毕业设计（论文）基于PLC的地热源空调系统设计

2011届毕业设计说明书设计题目：地热源空调系统作 者 姓 名 作 者 学 号 专 业 班 级 电气自动化08-4班 指导教师姓名 专业技术职称 高级工程师 2011年06月10日毕业设计（论文）任务书题 目： 地热源空调系统 专 业： 机电系 班 级： 电气自动化08-4班 学生姓名： 学号： 2010年03 月 15 日至 06 月 10 日共 12 周一、设计内容（论文阐述的问题）地源热泵空调系统 通过PLC控制循环泵的运行，把温度变送器检测出来的模拟量信号送到EM235模块，经过PLC运算后经EM235输出送至变频器，通过变频器给定值与内部PI调节来控制空调温度。二、设计原始资料及要求1、设计原始资料 （1）河北省地矿局第某水文大队综合实验楼地源热泵空调系统 （2）中央空调系统原理以及工艺要求2、设计要求（1）搞清系统工作原理，分析并加以说明。（2）进行电气控制设计，完成整体控制要求。（3）完成说明书写作。三、设计完成后提交的文件和图表（论文完成后提交的文件）1. 计算说明书部分：（1）设计说明书 （A4） 1份2、图纸部分：（1）空调系统原理图 （A3） 1张（2）空调系统主电路图 （A2） 1张（3）PLC 接线图 （A2） 1张（4）变频器接线图 （A3） 1张（5）空调系统主电路图 （A4） 1张四、毕业设计（论文）进程安排序号设计（论文）各阶段工作内容时间分配（起止日期）1毕业调查实习，与指导老师交流设计事宜3月15-3月25日2查阅文献，搜集资料3月26日-4月5日3确定系统设计方案4月6日-4月13日4编写设计说明书4月14日-5月17日5指导老师批改，完善设计5月18日-5月29日6进一步核定数据、完善说明书和图纸6月1日-6月14日7毕业设计答辩6月15日-6月16日五、主要参考资料1 王兆义. 可编程控制器教程 M . 2版. 北京：机械工业出版社，20052 张毅. 自动检测技术 M . 2版. 上海：化学工业出版社，20083 李佐周. 制冷与空调设备原理 M .3版.北京：中国传媒大学出版社，20104 王寒栋. 制冷空调测控技术 机械工业出版社，2001 5 瞿芳. 机械制图与CAD M . 2版. 机械工业出版社，2007学 生 （签 字）： 教研室主任（签字）： 指导教师（签字）： 系主任 （签字）： 摘 要地表热能储量十分丰富,而且地表热能不受时间、季节、地域的限制，分布面广而且相对均匀，更具有可再生性。地源热泵技术就是地表热能利用开发的最典型的例子。它利用地球表面浅层土壤或水源中的地热能作为冷热源，冬季通过热泵机组将地热能传递转移到需供暖的建筑物内，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量转移到地球土壤或水源中，从而实现冬季供暖、夏季供冷。本系统是以大地为冷源（或热源），通过中间介质（通常是水或防冻液）作为热载体，并使中间介质在封闭环路(通常是塑料管组成)中循环流动，从而实现与大地进行热量交换的目的，并进而通过热泵实现对建筑物的温度调节。该别墅采用地源为冷热源, 空调系统的室内部分采用风机盘管系统，本论文从地源热泵工作原理出发，详细地进行了地源热泵空调系统工作原理以及plc自动控制原理,变频器的工作过程。地源热泵地下换热器采用U 型竖埋管地下换热器。关键词：地源热泵,竖直埋管 ,plc, 变频器ABSTRACT The surface heat energy reserves is very rich, and the surface heat with time, season, regional restriction, FenBuMian wide and relatively homogeneous and is more reproducibility. Ground source heat pump technology is developed by the surface heat energy of the most typical case. It use the earths surface or the shallow soil water as cold and heat source, geothermal energy winter through the heat pump units will move to need to transfer geothermal energy heating in a building through the summer heat pump units will structures within the heat transfer to earth soil or water, so as to realize the heating in winter, summer cooling. This system is based on the earth for cold source (or heat), through the middle medium (usually is water or fangdongye), and as the heat carrier in the closed loop (middle medium is usually composed of plastic pipe) circulating with the earth, so as to achieve the purpose of heat exchange, and then through the heat pump to regulate the temperature of the buildings to realize. The villa the source for the cold and heat sources, air conditioning system of indoor parts adopt fan-coil unit system, this paper from ground source heat pump