3049.PLC在智能化中央空调中的应用.doc

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1、xxxxx职业技术学院毕业设计（论文）题 目PLC在智能化中央空调中的应用系（分院 机械电子工程系学生姓名 xxxxx 学 号 xxxxx 专业名称 电气自动化技术 指导教师 xxxxx 2010 年 3 月 1 8日毕业设计（论文）任务书姓 名xxxxx专 业电气自动化技术班 级072毕业设计（论文）题 目PLC在智能化中央空调的应用毕业设计（论文）选题的目的与意义PLC在智能化中央空调的应用价格低廉、性能稳定、操作方便且便于携带，广泛用于家庭，商场及各类酒店中，通过本系统的开发设计，加深对PLC控制器的理解和运用以及PLC外围接口的一些方法和技巧，加深对自己所学理论知识的理解，将为以后对更

2、复杂系统设计积累经验。毕业设计（论文）的资料收集情况（含指定参考资料） 中央空调工程设计与施工，吴继红、李佐周编著，高等教育出版社 制冷空调自动控制，张子慧等编著，科学出版社1三菱公司，三菱微型可编程控制器编程手册，2000可编程控制器原理及应用，顾战松、陈铁年编著，国防工业出版社，毕业设计（论文）工作进度计划2009年12月1日2009年12月21日收集资料2010年 1月3日2月5日完成系统预设，并听从老师的建议2009年 2月7日3月15日完成系统的调试与运行接受任务日期 2009 年 12月 1 日 要求完成日期 2009 年 3月 20日学生签名： 年 月 日指导教师签名：年 月 日

3、 系（分院）主任（院长）签名：年 月 日毕业设计（论文）指导教师评阅意见表姓 名xxxxx学 号07112176性 别男专 业电气自动化技术班 级072毕业设计（论文）题 目PLC在智能化中央空调的应用评阅意见 成绩指导教师签字年 月 日毕业设计（论文）答辩意见表姓 名xxxxx学 号07112176性 别男专 业电气自动化技术班 级072毕业设计（论文）题 目PLC在智能化中央空调的应用答辩时间地 点答辩小组成员姓 名职 称学 历从事专业组 长成 员秘 书答辩小组意见 答 辩 成 绩：答辩小组组长签名：年 月 日PLC在智能化中央空调的应用 摘要：随着社会经济的快速发展，中央空调的更新换代不

4、断加快，其智能化，和低能耗不断引起人们的关注。本文在中央空调引入PLC，通过PLC控制变频器和PID编程器实现用软件编程和变频器的变频控制来实现对中央空调的智能化控制。本文介绍了PLC在智能化中央空调控制系统中的功能及控制原理和过程，对系统的结构和软件设计也作了说明。关键词：PLC控制器，PID控制器，编程控制，自动、节能近年来，随着城市高楼大厦的不断涌现，人民生活水平的不断提高，人们对居住和工作的环境要求也越来越高，冬暖夏凉是人们共同的要求。中央空调系统正好满足了人们的要求，但是中央空调系统每年所耗费的能源大概占整个建筑能耗的60%，所以节能问题就摆在了人们面前。本文提出了基于PLC和变频器

5、的智能控制控制方案，一方面对中央空调系统中功率比较大的电机采用变频控制，将变频器运用于中央空调系统中，使电机的输出功率跟随负载的变化，在很多程度上节约了能源。另一方面，在中央空调系统中一般都有一台专门用来制取卫生热水的主机。一、 概述随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，各种大型建筑在我们国家越来越普遍，其中一般都安有中央空调系统，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出的要求就是舒适和节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让居住者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造来实现节能、舒适的目的。

6、据统计，中央空调的用电量占各类大型建筑总用电量的60%以上，其中，仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的20%一40%，存在巨大的能源浪费，而世界正在提倡节能减排，因此采用新技术降低系统能耗和减轻空调系统向外界所释放的能量就成为当务之急。在传统的设计中，中央空调的制冷/制热机组、冷冻水/冷温水泵、冷却水泵、冷却塔风机的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷的需求来选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定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系统功率的特性，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。近年来节

