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目录摘 要随着近年来经济的迅速增长，中国的能源形势日益严峻，能源的供给已经成为了经济增长的瓶颈，各行各业越来越认识到节能的重大意义。节约能源，建设节能型社会已经成为我国经济社会发展的必然选择。当前我国建筑能耗约占社会总能耗的30%，其中中央空调能耗占整个建筑物运行能耗的60%左右。中央空调系统节能控制在节能领域具有非常重要的地位。本文基于变频器设计并实现了一套能有效实现中央空调节能的控制系统。本文简述了模块式中央空调控制系统的工作原理， 详细介绍了该节能控制系统的原理图、电路图、和该模块式空调控制系统的硬件系统配置，并简述了其软件系统的设计。该控制系统是在对现有中央空调工作原理及现有的各种中央空调节能控制系统进行详细研究和分析基础上，设计并实现的， 其性能可靠， 节电效果显著。本文还为某一图书馆设计了此中央空调控制系统，并讨论了中央空调节能原理：环境温度通过温控器反馈给变频器，从而通过变频器频率变化来调节风机、水泵电动机转速，随电动机转速变化使风机、水泵的风量、流量随之变化，从而来达到节能的目的。关键词：中央空调；节能系统；变频器；PLC49目录AbstractAlong with the rapid economic growth in recent years, Chinas energy situation becomes increasingly serious, energy supply has become the bottleneck of the economic growth, various industries increasingly recognized the significance of energy conservation. To save energy, building energy-saving society has become Chinas economic and social development of the inevitable choice. The current our country building energy consumption accounts for about 30% of the total energy consumption society, including central air conditioning of the total energy consumption of building the operating energy consumption around 60%. The central air conditioning system in energy saving energy control is a very important position.Based on the inverter is designed and realized a set of effective energy saving realize central air conditioning control system. This paper briefly describes the module type central air conditioning control system was introduced, the principle of energy control system principle diagram, diagram, and this module type air-conditioner system configuration of the control system, and introduces the hardware design of the software system. This control system is on existing central air conditioning working principle and all kinds of existing central air conditioning energy-saving control system based on detailed research and analysis, design and implementation, its reliable performance and power saving effect is remarkable.This paper also for a library design the central air conditioning control system, and discusses the central air-conditioning energy saving principles: environmental temperature through the thermostat, and feedback to the inverter frequency changes to adjust by the frequency, the rotation fans and pumps with motor speed changes that the fans and pumps air, flow change, thus to achieve the purpose of saving energy.Keywords: Central