working theory, detailed on the ground source heat pump air conditioning system principle and PLC control principle, the working process of the frequency converter. Ground source heat pump underground heat exchanger using U vertical buried underground pipe heat exchanger.KEYWORDS: ground source heat pump, vertical buried tube, PLC, frequency converter目 录第一章 绪论11.1 课题背景11.2地源热泵发展简史11.2.1地源热泵的发展11.2.2国内地源热泵的发展21.2.3国外地源热泵的发展2.1.3 地源热泵在国内发展趋势31.3.1地源热泵发展趋势31.3.2 地源热泵技术在中国的发展优势31.3.3 地源热泵技术在中国推广过程中可能遇到的问题4第二章 地热能空调系统组成及原理62.1地热能空调系统概述62.2地热能空调系统分类62.2.1垂直埋管热泵系62.2.2水平埋管热泵系72.2.3地表水的热泵系72.3 地热能空调系统工作原理72.3.1地热能空调系统工作过程72.3.2地热能空调系统冬季工作过程82.3.2地热能空调系统冬季工作过程82.4地源热泵空调节能的原理9第三章 PLC概述103.1 PLC的基本概念103.1.1 PLC的概述103.1.2可编程控制器的定义10.3.1.3 PLC的发展和应用103.2的基本结构113.2.1电源部分113.2.2中央处理单元(CPU)113.2.3存储器113.2.4输入输出接口电路113.2.5特殊模块123.3 PLC的工作原理123.4西门子S7-200PLC简介13第四章 变频器基础144.1 变频器原理知识144.1.1整流电路144.1.2滤波电路144.1.3逆变电路154.2 变频器控制方式164.2.1 U/f控制164.2.2 转差频率控制164.2.3 矢量控制164.2.4 直接转矩控制174.3变频器应用174.4艾默生变频简介18第五章 地热能空调系统的设计195.1地热能空调系统的分析195.2 地热能空调系统图设计205.3地热能空调系统主电路分析及设计225.4 地热能空调系统的PLC和变频器控制部分22致谢25参考文献26附录271符号表272程序28第一章 绪论1.1 课题背景中国是一个能源大国，但也是消耗能源最多的国家。煤炭在我国能源体系中占主导地位，长期以来，煤炭在我国能源生产结构、消费结构中一直占有绝对主导地位，尽管近年来，比例略有下降，但仍保持在65%以上，并再次呈现出上升的迹象。特别在冬季，在国内的农村和部分城市几乎全部靠煤取暖。煤是各种能源中污染环境最严重的能源，只有减少煤的使用，大气污染、温室效应等问题是才可能得到解决。地热是一种可再生的自然能源。尽管目前它的应用还不能像传统能源(煤、石油、天然气、水力能和核能)那样广泛，但由于地壳里蕴藏着丰富的地热能，特别是在传统能源越来越缺乏的今天，地热能利用在许多国家已得到了相当的重视。地源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵中央空调系统是利用水与地源(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为“热源”；夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地源为“冷源”。地源热泵中央空调系统通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90以上的电能或7090的燃料内能转化为热量供用户使用，因此地源热泵中央空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵中央空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为916，其制冷、制热系数可达3.56.3，与传统的空气源热泵相比，要高出40左右，其运行费用为普通中央空调的5060。地源热泵中央空调系统的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40以上，与常规电供暖相比，相当于减少70以上，如果结合其他节能措施减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25的充灌量。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。1.2地源热泵发展简史1.2.1地源热泵的发展地源热泵并不是一种新的空调系统，早在20世纪30年代，欧洲就已经出现了工程的应用，当时主要用于冬季的供暖。20世纪70年代，出现能源危机，地源热泵系统的工程应用形成高潮，技术日趋成熟。由于中国空调技术应用较晚，地源热泵作为传统空调的一个分枝，对大多数人说，确实较为陌生。1.2.2国内地源热泵的发展我国在地源热泵领域的研究始于20世纪80年代初的天津大学和天津商学院。自此，其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但是，由于我国能源价格的特殊性，以及其他一些因素的影响，地源热泵的应用推广非常缓慢。20世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。1995年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书，并于1997年又签署了该合作协议书的附件六-中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书。其中，两国政府将地源热泵空调技术纳人了两国能源效率和可再生能源的合作项目，这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。