基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

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1、基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計 基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計摘要如今，人們越來越重視中央空調(diào)的舒適性和節(jié)能性，本文重點研究了中央空調(diào)冷凍泵機組控制系統(tǒng)，為舒適的生活工作環(huán)境及有效節(jié)能提供了技術(shù)條件。中央空調(diào)現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用在各大商場、辦公大廈等場所中，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中在控制較適宜的溫度的同時，卻消耗了大量的能量。本文首先介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)和工作原理，總結(jié)了傳統(tǒng)中央空調(diào)的缺點，即冷凍泵、冷卻泵不能自我調(diào)節(jié)負載，長期處于滿負荷運行，造成了極大的能源浪費，隨著變頻技術(shù)日趨成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，

2、自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達到節(jié)能目的。該系統(tǒng)采用西門子的S7200PLC作為主控制單元，利用傳統(tǒng) PID 控制算法，通過西門子 MM440 變頻器控制水泵運轉(zhuǎn)速度，保證系統(tǒng)根據(jù)實際負荷的情況調(diào)整流量，實現(xiàn)恒溫控制，同時又可以節(jié)約大量能源。通過對中央空調(diào)的理論分析，驗證了以出回水溫差為根據(jù)對其進行變流量控制的可靠性。對變頻控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，為實現(xiàn)溫度信號遠距離傳送，設(shè)計了基于 USS 協(xié)議的RS-485總線通訊的網(wǎng)絡(luò)。通過西門子 TD200 文本顯示器實現(xiàn)人機界面的設(shè)計，最后使用 MCGS 工控組態(tài)軟件進行了系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計研究。關(guān)鍵詞 中央空調(diào)；PLC；變頻器；PID；RS-485基于PLC的中

3、央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計目錄摘要I第1章 緒論11.1 課題背景11.2 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展21.2.1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展21.2.2 中央空調(diào)變流量控制的發(fā)展31.3 本研究課題的主要工作4第2章 中央空調(diào)變流量控制的原理52.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理52.1.1 概述52.1.2 制冷原理52.1.3 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成52.2 中央空調(diào)變流量控制的原理及特點52.2.1 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述52.2.2 中央空調(diào)變流量控制的實現(xiàn)方式72.2.3 中央空調(diào)系統(tǒng)變流量系統(tǒng)的特點92.3 電機的軟啟動原理及應(yīng)用102.3.1 軟啟動設(shè)備介紹102.3.2 軟啟動器的應(yīng)用場合102.

4、3.3 軟啟動器與變頻器之間的區(qū)別對比102.4 PID控制的設(shè)計112.4.1 PID控制原理112.4.2 PID控制器的參數(shù)整定122.4.3 PID的反饋邏輯122.4.4 P、I、D參數(shù)調(diào)整原則132.4.5 對空調(diào)系統(tǒng)的PID變頻控制132.4.6實現(xiàn)設(shè)定值的自動調(diào)節(jié)132.4.7 PID控制器設(shè)計及實現(xiàn)132.5 本章小結(jié)15第3章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計163.1 變頻器的原理163.2 西門子MM440變頻器性能介紹163.2.1 主要特征173.2.2 控制性能的特點173.2.3 保護功能173.2.4 變頻器運行的環(huán)境條件173.2.5 使用變頻器設(shè)計系統(tǒng)時需注意的

5、問題183.3 PLC選型183.3.1 PLC簡介183.3.2 PLC控制功能的選擇183.3.3 西門子S7-200PLC介紹203.3.4 模擬量I/O模塊的種類203.3.5 EM231技術(shù)指標213.3.6 EM232技術(shù)指標213.3.7 EM231 RTD接線及注意事項213.4 PT100溫度傳感器213.5 PT100溫度變送器223.6 人機界面設(shè)計223.7 系統(tǒng)硬件設(shè)計233.8 本章小結(jié)25第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計264.1 設(shè)備間通訊264.1.1 RS-485介紹264.1.2 USS協(xié)議264.2 PLC的初始設(shè)定274.3 PLC主程序流程圖294.4 PL

6、C編程軟件304.5 程序設(shè)計304.5.1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的I/O分配表304.5.2 程序中使用的存儲器及功能314.6 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的MCGS組態(tài)324.6.1 MCGS組態(tài)軟件簡介324.6.2 MCGS 6.2通用版介紹324.6.4 系統(tǒng)腳本程序編寫344.6.5 組態(tài)運行界面354.7 本章小結(jié)36結(jié)論37致謝38參考文獻39附錄C40第 6 頁 共 58 頁基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計第1章 緒論1.1 課題背景隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，為了保證溫度恒定，中央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，例如酒店、賓館、辦公大廈、商場、工廠廠房等場所。隨著

7、時間的推移，人們對中央空調(diào)控制系統(tǒng)運行效果的評價也改變了。舒適節(jié)能才是最符合人們對中央空調(diào)系統(tǒng)提出新的要求，希望在能耗更低的情況下保持室內(nèi)合適的溫度、濕度。統(tǒng)計數(shù)字顯示，傳統(tǒng)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)耗電量極大，且存在巨大的能源浪費。中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在著30以上的無效能耗，有些中央空調(diào)系統(tǒng)的無效能耗甚至可以高達50以上。采用新技術(shù)降低系統(tǒng)能耗成為當務(wù)之急。因為能源是發(fā)展國民經(jīng)濟的重要因素，我國近年來能源短缺的現(xiàn)實，節(jié)能減排才是重中之重。建設(shè)節(jié)能型社會，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，是實現(xiàn)全面建設(shè)小康社會宏偉目標，構(gòu)建和諧社會的重要基礎(chǔ)保障1。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，中央空調(diào)的制冷機組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、