7、能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，因此如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多的中央空调系统经营管理者所关注的问题。因此采用变频调速技术节约低负荷时主机系统和水泵、风机系统的电能消耗，还对空调系统所释放的能量进行回收利用，具有极其重要的经济和社会意义，寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系统成为当务之急，因而中央空调的节能改造便成必然。二、系统及工艺简介 现介绍如下：本次的设计中有两套中央空调系统，由三台冷却水泵、三台冷冻水泵、一台冷却塔风机、两台冷水机组等主要设备组成两套制冷系统（因系统小，冷却塔功率大，实验

8、室要求等，本系统较一般两套制冷系统不同的是两台冷水机组却只选择一个冷却塔，经计算核定，这并不影响其效果）其中冷水机组是由设备生产厂成套供应的。根据本次设计的实验室要求，我们选择了2*5匹全封闭式压缩机冷水机组。它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制。冷水机组由压缩机、冷凝器与蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷机进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量，使冷冻水降温，然后冷冻水进入冷风机盘管吸收空气中的热量。如此循环不已，把室内的热量带出，达到降低环境温度的目的。因此，中央空调冷冻系统的工艺

9、控制要求为：（1）测量冷冻水供回水温度及流量，从而计算空调实际的冷负荷，根据实际的冷负荷来决定冷水机组的开启台数，达到最佳节能状态。（2）各设备的程序联动：启动：冷却塔风机冷却水泵冷冻水泵冷水机组。停止：冷水机组冷冻水泵冷却水泵冷却塔风机。当其中一台冷却水泵/冷冻水泵出现故障时，备用冷却水泵/冷冻水泵会自动投入工作。（3）测量冷冻水系统供回水管的压差P=P1P2控制其旁通阀(TV)的开口度，使其维持压差。三、PLC控制的系统体系结构（一）PLC结构图PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图1所示：图1系统硬件结构（二）.软件设计 制冷系统的启动/停止是用于

10、制冷系统的手动启动/停止控制。也可以通过温度设定，依据冷负荷的需要自动开启制冷系统。每台设备均设有自动、手动、备用三种运行状态，自动用于联锁集中控制；手动用于调试或检修；备用状态用于热备用。三台水泵二工一备。其中备用泵循环轮换，提高设备的保养率。各台设备按工艺要求顺序自动启动/停止时，采用每台设备启动后经15s左右延时，再启动下一台设备。一是考虑水泵稳定运行有个过程，二是避免数台电动机同时启动，冲击变压器，影响供电质量。为提高中央空调系统的经济性、可靠性及可维护性，需采用控制产品对中央空调系统的各个设备进行控制。早期的中央空调控制器多为就地式专用控制器和DDC控制器，它们具有控制功能简单、不易

11、联网及信息集成度不高等缺点。随着计算机技术、控制技术和网络技术的发展，现在的中央空调系统都倾向于采用先进、实用、可靠的可编程控制器(PLC)来进：(1)根据系统要求，对于模拟量:喷嘴压差、入口干球温度、入口湿球温度、入口水温、出口水温、热水箱温度选用智能仪表进行PID控制;其余模拟量和开关量由PLC进行控制；(2)整个系统实现由上位机集中监测和控制。通过PLC、智能仪表等现场设备与上位机的通讯，实现各个参数、设备状态的在线监测、修改或控制；(3)为了保证系统安全运行，设计PLC控制和现场操作柜按钮控制两种不同方式，通过转换开关进行切换。如果PLC出现故障，可进行按钮手动控制，保障系统正常运行。

