基于PLC-的中央空调控制系统设计2013届专科毕业论文 - 图文

意义明确、易于调整，并且具有一定的鲁棒性，因而得到了广泛的应用。PID控制器之所以能够在过程控制领域获得广泛地应用，是因为在实际的应用中PID控制器的设计可只借助于系统输出等反馈信息进行控制，从而减少了控制系统对对象模型的依赖性。

目前，中央空调控制方法有双位ON／OFF控制、PID控制、最优控制、模糊控制等方法。以PID算法为核心的各种DDC控制系统是目前中央空调工程和设备较普遍的使用方法，这种控制方法在工况较稳定的情况下，可以得到较好的控制效果。

1.3 本研究课题的主要工作

本文在分析和综合了PID控制的特点、发展趋势以及中央空调控制任务的基础上，对中央空调冷冻水机组采用传统PID控制，对基于USS通信协议的RS-485总线设计的控制系统进行了研究，并进行了组态设计，最终设计了中央空调变频节能控制系统。

研究工作的具体内容如下：

1、对空调系统变频控制进行了理论分析。

2、对变频控制系统进行设计，以实现工频/变频切换功能。

3、设计了基于RS-485网络的控制系统。可将采集的出回水温度等数据信号通过网络送到主控系统，实现远距离传送。

4、文中对冷冻水机组的控制系统进行了硬件和软件的设计，采用西门子TD200文本显示屏作为人机界面，西门子S7-200 PLC作为主控制器，用一台变频器结合工频供电的方式，灵活的驱动冷冻水机组的三台水泵。

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第2章 中央空调变流量控制的原理

2.1 中央空调系统的结构和原理

2.1.1 概述

空调即空气调节器，挂式空调是一种用于给空间区域提供处理空气温度变化的机组。它的功能是对该房间或区域内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。

中央空调系统是一种大型的对建筑物进行集中空气调节并进行管理的设备，一般由空气处理设备、送(回)风机、送(回)风通道、空气分配装置及冷、热源等组成。根据需要，它们能组成不同形式的系统。在工程实际中，应从建筑物的用途和性质，热湿负荷特点、空调机房面积和位置、初投资和运行维修费用等许多方面去考虑，选择合理的空调系统。

2.1.2 制冷原理

气态制冷工质(如氟利昂)经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器，与水(空气)进行等压热交换，变成低温高压液态。液态工质经干燥过滤器去除水份、杂质，进入膨胀阀节流减压，成为低温低压液态工质，在蒸发器内气化。液体气化过程要吸收气化潜热，而且液体压力不同，其饱和温度(沸点)也不同，压力越低，饱和温度越低。例如，1kg的水，在绝对压力为0.00087MPa，饱和温度为5℃，气化时需要吸收2488.7KJ热量；1kg的氨，在1个标准大气压力(0.10133MPa)下，气化时需要吸收1369.59KJ热量，温度可抵达-33.33℃。因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的气化获取所要求的低温。依此原理，气化过程吸取冷冻水的热量，使冷冻水温度降低(一般降为7℃)。制冷工质在蒸发器内吸取热量，温度升高变成过热蒸气，进入压缩机重复循环过程。

2.1.3 中央空调系统的构成

中央空调系统包括空调主机，风机盘管系统、水系统及相应的控制系统。空调主机由压缩机、蒸发器和冷凝器组成，风机盘管系统为房间内的末端，水系统出冷冻水循环系统、冷却水循环系统组成[7]。典型的中央空调系统的结构如图2-1所示,冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制是中央空调控制系统的重要组成部分。

2.2 中央空调变流量控制的原理及特点

2.2.1 变流量空调系统概述

早前，国内的中央空调系统，基本上都采用传统的定流量控制方式。也就是说，只要启动空调主机，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在50Hz工频状态下运行。定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持恒定，当负荷发生变化时，通过改变供水或回水温度来满足要求。定流量供水方式最主要的优点是系统简

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单，不需要复杂的自控设备。但这种控制方式存在以下问题：

(1)中央空调系统是一个多参量、非线性、时变性的复杂系统，由于末端负荷的频繁波动，必然造成系统的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态，导致主机热转换效率大大降低，系统长期在低效率状态下运行，也会增加系统的能源消耗。

(2)无论末端负荷大小如何变化，空调系统均在设计的额定状态下运行，系统能耗始终处于设计的最大值。而由于受多种因素不断变化的影响，如：季节交替、气候昼夜变化、使用频率、人流量增减等。空调负荷的这种不恒定性，决定了系统对空调冷量的需求也是一个随机变化的量。若不进行系统优化，定会造成能源浪费。

(3)在工频状态下启停大功率水泵和风机，冲击电流大，不利于电网的安全运行，且水泵、风机等机电设备长期在工额额定状念下高速运行，机械磨损严重，导致使用寿命缩短和设备故障大幅度增加。

综上来看，定流量控制凸显出来的问题很多。变流量系统则是根据实际负荷的大小改变冷冻水流量，水泵也可以根据系统实际所需流量自动调节其转速或运行台数，从而达到节约水泵能耗的目的[7]。如图2-2所示：

风机冷却塔用户风机盘管空调主机 冷冻泵冷却泵 图2-1 中央空调系统结构

温度反馈用户盘管温度设定温度调节变频器电机冷冻泵 图2-2 冷冻水变流量控制系统

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2.2.2 中央空调变流量控制的实现方式

中央空调循环水变流量控制系统，是将整个中央空调系统从节能、高效、环保、健康、安全、管理等方面进行全面综合考虑，把科学的节能理念和方法与成熟的控制理论技术、网络通讯技术、检测技术、变频技术及其产品进行融合，形成了一个完整的节能与管理体系。 1、变频调速的原理

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

n0?60f/p (2-1)

式中：

n0——为同步转速，单位为r/min； f——为电源频率，单位为Hz； p——为磁极对数。

异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出：

n?n0(1?s)?60f/p(1?s) (2-2)

式中：

n——电动机实际转速； s——异步电动机的转差率。

由式(2.2)可知，改变参数f，s中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。

在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通量不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的[8]。

三相异步电机定子每相电动势的有效值是：

Eg?4.44f1N1Kn1?m (2-3)

式中：

Eg——气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V; f1——定子频率，单位为Hz; N1——定子每相绕组串联匝数； Kn1——基波绕组系数； ?m——每极气隙磁通量。

由式(2.3)知只要控制好Eg和f1，便可以控制磁通不变。 需要考虑基频以下和基频以上两种情况：

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