air-conditioner；Energy-saving system；Transducer；PLC目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题背景11.2问题的提出21.2.1普通系统简介21.2.2普通系统的运行及存在问题22 中央空调系统节能可行性分析32.1中央空调原理图及各结构的作用32.1.1 制冷主机：32.1.2 冷冻水泵：32.1.3 冷却水泵：42.1.4 冷却塔：42.1.5 风机盘管：42.2变频节能方式的分析42.3中央空调系统节能研究现状624 本课题的主要研究内容72.5 节能的可行性分析83 中央空调系统主控制器83.1 PLC的发展93.2 PLC的特点10(1) 编程方法简单易学，指令丰富10(2) 功能强，性能价格比高10(3) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强10(4) 无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强10(5)系统的设计、安装、调试工作量少10(6)维修工作量小，维修方便10(7)体积小，功耗低113.3 PLC的应用领域11(1) 开关量逻辑控制11(2) 运动控制11(3) 闭环过程控制11(4) 数据处理11(5) 通讯联网113.4 PLC的组成124基于PLC控制的中央空调系统134.1系统简介134.1.1中央空调系统简介134.1.2工艺流程154.1.3控制要求154.1.4设计原则15（1）最大限度地满足被控对象的控制要求15（2）保证PLC控制系统安全可靠16（3）力求简单、经济、使用及维修方便16（4）适应发展的需要165 某图书馆中央空调变频节能系统设计175.1 概述175.2 负荷计算175.3 中央空调控制系统设计196 中央空调控制系统硬件设计216.1 硬件电路设计216.1.1 PLC选型216.1.2 PLC的I/O资源配置266.1.3 其他资源配置286.2 系统运行状态的监视与控制326.2.1 监控组态软件的简介326.2.2 对控制系统的监控337 中央空调控制系统软件设计347.1 总体流程设计手动控制模式347.2 自动控制模式397.2.5压缩机启停顺序生成及实现417.2.6参数设置、显示、保护、报警等功能实现418 控制系统设计中的问题及解决办法418.1 硬件方面的问题及解决办法418.2 软件方面的问题及解决办法42结论43致谢44参考文献45附录461 绪论1.1课题背景中央空调是现代大型建筑物如宾馆、商场、办公楼、居民小区、工厂和其它大型建筑不可缺少的基础设施之一，它能带给人们四季如春，温馨舒适的每一天。中央空调是一种通过集中制冷，然后分别将冷量输送到各空调房间的设备，以调节各个空调房间内温度达到适合人办公或者生活。 作为建筑内部重点耗能设备，中央空调系统的耗电一般要占整座建筑电耗的40%以上。而中央空调机组是以满足使用场所的最大冷热量来进行设计的，而在实际应用中绝大多数用户在使用时，冷热负荷是变化的，一般与最大设计供冷热量存在着很大的差异，系统各部分90%以上运行在非满载额定状态。传统的中央空调水、风系统均采用调节阀门或风门开度的方式来调节水量和风量，这种调节方式的缺点不仅是消耗大量能量，而且调节品质难以达到理想状态而导致空调的舒适度不良。中央空调变频节能改造投资价值极高，用户用于该产品的全部投资，可在很短的时间内通过减少能耗支出予以回收。投资收益率根据日运行时间不同，在2540%之间。 应用交流变频技术通过对中央空调的末端空调风机箱、冷却塔风机、冷冻水/冷却水水泵、甚至主机驱动电机转速等进行控制调节，从而使空调各子系统风量、水流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，达到阀门、风门节/回流调节、变极调速等落后调节方式所不能相比的调节性能，改善空调的舒适性；更能达到节约大量电能，降低设备运行噪声，延长设备使用寿命、减轻设备维护工作量及费用的理想运行效果。通过变频控制调节，中央空调系统的水、风系统耗电水平可降低30%60%，主机系统可节电10%以上，总体系统节电可达40%左右。用户可在设备投运后几个运行期后，即可从节省的电费支出中收回投资。因此中央空调用户应用变频节能控制系统不仅有着良好的直接经济收益，还能达到节约能源消耗，有利于环境保护的社会效益。河北工程大学科信学院毕业设计说明书1.2问题的提出1.2.1普通系统简介中央空调一般包含以下组成部分：制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及风机盘管系统，某些高级中央空调系统还有新风机，通过控制室内CO2含量适量引入室外新风，让在室内活动的人感到舒适。中央空调系统改造前的主要设备和控制方式：450冷吨冷气主机2台，型号为特灵二极式离心机，两台并联运行；冷冻水泵和冷却水泵各有3台，型号均为TS-200-150315，扬程32米，配用功率37KW。均采用两用一备的方式运行。冷却塔3台，风扇电机7.5KW，并联运行。1.2.2普通系统的运行及存在问题由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。而且冷冻、冷却水泵采用的均是Y起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的34倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命大大下降；同时，启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象，容易对机械器件、轴承、阀门和管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备件费用。