1998年是我国在该领域的一个里程碑，从这一年开始，国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。其中，1998年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置；1998年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置；1998年湖南大学建设了水平埋管地源热泵实验装置；1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置等。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展，做了许多实验研究和工程示范，产生了很多有效数据，这些宝贵的经验教训势必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。1.2.3国外地源热泵的发展地能热泵系统在北美和欧洲都应用的比较普及，根据国际地热联合会（ The geothermal heat pump consortium ）的统计，到 2003 年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为 3720万平方米，瑞典为 2000万平米，德国为 560万平米，加拿大为 435万平米。但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。在美国，政府投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，政府和学校经过多年的努力，建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商， ASHERE 也针对系统特殊要求在机组设计上建立了标准，同时政府支持在大地换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策来鼓励地能热泵系统的推广，如专门的补贴、政府推广网站等。从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统，尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。美国著名的地能热泵制造商有 CLIAMTMASTER 、 WATER FURNACE 等 ，他们提供符合 ARI 的专门用于地能系统的标准系列产品。而对于大地换热器，北美采用的多是单 U 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,钻孔深度为 50 -160 米 。 在欧洲，由于环保和节能的要求，目前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。而对于大地换热器，欧洲采用的多是双U 型的垂直埋管方式。1.3 地源热泵在国内发展趋势1.3.1地源热泵发展趋势地源热泵与中央空调相连接的供热制冷系统是目前的发展趋势。综合利用低品位热能、高效率利用热能、简单化和一体化的地源热泵系统等都是目前地源热泵系统技术的前沿课题。根据地源热泵20年来的发展趋势，其系统技术的发展大致有如下三个方向：综合利用热能的趋势。将来的地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和制冷，更趋向于将供热的废弃能量(冷能)和制冷的废弃能量(热能)综合利用，比如用供热的废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等，用制冷的废弃热能供应温室养殖、种植和生活热水等。一体化趋势。随着新材料和新工艺的开发，将来的地源热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化，使采热和传热的效率更高。 实地建造的趋势。随着人们对居住和生活环境要求的不断提高，越来越多的建筑物需要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空间和周边的自然环境和自然能源，因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热泵系统也将是一个发展方向。1.3.2 地源热泵技术在中国的发展优势初期投资费用少。随着改革开放的不断深入，人们生活水症的不断提高，持续的高速经济增长导致人们对舒适生活的追求，从而使地源热泵这项崭新的技术在中国具有巨大的市场潜力。同时我们也要注意到，我国城市的建设步伐正在加快，每年城镇新建住宅2.4亿平方米。而在建设新建筑之前并入集中地源热泵系统，其成本要远远低于旧建筑的改造(甚至可以低于一般空调系统!)，这对我们这个“严寒”与“寒冷”采暖区几乎占了国土面积的70和全国总建筑面积的50的国家而言，节省的费用的巨大的。在美国，由于能源相对的便宜(与中国相近)，而人工费用很高，一般一个家庭的安装费用在3000美元左右，地源热泵仍然具很强的市场竞争力。而我国由于人工费用比较低，与西方发达国家相比，我国的基建费用低。基建费用是地源热泵最主要的成本增加部分。由此可见，我国与国外发达国家相比，初期投资相对要少一些。能够提高城市环境质量。随着人们生活水平的提高，对生活质的要求越来越高，环保意识增强，人们开始认识到高品质的空气是人类健康的保障。目前居民对空气污染的关注程度越来越高，城市(包括室内)对人们生活以及身体的影响日益受到重视，在碰到身体不适的时候，很多居民开始考虑空气因素的影响。根据1997年中国环境状况公报，我国城市空气质量仍处于较重的污染水平。据统计，世界大气污染最严重的10座城市中，中国就占了7席，这也从一个侧面反映出我国城市空气质量不容乐观，加强空气治理，已经到了刻不容缓的时候。目前我国的能源结构中有一个最为不利的因素，即长期以来在能源的生产和消费中煤炭的比例占70左右。