中央空調(diào)控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</b></p><p>　　課題名稱 可編程的中央空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　　二O一三 年 四 月 十四 </p><p>　　基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p

2、>　　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。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。</p><p>　　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(fù)載，長期處于滿負(fù)荷運行，造成了極大的能源

3、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)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達(dá)到節(jié)能目的。該系統(tǒng)采用西門子的S7—200PLC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(fù)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。</p><p>　　通過對中央空調(diào)的理論分析，驗證了以出回水

4、溫差為根據(jù)對其進(jìn)行變流量控制的可靠性。對變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，為實現(xiàn)溫度信號遠(yuǎn)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(jìn)行了系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞 中央空調(diào)；PLC；變頻器；PID；RS-485</p><p>　　基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計目錄

5、</p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展2</p><p>　　1.2.1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展2</p

6、><p>　　1.2.2 中央空調(diào)變流量控制的發(fā)展3</p><p>　　1.3 本研究課題的主要工作4</p><p>　　第2章 中央空調(diào)變流量控制的原理5</p><p>　　2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理5</p><p>　　2.1.1 概述5</p><p>　　2.1.2

7、制冷原理5</p><p>　　2.1.3 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成5</p><p>　　2.2 中央空調(diào)變流量控制的原理及特點5</p><p>　　2.2.1 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述5</p><p>　　2.2.2 中央空調(diào)變流量控制的實現(xiàn)方式7</p><p>　　2.2.3 中央空調(diào)系統(tǒng)變流量系統(tǒng)的特點9

8、</p><p>　　2.3 電機的軟啟動原理及應(yīng)用10</p><p>　　2.3.1 軟啟動設(shè)備介紹10</p><p>　　2.3.2 軟啟動器的應(yīng)用場合10</p><p>　　2.3.3 軟啟動器與變頻器之間的區(qū)別對比10</p><p>　　2.4 PID控制的設(shè)計11</p>&l

9、t;p>　　2.4.1 PID控制原理11</p><p>　　2.4.2 PID控制器的參數(shù)整定12</p><p>　　2.4.3 PID的反饋邏輯12</p><p>　　2.4.4 P、I、D參數(shù)調(diào)整原則13</p><p>　　2.4.5 對空調(diào)系統(tǒng)的PID變頻控制13</p><p>　　2

10、.4.6實現(xiàn)設(shè)定值的自動調(diào)節(jié)13</p><p>　　2.4.7 PID控制器設(shè)計及實現(xiàn)13</p><p>　　2.5 本章小結(jié)15</p><p>　　第3章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計16</p><p>　　3.1 變頻器的原理16</p><p>　　3.2 西門子MM440變頻器性能介紹16&l

11、t;/p><p>　　3.2.1 主要特征17</p><p>　　3.2.2 控制性能的特點17</p><p>　　3.2.3 保護(hù)功能17</p><p>　　3.2.4 變頻器運行的環(huán)境條件17</p><p>　　3.2.5 使用變頻器設(shè)計系統(tǒng)時需注意的問題18</p><p>

12、　　3.3 PLC選型18</p><p>　　3.3.1 PLC簡介18</p><p>　　3.3.2 PLC控制功能的選擇18</p><p>　　3.3.3 西門子S7-200PLC介紹20</p><p>　　3.3.4 模擬量I/O模塊的種類20</p><p>　　3.3.5 EM231技術(shù)指標(biāo)

13、21</p><p>　　3.3.6 EM232技術(shù)指標(biāo)21</p><p>　　3.3.7 EM231 RTD接線及注意事項21</p><p>　　3.4 PT100溫度傳感器21</p><p>　　3.5 PT100溫度變送器22</p><p>　　3.6 人機界面設(shè)計22</p>

14、<p>　　3.7 系統(tǒng)硬件設(shè)計23</p><p>　　3.8 本章小結(jié)25</p><p>　　第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計26</p><p>　　4.1 設(shè)備間通訊26</p><p>　　4.1.1 RS-485介紹26</p><p>　　4.1.2 USS協(xié)議26</p>

15、<p>　　4.2 PLC的初始設(shè)定27</p><p>　　4.3 PLC主程序流程圖29</p><p>　　4.4 PLC編程軟件30</p><p>　　4.5 程序設(shè)計30</p><p>　　4.5.1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的I/O分配表30</p><p>　　4.5.2 程序中使用的存儲