12、四、PLC控制系统主要功能与特点及节能原理（一）PLC控制系统功能说明 如空气处理机PLC控制原理简图所示：当启动空气处理机时，PLC发出控制指令。首先开户回风门和新风门到设定位置，然后启动送风机，同时通过控制变频器，从而调节风机的转速。露点温度与系统设定值相比较后,用PID方式调节冷水电动阀,控制冷水流量,使送风温度达到设定值。送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值相比较后，用PID方式控制变频器，从而调节风机的转速，达到调节回风温度的目的。当过滤网前后压差超出设定值时，PLC发出过滤堵塞报警信号。当空气处理机停止运行后，新风门、回风门和冷水电动阀回复到全关位置，并关停冷水环泵。上位机监控

13、系统主要完成对工艺参数的检测、各机组的协调控制以及数据的处理、分析等任务，下位PLC主要完成数据采集、现场设备的控制及连锁等功能。除此以外，PLC系统还有如下功能： 数据显示功能显示机组的运行参数，包括冷水出口温度、冷水入口温度、冷却水出口温度、冷却水入口温度、蒸汽压力、蒸汽阀门开度，以及溶液泵、冷剂泵等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息。历史数据的存储及检索功能对重要的数据进行在线存储，数据的存储时间最长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据。（二）系统特点 1、灵活性本控制系统选用可利用公司的小型一体化PLC代替传统空调主机控制系统中的单片机，较大程度地提高

14、了系统配置及控制的灵活性，能更好地满足不同用户的不同需求。同时，明显缩短了程序开发周期。图2 节能原理控制系统图2、高可性 PLC控制核心能够在恶劣的环境中长期可靠、无故障运行，并且易接线、易维护、隔离性好、抗腐蚀能力强，能适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔(MTBF)大于15年。3、强大的功能现代的PLC的编程语言遵从易学、易懂、易用的标准。除了具备传统PLC助记符和梯形图编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图编程功能。PLC提供各种功能模块，包括各种通讯功能选择、通讯参数设置，以及可以具体到某年、某月、某日、某个时刻的多种定时器和超长定时器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发

15、周期和节省程序容量。（三）中央空调变流量节能控制系统的节能原理中央空调监控系统并没有对消耗能量最大的设备如空调主机、冷温水泵、冷却水泵、冷却风机进行有效的连续的变流量控制，仅维持在台数控制的范围内，虽然能实现节能的目的，但是节能的量值不够。这是受传统观念和技术局限性的制约形成的，其中空调主机冷温水供水流量在主机侧是否允许变流量运行，这是一个认识上和技术上的关键点。长期以来，普遍认为这是必须定流量运行的。近几年来，工程技术的开拓者们，根据压缩式冷水机组和吸收式冷温水机组的技术指标，冷冻(温)水供水流量是允许在一定范围内变化的，大胆尝试冷水供水变流量运行获得成功，节能效果大幅度提高。这是计算机技术

16、、自动控制技术、变频调速技术日新月异进步的必然结果。中央空调拖动系统的特性中央空调拖动系统的负载是指压缩式冷水机组、冷却水泵、冷冻(温)水泵和冷却塔风机。压缩式冷水机组是恒转矩负载;水泵和风机都是二次方律负载。a、恒转矩负载恒转矩负载的特点是在拖动电动机的不同转速n下，负载的阻转矩孔基本恒定，即毛二常数，负载的阻转矩TL与转速n的高低无关，负载的功率PL和转矩爪、转速n之间的关系式是:PL=n/95502一16从电动机机械角度出发，电磁功率P，也可以用机械功率R的公式来计算:P。=n/95502一17压缩式冷水机组属于恒转矩负载，当其转速为n，时，消耗功率P，当其转速为乓2时，消耗功率为PZ，

17、由式(2.2)可得到:PI/PZ=nl/n2一18从式 (2.3)表明，若n，为额定转速时，P，就是消耗的额定功率。也就是说，当压缩式冷水机组运用变频器控制电动机运行频率，降低运行频率就可以节约电能。b、二次方律负载水泵和风机都属于二次方律负载，其负载的阻转矩TL和转速nL的二次方成正比，即:TL=KT*Z2一19式中，KT是二次方律负载的转矩常数。负载的功率R与转速几的关系式:PL=TL/9550式中，TL为二次方律负载的功率常数。式(2.5)表明，水泵和风机消耗的功率是与其转速立方成正比的。当用变频器控制水泵运行时，变频器输出频率为f，水泵转速为n，水泵电动机的轴功率为 NI;变频器输出频