8、冷卻塔風機系統(tǒng)、風機盤管系統(tǒng)等都是按照建筑物最大負荷制定的，且留有充足余量。不管在什么時間，負荷的多少，各電機都長期處在工頻狀態(tài)下全速運行，雖然可滿足最大的用戶負荷，但不具備隨用戶負荷動態(tài)調(diào)節(jié)的功能，而在大多數(shù)時間里，用戶負荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費。有個例子可以很好的說明這些，中央空調(diào)系統(tǒng)中的冷凍水泵和冷卻水泵，一年四季長期在固定的最大流量下工作，但由于季節(jié)、晝夜和用戶負荷的變化，在絕大部分時間內(nèi)，空調(diào)的實際熱負載與決定水泵流量和壓力的最大設(shè)計負載相比，一年中負載率在50以下的小時數(shù)約占全部運行時間的60%以上。一般冷凍水設(shè)計溫差為57，冷卻水的設(shè)計溫差為45，在系統(tǒng)流量固定的情況

9、下，全年絕大部分運行時間溫差僅為13，即在低溫差、大流量情況下工作，從而增加了管路系統(tǒng)的能量損失，嚴重浪費了水泵運行的輸送能量。也就是說，中央空調(diào)系統(tǒng)存在著至少30以上的節(jié)能空間。這至少30%的節(jié)能空間來源于很多方面：第一，負荷估算值偏大，系統(tǒng)消耗能量大大增加，現(xiàn)在的新型制冷主機可以根據(jù)負載的變化自動加載、卸載，而水泵的流量卻不能隨制冷主機而調(diào)節(jié)，必然存在很大的能量浪費；除此之外，每年的氣象條件是隨季節(jié)呈周期性的變化的，系統(tǒng)并不能做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，許多環(huán)節(jié)上都留有節(jié)能空間。第二，空調(diào)主機選型容量加大，在冷負荷估算值加大后，空調(diào)主機制冷量也相應(yīng)的加大。第三，水系統(tǒng)中通過節(jié)流閥或調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量、壓

10、力，冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)中消耗了水泵較大的輸送能量。在傳統(tǒng)的運行方式下，只要啟動水泵，就會在工頻滿負荷狀態(tài)下運行。第四，起停頻繁對設(shè)備長期安全運行帶來不利影響。起動電流通常為額定值的5倍左右，電機在如此大的電流沖擊下，進行頻繁的起停，對電機、接觸器觸點產(chǎn)生電弧沖擊，也會給電網(wǎng)帶來一定沖擊，起動時帶來的機械沖擊和停止時的承重現(xiàn)象也會對機械傳動、軸承、閥門等造成疲勞損傷。為此，如果能通過冷凍水供回水溫度、壓差，冷卻水泵的流量等工藝參數(shù)進行調(diào)整并對空調(diào)設(shè)備進行優(yōu)化起停，使空調(diào)系統(tǒng)高效、節(jié)能運行，將產(chǎn)生非常明顯的經(jīng)濟效果。另外，根據(jù)交流電機的特性，要實現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié)，最佳的方法就是采用變頻器調(diào)

11、速，采用變頻器進行風機、水泵的節(jié)能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費，而且還會極大提高調(diào)節(jié)和控制的精度，從而方便地實現(xiàn)恒溫空調(diào)系統(tǒng)2?？照{(diào)節(jié)能的目的是有效利用能源，以最小的能耗創(chuàng)造出一個適合人居住、工作的室內(nèi)環(huán)境。空調(diào)水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能運行可以有效地減少空調(diào)系統(tǒng)能耗和建筑總能耗，提高能源利用率，對減少溫室氣體排放，減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。1.2 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展1.2.1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展1、在單室內(nèi)機的房間空調(diào)器方面變頻技術(shù)、微電腦和電子膨脹閥在空調(diào)器上的應(yīng)用為空調(diào)器的智能控制創(chuàng)造了最基本的條件。我國自90年代初開始研究空調(diào)器的智能控制，現(xiàn)已研制出

12、多種形式的變頻空調(diào)器或智能空調(diào)器，對推進我國空調(diào)業(yè)的進步作出了貢獻。西安交大朱瑞琪于1991年開始研究制冷空調(diào)設(shè)備的變頻能量調(diào)節(jié)技術(shù)。李家朋針對我國房間空調(diào)器普遍采用單相壓縮機的現(xiàn)狀，探索開發(fā)出兩相變頻器，并應(yīng)用電子膨脹閥進行變流量控制，利用16位微機并引進模糊概念提高空調(diào)器的控制功能，為變頻空調(diào)器國產(chǎn)化作出了大膽的探索。李家朋在空調(diào)器舒適性和節(jié)能運行的控制中，提出了用表征房間熱負荷大小的“熱容C”和表征房間漏熱程度的“熱阻R”進行模糊辯識的方法。研究表明，用此方法研制的模糊控制空調(diào)器會按季節(jié)、氣溫、漏熱情況等條件，自動地選擇合適的工作模式，保證了空調(diào)環(huán)境的舒適度和制冷系統(tǒng)的節(jié)能要求。2、在多

13、室內(nèi)機的房間空調(diào)器(一機多掛系統(tǒng))方面由于多室內(nèi)機空調(diào)器的節(jié)能和舒適性控制，涉及到必須對系統(tǒng)中的工質(zhì)循環(huán)量和進入各室內(nèi)機的工質(zhì)流量加以嚴格精確地控制問題，它不僅與系統(tǒng)的控制有關(guān)，同時也與系統(tǒng)的設(shè)計有著密切的關(guān)系。在這方面，目前國內(nèi)主要是在研制一拖二和一拖三空調(diào)器，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和運轉(zhuǎn)特點可分為如下四種方式。(1)一臺定速壓縮機對應(yīng)一臺室內(nèi)機的多制冷系統(tǒng)。這種機型在控制上難度最小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高，不能體現(xiàn)一機多掛系統(tǒng)的價格優(yōu)勢和節(jié)能優(yōu)勢。(2)單臺定速壓縮機多臺室內(nèi)機間歇供冷(熱)系統(tǒng)。由于制冷工質(zhì)按時間交替分配給各室內(nèi)機，所以根本不能滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適性要求。(3)單臺定速壓縮機多