为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国政府正在规划改变以煤为主的能源结构，以实现可持续发展战略。北京等城市正在考虑以电代煤的方法来解决城市污染的问题。每千瓦电能带来3至4千瓦热量的地源热泵将是极具竞争力的技术。由于电力是地源热泵的唯一动力，因此没有燃料分散燃烧所造成的大气污染。与此同时由于厂家密封制剂。使用过程中不泄露，不补充，减少了对臭氧层的破坏。分析和调查表明，地源热泵的应用对降低温室效应起了积极作用。可见，这项技术应用于中国将缓解城市空气污染问题。能够缓解能源紧张问题。进入新世纪，在生产力高速发展的条件下，人们越来越认识到地球上的资源和能源日益匣乏。我国能源短缺是一个不争的事实，与此同时，我国又存在能源利用率低的矛盾。据统计，我国总的能源利用率约为30，这仅相当于发达国家90年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的25，其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格越来越接近发达国家的水平。我国要在能源每年增长率仅为35的条件下满足国民经济持续每年增长89，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了我国必须在空调和取暖这一耗能大项上有所改进。就地源热泵技术而言，由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有70来自于地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传人地下所消耗的电力也非常少，因此地源热泵这项节能技术应用于我国可以在一定程度上缓解我国的能源压力。受到国家相关政策的支持。为了减少我国由于冬季采暖所造成的大气污染，减低国内现有制冷空调的能源消耗，寻求新的低能耗、无污染的供暖制冷空调技术，国家科技部与美国能源部分别代表两国政府签署了中美两国政府地源热泵合作协议，引进和推广美国先进的地源热泵技术。这对地源热泵技术在中国的推广起到巨大的推动作用。八届人大常委会第二十八次会议审议并通过了中华人民共和国节约能源法，其中第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，这也将促进地源热泵事业的发展。自从我国实施民用建筑节能设计标准后，提高了建筑隔热保温性能，降低了建筑采暖能耗，结果是大幅度降低了地源热泵采暖方式的年运行费用，增加了地源热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。1.3.3 地源热泵技术在中国推广过程中可能遇到的问题任何一项新事物的出现总是要受到人们的质疑，对于地源热泵这项新技术同样可能会遇到一些阻力。首先，中国有关地源热泵的现成技术资料不多，还缺少这方面的设计、安装和维护技术人员，同时，由于在中国生产地源热泵相关设备的厂家少，人们对它还比较陌生，大多抱着观望的态度，这样的情形不利于这项技术在中国的推广。其次，我国现在还没有出台促进地源热泵技术发展的相关优惠政策，这使部分想采用地源热泵系统的用户由于看不到眼前利益而采用其它的空调系统。为了鼓励用户采用地源热泵系统，我国可以提供鼓励性补贴和资助给购买地源热泵系统的用户，或者采用调整能源价格的方法，使能源价格合理化，给予这些用户一些实惠，鼓励人们采用地源热泵系统。还要说明的一点是，世界上热泵技术比较发达的北美、北欧和中欧国家由于气候条件基本上只用于供热，对地源热泵夏季制冷工况研究较少。而我国幅员辽阔，地处温带，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地区气象条件差异很大，同样的建筑在不同的地区，其负荷情况可能迥然不同。因此，我们不能照搬外国的技术成果，必须投入大量的科研经费和研究人员进行研究，使其适合中国的气候特点，这也在一定程度上延缓了这项技术在中国的推广。但可以相信，地热能具有广泛的应用前景，在不久的将来，地热能将在世界能源利用结构中占有更大的份额。随着人们环保意识的加强和对“绿色能源”的日益重视，地源热泵系统技术也将得到前所未有的发展。第二章 地热能空调系统组成及原理2.1地热能空调系统概述地热能空调系统是一种利用地球浅层资源（包括土壤、地下水、地表水或城市中水）的既可供暖又可制冷的高效节能的空调系统。它利用铺设在土壤、地表水等中的换热管道，实现空调房间和土壤、地表水等的换热，如图1所示空调系统原理图。图1 地热能空调系统原理地热能空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、热泵机组和室内采暖空调末端系统。室外地能换热系统包括地热源井、循环泵、热交换器。热泵机组包括压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀。室内末端系统主要是风机盘管。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，热泵机组与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。 2.2地热能空调系统分类2.2.1垂直埋管热泵系垂直埋管 垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋管通常安装在地下50-150米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料管内的将地热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的供热和制冷。垂直埋管是地热能系统的主要方式，得到各个国家的政府部门大力支持。2.2.2水平埋管热泵系水平埋管在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防冻的液体，并与热泵相连。水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热器受地表气候变化的影响。 