中央空调只能控制系统毕业设计.docx

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中央空调只能控制系统毕业设计

现代制造学院

毕业设计说明书

设计课题名称：

中央空调智能控制系统设计

专业班级：

机电一体化

设计人：

学号：

指导教师：

中央空调智能控制系统

摘要

随着我国经济的不断发展,社会高度信息化,新的高科技技术不断应用到建筑中,使得建筑的智能化已成为一种发展的必然趋势。

众所周知,智能建筑主要由建筑设备自动化系统（BAS）、通信自动化系统（CAS）和办公自动化系统（OAS）三大系统组成。

智能建筑也往往是从建筑设备自动化系统开始。

本文主要阐述智能建筑中的中央空调（冷冻站）系统的控制设计。

中央空调的能耗约占一栋商业大厦总能耗的40%以上。

一般来说，中央空调系统各部分设备的功率是按照楼宇最大冷负荷及新风量设计的，而在实际使用过程中，由于季节、昼夜和用户负荷的变化，空调热负载在绝大部分时间内远比设计负荷低。

因此，通过对楼宇内。

外环境温湿度，传感器反馈温度等参数进行检测和计算，再根据对楼宇内热惯性的预测，使用计算机控制系统对工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起、停，使空调系统高效、节能运行，将产生明显的经济效果。

在目前应用的系统中，往往偏重于设备的运行管理，控制方式基本采用多个回路的PID控制，对于像中央空调这种干扰因素多、高度非线性的复杂系统，简单的PID控制往往在静、动特性上满足不了性能要求，造成空调系统运行过程中能源的浪费。

智能控制莅临正是针对被控对象及其环境和任务的不确定性提出来的，在中央空调系统的控制领域应当具有广阔的前景。

中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管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。

采用风管送风方式，用一台主机即可控制多个不同房间并且可引入新风，有效改善室内空气的质量，预防空调病的发生。

中央空调的最突出特点是产生舒适的环境，其次从审美观点和最佳空间利用上考虑，使用中央空调使室内装饰更灵活，更容易实现各种装饰效果，即使您不喜欢原来的装饰，重新装修，原来的中央空调系统稍微改变即可与新的装修和谐一致。

因此称中央空调为一步到位、永不落后的选择。

中央空调是指由一个室外机产生冷（热）源进而向各个房间供冷（热）的空调，它是属于商用空调的一种。

中央空调分为风系统和水系统两种。

风系统由室外机、室内主机、送风管道以及各个房间的风口和调节阀等组成；水系统由室外机、水管道、循环水泵及各个室内的末端（风机盘管、明装等）组成

摘要2

目录3

1概论4

2中央空调的原理5

2．1中央空调运行的基本原理5

3中央空调系统变频的控制方式6

3．1在水系统的变频调速方案中，可行的控制方式主要有两种：

3．2以温差为主的控制方式的优点6

3．3采用这种控制方式也需具备几个基本条件：

4.元器件的选用7

4.1末端部分7

4.2主机部分10

4.3传感器的选用11

4.4PLC的选用12

5.组态王12

5.1组态王简介12

5.2组态王在本次课题中的运用13

5.3组态王设置13

6.CAD14

6.1系统组成15

6.2CAD在本课题中的运用15

7总结16

8.参考文献与附录17

8.1.参考文献17

8.2.附录17

9.致谢21

1概论

随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。

对中央空调控制系统运行效果的优劣评价标准也随着时代发生了很大的变化。

早期的中央空调系统的运行效果好坏取决于是否够“冷"。

如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。

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以实现节能、舒适的目的。

据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60％以上，其中，仅水泵的耗电量就占到空调系统耗电量的20—40％，存在巨大的能源浪费。

采用新技术降低系统能耗成为当务之急。

传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选的，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，如何控制空调系统的电能费用已经成为越来越多空调的经营管理

者所关注的问题。

故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。

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。

本课题所研究的基于中央空调变频节能控制系统即是在这样的背景下进行的。

其对冷冻和冷却水系统实施变频调速技术，可以根据负荷变化情况适时降速或增速，提高了系统自动化控制水平，避免长期固定在工频运行。

这样不仅可以节能增效，而且利于营造恒温舒适的环境，减轻设备机械磨损，易于维护，降低生产成木。

基于以上分析可以看出，随着负荷变化而自动调节的中央空调控制系统显示其相当的性能优越性和经济性。

目前国家大力提倡建设和谐社会，发展节能降耗技术，所以该系统有着积极的现实意义。

在将变频器用于中央空调控制系统改造之前，由于电机的转速无法方便调节，为了达到对空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量的控制，人们采用一些简单的传统方法，如用挡板调节风量，用阀门来调节流量压力及选择开启台数等。