14、臺室內(nèi)機同時供冷(熱)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用定速壓縮機，降低了空調(diào)器成本，并能減少壓縮機的啟停次數(shù)，較好地實現(xiàn)房間的舒適性控制。但并不能從本質(zhì)上解決壓縮機的起停損失和對電網(wǎng)的沖擊，不能提高空調(diào)器的能效比和季節(jié)性能比。(4)單臺變頻壓縮機多臺室內(nèi)機同時供冷(熱)系統(tǒng)。通過采用電子膨脹閥調(diào)節(jié)進入各室內(nèi)機的工質(zhì)流量，使之滿足各室內(nèi)的冷(熱)負荷要求，改變壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)所需要的工質(zhì)循環(huán)量，并采用軟硬件相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)室內(nèi)外風扇轉(zhuǎn)速、四通閥、室內(nèi)機的風向調(diào)節(jié)板等可控部件，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的高舒適性和系統(tǒng)的節(jié)能控制。隨著智能建筑在中國的飛速發(fā)展，樓宇自動控制技術(shù)和裝置也得到快速的發(fā)展。對于樓宇自動控

15、制而言，在確保建筑內(nèi)舒適和安全的辦公環(huán)境的同時，還要實現(xiàn)高效節(jié)能目的。因此誕生了綜合現(xiàn)代計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代圖形顯示技術(shù)的集散型控制系統(tǒng)。集散型中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)在我國的智能建筑中得到廣泛應(yīng)用，其自動監(jiān)視、測量、控制和管理功能是相當優(yōu)越的，自動化程度高，節(jié)約了大量的勞動力和運行費用3。20世紀90年代未至21世紀初，我國在中央空調(diào)系統(tǒng)的控制領(lǐng)域，同時推出兩項節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品：中央空調(diào)變頻調(diào)速控制節(jié)能系統(tǒng)和中央空調(diào)變流量控制節(jié)能系統(tǒng)。將這兩項技術(shù)相結(jié)合，在集散型中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加PLC和變頻技術(shù)，并且與智能控制方法相結(jié)合，將原有的定流量系統(tǒng)改為變流量控制系統(tǒng)，從而

16、使中央空調(diào)的各泵組和冷卻塔風機的運行跟隨負荷的變化而同步變化，就能夠在保證負荷需求的前提下，實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的最大節(jié)能。國內(nèi)還有一些科研機構(gòu)和企業(yè)的科研團體，也都開展了智能空調(diào)器的研制工作，其核心內(nèi)容都集中在對單相壓縮機變屏調(diào)速控制器和智能型室溫控制器的研究，其研究成果還未見公開發(fā)表。智能型空調(diào)器是一個綜合技術(shù)的聚合體，開發(fā)難度較大，現(xiàn)在的樣機或產(chǎn)品在控制模式上、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性方面相比國際先進技術(shù)還存在很大的差距，有待于進一步的研究和提高。1.2.2 中央空調(diào)變流量控制的發(fā)展空調(diào)水系統(tǒng)最重要的目的是為空調(diào)系統(tǒng)的各末端裝置提供能量的交換，如何在滿足這個要求的前提下盡可能的節(jié)能，是首先需

17、要解決的問題。冷水系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)歷了大約六、七十年的發(fā)展，并仍在不斷地完善。在這個發(fā)展和完善的過程中總是不斷的遇到新問題，如：冷水溫差過小、水系統(tǒng)阻力損失過大、管網(wǎng)水力不平衡等問題，這些問題的不斷解決最終推動了變流量技術(shù)的發(fā)展。變流量空調(diào)技術(shù)的發(fā)展，與控制技術(shù)和水泵變頻技術(shù)的發(fā)展是緊密相聯(lián)的，可以說變流量技術(shù)是隨著變頻技術(shù)的出現(xiàn)才逐漸發(fā)展起來的4。這種技術(shù)在美國得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在變頻技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)出現(xiàn)之前，通常不考慮負荷的變化，冷凍水泵以固定的流量輸運冷凍水到環(huán)路中。這種做法的后果不僅造成了能耗的浪費，還導(dǎo)致冷凍水系統(tǒng)的供、回水低溫差運行。從九十年代術(shù)期開始，隨著計算機及電子技術(shù)的

18、高速發(fā)展，變流量技術(shù)也得到深入的發(fā)展。水泵、變頻驅(qū)動器、控制器等設(shè)備性能的提高大大滿足了水系統(tǒng)控制的要求。隨著變流量技術(shù)的成熟，在國外應(yīng)用變流量技術(shù)開始成為暖通行業(yè)的標準。在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運行管理控制方法，具體控制方法上，基本上采用多個回路的PID控制5。各種類型的PID控制器因其參數(shù)物理意義明確、易于調(diào)整，并且具有一定的魯棒性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制器之所以能夠在過程控制領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用，是因為在實際的應(yīng)用中PID控制器的設(shè)計可只借助于系統(tǒng)輸出等反饋信息進行控制，從而減少了控制系統(tǒng)對對象模型的依賴性。目前，中央空調(diào)控制方法有雙位ONOFF控制、PID控制、最優(yōu)控