另外,由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化，其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。这样，不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷，感觉不适，严重干扰中央空调系统的运行质量。因为空调偏冷的问题经常遇到各种想不到的问题造成不少人力资源的浪费。本人提出：“利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统。对冷冻、冷却水泵进行改造，以节约电能。” 2 中央空调系统节能可行性分析2.1中央空调原理图及各结构的作用图2-1 中央空调结构原理图2.1.1 制冷主机：制冷主机通过压缩机让制冷剂迅速冷冻循环水的温度快速降低（一般经过制冷主机制冷后的水温在7左右），这是中央空调冷源提供的地方，通过制冷主机冷冻的冷媒水由冷冻水泵送入空调房间。2.1.2 冷冻水泵：制冷主机的制冷剂被降到冷却水的温度后，经过节流阀，温度变的更低，这时用水将冷量带走，这部分水称为冷冻水，冷冻水带走制冷剂的冷量后，再到空调系统末端（如风机盘管，空调机组）与空气换热，温度升高后再回到冷水机组内带走制冷剂冷量，这样构成冷冻水循环系统，在这个系统上的泵称为冷冻水泵。2.1.3 冷却水泵：制冷剂在冷水机组里循环，经过压缩机是温度升高，这时用水将温度降下来，这部分水称为冷却水，冷却水通过冷冷却水泵把制冷主机所产生的热量带走，再经过冷却塔把热量释放到空气中，然后回到冷水机组，这样构成一个冷却水循环系统，在这个系统上的泵是冷却水泵。要清楚，空调系统通过三个循环把室内的热量传到室外：冷冻水循环，制冷剂循环，冷却水循环。2.1.4 冷却塔：冷却塔是利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去制冷主机所产生的废热的一种设备。通过冷却水泵将温度较高的水送上冷却塔，通过冷却塔喷头，让水自上而下流动，一方面，通过自然空气带走水中热量；另一方面，通过冷却风机带动空气加速运动，通过空气带走热量的同时加快蒸发，让水温降低。温度降低后的冷却水再次循环进入制冷主机，带走制冷主机产生的废热，如此循环。2.1.5 风机盘管：丰机盘管空调系统是将由风机和盘管组成的机组直接放在房间内，工作时盘管内根据需要流动热水或冷水，风机把室内空气吸进机组，经过过滤后再经盘管冷却或加热后送回室内，如此循环以达到调节室内温度和湿度的目的。2.2变频节能方式的分析（1）变频器工作原理简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。低压变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。通过变频器可以自由调节电机的速度。如图3-1为变频器内的控制电路框图。图3-1 变频器内的控制电路框图（2）变频节能分析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： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Qn ，Hn2，Pn3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。如图3-2所示为压力H-流量Q曲线特性图:风机、泵类在管路特性曲线R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机、泵类所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小流量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机、泵类的工作点移到R2上的B点，压力增大到H2，这时风机、泵类所需的功率正比于H2与Q2的乘积，即正比于BH2OQ2的面积。显然风机、泵类所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。图3-2 压力H-流量Q曲线特性图n1-代表电机在额定转速运行时的特性；n2-代表电机降速运行在n2转速时的特性；R1-代表风机、泵类管路阻力最小时的阻力特性；R2-代表风机、泵类管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图可见功率的减少是明显的。对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图3-2可见功率的减少是明显的。2.3中央空调系统节能研究现状 （1）冷却水系统的不足从设计角度考虑，冷却水泵电机的容量是按照最大换热量(即环境气温最高、且所有场所的空调都开足)的情况下，再取一定的安全系数来确定的。而通常情况下，由于季节和昼夜气温的变化以及开机数目的不足，实际换热量远小于设计值，因此，电机容量远大于实际负荷，出现了大马拉小车的情况。再从冷却水流量考虑，冷却水的作用是要及时将冷凝器中的热量带走，以保证制冷机能正常工作。从节能的角度看，只要能保证制冷机能正常工作，冷却水流量越小，所做的无用功就越少，节能也就越明显。