18、率为fZ，水泵转速为nZ，水泵电动机的轴功率为NZ，则:N=(n/nZ)32一21同样，风机的变频调速运行时，风机转速为n，电动机的轴功率为N;风机转速为山，电动机的轴功率为眺，则:N/N2=(n/nZ)2一22冷冻(温)水系统变流量节能原理中央空调负载需要多少冷(热)量，空调主机就供给多少冷(热)量，这是最节能的系统。也就是说冷温水流量必须跟踪空调负荷的需要，空调负荷加重时，增加冷温水流量;空调负载减轻时，减小冷温水流量，这就是冷温水系统跟踪空调负荷变化，实时地改变冷温水流量的变流量节能原理。冷却水系统变流量节能原理中央空调主机运行时，由于热交换过程产生大量的热量，采用冷却水实时吸收这些热量

19、，带离空调主机，保障空调主机的运行工况。当空调负荷加重时，空调主机发热量增加，必须增加冷却水量;当空调负荷减轻时，空调主机发热量减少，可以减小冷却水量，实现冷却水流量实时跟踪空调负荷的变化，既满足空调主机优化运行的工况，又实现变流量节能。冷却塔风机系统变流量节能原理空调主机冷却水出水的温度和流量都是跟随空调负荷变化的，冷却塔风机系统应将吸热后的冷却水，通过风机强制吹风降温，使冷却水降温到设定值，再进入空调主机吸收其热量，进入稳态循环。当空调负荷加重时，冷却水流量增加，转移的热量增加，冷却塔风机的风量必须加大，才能散发冷却水的吸热量;当空调负荷减轻时，冷却水流量减小，转移的热量减少，冷却塔风机的

20、风量必须减小，就能散发冷却水热量。这就是冷却塔风机系统的风量跟踪空调负荷变化的节能原理。五、控制方法及控制原理图对于冷冻水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，而回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为：5（比如：出水7，回水12），现采用在蒸发器出水管和回水管上装有检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水温差（如：T=5）图3闭环系统控制图控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。在管道中取压力信号采样和温差变送器，通过PID调节器进行优化计算，通过PLC控制变频器，以此控制3台水泵电机的运行，系统启动开

21、始工作，当第1台电机运行至工频状态时，如管网压力不够，变频器控制第2台电机开始工作，若工作到工频状态时管网管压仍不够时，变频器自动切换至第3泵使其变频运行，第1、2台电机工频运行，直至管网所需管压。当外部需求降低，管网管压提高时，第3台运行停止，变频器自动切换至第2泵，使其工作在变频状态下若还达不到要求，再切换至第1电机，如此周而复始，始终让系统工作在最优、最佳、最省的工作状态。图4系统调温原理图结束语在智能化中央空调冷冻系统中，采用PLC控制系统是切实可行的，中央空调冷冻系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠，便于维护，且性能价格比高。同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调

22、主机的控制及两台主机之间的协调控制，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。参考文献中央空调工程设计与施工，吴继红、李佐周编著，高等教育出版社 制冷空调自动控制，张子慧等编著，科学出版社1三菱公司，三菱微型可编程控制器编程手册，2000可编程控制器原理及应用，顾战松、陈铁年编著，国防工业出版1996 .冯东青，谢宋.模糊智能控制.北京:化学工业出版社， 2000:33一56符平.中央空调变频节能的着眼点节能技术.第18卷总第100期.2000年3月第2期:47一8范强.中央空调冷水机组智能控制系统及其节能效果.湖南电力，2001， 3(21):50一52胡晓军，周渡海，张少军.楼宇自控系统部分关键技术的现状及应用分析.智能控制与应用，2007(7):45一48