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1、地源热泵系统的节能变流量模糊控制自控系统设计一、自控系统概述 地源热泵中央空调是一种先进、高效、节能、环保的空调系统，是对可再生的地热能资源的一种运用。面对当前日益严重的环境问题和能源紧缺危机，合理高效的利用地热资源是解决环境和能源问题的有效途径。本设计方案根据地源热泵空调节能和负载平衡要求，将变流量模糊控制引入到地源热泵空调控制系统中，通过采用模糊控制算法以及变频技术，设计了一种基于模糊控制和PID自整定控制相结合的地源热泵空调变流量节能PLC自动控制系统。该系统结合了专家实践经验及控制规则，它通过数学模型，充分利用了PID控制器的稳态响应精度较高和模糊控制对时滞和参数不敏感的特性，更好的实
2、现了地源热泵空调室内环路变负荷运行，最大程度上减小系统的运行能耗。通过在PLC上实现变流量的模糊复合控制，使系统不仅抗干扰能力强、可靠性高，同时方便扩展。整个运行优化的自动控制系统选用研华工控机、西门子可编程控制器和西门子系列变频器和进口西门子Win CC组态软件，采用分散控制、集中管理、综合监控的模式，分为现场控制和远程控制两个部分，现场控制系统集成于控制箱中，安装在控制现场，远程控制通过网络数据实现对地源热泵中央空调系统的远程优化控制。现场控制部分控制灵活，既可以实现自动闭环控制，也可以根据需要切换成手动操作模式,人为的根据外部条件和系统负荷实现手动操作。远程监控系统部分采用MODBUS
3、RTU协议总线，实现了对监控点的实时监测，对地源热泵系统的工艺流程进行动态显示，用户可以实时了解地源热泵中央空调系统的运行状态，或远程进行相关的设置和操作，用户可根据需要自行进行相关设置，方便直接，扩展性能好。 整个监控系统可以通过安装在地源热泵空调系统的各种传感器，检测各个监控点的测量参数，记录各个监控点的运行状态。并且将所有的需要实时监测的数据传回至计算机中，进行显示、运算、保存和进一步传输。相应的数据以及历史记录可以通过打印机进行离线或在线打印，同时监控点的数据可以形成图表，方便统计和查看。为了使系统能够安全可靠的运行，系统同时提供了现场自定义报警功能对于各点的监控数据值可以进行上下限的
4、设定，当超过或低于设定值时，系统会自动报警。本系统的模糊控制和PID自整定控制相结合的复合模糊算法部分很好的实现了算法的设计功能。该复合模糊算法动态适应性好，其中PID控制器的参数通过S7-300系列控制器提供的PID参数自整定功能来确定，整个PLC控制系统和监控系统设计安全可靠，同时具有一定的可扩展性，方便集成应用。二、自控系统设计依据 民用建筑电气设计规范(JGJ T16-92) 智能建筑设计标准(GB/T 50314-2000) 工业企业通信接地设计规范(GBJ79-85) 建筑设计防火规范(GB50045-95) 采暖通风与空气调节设计规范(GBJ19-87) 智能建筑弱电工程设计施工
5、图集(GJBT-471) 自动化仪表工程施工及验收规范(GB50093-2002) 电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范(GB 50168-92) 建筑电气安装工程质量验收标准(GB50303-2002)智能建筑施工验收规范(GB50-2003)等三、自控系统整体设计原则 整个系统的设计遵循了以下主要原则:1节能原则。对于空调系统，应根据其负荷的变化情况，在满足系统负荷要求和保证系统稳定性的前提下，尽可能地减少系统的能耗并提高系统的控制特性。地源热泵空调本身就是利用地源作为系统的冷热源，具有高制热系数和运行效率，在控制系统的整体设计上更要突出其节能的特性。由于空调系统的设计最大负荷能力和实际