根据流量公式Q=SV，过去由于交流电机的转速不可调，只能通过调节节流阀、改变管道截面积S的方式来调节流量Q，节流阀的存在对水流产生阻力，从而产生节流损耗，并且会引起机械振动和产生噪音。（2）冷冻水系统的不足冷冻水泵的作用是将经制冷机降温的冷冻水通过输送管道送到中央空调的各出风口处的风机盘管组件中，对环境起降温作用，冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比，当冷冻水泵转速高时，冷冻水的流量大，流速也快。因此，当冷冻水流过风机盘管组件时，还没有充分的时间将所携冷量全部释放完，就又返回到制冷机去了，因此冷冻水泵电机做了很多无用功，这些都是不必要的能耗。若能够调节冷冻水泵电机的转速，根据实际热负荷的大小来调节冷冻水的流量(实际上是调节交换冷量的大小)和流速，以便让冷冻水在风机盘管组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量，冷冻水泵电机的功耗可大大降低。中央空调虽然存在以上不足，但因其在保持大楼立面外观、保证室内空气品质和综合空调效果等方面的优越性而一直是空调方案的首选，广泛采用中央空调系统的同时，节能问题不容忽视。不同的中央空调系统，分别有各自具体的节能措施，例如：对于办公楼中央空调系统，它的使用特点是上班时人员集中、而下班后仅极少部分人员加班。目前常用的办公楼中央空调系统在一定程度上存在着使用不灵活、能耗较大的问题。对办公楼中央空调系统的节能改造，除应能满足大负荷时的用冷外，还应能高效微量供冷。对于家用中央空调系统，其存在的问题包括：由于没有住宅中央空调设计标准，很多工程都不能进行科学合理的计算，而是参照公共建筑的冷热量指标进行估算，这样势必造成设备容量选择偏大，从而造成初投资和能源的浪费；我国居民的消费习惯使得家用中央空调的同时使用系数低，这就要求机组具有良好的住宅负荷跟踪特性，而现有产品很少可以满足。对它的节能改造，可以是在满足住宅室内热环境舒适的前提下，降低采暖空调能耗。对于旅游饭店中央空调系统，它的节能问题应从建筑设计、空调系统设计和运行管理等三方面综合分析，采取相应的对策和措施，使之既提高能量利用效率又满足合理要求。现代大楼中央空调系统，它的节能途径是：合理匹配中央空调系统的装机容量，系统在大部分时间里满负荷或接近满负荷工作将减小额外能耗。空调系统额外能耗应包括显性额外能耗和隐性能耗两种。空调系统最佳启停时刻的控制和针对负荷的不同分别选择主机功率，对水泵进行变频调速和冷却塔进行温控等技术手段可有效地降低系统的显性额外能耗。而采取有效措施减少冷却塔的蒸发耗水和飞水，则能明显地减少空调系统的隐性能耗。当系统配置固定后，主要从运行方式和加强管理方面寻求节能途径。利用微机整体优化控制整个中央空调系统各个设备有利于系统的整体节能，新技术的应用也将极大地减小系统的能耗。商住楼中央空调系统，它的主要目的是创造一个舒适的室内空气环境。我国商业建筑建设量大，商业建筑的能耗也较大。因此，商业建筑节能刻不容缓、且潜力很大。常用的节能措施有：减少冷热负荷；充分利用自然冷源；提高冷源效率；减少水泵电耗；减少管路阻力；加强管理、减少风机(柜)电耗。24 本课题的主要研究内容本课题是以中央空调系统的节能控制为基础，经过部分改进，采用变频技术实现对冷冻水系统及冷却水系统的控制，采用RS一485总线通信技术，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）对变频技术用于大型中央空调系统的可行性进行分析，以图书馆中央空调系统为研究对象，确定空气处理机及冷冻冷却循环水泵采用变频技术的具体方案；（2）确定实施变频节能技术改造的具体措施，在确保不影响中央空调系统正常运行的前提下，完成技术改造，特别是要处理好工频和变频之间的相互切换问题；（3）进行技术经济分析，核算技术改造的总投资和产生的经济效益，对所进行的变频节能技术改造的经济性作出评价。2.5 节能的可行性分析风机水泵类负载：P（负载）=Q（流量）H（扬程），当电机转速从N降至N时，流量Q，扬程H及轴功率P的关系如下：Q=Q（N） H=H（）2， P=P（）3根据上面公式可以看出，当电机转速下降时，流量按线性关系变化，而电功率按立方关系方式变化，例如，电机功率为15KW，当其转速为原来的4/5时，耗电功率为7.68KW，即耗电为原来的51.2%，节电48.8%，从而大大节约电能。那么根据上面的公式分析，如果我们能根据负载情况实时改变电机的转速即可达到节能的目的。根据异步电动机原理：n=60f/p(1-s)，式中n:转速，f:频率，p:电机磁极对数，s:转差率。由上式可见，调节异步电机的转速有3种方法，改变电源频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，也最容易控制，所以变频调速也是目前应用最为成熟的。3 中央空调系统主控制器中央空调控制系统主控制器采用PLC控制，由于PLC编程简单，扩展能力强，并且程序容易修改，所以越来越多的被应用在中央空调系统中，取代原来的DDC控制器，并且可通过PLC的通讯接口接入上位监控系统，便于在主控室查看各节点运行状态，并且很容易进行电能消耗、运行时间统计以及故障监视及分析。下面对PLC的发展及功能特点进行阐述3.1 PLC的发展PLC（Programmable Logic Controller）,是一种电子装置，早期称为顺序控制器“Sequence Controller”,1978年NEMA(National Manufacture Association)美国国家电气协会正式命名为Programmable Logic Controller（可编过程控制器。