19、制、模糊控制等方法。以PID算法為核心的各種DDC控制系統(tǒng)是目前中央空調(diào)工程和設(shè)備較普遍的使用方法，這種控制方法在工況較穩(wěn)定的情況下，可以得到較好的控制效果。1.3 本研究課題的主要工作本文在分析和綜合了PID控制的特點、發(fā)展趨勢以及中央空調(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對中央空調(diào)冷凍水機組采用傳統(tǒng)PID控制，對基于USS通信協(xié)議的RS-485總線設(shè)計的控制系統(tǒng)進行了研究，并進行了組態(tài)設(shè)計，最終設(shè)計了中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。研究工作的具體內(nèi)容如下：1、對空調(diào)系統(tǒng)變頻控制進行了理論分析。2、對變頻控制系統(tǒng)進行設(shè)計，以實現(xiàn)工頻/變頻切換功能。3、設(shè)計了基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)?？蓪⒉杉某龌厮疁囟鹊葦?shù)

20、據(jù)信號通過網(wǎng)絡(luò)送到主控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠距離傳送。4、文中對冷凍水機組的控制系統(tǒng)進行了硬件和軟件的設(shè)計，采用西門子TD200文本顯示屏作為人機界面，西門子S7-200 PLC作為主控制器，用一臺變頻器結(jié)合工頻供電的方式，靈活的驅(qū)動冷凍水機組的三臺水泵。第2章 中央空調(diào)變流量控制的原理2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理2.1.1 概述空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器，掛式空調(diào)是一種用于給空間區(qū)域提供處理空氣溫度變化的機組。它的功能是對該房間或區(qū)域內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過程的要求。中央空調(diào)系統(tǒng)是一種大型的對建筑物進行集中空氣調(diào)節(jié)并進行管理的設(shè)備，一般由空氣處理設(shè)備、送(回

21、)風機、送(回)風通道、空氣分配裝置及冷、熱源等組成。根據(jù)需要，它們能組成不同形式的系統(tǒng)。在工程實際中，應(yīng)從建筑物的用途和性質(zhì)，熱濕負荷特點、空調(diào)機房面積和位置、初投資和運行維修費用等許多方面去考慮，選擇合理的空調(diào)系統(tǒng)。2.1.2 制冷原理氣態(tài)制冷工質(zhì)(如氟利昂)經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓氣體后進入冷凝器，與水(空氣)進行等壓熱交換，變成低溫高壓液態(tài)。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)干燥過濾器去除水份、雜質(zhì)，進入膨脹閥節(jié)流減壓，成為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，在蒸發(fā)器內(nèi)氣化。液體氣化過程要吸收氣化潛熱，而且液體壓力不同，其飽和溫度(沸點)也不同，壓力越低，飽和溫度越低。例如，1kg的水，在絕對壓力為0.00087MPa，飽和溫度

22、為5，氣化時需要吸收2488.7KJ熱量；1kg的氨，在1個標準大氣壓力(0.10133MPa)下，氣化時需要吸收1369.59KJ熱量，溫度可抵達-33.33。因此，只要創(chuàng)造一定的低壓條件，就可以利用液體的氣化獲取所要求的低溫。依此原理，氣化過程吸取冷凍水的熱量，使冷凍水溫度降低(一般降為7)。制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸取熱量，溫度升高變成過熱蒸氣，進入壓縮機重復(fù)循環(huán)過程。2.1.3 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成中央空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)主機，風機盤管系統(tǒng)、水系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)?？照{(diào)主機由壓縮機、蒸發(fā)器和冷凝器組成，風機盤管系統(tǒng)為房間內(nèi)的末端，水系統(tǒng)出冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)組成7。典型的中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)

23、構(gòu)如圖2-1所示,冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制是中央空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分。2.2 中央空調(diào)變流量控制的原理及特點2.2.1 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述早前，國內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，基本上都采用傳統(tǒng)的定流量控制方式。也就是說，只要啟動空調(diào)主機，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機都在50Hz工頻狀態(tài)下運行。定流量控制方式的特征是系統(tǒng)的循環(huán)水量保持恒定，當負荷發(fā)生變化時，通過改變供水或回水溫度來滿足要求。定流量供水方式最主要的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，不需要復(fù)雜的自控設(shè)備。但這種控制方式存在以下問題：(1)中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多參量、非線性、時變性的復(fù)雜系統(tǒng)，由于末端負荷

24、的頻繁波動，必然造成系統(tǒng)的運行參量偏離空調(diào)主機的最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致主機熱轉(zhuǎn)換效率大大降低，系統(tǒng)長期在低效率狀態(tài)下運行，也會增加系統(tǒng)的能源消耗。(2)無論末端負荷大小如何變化，空調(diào)系統(tǒng)均在設(shè)計的額定狀態(tài)下運行，系統(tǒng)能耗始終處于設(shè)計的最大值。而由于受多種因素不斷變化的影響，如：季節(jié)交替、氣候晝夜變化、使用頻率、人流量增減等?？照{(diào)負荷的這種不恒定性，決定了系統(tǒng)對空調(diào)冷量的需求也是一個隨機變化的量。若不進行系統(tǒng)優(yōu)化，定會造成能源浪費。(3)在工頻狀態(tài)下啟停大功率水泵和風機，沖擊電流大，不利于電網(wǎng)的安全運行，且水泵、風機等機電設(shè)備長期在工額額定狀念下高速運行，機械磨損嚴重，導(dǎo)致使用壽命縮短和設(shè)備故障大幅

