少的重要部分。中国的国情与美国和日本都有很大的不同，因此，在发展家用小型中央空调的道路上，应当结合中国自身的特点，在仔细分析中国具体国情的基础上，推进我国在中央空调领域中的研究和应用。第一，我国是一个幅员辽阔的国家，地理、气候条件极为复杂，拥有多种多样的气候类型。这就必然要求我们的中央空调具有多样性的特点。如何根据不同的气候特征选择合适的空调型式，如何在系统设计中充分考虑不同气候的影响，这是我们在发展中央空调时应当考虑的问题。

第二，我国经济发展水平地区差异性大，在不同的地区人们对空调的需求不一样。即使在同一地区，由于人们的收入水平不一样，住宅形式也千差万别，而且生活习惯也不尽相同，因此对家用空调的需求也是多层次的。如何针对不同层次的用户设计不同型式的家用空调，这也是值得研究的一个问题。第三，从能源的角度来看，我国虽然能源总量很大，但由于人口众多，人均能源拥有量不高，能源供应相对较为紧张。而住宅空调在当前的能源消耗结构中所占的比重是非常大的。这就要求我国的家用小型中央空调的发展必需注重节能性，一方面要注重提高机组本身的能效比，另外一方面应当注重能源的综合利用。这样也就对变流量技术、蓄能技术、能源综合利用技术等提出了更高的要求。第四，从环境的角度来看，目前我国环境污染的问题较为突出，许多城市出现了诸如"热岛"效应、空气污染等现象。考虑上述问题，一方面是要求所开发的家用小型中央空调必须具有环保的特点，把对环境的影响尽量减小到最小，另一方面是要充分考虑到环境污染对空调系统本身的性能带来的影响，针对它进行一些相应的设计。例如，在使用风冷热泵作为室外主机时，目前我国大城市中污染较为严重的空气对机组换热性能的影响就应当充分考虑[3]。研究方法：通过对基本集中式空调的系统构造和工作原理结合理论教材加深对集中式空调系统的了解，根据本思想可把空调系统划分为三个部分：1、外部安装系统，包括通风道的结构、空调外部结构等；2、冷热源系统，空调制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成，其工作过程如下：制冷剂在压力温度下沸腾，低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力，然后送往冷凝器，在压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质(通常机房空调采用的空气)，与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其他节流元件进入蒸发器。3、控制系统，包括风量控制，湿度控制，温度控制以及远程监控。本论文主要由原理部分和方案部分构成。第一章是绪论讲述了设计本论文的目的、分析了国内外的空调的状况、方案的研究方法及论文的基本内容等。第二章讲述的是原理部分，原理部分分别讲述了空气调节原理，空调器原理，PLC控制原理。第三章介绍了空调方案，方案部分介绍了根据空调安装地的状况对空调方案的各种比较，方案的确定，控制方案，监控方案等。2空调原理分析在空调原理分析里，根据系统的构成将系统原理分为空气调节原理、冷热源原理和控制原理。一般空调系统包括进风、过滤、热湿处理、输送和分配、冷热源等几个部分，如下总体框图所示[1]。总体框图：空气过滤部分空气过滤部分空气热湿处理部分实验室冷热源部分冷冻水热水进风部分回风部分图2.1实验室空调系统构成空气调节原理一般来说，空气调节主要是指空气的温度、相对湿度控制。空气调节的过程实际上是空气从一个状态变化到另一个状态的过程，当被调节的空气状态偏离了设定值，就需要进行空气调节。空气调节原理就是应用空气状态参数相互间的关系，通过合理的加热、加湿、冷却、去湿步骤，使空气的状态发生人为的改变，到到设定状态。空气的状态参数空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体。