简称PLC）,其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：按键、感应器、开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部存储预先编写的程序，以微处理机执行逻辑、顺序、计时、计数及算式运算，产生相对应的输出信号到输出装置如：继电器（Relay）的开关，电磁阀及马达驱动，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。并籍由其外围的装置（计算机/程序书写器）轻易地编辑/修改程序及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。PLC与继电器控制系统的有很大的关系。由于在复杂的继电器控制系统中，故障的查找很排除非常困难，若工艺发生变化，控制柜内的组件与接线需作相应的变化，这种改造的工期长，费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外做一台新的控制柜。1968年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司(GM)提出了研究PLC的基本思想，即：编程简单，可在现场修改程序维护方便，采用插件式结构可靠性高于继电器控制柜体积小于继电器控制柜成本可与继电器控制柜竞争可将数据直接送入计算机可直接采用115V交流输入电压输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载通用性强，扩展方便能存储程序，存储器容量可达4KB，1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台PLC。70年代初期出现了微处理器，它的体积小，功能强，价格便宜，很快被用于PLC，使它的功能增强，工作速度加快，体积减小，可靠性提高，成本下降。PLC借鉴微型计算机的高级语言，采用极易为工厂电气人员掌握的梯形图编程语言。现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制、模拟量PID控制，通讯联网等功能。PLC已经广泛应用在各种工业部门，其应用范围已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。 随着电子技术和计算机技术的进步，PLC的发展趋势有：向高性能、高速度、大容量发展，大力发展微型PLC，不断增强微型PLC的功能，PLC编程语言的标准化，PLC与其它工业控制产品相互融合，PLC与个人计算机（PC）的融合，PLC与集散控制系统的融合，PLC与CNC的融合，大力开发智能型I/O子系统，LC与现场总线相融合，强通讯联网功能3.2 PLC的特点(1) 编程方法简单易学，指令丰富梯形图是使用得最多的PLC的语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，并且包含一些常用的高级便利指令如PID，加减速脉冲，高速计数等。大大简化编程工作量。(2) 功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个内部继电器、几十到几百个定时器和计数器、几十个特殊用途继电器，可以实现非常复杂的控制功能。一台PLC可以同时控制几台设备，也可以通过联网信，实现分散控制，集中管理。(3) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编过程控制其产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置功用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能，不同规模的系统。而且PLC的安装接线也很方便，有较强的带负载能力，可以通过端子直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。(4) 无触点面配线，可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替传统的继电器控制系统中的大量的中间继电器和时间继电器，外面仅有输入和输出相关的少量接线，并且采用了一系列的硬件和软件抗干扰技术如滤波，隔离等，使之具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户认为最可靠的工业控制设备之一。(5)系统的设计、安装、调试工作量少(6)维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能，用户可以根据PLC上的发光二极管和编程器提供的信息迅速查明故障原因并予以排除。(7)体积小，功耗低3.3 PLC的应用领域(1) 开关量逻辑控制PLC具有“与”、“或”“非”等逻辑指令，可是实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可用于单台设备，也可以用于自动生产线，如机床电气控制，冲压机械、铸造机械、运输带、包装机械的空控制，电梯的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金系统的高炉上料系统，各种生产线的控制等(2) 运动控制PLC适用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴/双轴/三轴位置控制，是运动控制与顺序控制机能有机的结合在一起。