25、度增加。綜上來看，定流量控制凸顯出來的問題很多。變流量系統(tǒng)則是根據(jù)實際負荷的大小改變冷凍水流量，水泵也可以根據(jù)系統(tǒng)實際所需流量自動調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速或運行臺數(shù)，從而達到節(jié)約水泵能耗的目的7。如圖2-2所示：圖2-1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2-2 冷凍水變流量控制系統(tǒng)2.2.2 中央空調(diào)變流量控制的實現(xiàn)方式中央空調(diào)循環(huán)水變流量控制系統(tǒng)，是將整個中央空調(diào)系統(tǒng)從節(jié)能、高效、環(huán)保、健康、安全、管理等方面進行全面綜合考慮，把科學(xué)的節(jié)能理念和方法與成熟的控制理論技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、檢測技術(shù)、變頻技術(shù)及其產(chǎn)品進行融合，形成了一個完整的節(jié)能與管理體系。 1、變頻調(diào)速的原理變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入

26、頻率成正比的關(guān)系： (2-1)式中：為同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min；為電源頻率，單位為Hz；為磁極對數(shù)。異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出：(2-2)式中：n電動機實際轉(zhuǎn)速；s異步電動機的轉(zhuǎn)差率。由式(2.2)可知，改變參數(shù)，s中的任意一個就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，即對異步電動機進行調(diào)速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。從某種意義上說，變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電

27、流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補償合適，保持磁通量不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的8。三相異步電機定子每相電動勢的有效值是：(2-3)式中：氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值，單位為V;定子頻率，單位為Hz;定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；基波繞組系數(shù)；每極氣隙磁通量。由式(2.3)知只要控制好和，便可以控制磁通不變。需要考慮基頻以下和基頻以上兩種情況：1)基頻下調(diào)速即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持磁通量不變，但頻率從額定值向下調(diào)節(jié)，必須同時降低，然而繞組中的感應(yīng)電動勢是很難控制的，但電動勢較高，可以忽

28、略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認定定子相電壓=E，則得常數(shù)。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時，可以人為的把電壓抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為b線，無補償?shù)臑閍線。如圖2-3所示。圖2-3 恒壓頻比控制特性2)基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從往上增高，但電壓磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調(diào)速控制特性，如圖2-4所示。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動機都能長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)

29、速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。圖2-4 異步電動機變頻調(diào)速控制特性在中央空調(diào)水系統(tǒng)中，最主要的運行設(shè)備是水泵。水泵調(diào)速運行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律。幽水泵學(xué)比例律可知，對于同一臺水泵，當以不同轉(zhuǎn)速運行時，水泵的流量Q，揚程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系91213： (2-4) 由公式(2-4)知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見，當降低轉(zhuǎn)速時，功率的減少量遠比流量的減少量大得多。因此，控制水泵的轉(zhuǎn)速可以有效地控制水泵的消耗功率，這就是中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的基礎(chǔ)。通過頻率變化來改變電機轉(zhuǎn)速與傳統(tǒng)變速方法相比有以下優(yōu)點：1.啟動為軟啟動

30、，減小了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊；2.調(diào)速范圍廣可實現(xiàn)；3.無級平滑調(diào)速；4.能做到與直流調(diào)速不相上下的程度。2、變頻技術(shù)的應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)是將電力電子、自動控制、微電子、電機學(xué)等技術(shù)集成的一項高新科技。它以其優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果以及在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域廣泛的適用性，被國內(nèi)外公認為是世界上應(yīng)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案，是電氣傳動的發(fā)展方向。它為提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、節(jié)約能源、降低消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益提供了重要的新手段。2.2.3 中央空調(diào)系統(tǒng)變流量系統(tǒng)的特點變流量節(jié)能控制系統(tǒng)是目前最先進的節(jié)能控制技術(shù)，它與普遍使用的定流量中央空調(diào)控制模式相比，具有以下技術(shù)特點：(1) 實現(xiàn)中

31、央空調(diào)綜合性能最優(yōu)，必須針對空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)(包括主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機等)統(tǒng)一考慮，全面控制，使全系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，才能實現(xiàn)最佳綜合節(jié)能。變流量控制系統(tǒng)對中央空調(diào)的運行進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。(2) 實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)負荷的跟隨性變流量控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)中央空調(diào)冷媒系統(tǒng)的運行方式，通過對中央空調(diào)運行系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測和閉環(huán)控制，將空調(diào)主機的定流量運行改為變流量運行，實現(xiàn)空調(diào)主機冷媒流量跟隨末端負荷需求而同步變化，在空調(diào)系統(tǒng)的任何負荷條件下，既能確保中央空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，又實現(xiàn)最大的節(jié)能。(3) 空調(diào)主機始終保持高的熱轉(zhuǎn)換效率眾所周知，隨著中央空調(diào)系統(tǒng)負荷的變化，必將導(dǎo)致整個空調(diào)系統(tǒng)

32、運行參數(shù)偏離空調(diào)主機的最佳設(shè)計參數(shù)，導(dǎo)致主機熱轉(zhuǎn)換效率降低，這一直是傳統(tǒng)中央空調(diào)運行方式無法解決的一大難題。變流量控制系統(tǒng)的一個基本思想就是按照中央空調(diào)主機所要求的最佳運行參數(shù)去控制中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，根據(jù)系統(tǒng)的運行工況及制冷劑工質(zhì)參數(shù)的變化，通過PID控制調(diào)節(jié)，確?？照{(diào)主機始終處于優(yōu)化的最佳工作點上，使主機始終保持較高的熱轉(zhuǎn)換效率，有效地解決了傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)在低負荷狀態(tài)下熱轉(zhuǎn)換效率下降的難題，提高了系統(tǒng)的能源利用率10。隨著變頻器技術(shù)的成熟及其價格的大幅下降，越來越多的設(shè)計師開始認識到在空調(diào)水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速所帶來的巨大效益。這里說到了軟啟動方式，下面來介紹下。2.3 電機的軟