干空气由75.55%的N2，23.1%的O2，0.05%的CO2和1.3%稀有气体组成。空气的状态参数有温度、湿度、压力等1、温度。表示空气的冷热程度，热力学温度和摄氏温度的关系为T=273+t空气温度的高低，直接影响到人体的舒适感，甚至是健康状况。环境温度对科研和生产环节的影响也是很大的。因此，在空气调节中，温度是衡量空气环境对人体和生产是否合适的一个重要参数。湿度。人体感觉的冷热程度，不仅与空气温度的高低有关，而且还与空气中的水蒸汽的多少有关，即与湿度有关。在空调设计中，含湿量和温度一样，是一个十分重要的参数，它反映了空气中带有水汽量的多少。在任何空气发成变化的过程，例如加湿或者干燥过程，都可以用含湿量来反映水汽量增减的情况。空气中的湿度有以下几中表示方法：（1）绝对湿度x.1m3湿空气中含有的水汽量（KG），称为空气的绝对湿度。它和水汽分压力PC有如下关系：x=Pc/(Rc*T),其中Rc是水汽的气体常数，等于461J/Kg*k,T是空气的热力学温度。它表明，当温度一定时，水汽分压力Pc（2）含湿量d.在空气中一般都用1Kg干空气中含有的水汽量（由于数量不大，一般用g来衡量）来表示空气湿度，这样就可以排除空气温度和水汽量变化时湿度这个概念造成的影响。这种湿度习惯上称之为含湿量d。（3）相对湿度。相对湿度表示空气湿度接近饱和绝对湿度的程度。100%相对湿度时空气达到饱和。所谓饱和绝对湿度，即指空气中的水汽超过了最大限度，多余的水汽开始发成凝结的水汽量。在一定的温度下，相对湿度愈大，这是空气就愈潮湿，反之，空气就愈干燥。在空调中，相对湿度是衡量空气环境的潮湿程度对人体和生产是否合适的一项重要指标。空气的相对湿度大，人体不能充分发挥出汗的散热作用，变会感到闷热；相对湿度小，水分便会蒸发得过多过快，人体会感觉口干舌燥。在生产过程中，为了保证产品质量，也应对相对湿度提出一定的要求。压力。在空调系统中，空气的压力有时是用绝对压力与当地大气压的差值（称为工作压力）来表示。有的工作场所需要正呀来防止不洁空气的侵入，有的工作场所需要负压来防止有害空气的扩散。在空调中，经常会用到水汽分压力这个参数。水汽分压力的大小反映了水汽的多少，是空气湿度的一个指标[1]。.2空气处理总流程例如在温度为220C、相对湿度为37%的环境利用空气调节原理将空气调节到18022220冷却、去湿表冷器0加湿Pc>1200Pa加热到18180相对湿度100%0图2.2空气调节处理流程1020304050607080901002510203040506070809010025222018161412108642图2.3空气调节处理图t/0相对湿度%10203040506070809010010203040506070809010025222018161412108642图2.4冬季新空气加热加湿处理t/0相对湿度%10203040506070809010025222018161412108642图2.5夏季新空气减温去湿处理t/0相对湿度%冷热源系统原理空调器原理空调器根据其结构可分为：1、整体式，整体式空调器结构分类为窗式、穿墙式移动式空调器等。2、分体式，分体式空调器分为室内机组和室外机组。室内机组结构分类为吊顶式、挂壁式、落地式、嵌入式等。3、一拖多空调器。4、特殊要求，特殊功能的空调：如电器柜空调，恒温机组，车载空调等等[12]。尽管不同类型的空调结构有很大的差别，但其制冷原理是相同的，离不开制冷系统的四大件：压缩机，冷凝器，节流装置，蒸发器。本设计是采用压缩式制冷方式，在压缩式制冷方式中，载冷剂一般是水，制冷剂一般采用R12或R22，工作原理如下图：压压缩机冷凝器气液分离器蒸发器过滤器供水温32回水温7回水温37供水温1四通换向阀图空调器工作原理图制冷循环：，压缩机将高温高压的气体排到室外换热器冷凝，散热的制冷剂凝结成液体经过过滤器、单向阀、毛细管、截止阀，通过连接管进入室内机蒸发器。液态制冷剂在蒸发器中吸热汽化变成低温低压的制冷剂蒸气，低温低压的制冷剂蒸气被压缩机吸入进行压缩，进入下一个循环，达到降温除湿的目的。