16、器及功能31</p><p>　　4.6 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的MCGS組態(tài)32</p><p>　　4.6.1 MCGS組態(tài)軟件簡介32</p><p>　　4.6.2 MCGS 6.2通用版介紹32</p><p>　　4.6.4 系統(tǒng)腳本程序編寫34</p><p>　　4.6.5 組態(tài)運行界面35<

17、;/p><p>　　4.7 本章小結(jié)36</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><p><b>　　致謝38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　附錄C40</b&g

18、t;</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　隨著國民經(jīng)濟(jì)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。隨著時間的推移，人們對中央空調(diào)控制系統(tǒng)運

19、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。</p><p>　　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(dá)50％以上。采用新技術(shù)降低系統(tǒng)能耗成為當(dāng)務(wù)之急。因為能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)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

20、中之重。建設(shè)節(jié)能型社會，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是實現(xiàn)全面建設(shè)小康社會宏偉目標(biāo)，構(gòu)建和諧社會的重要基礎(chǔ)保障[1]。</p><p>　　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)、冷卻塔風(fēng)機系統(tǒng)、風(fēng)機盤管系統(tǒng)等都是按照建筑物最大負(fù)荷制定的，且留有充足余量。不管在什么時間，負(fù)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(fù)荷，但不具備隨用戶負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)的功能，而在大多數(shù)時間里

21、，用戶負(fù)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(fù)荷的變化，在絕大部分時間內(nèi)，空調(diào)的實際熱負(fù)載與決定水泵流量和壓力的最大設(shè)計負(fù)載相比，一年中負(fù)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5～7℃，冷卻水的設(shè)計溫差為4～5℃，在系統(tǒng)流量固定的情況下，全年絕大部分運行時間溫差僅為1～3℃，即在

22、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(yán)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：</p><p>　　第一，負(fù)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(fù)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

23、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。</p><p>　　第二，空調(diào)主機選型容量加大，在冷負(fù)荷估算值加大后，空調(diào)主機制冷量也相應(yīng)的加大。</p><p>　　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(fù)荷狀態(tài)下運行。</p><p>　　第四，起停頻繁對設(shè)備

24、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(jìn)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。</p><p>　　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(jìn)行調(diào)整并對空調(diào)設(shè)備進(jìn)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(jì)效果。另外，根

25、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)速，采用變頻器進(jìn)行風(fēng)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]。空調(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。

26、</p><p>　　1.2 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展</p><p>　　1.2.1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　1、在單室內(nèi)機的房間空調(diào)器方面</p><p>　　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)已研制出多種形式的變頻空調(diào)器或

27、智能空調(diào)器，對推進(jìn)我國空調(diào)業(yè)的進(jìn)步作出了貢獻(xiàn)。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(jìn)行變流量控制，利用16位微機并引進(jìn)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(fù)荷大小的“熱容C”和表征房間漏熱程度的“熱阻R”進(jìn)行模糊辯識的方法。研究表明，

28、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。</p><p>　　2、在多室內(nèi)機的房間空調(diào)器(一機多掛系統(tǒng))方面</p><p>　　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(jìn)入各室內(nèi)機的工質(zhì)流量加以嚴(yán)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

29、。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。</p><p>　　(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。</p><p>　　(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

30、內(nèi)環(huán)境的舒適性要求。</p><p>　　(3)單臺定速壓縮機多臺室內(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。</p><p>　　(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(jìn)入各室內(nèi)機的工質(zhì)流量

31、，使之滿足各室內(nèi)的冷(熱)負(fù)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(fēng)扇轉(zhuǎn)速、四通閥、室內(nèi)機的風(fēng)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。</p><p>　　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)、

32、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(dāng)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(jì)90年代未至21世紀(jì)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

33、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)，從而使中央空調(diào)的各泵組和冷卻塔風(fēng)機的運行跟隨負(fù)荷的變化而同步變化，就能夠在保證負(fù)荷需求的前提下，實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的最大節(jié)能。</p><p>　　國內(nèi)還有一些科研機構(gòu)和企業(yè)的科研團(tuán)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

34、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(jìn)技術(shù)還存在很大的差距，有待于進(jìn)一步的研究和提高。</p><p>　　1.2.2 中央空調(diào)變流量控制的發(fā)展</p><p>　　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

35、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。</p><p>　　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(fù)荷的變化，冷凍水泵以固定的流量輸運

36、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。</p><p>　　從九十年代術(shù)期開始，隨著計算機及電子技術(shù)的高速發(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(biāo)準(zhǔn)。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P