33、啟動原理及應(yīng)用2.3.1 軟啟動設(shè)備介紹電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機啟動的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑的啟動運行。這就是軟啟動。電機的軟啟動可以通過軟啟動器或者變頻器來實現(xiàn)。軟起動器是一種集軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為SoftStarter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。變頻器(Variable-frequency Drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動

34、機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。2.3.2 軟啟動器的應(yīng)用場合原則上，籠型異步電動機凡不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場合都可適用。目前的應(yīng)用范圍是交流380V(也可660V)，電機功率從幾千瓦到800kW。軟起動器特別適用于各種泵類負載或風機類負載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變

35、負載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載場合，應(yīng)用軟起動器(不帶旁路接觸器)則具有輕載節(jié)能的效果。2.3.3 軟啟動器與變頻器之間的區(qū)別對比軟起動器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；軟起動器實際上是個調(diào)壓器，用于電機起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟起動器功能，但它的價格比軟起動器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。軟啟動器是通過星三角轉(zhuǎn)換來降低啟動電流；而變頻器是通過改變頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速的，能降低能耗。變頻器也有軟啟動功能，是通過改變電源頻率實現(xiàn)。軟啟動器只能通過晶閘管調(diào)壓實現(xiàn)電機軟啟動、軟停車，但不

36、具備調(diào)速功能。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電機控制調(diào)速裝置。通過變頻控制電機運行，是真正的高效調(diào)速方式，效率很高。變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)真正的軟啟動、軟停止和高效調(diào)速。兩者可以配合使用，大中型供水設(shè)備中，常由變頻器帶動一臺泵變速運行，由一臺軟啟動器完成其余各泵開、停操作，變頻泵可定時輪換使各泵運行時間均衡，運行中變頻與工頻可實現(xiàn)平穩(wěn)切換。2.4 PID控制的設(shè)計在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在本世紀40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多優(yōu)點11。1.適應(yīng)性強，可以廣泛的

37、應(yīng)用于各種行業(yè)；2.算法簡單，使用方便，容易通過簡單的硬件和軟件方式實現(xiàn)。由于其有這些優(yōu)點，PID控制直到現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式之一。溫度是一個普通而又重要的物理量，在許多領(lǐng)域里，人們需對溫度進行測量和控制，長期以來，國內(nèi)外科技工作者對溫度控制器進行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如：性能成熟、應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)器、智能控制PID調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。2.4.1 PID控制原理PID在溫度控制中已使用數(shù)十年，是一種成熟的技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡單，易于理解和實現(xiàn)，且一些高級控制都是以PID為基礎(chǔ)改進的。在工業(yè)過程控制中，40%以上的控制系統(tǒng)回路具有PID結(jié)構(gòu)。在目前的溫度控制領(lǐng)

38、域，應(yīng)用十分廣泛。PID調(diào)節(jié)器又稱為比例積分微分調(diào)節(jié)器，它具有比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)，可見，溫度PID調(diào)節(jié)器有三個可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。對一個控制系統(tǒng)而言，合理地設(shè)置這三個參數(shù)，可取得較好的控制效果。圖2-5 PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器各個部分的作用及其在控制中的調(diào)節(jié)規(guī)律如下：1、比例增益P比例增益 P就是用來設(shè)置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù)P 都給出一個可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時，P可按中間偏大值預(yù)置或者暫時默認出廠值，待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細調(diào)。比例增益部分用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關(guān)系的分量，能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)

39、輸出偏差的變化情況。由經(jīng)典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少，但比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。2、積分時間I如上所述比例增益P越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達到最佳值時不能立即停止，導(dǎo)致超調(diào)，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié)I，其效果是，使經(jīng)過比例增益P放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大 (或減小) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間I太長，又會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應(yīng)短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較

40、大時，積分時間應(yīng)長些。3、微分時間D微分時間D是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應(yīng)短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，微分時間應(yīng)長些。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個零點，如果使用不當會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。2.4.2 PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)

41、的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控

42、制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。2.4.3 PID的反饋邏輯所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量；而夏天制冷時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速，減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器

43、的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。2.4.4 P、I、D參數(shù)調(diào)整原則各參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實際情況進行如下細調(diào)：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時間I，如仍有振蕩，可適當減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當減小積分時間I，還可加大微分時間D。2.4.5 對空調(diào)系統(tǒng)的PID變頻控制在近幾年對中央空調(diào)系統(tǒng)的變頻控制中多采用PI或PID來實現(xiàn)出回水定溫差或定壓差的水泵頻率控制。對冷凍水控制通過檢測制冷主機蒸發(fā)器的進水口處的回水溫度和出水口處的出水溫度，將其溫差與設(shè)定值比對，通過PLC的PID控制功能或

44、PID控制器，調(diào)節(jié)冷凍泵變頻器的頻率值，最終使溫差值保持在設(shè)定值14。對冷凍水控制通過檢測制冷主機冷凝器的進水口處的回水溫度和出水口處的出水溫度，通過PLC的PID控制功能，調(diào)節(jié)冷卻泵變頻器的頻率值，最終使溫度值保持在設(shè)定值附近。其比例積分系數(shù)憑經(jīng)驗設(shè)定。2.4.6實現(xiàn)設(shè)定值的自動調(diào)節(jié)由前面的分析可知，系統(tǒng)的冷負荷隨著晝夜和季節(jié)的不同、大氣環(huán)境的變化有很大的差異，室溫等因素也會產(chǎn)生較大的影響。即使空調(diào)系統(tǒng)的水泵、風機等以同樣轉(zhuǎn)速等情況運行，其實際出回水溫差也變化很大。因此隨環(huán)境因素實時的修改設(shè)置參數(shù)，可更加節(jié)能，通過建立溫度查詢表并通過人機界面輸入到PLC存儲器中可實現(xiàn)自動控制。溫度設(shè)置如下表