PLC的运动控制功能广泛的用于各种机械，如金属切削机床，机器人等。(3) 闭环过程控制过程控制指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analong）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。PLC的模拟量PID控制控制功能已经广泛应用于轻工、化工、冶金、电力等行业。(4) 数据处理现代的PLC具有丰富的数据运算（包括四则运算、函数运算、矩阵运算等）、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理功能一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品等工业中的一些大型控制系统。(5) 通讯联网PLC的通讯包括主机与远程I/O之间的通讯，多台PLC之间的通讯、PLC和其它智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间的通讯。PLC与其它智能控制设备一起，可以组成“集中管，分散控制”的分布式控制系统（DCS,又称集散控制系统）。3.4 PLC的组成PLC主要有CPU模块，输入模块、输出模块和编程器组成。图3-1 PLC的结构组成CPU模块：CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。I/O模块： 输入(Input)模块和输出（Output）模块统称I/O模块，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块主要用来接受和采集输入信号，输入信号包括两类：一类是从按钮，选择开关，接近开关，光电开关等来的开关量输入信号；另一类就是由电位器，测速发电机等提供的连续变化的模拟量信号。PLC通过输出模块控制接触器、电磁阀等执行机构，另外也可以驱动指示灯、数字显示装置等CPU模块的工作电压一般是5V，而其输入/输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。为防止外部引入的尖峰电压和干扰噪声损坏CPU模块，影响其正常工作，在I/O模块中，用光电耦合器、可控硅，小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时响应随时变化的输入信号，用户程序不是执行了一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环中，PLC还要完成内部处理，通讯处理等工作，一次循环可分为5个阶段。扫描过程内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理STOPRUN图3-2 PLC的扫描过程由于PLC采用循环扫描集中刷新的方法，导致输入/输出时间滞后，但是一般情况下，这种响应延迟仅几十MS，对于一般系统无关紧要，要是对时间有要话可以采用中断进行处理，例如高速计数。4基于PLC控制的中央空调系统4.1系统简介4.1.1中央空调系统简介所谓“中央空调”是由一台主机通过风道过风或冷热水管或管线连接多个末端的方式来控制不同的房间以达到室内空气调节目的的空调。 一般酒店，大型商场用的是风管式的中央空调，它的原理是主机通过通往各个空间区域的通风管道将处理后的冷热空气输送到位。它的优点是成本低、操控简便、噪音低，最主要的缺点是：各个区域（房间）控温不准确。中央空调的工作原理与家用一样，都是利用冷媒（运输热量的媒质叫冷媒）的物理原理把室内的热量带到室外去达到制冷的效果。中央空调工作过程如图4-1所示。冷却塔空调主机风机盘管风机盘管冷却泵冷冻泵图4-1 中央空调工作过程中央空调系统主要由冷冻主机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统、风机和冷却塔等组成。工作原理：冷冻主机是中央空调的致冷源，从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。冷却水塔为冷冻主机提供冷却水，冷却水经管道盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。中央空调冷冻系统有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器（Direct Digital Controller，DDC） 和PLC控制系统。继电器控制系统由于故障率高、系统复杂、功耗高等明显的缺点已逐渐被人们淘汰；DDC虽然在智能化方面有了很大的发展，但由于DDC 本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性限制了其应用范围；PLC 控制系统以其运行可靠、使用与维护方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构等显著优点而逐步得到广泛的应用。4.1.2工艺流程冷水机组压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器，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。4.1.3控制要求控制系统的基本操作功能设置为手动和自动两种选择，手动功能主要是对设备单机试运转和维护保养时所选用，而自动功能是由车间内的各组空调处理机组或新风机组的启停来控制泵组工作的。