制热循环：压缩机将高温高压的气体经过四通换向阀，通过截止阀、连接管，排入到室内机组，在室内换热器（此时作为冷凝器）放热后，制冷剂冷凝成液体，经过连接管进入室外机组，经截止阀、过滤器，制热毛细管、主毛细管、过滤器进入换热器吸热汽化。达到从室外吸热并将其排到室内，使室内温度升高的目的。空调器各设备的功能压缩机是动力源，为制冷系统正常运行建立了高低压；节流装置调节制冷剂流量；蒸发器冷凝器用于热交换。通过合理匹配压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置之间的关系，从而获得最佳的系统状态参数，通过测试制冷系统得工作参数就可以判断空调的工作状态是否正常，可用于空调制冷系统的维修，相关参数参见表1。实物图如下：冷凝器:是输出热量的设备，将制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量排放给冷却介质。节流阀:对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。蒸发器:是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。冷媒种类工况冷量W功率WCOP电流A排气温度℃吸气温度℃冷凝压力kg/cm2蒸发压力kg/cm2表测试数据冷媒种类工况冷量功率COP电流A排气温度吸气温度冷凝压力蒸发压力R22制冷251092786制热283888471R407C制冷248298378制热278293162R410A制冷255091076制热289085356制冷循环系统的故障1、冷凝效果不良引起的制冷系统故障冷凝效果不良导致传热效果恶化，压缩机排出高温高压的气体，不能有效的散热，冷凝压力不断升高，直至压缩机热保护器动作停机。导致冷凝效果不良的原因有：室外电机不转；冷凝器积灰太多；电机电容击穿；空调的安装位置不当，空气循环短路。2、蒸发效果不良引起的制冷系统故障蒸发效果不良，液态制冷剂不能完全蒸发吸热气化，导致大量的液态制冷剂流入压缩机，蒸发效果不良，还会导致室内机结霜，长时间运行还会结冰，当关机时，冰块会落下。出现蒸发不良故障，应检查：电机是否转动，不转检查电容是否击穿，插头是否松动，电机是否烧坏；检查过滤网是否堵塞；检查出风口是否覆有障碍物。3、制冷剂过多或过少引起的制冷系统故障加液量过多，多余的制冷剂占据了冷凝面积，影响了冷凝效果，同时大量制冷剂液体不能完全蒸发导致制冷量下降。加液量过少，液态制冷剂未进入蒸发器之前就蒸发，会导致进气管结霜,压缩机吸气温度升高,排气温度升高，压缩机壳体温度升高,热保护器动作，导致停机。系统泄漏是导致制冷剂减少的主要原因，泄漏量小的补加制冷剂即可，泄漏量大的则找出漏点补焊,抽真空加液。4、系统混有空气引起的制冷系统故障系统混有空气，空气绝热指数大，导致排气温度升高，压缩机负荷增大，压缩机温升增加，引起压缩机热保护。此外空气在此压力不能被冷凝成液体，占据了了冷凝面积，影响了热交换，制冷效果急剧下降。系统混入过多的空气，可能使冷冻机油分解或劣化，造成毛细管堵塞或绝缘不良，因此在安装维修时，保证制冷系统的真空度是非常重要的。R407C或R410A是由三种物质或两种按一定的质量比例组成的非共沸混合物，由于各部分的物理性质有所差别，其气态与液态组成的比例也不相同，在实际安装使用过程中，一旦发生泄漏，会造成整个系统内制冷剂质量组成比例的改变，引起空调器制冷性能下降。分体机要安装时，不能采用像以R22为制冷剂的机组那样的排空气方法，应在接好室内外配管后，从加液口充注高压氮气并用肥皂沫检漏确认系统不漏后再放掉氮气，用真空泵抽空，排除室内机和连接管道内的空气，以液态加入制冷剂，再打开高、低压阀、开机试运行。在机组内制冷剂发生泄漏以后，不应直接添加，应先回收机内剩余制冷剂以后，再向机组内充入高压氮气，找出泄漏位置，处理完毕后重新抽真空,并以液态方式充入标注量。