37、ID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(jìn)行控制，從而減少了控制系統(tǒng)對對象模型的依賴性。</p><p>　　目前，中央空調(diào)控制方法有雙位ON／OFF控制、PID控制、最優(yōu)控制、模糊控制等方法。以PID算法為核心的各種DDC

38、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。</p><p>　　1.3 本研究課題的主要工作</p><p>　　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(jìn)行了研究，并進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計，最終設(shè)計了中央空

39、調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。</p><p>　　研究工作的具體內(nèi)容如下：</p><p>　　1、對空調(diào)系統(tǒng)變頻控制進(jìn)行了理論分析。</p><p>　　2、對變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)工頻/變頻切換功能。</p><p>　　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)據(jù)信號通過網(wǎng)絡(luò)送到主控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。</

40、p><p>　　4、文中對冷凍水機組的控制系統(tǒng)進(jìn)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。</p><p>　　第2章 中央空調(diào)變流量控制的原理</p><p>　　2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理</p><p>&l

41、t;b>　　2.1.1 概述</b></p><p>　　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(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過程的要求。</p><p>　　中央空調(diào)系統(tǒng)是一種大型的對建筑物進(jìn)行集中空氣調(diào)節(jié)并進(jìn)行管理的設(shè)備，一般由空氣處理設(shè)備、送(回)風(fēng)機、送(回)風(fēng)通

42、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(fù)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)。</p><p>　　2.1.2 制冷原理</p><p>　　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(jìn)入冷凝器，與水(空氣)進(jìn)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

43、器去除水份、雜質(zhì)，進(jìn)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，飽和溫度為5℃，氣化時需要吸收2488.7KJ熱量；1kg的氨，在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(0.10133MPa)下，氣化時需要吸收1369.59KJ熱量，溫度可抵達(dá)-33.33℃。因此，只要創(chuàng)造一定的低壓條件，就可以利用液

44、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(jìn)入壓縮機重復(fù)循環(huán)過程。</p><p>　　2.1.3 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　中央空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)主機，風(fēng)機盤管系統(tǒng)、水系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。空調(diào)主機由壓縮機、蒸發(fā)器和冷凝器組成，風(fēng)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)

45、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)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。</p><p>　　2.2 中央空調(diào)變流量控制的原理及特點</p><p>　　2.2.1 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述</p><p>　　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

46、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(fēng)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(dāng)負(fù)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：</p><p>　　(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(fù)荷的頻繁波動，必然造成系統(tǒng)的運行參量偏離空調(diào)

47、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。</p><p>　　(2)無論末端負(fù)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(fù)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(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，定會造成能源浪費。<

48、;/p><p>　　(3)在工頻狀態(tài)下啟停大功率水泵和風(fēng)機，沖擊電流大，不利于電網(wǎng)的安全運行，且水泵、風(fēng)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(yán)重，導(dǎo)致使用壽命縮短和設(shè)備故障大幅度增加。</p><p>　　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(fù)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(dá)到節(jié)約水泵能耗的目的[7]

49、。如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-2 冷凍水變流量控制系統(tǒng)</p><p>　　2.2.2 中央空調(diào)變流量控制的實現(xiàn)方式</p><p>　　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(jìn)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

50、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(jìn)行融合，形成了一個完整的節(jié)能與管理體系。</p><p><b>　　1、變頻調(diào)速的原理</b></p><p>　　變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： </p><p><b>　　(2-1)</b></p><p

51、><b>　　式中：</b></p><p>　　——為同步轉(zhuǎn)速，單位為r/min；</p><p>　　——為電源頻率，單位為Hz；</p><p><b>　　——為磁極對數(shù)。</b></p><p>　　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：</p&g

52、t;<p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　n——電動機實際轉(zhuǎn)速；</p><p>　　s——異步電動機的轉(zhuǎn)差率。</p><p>　　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(jìn)行

53、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。</p><p>　　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)致過大的勵磁電流，嚴(yán)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

54、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]。</p><p>　　三相異步電機定子每相電動勢的有效值是：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　——氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值，單位為

55、V;</p><p>　　——定子頻率，單位為Hz;</p><p>　　——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；</p><p><b>　　——基波繞組系數(shù)；</b></p><p>　　——每極氣隙磁通量。</p><p>　　由式(2.3)知只要控制好和，便可以控制磁通不變。</p>&l

