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1、可编程的中央空调控制系统的设计毕业论文 毕 业 设 计课题名称 可编程的中央空调控制系统的设计 基于PLC的中央空调控制系统设计摘要中央空调现已广泛的应用在各大商场办公大厦等场所中传统控制系统中在控制较适宜的温度的同时却消耗了大量的能量如今人们越来越重视中央空调的舒适性和节能性本文重点研究了中央空调冷冻泵机组控制系统为舒适的生活工作环境及有效节能提供了技术条件本文首先介绍了中央空调的结构和工作原理总结了传统中央空调的缺点即冷冻泵冷却泵不能自我调节负载长期处于满负荷运行造成了极大的能源浪费随着变频技术日趋成熟利用变频器PLC数模转换模块温度传感器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
2、泵的输出流量达到节能目的该系统采用西门子的S7200PLC作为主控制单元利用传统 PID 控制算法通过西门子 MM440 变频器控制水泵运转速度保证系统根据实际负荷的情况调整流量实现恒温控制同时又可以节约大量能源通过对中央空调的理论分析验证了以出回水温差为根据对其进行变流量控制的可靠性对变频控制系统进行了设计为实现温度信号远距离传送设计了基于 USS 协议的RS-485总线通讯的网络通过西门子 TD200 文本显示器实现人机界面的设计最后使用 MCGS 工控组态软件进行了系统的组态设计研究关键词 中央空调PLC变频器PIDRS-485基于PLC的中央空调控制系统设计目录摘要I第1章 绪论111
3、 课题背景112 中央空调控制的研究现状及发展2121 中央空调控制系统的发展2122 中央空调变流量控制的发展313 本研究课题的主要工作4第2章 中央空调变流量控制的原理521 中央空调系统的结构和原理5211 概述5212 制冷原理5213 中央空调系统的构成522 中央空调变流量控制的原理及特点5221 变流量空调系统概述5222 中央空调变流量控制的实现方式7223 中央空调系统变流量系统的特点923 电机的软启动原理及应用10231 软启动设备介绍10232 软启动器的应用场合10233 软启动器与变频器之间的区别对比1024 PID控制的设计11241 PID控制原理11242
4、PID控制器的参数整定12243 PID的反馈逻辑12244 PID参数调整原则13245 对空调系统的PID变频控制1313247 PID控制器设计及实现1325 本章小结15第3章 中央空调控制系统的硬件设计1631 变频器的原理1632 西门子MM440变频器性能介绍16321 主要特征17322 控制性能的特点17323 保护功能17324 变频器运行的环境条件17325 使用变频器设计系统时需注意的问题1833 PLC选型18331 PLC简介18332 PLC控制功能的选择18333 西门子S7-200PLC介绍20334 模拟量IO模块的种类20335 EM231技术指标2133
5、6 EM232技术指标21337 EM231 RTD接线及注意事项2134 PT100温度传感器2135 PT100温度变送器2236 人机界面设计2237 系统硬件2338 本章小结25第4章 控制系统软件设计2641 设备间通讯26411 RS-485介绍26412 USS协议2642 PLC的初始设定2743 PLC主程序流程图2944 PLC编程软件3045 30451 中央空调控制系统的IO分配表30452 程序中使用的存储器及功能3146 中央空调控制系统的MCGS组态32461 MCGS组态软件简介32462 MCGS 62通用版介绍32464 系统脚本程序编写34465 组态运
6、行界面3547 本章小结36结论37致谢38参考文献39附录C40第1章 绪论11 课题背景随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高为了保证温度恒定中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域例如酒店宾馆办公大厦商场工厂厂房等场所随着时间的推移人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度湿度统计数字显示传统的中央空调控制系统耗电量极大且存在巨大的能源浪费中央空调系统普遍存在着30以上的无效能耗有些中央空调系统的无效能耗甚至可以高达50以上采用新技术降低系统能耗成为当务之急因为能源是发展国民经济的重要因素我国
7、近年来能源短缺的现实节能减排才是重中之重建设节能型社会促进经济可持续发展是实现全面建设小康社会宏伟目标构建和谐社会的重要基础保障1在传统的设计中中央空调的制冷机组冷冻水循环系统冷却水循环系统冷却塔风机系统风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的且留有充足余量不管在什么时间负荷的多少各电机都长期处在工频状态下全速运行虽然可满足最大的用户负荷但不具备随用户负荷动态调节的功能而在大多数时间里用户负荷是较低的这样就造成很大的能源浪费有个例子可以很好的说明这些中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵一年四季长期在固定的最大流量下工作但由于季节昼夜和用户负荷的变化在绝大部分时间内空调的实际热负载与决定水泵流量
8、和压力的最大设计负载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60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13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也就是说中央空调系统存在着至少30以上的节能空间这至少30的节能空间来源于很多方面第一负荷估算值偏大系统消耗能量大大增加现在的新型制冷主机可以根据负载的变化自动加载卸载而水泵的流量却不能随制冷主机而调节必然存在很大的能量浪费除此之外每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的系统并不能做出相应的调节许多环节上都留有节能空间第二空调主机选型容量