在手动或自动的启停操作时，冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、制冷机组在设定的时间内，按照顺逆程序进行启动和停止，并且在任何功能中有操作错误时均为无效，以确保各组设备保持正常的操作状态。主要的控制要求有以下几点：（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=P1- P2控制其旁通阀（TV）的开口度，使其维持压差。4.1.4设计原则（1）最大限度地满足被控对象的控制要求N 充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。（2）保证PLC控制系统安全可靠P+b0g#a bLu保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。（3）力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。（4）适应发展的需要&A EU ucS?Dv)W/dTd3nD由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。硬件电路主要实现：信号采集，控制信号输出，水泵控制，故障报警等功能。其系统逻辑框图如图4-3所示。 信号采集VVVF工控机控制量输入PLC 图4-3 系统逻辑框图5 某图书馆中央空调变频节能系统设计5.1 概述在空调系统中，通过对空气的净化处理，使其温度、湿度、清洁度等参数满足人们设定的指标，适应人们生产和生活的需要。但是由于空调对能源的消耗很大，所以设计一个既能满足人们的要求又能以最小的能耗运行的空调是当今制造业的设计理念。5.2 负荷计算空调负荷是指空调房间冷（热）负荷和湿负荷。空调房间冷（热）负荷、湿负荷是确定空调系统送风量及空调设备容量的基本依据。室内冷（热）负荷、湿负荷的计算以室外参数和室内要求保持的空气参数为依据。采暖通风与空气调节设计规范对舒适性空调的室内设计参数的规定是：（1）室内温度。夏季空调采用2228。高级民用建筑或人员停留时间较长的建筑可取低值；一般民用建筑或人员停留时间较短的建筑应取高值。冬季空调采用1824。高级民用建筑或人员停留时间较长的建筑可取高值；一般建筑或人员停留时间较短的建筑应取低值。（2）室内相对湿度。夏季空采用40%65%，一般建筑或人员停留时间短的建筑可取偏高值。冬季空调应采用30%60%，使用条件无特殊要求时，可不受此限。（3）室内风速。夏季空调不应大于0.3m/s，冬季空调不应大于0.2m/s。但是采暖通风与空气调节设计规范中给出的数据是概括的，对于具体的民用建筑而言，由于各空调房间的使用功能各不相同，而其室内空调参数也会有较大差异。我国有关部门还制定了某些特殊的设计标准或卫生标准，规定了室内设计参数。对于民用建筑中不同用途房间的舒适性空调参数，可参见有关设计手册。因此查阅部分民用建筑的空调冷负荷概算指标可以得出图书馆各室的冷负荷指标见表5-1：表5-1图书馆各室的冷负荷指标图书馆各室名称冷负荷指标（）会堂、报告厅269展览厅、陈列室177图书馆阅览室121办公室131小会议室235休息厅370研究室140贵宾室120大会议厅358中厅180图书馆各层分布及面积为：（）地下室：校史展览室：33750；贵宾室：5625；会议室：5625一层：休息厅：5625；报告厅：47812.5；中厅：45000；办公室：60301.5； 休息茶座:15806.25；大会议室：22500二层：阅览室:15468.75；休息室：26062.5；办公室：20437.5三层：阅览室：126562.5；观象室：14062.5；办公室：21562.5四层：阅览室：112500；办公室：7500；休息室：7500五层：阅览室：95625；研究室：25312.5；办公室：7500；休息室：7500总面积：地下室：1856.25；一层：3881.25；二层：2306.25；三层：2306.25； 四层：2306.25；五层：2306.25总面积：14962.5因此：根据这些数据用图书馆各室的面积乘以其相对应的冷负荷指标，可以计算出图书馆各个房间的冷负荷，见表5-2：表5-2图书馆各室的冷负荷各室类型冷负荷指标（）面积负荷会堂、报告厅269478.125128615.625展览厅、陈列室177337.559737.5图书馆阅览室1214893.75592143.75办公室1311173.015153664.965小会议室23556.2513218.75休息厅370624.9375231226.875研究室140393.7555125贵宾室12056.256750大会议厅35822580550中厅180562.5101250总计1422282.4655.3 中央空调控制系统设计模块式空调机控制系统的设计主要包括两个方面：一个是机械结构的设计；一个是PLC电气控制的设计。机械结构是控制系统的基础，是实现控制功能的前提；PLC电气控制系统是实现控制功能的核心部分，两方面的设计过程互独立，同时也需要相互交流。两个方面的设计可以同步进行，但是需要先分析和研究控制系统的整体功能，对整体结构深入了解之后，设计出整体框架，明确两个部分的具体功能及两个部分的接口。在设计的时候，仍然需要两个方面的设计人员不断地交流设计思想，只有充分了解对方的设计思想和过程之后，才能最大程度地避免产生错误。空调系统根据制冷/制热传送介质的不同可分为全空气系统和空气-水系统。全空气系统是指空气进行制冷和制热全部都是由送风空气来承担的系统，根据回风方式可分为一次回风式和两次回风式空调系统。一次回风系统是指全部回风和新风混合后进入空气处理设备，经过处理再送入室内。