56、t;p>　　需要考慮基頻以下和基頻以上兩種情況：</p><p><b>　　1)基頻下調(diào)速</b></p><p>　　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，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)定定子相電壓=E，則得常數(shù)。</p><p>

57、;　　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。</p><p>　　圖2-3 恒壓頻比控制特性</p><p><b>　　2)基頻以上調(diào)速</b></p><p>　　在基頻以上調(diào)速時，頻率可

58、以從往上增高，但電壓磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。</p><p>　　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)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。</p><p>　　圖2-4 異步電動機

59、變頻調(diào)速控制特性</p><p>　　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(dāng)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[9][12][13]：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　由公式(2-4)知，流量

60、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(dāng)降低轉(zhuǎn)速時，功率的減少量遠(yuǎn)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)。</p><p>　　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：</p><p>　　1.啟動為軟啟動，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

61、；4.能做到與直流調(diào)速不相上下的程度。</p><p><b>　　2、變頻技術(shù)的應(yīng)用</b></p><p>　　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(jì)各領(lǐng)域廣泛的適用性，被國內(nèi)外公認(rèn)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

62、產(chǎn)量、節(jié)約能源、降低消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提供了重要的新手段。</p><p>　　2.2.3 中央空調(diào)系統(tǒng)變流量系統(tǒng)的特點</p><p>　　變流量節(jié)能控制系統(tǒng)是目前最先進(jìn)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：</p><p>　　實現(xiàn)中央空調(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(fēng)機

63、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(jìn)行優(yōu)化控制，實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。</p><p>　　實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)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(fù)荷需求而同步變化，在空調(diào)系統(tǒng)的任何負(fù)荷條件下，既能確保中央空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，又實

64、現(xiàn)最大的節(jié)能。</p><p>　　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(fù)荷的變化，必將導(dǎo)致整個空調(diào)系統(tǒng)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

65、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(fù)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]。</p><p>　　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(rèn)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。</p><p>　　這里說到了軟啟動方式，下面來介紹下。</p><p>　　2.3

66、 電機的軟啟動原理及應(yīng)用</p><p>　　2.3.1 軟啟動設(shè)備介紹</p><p>　　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)。</p><p>　　軟起動器是一種集軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Star

67、ter。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。</p><p>　　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。</p><p>　　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機的電力控制設(shè)備。變頻器主要

68、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(dá)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(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)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。</p><p>　　2.3.2 軟啟動器的應(yīng)用場合</p><p&

69、gt;　　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(fù)載或風(fēng)機類負(fù)載，需要軟起動與軟停車的場合。</p><p>　　同樣對于變負(fù)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。</p><p>　　2.3.3

70、 軟啟動器與變頻器之間的區(qū)別對比</p><p>　　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

71、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，但不具備調(diào)速功能。</p><p>　　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

72、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。</p><p>　　2.4 PID控制的設(shè)計</p><p>　　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(jì)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

73、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。</p><p>　　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(jìn)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(jìn)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。</p><p>　　2.4.1 PID控制原理&

74、lt;/p><p>　　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(jìn)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)域，應(yīng)用十分廣泛。</p><p>　　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)，</p><p>　　可見，溫度PID調(diào)

75、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。</p><p>　　圖2-5 PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　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：</p><p><b>　　1、比例增益P</b></p><p&

76、gt;　　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(rèn)出廠值，待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細(xì)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)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。</p>&l

77、t;p><b>　　2、積分時間I</b></p><p>　　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(dá)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(dāng)反饋信號急劇變化

78、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)較大時，積分時間應(yīng)長些。</p><p><b>　　3、微分時間D</b></p><p>　　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

79、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(dāng)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　2.4.2 PID控制器的參數(shù)整定</p><p>　　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

80、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)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(jìn)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(jìn)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

81、數(shù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：</p><p>　　(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；</p><p>　　(2)僅加入比例控制環(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；</p><

82、p>　　(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)。</p><p>　　2.4.3 PID的反饋邏輯</p><p>　　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

83、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，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。</p><p>　　2.4.4 P、I、D參數(shù)調(diào)整原則</p><p>　　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(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值

84、附近振蕩，首先加大積分時間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)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(dāng)減小積分時間I，還可加大微分時間D。</p><p>　　2.4.5 對空調(diào)系統(tǒng)的PID變頻控制</p><p>　　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(jìn)水

85、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]。</p><p>　　對冷凍水控制通過檢測制冷主機冷凝器的進(jìn)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。</p><p>　　2