2.2.3地表水的热泵系地表水江、河、湖、海的水以及深井水统称地表水。地热能空调可以从地表水中提取热量或冷量，达到制热或制冷的目的。利用地表水的热泵系统造价低，运行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和国家政策（如取深井水）的限制。2.3 地热能空调系统工作原理2.3.1地热能空调系统工作过程热泵工作原理作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。热泵机组装置主要有：压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质(制冷剂或冷媒)不断完成：蒸发（吸取室内或地源的热量） 压缩冷凝（放出热量到地源或室内）节流再蒸发的热力循环过程，从而将室内的热量转移到地源（夏季）或把地源的热量转移带室内（冬季）。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵（制冷制热）系统的心脏； 蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的； 冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的； 膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。 地热能空调供暖供冷系统通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊、海水等天然能源，冬季从大地吸收热量，夏季向大地放出热量，即由热泵机组向建筑物供冷供热，所依赖的资源是不会枯竭的免费地热资源，有效利用了地下土壤湖泊等资源的巨大蓄热蓄冷能力。作为地源热泵系统热量的来源（冬季）和热量的排放源（夏季）的土壤，深度在数米之下，无论南北、无论冬夏，全年温度基本恒定在18度左右。也就是说，地源热泵系统工作时，热量传递的温差全年基本恒定，并且远远大于空气源热泵的传热温差。夏天其它空调要在38度的气温下排出热量，而地源热泵用是在18度左右的环境下排热，冬天空气源热泵在0C的空气中吸收热量，而地源热泵是在18C左右的环境下吸收热量，就是说，地源热泵的热量转移比其它空调要容易很多，仅需要较少的外界能源即可实现热量的顺利转移。机组效率大大提高，可以节约30-40%的供热制冷空调的运行费用，1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。 2.3.2地热能空调系统冬季工作过程在冬天，压缩机对制冷剂做功，由地源侧循环水吸收地下水的热量，通过蒸发器内制冷剂的汽化，将地源侧循环水中的热量吸收至制冷剂中，在制冷剂循环的同时再通过冷凝器内制冷剂的液化，由空调侧循环水将制冷剂所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以热风的形式为房间供暖。（如图2-1所示） 图2-1 地热能空调系统制热模式2.3.2地热能空调系统冬季工作过程在夏天，地热能空调系统内的压缩机对制冷剂做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内制冷剂的汽化将由空调侧循环水所携带的热量吸收至制冷剂中，在制冷剂循环同时再通过冷凝器内在制冷剂的汽化，由地源侧循环水将制冷剂所携带的热量吸收，最终由地源侧循环水转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以冷风的形式为房间供冷。（如图2-2所示）图2-2 地热能空调系统制冷模式2.4地源热泵空调节能的原理利用地下热能作为地源热泵系统热量的来源（冬季）和热量的排放源（夏季）的土壤，深度在数米之下，无论南北、无论冬夏，全年温度基本恒定在18度左右。也就是说，地源热泵系统工作时，热量传递的温差全年基本恒定，并且远远大于空气源热泵的传热温差。夏天其它空调要在38度的气温下派出热量，而地源热泵用是在18度左右的环境下排热，冬天空气源热泵在0C的空气中吸收热量，而地源热泵是在18C左右的环境下吸收热量，就是说，地源热泵的热量转移比其它空调要容易很多，仅需要较少的外界能源即可实现热量的顺利转移。地源热泵全年运行工况稳定，不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。所以，地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，它既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。在冬天，管道内的液体将地下的热量抽出，然后通过系统导入建筑物内，同时蓄存冷量，以备夏用；在夏天，热量从建建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬用。地源热泵一年四季均能可靠的提供高品质的冷暖空气，为我们营造一个非常舒适的室内环境第三章 PLC概述3.1 PLC的基本概念3.1.1 PLC的概述早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。3.1.2可编程控制器的定义可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”.3.1.3 PLC的发展和应用世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言5 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。