45、：表2-1 溫度值查詢表室溫19以下1923232626以上設(shè)定值87652.4.7 PID控制器設(shè)計及實現(xiàn)西門子公司從S7-200系列PLC中的CPU215，CPU216開始增加了用于閉環(huán)控制的PID指令。西門予公司的S7-200系列的PLC都有配套的STEP7-Micro/WIN32編程軟件，該軟件可以在PC機上運行，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。STEP7-Micro/WIN32提供了PID指令向?qū)?，指?dǎo)使用者定義一個閉環(huán)控制過程的PID算法，該算法程序由編程軟件自動插入到主程序中。PID的組態(tài)設(shè)計包括以下內(nèi)容：(1)確定所要控制的PID指令編號(回路編號)：

46、(2)選擇參數(shù)控制表存放的位置以及閉環(huán)控制的參數(shù)；(3)確定PID回路的輸入和輸出控制參數(shù)；(4)確定PID回路的報警選項以及報警參數(shù)；(5)指定用于計算的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域；(6)指定初始化子過程和中斷的名稱；(7)確認設(shè)計的PID算法名稱。PID設(shè)置向?qū)н^程如圖2-9：圖2-6(a) PID向?qū)гO(shè)置過程圖2-6(b) PID向?qū)гO(shè)置過程2.5 本章小結(jié)本章介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)和原理，對變流量控制進行了研究闡述了變頻調(diào)速原理，分別對比了軟啟動器和變頻器的優(yōu)缺點，最后對傳統(tǒng)PID控制進行了細致的研究和探討可行性及PID控制環(huán)節(jié)的實現(xiàn)。第3章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中央空調(diào)控制系統(tǒng)硬件有變頻器、P

47、LC、溫度變送器、人機界面。實現(xiàn)功能如下：1、變頻器：為了調(diào)速，并降低啟動電流。2、PLC：PLC作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制核心，PLC 控制器通過溫度傳感器測量進出水溫度，編入控制器內(nèi)存，最后來控制變頻器的頻率，以控制電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水量，根據(jù)室內(nèi)的溫度高低，控制熱交換的速度，達到節(jié)能目的。3、溫度變送器：將溫度變量轉(zhuǎn)化為可傳送的標準化輸出信號。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。4、人機界面：系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機信息交流的領(lǐng)域都存在著人機界面。3.1 變頻器的原理主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力

48、變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電

49、容吸收脈動電壓(電流)。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。3.2 西門子MM440變頻器性能介紹MICROMASTER 440全新一代用于控制三相交流電動機速度和轉(zhuǎn)矩的多功能標準變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調(diào)制技術(shù)，可使電動機低噪聲運行。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機

50、提供了良好的保護創(chuàng)新的BiCo(內(nèi)部功能互聯(lián))功能有無可比擬的靈活性15。其具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動裝置。由于MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。既可用于單獨傳動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。變頻器適用于各種變速驅(qū)動裝置。由于它具有高度的靈活性因而可以在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。它尤其適合用于吊車和起重系統(tǒng)、立體倉儲系統(tǒng)、食品、飲料和煙草工業(yè)以及包裝工業(yè)的定位系統(tǒng)。3.2.1 主要特征易于安裝；易于調(diào)試；牢固的EMC設(shè)計；可由IT電源供電；對控制信號的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的；參數(shù)設(shè)

51、置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應(yīng)用對象進行配置；電纜連接簡便；具有多個繼電器輸出；具有多個模擬量輸出(020mA)；6 個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換可NPN/PNP 接線；2 個模擬輸入：1)ADC1：010V，020mA 和-10 至+10V 2)ADC2：010V，020mA；2 個模擬輸入可以作為第7 和第8 個數(shù)字輸入；BICO 技術(shù)；模塊化設(shè)計，配置非常靈活；開關(guān)頻率高(傳動變頻器可到16kHz)，因而電動機運行的噪音低；內(nèi)部RS485 接口(端口)；詳細的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。3.2.2 控制性能的特點最新的IGBT技術(shù)；數(shù)字微處理器控制；高質(zhì)量的矢量控制系統(tǒng)；磁通電流控

52、制(FCC)改善動態(tài)響應(yīng)，并且優(yōu)化電動機的控制；線性V/F特性；平方V/F特性；多點v/f特性(可編程V/F特性)；力矩控制；捕捉再起動；滑差補償；在電源中斷或故障跳閘以后，自動再起動；可以由用戶定義的自由功能塊，實現(xiàn)邏輯運算和算術(shù)運算的操作；動態(tài)緩沖；用于定位控制的減速斜坡函數(shù)曲線；高品質(zhì)的PID控制器(具有參數(shù)自整定功能)，可用于一般的過程控制；可編程的加速/減速斜坡函數(shù)，0秒至650秒；斜坡起始段和結(jié)束段的平滑功能；快速電流限制(FCL)功能，避免運行中不應(yīng)有的跳閘；快速、可重復(fù)的數(shù)字輸入響應(yīng)時間；使用兩個高分辨率的10位二進制模擬輸入，實現(xiàn)速度精調(diào)；復(fù)合制動，實現(xiàn)快速制動控制；4個跳轉(zhuǎn)