二次回风系统是指将回风分为两个部分，一部分在空气处理设备前与新风混合，另外一部分则是在空气处理设备后与混合空气再次进行混合的系统。根据工作中风量是否变化可分为定风量系统，定风量系统可以较好地稳定室内的空气条件，同时它的能耗也会相应增加；变风量系统的送风量可在一定范围内变化，因此它的能耗会显著降低，但是由于该系统的送风量是根据室内温度来调节的，所以它维持室内空气的稳定性不如定风量系统。空气-水系统是指系统是指传递热或冷的介质分别由空气和水构成，此系统包含两个子系统：风系统和水系统。风系统的工作原理与全空气系统一样，但它仅输送新风；而水系统则是将冷冻水或热水从空调机房输送到室内的装置中，通过散热设备对室内进行制冷或加热。 常用的空调根据系统的组合情况分为整体式和分体式两种，整体式空调将空气处理设备（风机、空气过滤器、加热器和加湿器等）、制冷设备（压缩机、冷凝器和蒸发器等）和电气控制系统都安装在一个整体框架中，构成一个整体式的设备；分体式空调则是将空气处理设备和制冷系统分成两个部分，空气处理设备置于室内成为室内机，制冷系统则基本上全部设置在室外机中。所以两个部分一般采用两根紫铜管连接，便于进行制冷剂的循环，这样就构成了一个完整的空调系统。 通过以上几个部分的介绍，对空调的大致结构有了一定的了解，可以看出一个完整的空调系统主要包括以下几个部分。（1）空调系统的风系统空调系统的风系统主要功能是完成对冷量和热量的输送，主要包括送风/回风结构、风管系统和风机。 送风/回风结构。空调常用的送风方式，主要有侧送风、孔板送风、条缝送风等几种形式。对于要求室内温度波动范围小的控制系统多采用前两种和散流器送风模式，除此之外，又出现了一种新型的送风方式-置换送风。侧送风结构是指送风口位于房间侧壁上方，送气的方向为横向进入，而工作区得气流通常是回流；回风口与送风口同侧。采用侧送风方式送入的气流是以贴附射流的形式出现，这类型气流具有射程长、射流衰减充分等优点，同时侧送风的管道结构简单，易于施工，因此被广泛应用于各种场合。条缝送风结构是指送风口位于房间的顶部，其形状为条缝形，条缝送风结构送出的气流是向房间的下方送出扁平射流，其射程较短、送风的温度和速度衰减较快，使得工作区的温度分布比较傲均匀，这类方式适用于民用建筑和工业场合中的一般空调，它的回风口位于房间的侧下方。散流器是一种置于天花板的送风口，既可以与天花板的下表面齐平，也可以安装在天花板的下表面处。散流器的形状有方形、圆形和矩形，常用的散流器有盘式散流器、直片式式散流器、流线型散流器和送吸式散流器。风管系统。风管系统是由输送空气的管道和风管附件构成的，风管附件主要有各种调节活门、闸板、倒流叶片和防雨栅格等。调节活门主要用于调节风量的大小和风量的分配；闸板的作用是切断风源，气密性要强于调节活门；倒流叶片是减少管处涡流的产生；防雨栅格主要安置于进/出风口上，是为了 防止雨雪的侵蚀。风机。风机是空调系统中输送空气的主要设备，常采用的风机有离心式、轴流式和贯流式三种。贯流式风机目前仅用于某些固定的空调机组设备中，例如，风机盘管风幕等，而在工程中大量使用的是离心式和轴流式风机。(2)空调的水系统空调的水系统中，主要包括冷冻水系统、冷却水系统、水管系统和水泵，以下将分别介绍这几个方面。冷冻水系统。在空调系统中，冷冻水系统的功能就是利用水作为介质，将冷/热源的能量和分配到各个房间或目的地。冷冻水系统主要包括冷源设备、水泵、过滤器和阀门等，在大型复杂的空调系统中还有分水器和集水器等。此时通常把分水器、集水器和冷渊设备连接的一侧环路叫冷源侧，把分水器、集水器和空调器连接的一侧环路叫空调侧。冷却水系统。冷却水系统主要包括冷却塔及相关设备，其功能是利用水作为介质，对冷/热源进行降温处理。冷却塔的作用就是将冷却水在塔内利用水的自然蒸发冷却降温，为了充分利用资源，降低运行成本，一般采用循环系统重复利用冷却水，定期更换冷却水以保证水质能满足空调系统的技术要求。水管系统。水管系统既包括冷冻水系统中的管线系统，也包括冷却水系统的管线系统，主要有水、煤气输送钢管和无缝钢管组成。煤气输送钢管用碳素软钢制造，俗称熟铁钢。可分为镀锌钢管和不镀锌钢管两种。根据空调系统的实际需求可选择不同厚度的管壁；无缝钢管用普通碳素钢、优质碳素钢、普通低合金钢和合金结构钢制造，能承受加大范围的压力，可根据实际需要进行选配。水泵的选择。水泵是空调系统中不可缺少的动力设备，通过水泵的工作，可以控制水系统中的流量大小，以间接达到控制室内温度、湿度及清洁度等空气指标。空调系统中常用的水泵为离心式水泵，就一般的空调系统来说，采用转速在30120r/s范围内的离心式水泵比较合适，这类型水泵已经基本上满足空调系统中水的流量和压力的变化要求。(3)空调系统的冷/热源空调系统中起主要作用的就是冷/热源，正是由于冷/热源的工作才能控制室内的温度等空气条件，使之按照人们的设定值变化。冷/热源可分为常规冷/热源和天然冷/热源。常规冷/热源。目前，在空调系统中，制冷设备使用的最多的就是利用“液体气化制冷法”原理制造的设备，主要包括电驱动的蒸汽压缩式和热驱动的吸收式两种形式。常用的制冷设备为制冷系统机组，该设备就是将制冷系统中的全部或部分设备在工厂组装成一个整体，该设备的优点是结构紧凑，使用灵活，管理方便，而且质量可靠，安装简便，能大大缩短施工周期，加快施工进度。天然冷/热源。天然冷/热源主要包括蒸发冷却、室外空气供冷和太阳能供热等几个方面。 6 中央空调控制系统硬件设计6.1 硬件电路设计6.1.1 PLC选型S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电
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