9、加大在冷负荷估算值加大后空调主机制冷量也相应的加大第三水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量压力冷冻水系统和冷却水系统中消耗了水泵较大的输送能量在传统的运行方式下只要启动水泵就会在工频满负荷状态下运行第四起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响起动电流通常为额定值的5倍左右电机在如此大的电流冲击下进行频繁的起停对电机接触器触点产生电弧冲击也会给电网带来一定冲击起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动轴承阀门等造成疲劳损伤为此如果能通过冷冻水供回水温度压差冷却水泵的流量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非常明显的经济效果另外根据交流电机的特性要实现连续
10、平滑的速度调节最佳的方法就是采用变频器调速采用变频器进行风机水泵的节能改造不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费而且还会极大提高调节和控制的精度从而方便地实现恒温空调系统2空调节能的目的是有效利用能源以最小的能耗创造出一个适合人居住工作的室内环境空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗提高能源利用率对减少温室气体排放减轻环境污染实现人类社会的可持续发展12 中央空调控制的研究现状及发展121 中央空调控制系统的发展1在单室内机的房间空调器方面变频技术微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件我国自90年代初开始研究空调器的智能控制现已研制出多
11、种形式的变频空调器或智能空调器对推进我国空调业的进步作出了贡献西安交大朱瑞琪于1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术李家朋针对我国房间空调器普遍采用单相压缩机的现状探索开发出两相变频器并应用电子膨胀阀进行变流量控制利用16位微机并引进模糊概念提高空调器的控制功能为变频空调器国产化作出了大胆的探索李家朋在空调器舒适性和节能运行的控制中提出了用表征房间热负荷大小的热容C和表征房间漏热程度的热阻R进行模糊辩识的方法研究表明用此方法研制的模糊控制空调器会按季节气温漏热情况等条件自动地选择合适的工作模式保证了空调环境的舒适度和制冷系统的节能要求2在多室内机的房间空调器一机多挂系统方面由于多室内
12、机空调器的节能和舒适性控制涉及到必须对系统中的工质循环量和进入各室内机的工质流量加以严格精确地控制问题它不仅与系统的控制有关同时也与系统的设计有着密切的关系在这方面目前国内主要是在研制一拖二和一拖三空调器根据其结构形式和运转特点可分为如下四种方式1 一台定速压缩机对应一台室内机的多制冷系统这种机型在控制上难度最小但结构复杂体积大成本高不能体现一机多挂系统的价格优势和节能优势2 单台定速压缩机多台室内机间歇供冷热系统由于制冷工质按时间交替分配给各室内机所以根本不能满足室内环境的舒适性要求3 单台定速压缩机多台室内机同时供冷热系统这种系统采用定速压缩机降低了空调器成本并能减少压缩机的启停次数较好地
13、实现房间的舒适性控制但并不能从本质上解决压缩机的起停损失和对电网的冲击不能提高空调器的能效比和季节性能比4 单台变频压缩机多台室内机同时供冷热系统通过采用电子膨胀阀调节进入各室内机的工质流量使之满足各室内的冷热负荷要求改变压缩机的运转频率调节制冷系统所需要的工质循环量并采用软硬件相结合的方式调节室内外风扇转速四通阀室内机的风向调节板等可控部件实现室内环境的高舒适性和系统的节能控制随着智能建筑在中国的飞速发展楼宇自动控制技术和装置也得到快速的发展对于楼宇自动控制而言在确保建筑内舒适和安全的办公环境的同时还要实现高效节能目的因此诞生了综合现代计算机技术现代控制技术现代通信技术和现代图形显示技术的集
14、散型控制系统集散型中央空调监控系统在我国的智能建筑中得到广泛应用其自动监视测量控制和管理功能是相当优越的自动化程度高节约了大量的劳动力和运行费用320世纪90年代未至21世纪初我国在中央空调系统的控制领域同时推出两项节能技术和产品中央空调变频调速控制节能系统和中央空调变流量控制节能系统将这两项技术相结合在集散型中央空调监控系统的基础上增加PLC和变频技术并且与智能控制方法相结合将原有的定流量系统改为变流量控制系统从而使中央空调的各泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化就能够在保证负荷需求的前提下实现中央空调系统的最大节能国内还有一些科研机构和企业的科研团体也都开展了智能空调器的研制工作
15、其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的研究其研究成果还未见公开发表智能型空调器是一个综合技术的聚合体开发难度较大现在的样机或产品在控制模式上控制系统的稳定性和鲁棒性方面相比国际先进技术还存在很大的差距有待于进一步的研究和提高122 中央空调变流量控制的发展空调水系统最重要的目的是为空调系统的各末端装置提供能量的交换如何在满足这个要求的前提下尽可能的节能是首先需要解决的问题冷水系统的设计已经历了大约六七十年的发展并仍在不断地完善在这个发展和完善的过程中总是不断的遇到新问题如冷水温差过小水系统阻力损失过大管网水力不平衡等问题这些问题的不断解决最终推动了变流量技术的发展变流量空调技术的发展与控制技术和水泵变频技术的发展是紧密相联的可以说变流量技术是随着变频技术的出现才逐渐发展起来的4这种技术在美国得到了广泛的研究和应用在变频技术和数字控制技术出现之前通常不考虑负荷的变化冷冻水泵以固定的流量输运冷冻水到环路中这种做法的后果不仅造成了能耗的浪费还导致冷冻水系统的供回水低温差运行从九十年代术期开始随着计算机及电子技术