53、頻率。3.2.3 保護功能過壓/欠壓保護；變頻器過溫保護；使用PTC通過數(shù)字輸入實現(xiàn)電動機過熱保護；接地故障保護；短路保護；閉鎖電動機保護；防止電動機失速；參數(shù)聯(lián)鎖。3.2.4 變頻器運行的環(huán)境條件1.變頻器要求的環(huán)境溫度都是040度，這個溫度比較適合變頻器正常運行。2.空氣的相對濕度95%，無凝露。3.不允許變頻器掉到地上或遭受突然的撞擊。不允許把變頻器安裝在有可能經(jīng)常受到振動的地方。4.不允許把變頻器安裝在接近電磁輻射源的地方。5.不要把變頻器安裝在存在大氣污染的環(huán)境中，例如，安裝在存在灰塵、腐蝕性氣體等的環(huán)境中。6.變頻器的安裝位置切記要遠離有可能出現(xiàn)淋水的地方。例如，不要把變頻器安裝在

54、水管的下面，因為水管的表面有可能結(jié)露。禁止把變頻器安裝在濕度過大和有可能出現(xiàn)凝露的地方。7.在變頻器附近不要安裝有對冷卻空氣流通造成負面影響的其它設(shè)備。確認變頻器的冷卻風口處于正確的位置，不妨礙空氣的流通。3.2.5 使用變頻器設(shè)計系統(tǒng)時需注意的問題1. 變頻器柜內(nèi)除本機專用的空氣開關(guān)外，不宜安置其它操作性開關(guān)電器，以免開關(guān)噪聲入侵變頻器，造成誤動作；2. 變頻器電源輸入側(cè)可采用容量適宜的空氣開關(guān)作為短路保護，但切記不可頻繁操作。由于變頻器內(nèi)部具有大電容，其放電過程較為緩慢，頻繁操作將造成過電壓而損壞內(nèi)部元件；3. 注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象。由于定子電流中含有高次諧波成分，電機轉(zhuǎn)矩中含有脈動分量，

55、有可能造成電機的振動與機械振動產(chǎn)生共振，使設(shè)備出現(xiàn)故障。應(yīng)預(yù)先找到負載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設(shè)置，躲開共振頻率點。為了控制電源，一般在變頻器電源進線上串接一個超過變頻器額定電流兩倍以上的交流接觸器。但應(yīng)注意，除緊急情況外，接觸器的通斷只能在變頻器停止運行的情況下才能進行。3.3 PLC選型3.3.1 PLC簡介可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。3.3.2 PL

56、C控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。1、運算功能簡單可編程邏輯控制器的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通可編程邏輯控制器的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復(fù)雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型可編程邏輯控制器中還有模擬量的PID運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在可編程邏輯控制器中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的功能。2、控制功能控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定

57、?？删幊踢壿嬁刂破髦饕糜陧樞蜻壿嬁刂?，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高可編程邏輯控制器的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補償?shù)哪M單元、ASC碼轉(zhuǎn)換單元等。3、通信功能大中型可編程邏輯控制器系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線和標準通信協(xié)議(如TCP/IP)，需要時應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)(TCP/IP)相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合ISO/IEEE通信標準，應(yīng)是開放的通信網(wǎng)絡(luò)?？删幊踢壿嬁刂破飨到y(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可編程邏輯控制器通信總線(含接口

58、設(shè)備和電纜)應(yīng)1:1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國際標準，通信距離應(yīng)滿足裝置實際要求。為減輕CPU通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的(如點對點、現(xiàn)場總線)通信處理器。4、編程功能離線編程方式：可編程邏輯控制器和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周

59、期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型可編程邏輯控制器中常采用。五種標準化編程語言：順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)三種圖形化語言和語句表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)兩種文本語言。選用的編程語言應(yīng)遵守其標準(IEC6113123)，同時，還應(yīng)支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。5、診斷功能可編程邏輯控制器的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對可編程邏輯控制器的CPU與外

60、部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷?？删幊踢壿嬁刂破鞯脑\斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時間。6、處理速度可編程邏輯控制器采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則可編程邏輯控制器將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的丟失。處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，可編程邏輯控制器接點的響應(yīng)快、速度高，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期應(yīng)滿足：小型可編程邏輯控制器的掃描時間不大于0.5ms/K；大中型可編程邏輯控制器的掃描時間不大于0.2ms/K。綜上所述，再結(jié)合實際情

61、況，為便于今后系統(tǒng)的改造或者升級，需要留出一定的I/O點以做擴展使用。我們選用西門子S7-200PLC作為主控制器，其中主機型號：CPU226。3.3.3 西門子S7-200PLC介紹S7-200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：1)極高的可靠性；2)極豐富的指令集；3)易于掌握；4)便捷的操作；5)豐富的內(nèi)置集成功能；6)實時特性；7)強勁的通訊能力；8)豐富的擴展模塊。S7-2

62、00系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制。 CPU226的主要技術(shù)指標:1.集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點。2.可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O 點或35路模擬量I/O 點。3. 13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。4. 6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。5. 2個RS

63、485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。6.I/O端子排可很容易地整體拆卸。7.用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。8.可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 S7-200的工作模式:S7-200系列PLC有3中工作模式，即RUN，STOP和TERM模式。RUN模式：CPU在RUN模式下執(zhí)行完整的掃描過程，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。此時，在CPU模式的LED顯示面板上“RUN”顯示當前的工作模式。在此模式時，不能向PLC裝入程序、STOP模式：PLC處于停止方式，CPU不執(zhí)行用戶程序，可裝載編程軟件的計算機通信，可以創(chuàng)建和編輯用戶程序，設(shè)置PLC的硬件功能，向PLC裝入用戶程序和硬件設(shè)置信息。TERM模式：是一種暫態(tài)，可以用程序?qū)ERM轉(zhuǎn)換為RUN或STOP狀態(tài)，在現(xiàn)場調(diào)試程序時很有用處。TERM狀態(tài)還和機器的特殊標志位SM0.7有關(guān)，可用于自由口通信時的控制。3.3.4 模擬量I/O模塊的種類在工業(yè)控制中，某些輸入量(