5、系统含水引起的制冷系统故障因为新工质所用得POE油对水分很敏感，所以对压缩机和系统的水分提出了更高的要求。为了降低压缩机的内的水分，已经对压缩机的零件及POE油中所含的水分进行了严格的处理。因为POE油饱和吸水性是R22对应矿物油的26倍，所以要求已注油的压缩机在空气中的暴露时间要尽量短，因此建议R407C压缩机装入系统时才拔下压缩机的橡胶塞为最好，最长不超过3分钟焊入系统。卤代烃类制冷剂在含水情况下会水解成酸性物质，对金属有腐蚀作用。所以含水的制冷剂和润滑油的混合物能够溶解铜，当制冷剂在系统中与铜或铜合金接触时，会产生度铜现象，它会影响压缩机的运动部件的配合间隙，以及吸、排气阀的密封，严重时使压缩机无法正常工作。R22难溶于水，一般规定含水量不大于60-80mg/kg。系统中的含水量如超过规定值制冷剂液体经过毛细管节流后，温度下降，水在制冷剂中的溶解度下降，水从制冷剂中析出，如蒸发温度低于零度，水分就凝结在毛细管内壁造成冰堵，毛细管出口结霜,蒸发压力降低，用火灼烧,霜能化掉,系统运行正常,这时可在截至阀与回气管之间接一支大容量的干燥器,让系统运行,去除水分。6、系统有杂质引起的制冷系统故障系统在焊接中形成的氧化皮以及未清除的污垢，如被压缩机吸入，造成压缩机效率下降。系统杂物还包括系统高温运行形成的污物。所有这些杂物会集聚在过滤器上，形成脏堵。脏堵的故障现象与冰堵同，但用火灼烧故障现象不能消退，此时应更换过滤器。制冷系统加工、安装可能残留的金属屑以及压缩机内部磨损的金属屑等如果落在绕组上，长时间的运转金属屑会划破漆包线，引起短路。[4]2.3PLC控制原理中央空调冷冻系统的控制有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反，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。PLC的介绍：可编程控制器是计算机家族中的一员。于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,即简称为PLC。PLC具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。PLC的体系结构：PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图所示：编程器编程器中央处理单元CPU输出设备系统存储单元输入设备用户存储单元电源图2.7PLC硬件的基本结构PLC控制系统主要功能与特◆数据显示功能显示机组的运行参数，包括冷水出口温度、冷水入口温度、冷却水出口温度、冷却水入口温度、蒸汽压力、蒸汽阀门开度，以及溶液泵、冷剂泵等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息◆历史数据的存储及检索功能对重要的数据进行在线存储，数据的存储时间最长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据。◆控制功能根据设定的参数，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。控制系统有三种运行方式：就地手动、软手动和自动。就地手动就是通过就地手动操作设备对机组进行控制，软手动是通过PLC对机组进行手动控制，自动则是根据编好的控制程序自动控制相关设备的启、停及调节量。采用程序控制方式，杜绝冷剂污染，有效便捷地实现冷水、冷却水的变频控制。通过有效合理地开、停控制，达到启动速度快、停机时间短的目的，即能节省能耗，还能避免结晶，从而提高中央空调系统的安全性和经济性。◆连锁与保护功能各机组相关设备的启、停具有一定的连锁关系和时间顺序，该功能由PLC的连锁程序完成。同时，为保证机组的可靠运行，对相关参数采取了一定的保护措施，如冷水、冷却水与机组的连锁控制、冷却水系统与冷却塔的连锁控制等。