6、运行过程中对系统负荷的需求上面存在着较大差异，因此在设计时可以充分挖掘此特性。本方案中地源热泵中央空调系统的自动控制以优化节能为目标进行控制。在系统处于最佳运行状态时，应当是系统负荷输出最稳定，系统最节能，并且安全可靠的运行的。2可靠性原则。地源热泵系统的持续运行时间长，控制系统工作的环境恶劣，这就要求监控系统设计时，必须要做到高可靠性。在硬件选型上，必须要采用高质量和抗干扰能力强的电子元器件和传感器，在工频泵切换时必须控制好时序，同时系统采用备泵的方式，以保证系统可靠的运行。3智能化原则。在对地源热泵的供回水温度、供回水流量等系统量的实时测量的基础上，进行系统负荷、供水流量的在线计算，根据系
7、统的实时负荷自动完成跟踪控制。当发现监控点非正常工作时，能自动报警并记录数据。4模块化设计原则。考虑到系统方便集成的特点，在设计时，必须要充分考虑到系统的模块化设计。通过在控制系统中，设计用户自设定的报警口，以及在监控程序中可以自定义监控点等方法来达到这一目的。四、自控系统设计内容本方案主要从两个方面进行了优化节能自动控制，一方面是地源热泵中央空调冷、热源系统，另一方面是中央空调新风机组系统。4.1地源热泵中央空调系统水系统变流量节能控制技术模糊控制器的设计4.1.1变流量模糊控制技术在地源热泵系统中的应用 由于实际运行的空调系统易受外界因素，如气候、人员数量和围护结构等影响，经常在变负荷情况
8、下运行，如果空调系统不能依据外部负荷的变化而调整输出，就会造成大马拉小车，大流量小温差的运行情况，造成资源的浪费。针对地源热泵系统的特点，可以采取变流量节能控制来达到空调系统的自动优化控制。变流量系统的基本原理可用热力学第一定律表达如下: 式中:Q一系统负荷；W一水流量；c一水比热容；t一供回水温差热力学第一定律告诉我们，在地源热泵系统中可以根据实际负荷的大小调整供水流量或供回水温差。在供暖系统的热负载的设计时，常用面积热指标法： 式中： -供暖设计热负荷（kW）, -建筑特供暖面积热指标（）, -供暖建筑特的建筑面积（）。但是由于外界等因素的影响，在设计空调时往往按年最大负载时来设计，比如气
9、候最冷时的最大负载，并且在设计上有一定的余额。当气候等外界因素变化时，工况的实际负载必然发生变化，此时空调系统的输出负载如果仍然按最大设计时输出，定会造成资源浪费。如果根据负载变化而手动来调节系统的运行，这样可以达到一定的节能目的，却不能很好的实现自动化控制，同时控制过程可能存在明显的滞后性或误判。因此可以利用现代化的控制技术，通过计算机自动监控空调系统的运行情况，从而实现系统运行的自动调节，这样就可以很好的解决空调系统的自动优化控制问题，实现既节能，同时又能满足用户的舒适要求。为使室内的供暖温度达到自动控制的目的，常用方法就是控制泵的热交换物质的流量，流量控制主要有以下两种方式:压差控制和温
10、差控制。压差变流量控制是改变泵的流量，保持空调系统供水和回水管两侧压差的稳定，在目前工程设计中应用的较多。它从泵的运行特性出发，能充分发挥泵的效率，采用这种控制方式下的空调系统运行稳定。但由于没考虑系统的热力特性，从而不能保证室内温、湿度的要求，对系统负荷的变化不能如实反映，节能效果不明显。温差变流量控制是改变泵的流量，保持空调系统供水和回水温差稳定。从空调系统热力特性出发，能保证室内温度要求，能够反映系统负荷的变化，节能效果明显。只要设计合理，系统是可以稳定运行的。对于泵流量的控制同样存在两种主要的方法:变频流量控制和电动阀流量控制。通过运用变频技术，对泵的运行进行控制，从而达到对流量控制的
11、目的，就是变频流量控制技术，在中央空调的控制系统里，变频流量控制技术是一项节能的控制技术。如果不改变泵的运行，而通过控制电动阀的开度来控制流量的方法就是电动阀流量控制技术。电动阀控制简单可行，比变频技术的投资成本低，易于对传统空调系统的改造，但它达不到理想的节能效果。鉴于地源热泵系统的特点以及节能效应，本系统设计采用温差变频流量控制。在系统设计时考虑到整个系统在变流量下运行时的水力平衡问题，在系统末端，使用了“动态电动调节阀”，它具有动态平衡功能。动态平衡功能是指根据末端设备负荷变化要求电动调节阀门至某一开度时，不论系统压力如何变化，阀门都能够动态地平衡系统的阻力，使其流量不受系统压力波动的影