86、.4.6實現(xiàn)設(shè)定值的自動調(diào)節(jié)</p><p>　　由前面的分析可知，系統(tǒng)的冷負(fù)荷隨著晝夜和季節(jié)的不同、大氣環(huán)境的變化</p><p>　　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(fēng)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：&l

87、t;/p><p>　　表2-1 溫度值查詢表</p><p>　　2.4.7 PID控制器設(shè)計及實現(xiàn)</p><p>　　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

88、序提供了良好的編程環(huán)境。</p><p>　　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：</p><p>　　(1)確定所要控制的PID指令編號(回路編號)：(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PI

89、D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(rèn)設(shè)計的PID算法名稱。</p><p>　　PID設(shè)置向?qū)н^程如圖2-9：</p><p>　　圖2-6(a) PID向?qū)гO(shè)置過程</p><p>　　圖2-6(b) PID向?qū)гO(shè)置過程</p><p><b>　　2.5

90、本章小結(jié)</b></p><p>　　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(jìn)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(jìn)行了細(xì)致的研究和探討可行性及PID控制環(huán)節(jié)的實現(xiàn)。</p><p>　　第3章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　中央空調(diào)控制系統(tǒng)硬件有變頻器、PLC、溫度變送器、人機界面

91、。實現(xiàn)功能如下：</p><p>　　1、變頻器：為了調(diào)速，并降低啟動電流。</p><p>　　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(jìn)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(dá)到節(jié)能目的。</p><p>　　3、溫度變送器：將溫度變量轉(zhuǎn)化

92、為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)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。</p><p>　　4、人機界面：系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)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。</p><p>　　3.1 變頻器的原理</p><p>　　主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上

93、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”。</p><p>　　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，

94、由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運轉(zhuǎn)。</p><p>　　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。</p><p>　　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

95、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。</p><p>　　3.2 西門子MM440變頻器性能介紹</p><p>　　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(biāo)準(zhǔn)變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)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

96、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(hù)功能為變頻器和電動機提供了良好的保護(hù)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]。</p><p>　　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)

97、中。</p><p>　　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)。</p><p>　　3.2.1 主要特征</p><p>　　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)置的范圍很廣

98、，確保它可對廣泛的應(yīng)用對象進(jìn)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(0~20mA)；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)ADC1：0~10V，0~20mA 和-10 至+10V 2)ADC2：0~10V，0~20mA；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R

99、S485 接口(端口)；詳細(xì)的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。</p><p>　　3.2.2 控制性能的特點</p><p>　　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

100、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(jìn)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)頻率。</p>

101、<p>　　3.2.3 保護(hù)功能</p><p>　　過壓/欠壓保護(hù)；變頻器過溫保護(hù)；使用PTC通過數(shù)字輸入實現(xiàn)電動機過熱保護(hù)；接地故障保護(hù)；短路保護(hù)；閉鎖電動機保護(hù)；防止電動機失速；參數(shù)聯(lián)鎖。</p><p>　　3.2.4 變頻器運行的環(huán)境條件</p><p>　　1.變頻器要求的環(huán)境溫度都是0～40度，這個溫度比較適合變頻器正常運行。2.空氣的相對濕

102、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(yuǎn)離有可能出現(xiàn)淋水的地方。例如，不要把變頻器安裝在水管的下面，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

103、氣流通造成負(fù)面影響的其它設(shè)備。確認(rèn)變頻器的冷卻風(fēng)口處于正確的位置，不妨礙空氣的流通。</p><p>　　3.2.5 使用變頻器設(shè)計系統(tǒng)時需注意的問題</p><p>　　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；</p><p>　　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(hù)，但切記不可

104、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；</p><p>　　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，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(fù)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。</p><p>　　為了控制電源，一般在變頻器電源進(jìn)線上串接

105、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(jìn)行。</p><p><b>　　3.3 PLC選型</b></p><p>　　3.3.1 PLC簡介</p><p>　　可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它采用一類可編程的

106、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。</p><p>　　3.3.2 PLC控制功能的選擇</p><p>　　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。</p><p><b>　　1、運算功能</

107、b></p><p>　　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(jìn)行數(shù)

108、據(jù)通信的功能。</p><p><b>　　2、控制功能</b></p><p>　　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。可編程邏輯控制器主要用于順序邏輯控制，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

109、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。</p><p><b>　　3、通信功能</b></p><p>　　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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開放的通信網(wǎng)絡(luò)。可編程邏輯控制器系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行