系统特点：◆灵活性本控制系统选用可利用公司的小型一体化PLC代替传统空调主机控制系统中的单片机，较大程度地提高了系统配置及控制的灵活性，能更好地满足不同用户的不同需求。同时，明显缩短了程序开发周期。◆高可靠性PLC控制核心能够在恶劣的环境中长期可靠、无故障运行，并且易接线、易维护、隔离性好、抗腐蚀能力强，能适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔(MTBF)大于15年。◆强大的功能现代的PLC的编程语言遵从易学、易懂、易用的标准。除了具备传统PLC助记符和梯形图编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图编程功能。PLC提供各种功能模块，包括各种通讯功能选择、通讯参数设置，以及可以具体到某年、某月、某日、某个时刻的多种定时器和超长定时器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。◆优良的开放性上位软件Focsoft3.1支持DDE、OPC、ODBC、SQL，并提供丰富的API编程接口，方便接入其它系统。[5]3空调冷热源的方案分析3.1实验室空调的特点本设计主要是为学校实验室设计一套供参考的的空调方案，除了可供实验室供冷热之外，此方案最好有扩展能力：如可以协助实验室以外的建筑例如办公室供冷热，因此设计集中式空调是本设计的首选。建筑的特点本实验室位于广州大学城广东工业大学内，气候特点与广州地区比较相似。广州位于东经113°17',北纬23°8',广州位于南亚热带季风气候区内，气候特点是：气温高、降水多、霜日少、日照多、风速小、雷暴频繁。气温高：年平均气温℃。实验室与办公室的外围护结构多为钢筋混凝土的框架结构,采用自重的轻型墙体材料作为外围护结构，其南北两面有1.5*3的玻璃窗组。使用特点实验室与办公室的使用时间和性质基本上相同，基本上是在上课办公时间对外开放，其对冷量要求也近乎一致。因此使用集中式空调不会因为时间上的差异而造成资源浪费。同时集中式空调也方便管理，方便维修！3.2方案比较与抉择介质分类比较、选择按负担室内空调负荷所用的介质来分类可选择四种系统——全空气系统、空气—水系统、全水系统、冷剂系统。全空气系统分一次回风式系统和二次回风式系统，该系统是全部由处理过的空气负担室内空调冷负荷和湿负荷；空气—水系统分为再热系统和诱导器系统并用、全新风系统和风机盘管机组系统并用；全水系统即为风机盘管机组系统，全部由水负担室内空调负荷，在注重室内空气品质的现代化建筑内一般不单独采用，而是与新风系统联合运用；冷剂系统分单元式空调器系统、窗式空调器系统、分体式空调器系统，它是由制冷系统蒸发器直接放于室内消除室内的余热和余湿。全水系统和冷剂系统只能消除室内的余热和余湿，不能起到改善室内空气品质的作用，所以全水系统和冷剂系统在本次的建筑空调设计时不宜采用。全新风系统和风机盘管机组系统并用比集中式空调少了回风道，但是靠风机盘管机组本身解决新风量是困难的。在过度季节和冬季利用室外空气降温的时间较短，因而无法实现全年多工况节能运行调节。由于机组剩余压头小，室内气流分布受到限制。同时在机组中不可能使用高性能的空气过滤器，空气洁净度不高。水系统复杂，易漏水。[8]全空气系统分一次回风和二次回风系统，因本设计中规模不算大，也不复杂，所以用一次回风系统可以节约成本。综上所述，本方案采用全空气的一次回风系统。如下图：实验室实验室空气处理机组新风回风送风图3.1一次回风系统流程原理图运行控制方式比较、选择集中式空调系统又称中央空调系统，按处理空气的来源，集中式空调系统可分为封闭式系统、直流式系统和混合式系统。如图示：封闭式系统新风量为零，全部使用回风，其冷热消耗量最省，但空气质量差。直流式系统的回风量为零，全部采用新风，其冷热消耗量最大，但空气质量好。混合式系统采用适当的比例的新风和回风混合。