12、响而保持恒定。图4.1为动态电动调节阀流量一压差曲线。动态平衡电动调节阀同时具有电动调节功能，能根据目标区域温度控制信号的变化自动调节阀门的开度，从而改变水流量，最终使目标区域的实际温度与设定温度一致。4.1.2 水泵变频节能原理为了对系统的供水流量进行调节，使用了变频器水流量调节技术。通过变频器来改变水泵的运行，从而达到改变流量的目的。水泵的转速为:式中： n-异步电动机的转速；s-电动机转差率； f-异步电动机的频率；p-电动机极对数。由上式可知，水泵的转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变水泵的转速。根据流体力学原理，在正常情况下，水泵的转速N与流量W、扬程H,轴功率P之间有下面的
13、关系式: 式中：-转速；-初转速；-流量；-初流量 ；-扬程；-初扬程；-轴功率；-初轴功率。在地源热泵空调系统设计中，由变频器来调节水泵的转速以满足系统负荷对供水要求，与单一调节阀门开度增加阻力法相比，节能效果非常明显。例如，当负荷小，供水流量只需要调节到原来的一半时，则把水泵电机的转速调节到原来的一半就可以实现，而此时所需要的轴功率仅为原来1 /8。也就是说，当水泵电机的转速下降到50%时，理论功率下降约60%。实际运行时，可能达不能这个功率，但变频系统的节能特点是不可改变的。由于所消耗的电能为: 电能功率*时间，可见通过改变电动机的转速，随着转速的下降，其电功率明显下降:节约电能效果十分
14、明显。由以上分析可知，可以通过改变水泵的运行频率来达到控制水泵流量的目的。为了对负载进行自动控制，必须要实时的采集系统供回水管中的温度。当系统正常运行时，供水温度基本恒定，在冬季供热时，供水温度一般在4550。在负荷一定的情况下，供回水温差趋于恒定，如供回水温度为50/45，供回水温差为5 。当末端负载发生变化时，假定负载减小到原来的50%，此时，各动态平衡电动调节阀在各自的温度控制器的调节下，必然减小动态平衡电动调节阀的开度，以恒定室内的温度。同时，供水管处压力必然增大，系统节余的流量通过旁通阀回到回水管中，这样就造成了回水温度的升高，系统监控到回水温度升高时，基本可以判断空调末端负荷变小，
15、通过一定的温度算法，将反馈控制信号送到变频器中，最终减小水泵的流量，从新达到供回水温度的平衡。由于空调系统是一个典型的大时滞，非线性系统，采用传统的PID闭环控制往往达不到很好的效果，因此本系统中主要采用模糊温度控制算法并复合PID自整定控制方法。4.1.3模糊控制器结构模糊控制器的系统结构如下图所示。模糊量U为输出，方式采用位置式输出，变频器的控制量为本次控制增量与上次控制量之和。即: 基本的模糊控制是一种基于规则的控制技术，它采用通谷易懂的语言描述的控制规则，运用专家经验来实现对复杂物体进行控制，它不需要建立精确的数学模型，相对于常规则控制技术，其控制策略和方法更易于理解与接受。由于它使用语言变量来代替传统控制方法中的数学变量，使其易于形成专家控制系统。同时其鲁棒性强，对于纯时滞，非线性和时变系统以及模型不确定的系统，模糊控制的效果比传统的控制器要好，特别是对于高度不确定的控制系统，采用模糊控制技术可以很好的做到控制。4.1.4地源热泵模糊控制器的设计系统采用模糊温度控制算法。模糊控制以模糊语言变量、模糊集合论和模糊推理为基础，模拟人的近似推理和决策过程，实现对复杂系统的优化控制。本系统的具体的控制流程如图E是偏差，Ec为偏差变化率，模糊量U为输出，采用位置式输出，变频器的控制量