3.2的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： 3.2.1电源部分 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 3.2.2中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 3.2.3存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 3.2.4输入输出接口电路 a、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 b、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 3.2.5特殊模块 如计数、定位等功能模块。通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。 3.3 PLC的工作原理 PLC是一种工业控制计算机，所以它的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，也就是说，PLC实在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务，实现控制目的。PLC是采用循环扫描的工作方式，及顺序地逐条地扫描用户程序的操作，根据程序运行的结果，一个输出的逻辑线圈应按通或断开，但该线圈的触点并不立即动作，而必须等用户程序全部扫描结束后，才将输出动作信息全部送出执行。也就是说，PLC系统的工作任务管理和应用程序执行都是以循环扫描方式完成的。当PLC投入运行后，都是以重复的方式执行的，执行用户程序不是只执行一遍，而是一遍一遍不停地执行，这里每执行一遍我们称为扫描一次。扫描一遍用户程序的时间叫扫描周期。扫描一次，PLC内部要进行一系列操作，其工作过程一可分为五个阶段，即内部处理、通信操作、输入采样、用户程序执行和输出刷五个阶段。完成上述五个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述五个阶段。下面主要对输入采样、用户程序执行、输出刷新阶段加以说明。1.输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2. 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 3 .输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.4西门子S7-200PLC简介西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下：1. 功能强大。S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；2. 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；3. 灵活方便的寻址方法；4. 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；5. 有竞争力的价格；6. 完善的网上技术支持等。第四章 变频器基础4.1 变频器原理知识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。它实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、滤波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是越来越注重的问题。目前，通用型变频器绝大多数是交直交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，它是变频器的核心电路，由整流回路（交直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直交变换）组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。4.1.1整流电路 变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为12001600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。4.1.2滤波电路 逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。 4.1.3逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。 通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n60 f(1s)/p式中 n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。4.2 变频器控制方式变频器常用的控制方式有U/f控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等控制方式。4.2.1 U/f控制 U/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 4.2.2 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在U/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 4.2.3 矢量控制 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。4.2.4 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能4.3变频器应用1.变频器主要表现在风机，水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。 2.功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。 3.软启动节能 电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。