这种混合系统既能满足空气质量的要求，经济上又比较合理，因此是采用最广的集中式空调风机空气热湿处理系统风机空气热湿处理系统实验室实验室实验室其余房间回风风机（a）封闭式集中空调空气热湿处理系统实验室空气热湿处理系统实验室实验室实验室其余房间回风风机(b)直流式集中空调新风回风空气热湿处理系统实验室实验室实验室其余房间回风风机(c)混合式集中空调新风回风集中空调比较图集中式空调系统有定风量（ConstantAirVolume,CAV）和变风量(VariableAirVolume,VAV)控制方法。CAV控制方法是系统送风量不变，通过调节送风的温湿度来满足室内负荷的变化，以维持室内空气状态在人们去求的范围。具体操作是根据新风和回风的温湿度来调节冷/热水流量以及加湿阀的开度、新风和回风阀门比例。VAV控制方法是系统送风温度不变，同过调节送风的多少来满足室内负荷的变化，以维持室内空气状态在人们需求的范围。变风量可以用变频器调速机和电动风门来实现，根据新风和回风的温度来调节风机转速或风门的开度、新风和回风阀门的比例[1]。根据以上比较，这次方案宜采用混合式的变风量集中式空调系统。3.3水系统方案设计空调水系统包括冷水系统和冷却水系统两个部分，它们有不同类型可供选择[12]。空调水系统比较表类型特征优点缺点闭式管路系统不与大气相接触，仅在系统最高点设置膨胀水箱与设备的腐蚀机会少;不需克服静水压力，水泵压力、功率均低。系统简单与蓄热水池连接比较复杂开式管路系统与大气相通与蓄热水池连接比较简单易腐蚀，输送能耗大同程式供回水干管中的水流方向相同；经过每一管路的长度相等水量分配，调度方便，便于水力平衡需设回程管，管道长度增加，初投资稍高异程式供回水干管中的水流方向相反；经过每一管路的长度不相等不需设回程管，管道长度较短，管路简单，初投资稍低水量分配，调度较难，水力平衡较麻烦两管制供热供冷合用同一管路系统管路系统简单，初投资省无法同时满足供热、供冷的要求三管制分别设置供冷、供热管路与换热器，但冷热回水的管路共用能同时满足供冷、供热的要求，管路系统较四管制简单有冷热混合损失，投资高于两管制，管路系统布置较简单四管制供冷、供热的供、回水管均分开设置，具有冷、热两套独立的系统能灵活实现同时供冷或供热，没有冷、热混合损失管路系统复杂，初投资高，占用建筑空间较多单式泵冷、热源侧与负荷侧合用一组循环水泵系统简单，初投资省不能调节水泵流量，难以节省输送能耗，不能适应供水分区压降较悬殊的情况复式泵冷、热源侧与负荷侧分别配备循环水泵可以实现水泵变流量，能节省输送能耗，能适应供水分区不同压降，系统总压力低。系统较复杂，初投资较高根据以上各系统的特征及优缺点，结合本办公楼情况，本设计空调水系统选择闭式、同程、双管制、单式泵系统，这样布置的优点是过渡季节只供给新风，不使用风机盘管的时候便于系统的调节，节约能源。图3.3水系统设计图夏季供冷时，冷水机组制出70C的冷水，经过冷水泵送至分水器7，然后，由分水器分别送至空调不同区的设备9处。经换热后，水温升至冬季供热时，热源设备制出550C或60.1分水器和集水器供水集管又称分水器（或分水缸），回水集管又称集水器（或回水缸），它们都是一段水平安装的大管径钢管。冷水机组生产的冷水送入供水集管，再经供水集管向各支系统或各分区送水，各支系统或各分区的空调回水，先回流至回水集管，然后由水泵送入冷水机组。供回水集管上的各管路均应设置调节阀和压力表，底部应设置排污阀或排污管（一般选用DN40）。供回水集管的管径按其中水的流速为～0.8m/s范围确定。管长由所需连接的管的接头个数、管径及间距确定，两相邻管接头中心线间距为两管外径+1200mm，两边管接头中心线距集管断面宜为管外径+60mm膨胀水箱膨胀水箱的作用是收容和补偿系统中的水量，同时还起到定压的作用，因此，膨胀水箱已经成为空调系统中的主要部件之一。冷却塔冷却塔（coolingtower）：其作用是使在冷冻机的冷凝器中被吸收热量后的冷却水成水滴状下落，使其中一部分蒸发，靠气化热的作用降低温度的装置。风系统方案的确定根据要求建筑和对空调系统的比较，本方案采用了变风量空调系统。变风量系统的特点：1、能实现局部区域的灵活控制，可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节自己的工作环境；不在需要加热方式或双风管方式就能适应多中室内舒适要求或工艺设计要求；完全消除再加热方式或双风管方式的热冷混合损失。2、自动调节各个空调区域的送入能量，在开率同时使用系数的情况下，空调器总装机容量可减少10%~30%左右。3、室内无过热过冷现象，由此可减少空调负荷15%-30%左右。4、部分符合运转时可大量减少送风动力、根据理论模拟计算，全年平均空调负荷率为60%时，变风量空调系统可节约风机动力78%。5、可应用于民用建筑、工业厂房、研究所、电视台、影剧院、动物室及其他特殊的设施；可适用于采用全热交换器的热回收空调系统及全新风空调系统。6、可避免凝结水对吊顶等装饰的“水患”影响，并方便二次装饰分割。总之，变风量空调系统较定风量空调系统和风机盘管系统而言，具有舒适、节能、安全和方便的优点，应该得到越来越多的重视[8]。以下是末端调节变风量系统图空气热湿处理系统空气热湿处理系统实验室实验室实验室其余房间回风风机图3.4末端调节变风量系统图新风回风VAVBOXVAVBOXVAVBOXVAVBOX风机冷源的确定空调装置常用冷源的制冷方式主要分为蒸气压缩式制冷和吸收式制冷两类。本设计采用的是模块化活塞式冷水机组，机组布置在一楼机房的方案。模块化冷水机组的容量可以根据负荷变化情况进行组合，调节灵活，部分负荷时运行性能好，占地面积小，是整体型机组的50%左右，而且运输安装灵活方便，特别适合于工程改造。热源的确定因为实验室位于南方，冬季不会太冷所以可以选择热泵供热方式，从热力学原理可知，通过制冷系统的逆循环过程即可进行供热，其供热的COP值可达到3-4，显然高于电热方式。控制系统主要由中央空调集成控制系统（PC机和PLC组成），温度传感器，变频器，以及相应的专用电源柜等组成。主要控制原理是：温度传感器输出电信号到PLC，PLC将所得电信号经由PID处理后输出，经由变频器去驱动水泵，实现全过程的闭环自动调节。当温差变大、偏离定值时，变频泵会自动加速，使出/回水温差往定值靠近；反之，当出/回水温差下降，变频泵自动减速。结构图如图PCPCPLC温度传感器水泵管道1KM2KM3KM4KM变频器变频器图3.5控制系统工作过程空气处理机PLC控制原理CCC温度传感器风阀执行器风阀执行器湿度传感器湿度传感器过滤网新风冰冻水回水比例阀变频器风机风机执行器PLCA1A0D1D0回风X1X1X1X1X1X1X1X1X1X3X1图3.6空气处理机PLC控制原理1.当启动空气处理机时，PLC发出控制指令。首先开户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相比较后，用PID方式控制变频器，从而调节风机的转速，达到调节回风温度的目的。4．当过滤网前后压差超出设定值时，PLC发出过滤堵塞报警信号。5．当空气处理机停止运行后，新风门、回风门和冷水电动阀回复到全关位置，并关停冷水环泵。冷冻水控制系统对于冷冻水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，而回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为：5℃（比如：出水7℃，回水12℃），现采用在蒸发器出水管和回水管上装有检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水温差（如：△控制器控制器变频器温度检测水泵水温温度设定电信号电信号V/P转速对于冷冻水系统，由于低温冷冻水的温度取决于冷却塔的工作情况，我们只需控制高温冷冻水（冷凝器出水）的温度，即可控制温差。现采用温差变送器、PID调节器和变频器组成闭环控制系统，冷凝器出水的温度控制在T2（如：37℃温差调节温差调节变频器电机冷凝器温差反馈冷冻水泵冷却塔图3.8冷却水泵控制方案图在管道中取压力信号采样和温差变送器，通过PID调节器进行优化计算，通过PLC控制变频器，以此控制3台水泵电机的运行，系统启动开始工作，当第1台电机运行至工频状态时，如管网压力不够，变频器控制第2台电机开始工作，若工作到工频状态时管网管压仍不够时，变频器自动切换至第3泵使其变频运行，第1、2台电机工频运行，直至管网所需管压。当外部需求降低，管网管压提高时，第3台运行停止，变频器自动切换至第2泵，使其工作在变频状态下若还达不到要求，再切换至第1电机，如此周而复始，始终让系统工作在最优、最佳、最省的工作状态[6]。3.7空调数据集成方案计算机与PLC连接因为本系统采用PLC控制方案同时为了方便管理和监控，需要对中央空调进行网络化通讯，PLC与PC之间可通过RS232C进行连接。一台PC机可以给最大16个PLC进行通讯，通讯方式是全双工方式，因此可以通过计算机修改空调的参数。下图是计算机与PLC的连接图[5]：计算机计算机RS232CFX-485PC-IFFX-485ADPFXONFX2NCFX2NC+FX-CNV-BDFX1S+FX-CNV-BDFX1N+FX-CNV-BDFX-485ADPFX2FX2CFX2NC+FX-48-BDFX1S+FX-485-BDFX1N+FX-485-BDA系列PLCRS485（422）图计算机与PLC连接图当在此系统中不包括FX2N-485-BD时，延伸距离最大500m（使用时：最大50m）此网络的站点数最大是16个[13]。PLC与PC机连线规则如下[13]：图PLC与PC连接规则空调监控系统的构成本论文采用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、全数据化、通讯距离长、多结点、通讯方式灵活、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，控制功能较明确，同时任何一台智能控制器发生故障都不会影响到其他设备的正常运行，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比较[14]如下表：表3.2现场总线类型比较特性现场总线类型FFProfibusHARTCANLonworks应用范围仪表PLC智能变送器汽车楼宇自动化工业自动化OSI网络层次12381271271271~7通讯介质 双绞线、电缆、光纤、无线双绞线、光纤电源信号线双绞线、光纤双绞线、电力线、电缆、光纤、无线介质访问方式令牌、主从令牌主从令牌查询位仲裁P-PCSMA纠错方式CRCCRCCRCCRCCRC通讯速率1Mbps最大结点数3212815110248优先级有有有有有保密性————————身份证本质安全性是是是是是开放工具有有——有有相比上表的各种现场总线，Lonworks完全满足未来对测控网络的要求。空调监控系统的基本结构如下图所示[15]：智能网络适配器智能网络适配器路由器智能节点 智能节点 智能节点智能节点Lon网络Lon网络PC监控器图监控系统基本结构它可将数据检测、数据处理、系统监控结合。它主要由PC机，现场只能结点、网络适配器、路由器和通讯介质组成，由现场总线担任过程现场与安装在控制室之间，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截止信息转换的功能，传输的距离受节点中手发器类型的限制。1）网络监视用PC机主要实现网络管理方面的各种功能，监视和管理所连子网及所有现场智能节点，包括温度节点、登陆节点，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）现场智能节点它们是一些带有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