还有种方法采用人工设定的钟控装置控制中央空调系统，使系统定时启动和定时关闭，这种方法与将水泵长时间全开相比有一定优势，但空调运行时的能耗并不会降低。

这些控制方法不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能被挡板和阀门白白浪费。

据统计，目前我国的中央空调中使用的风机、水泵大约有25％的能量是无谓消耗15j。

这些对中央空调系统的控制方法主要存在以下问题：

（1）无法满足空调负荷变化的不均匀性。

在中央空调设计过程中为保证能在大气温度最高、需冷量最大的情况下满足使用要求，所以按最大负荷设计并有15％左右的富裕量，平时使用时并不能达到满负荷，所以存在较大裕度。

现在的新型制冷主机可以根据负载变化自动加载、卸载，而水泵的流量却不能随制冷主机而调节，必然存在很大的能量浪费；除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的，系统并不能做出相应的调节。

（2）水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，存在较大节流损失。

不仅浪费大量电能，而且还可能造成空调运行大幅度偏离额定设计的情形，对系统设备带来不利的影响。

（3）通过水泵开启台数的控制，造成电机起停频繁，对设备长期安全运行带来不利影响。

起动电流通常为额定值的5倍左右，电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触点、空气形状触点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。

原国家经贸委于1994年下发了763号文件《关于加强风机、水泵节能改造的意见》，鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用，使变频节能获得政策上的支持。

另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频器调速，变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速进行调节的装置。

采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高控制和调节的精度，从而方便地实现恒温空调系统和恒压供水系统。

在近年来出现一些对中央空调系统实施变频改造的项目，取得不错的节能效果。

而如何采用更先进的控制方法实现系统更加节能而高效的运行值得进一步研究。

设计优良的控制系统要能在各种供冷负荷条件下高效运行，水泵风机等的流量可以随着负荷变化而自动调节变化，用户侧室温保持稳定。

而更重要的是能给投资者带来良好的投资回报。

本课题是以参与的一个中央空调变频节能改造项目为基础，经过部分改进，采用模糊控制实现对冷冻水及冷却水的控制，对控制系统进行了研究，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）对空调系统变频进行理论分析。

验证了以出回水温差为依据对系统进行变流量控制的可靠性。

（2）针对舒适性及相关指标，利用遗传算法对空调器模糊控制系统输入参数：

隶属函数、控制规则进行自动寻优设计。

通过建立查询表使系统控制参数随外界影响因素实时调节。

对变频控制系统进行设计。

控制系统为主从级控制结构，即：

主级为主PLC，从级为变频器。

给出各部分实现功能，实现主PLC对变频器控制，及工频／变频切换和故障切换功能。

完成监控软件的设计，提出对系统其他部分变频控制的改进思路。

本设计模拟应用于中等规模公司办公室，预计办公楼为两层楼，办公室分大中小三种，小型为一人办公室，供主管使用，面积15平，中性为技术人员（多人使用）面积为50平，大型为基层人员（多人）使用面积为150平。

预设1.2楼为相同构造，本设计以其中一层为例。

2中央空调的原理

我国目前民用建筑中采用水一空气空调系统较多，以水作为载体将冷热量送到各个楼层冷却盘管，再由风机吹送气流经过盘管使室内空气降温或升温。

中央空调有冷源和热源之分。

热源系统用于气温低需要供热的情况，多采用蒸汽锅炉和热交换器供热。

冷源系统则恰好相反，其核心制冷部件为制冷机组。

由于工程实施地位于广东，为冷源空调，文中针对冷源空调进行具体分析。

通常的冷源中央空调系统主要由制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、风机盘管系统和冷却塔组成，膨胀水箱用于调整系统水量

2．1中央空调运行的基本原理

中央空调制冷的工作原理为：

制冷机组通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送到蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷。

冷冻水泵将冷冻水加压送到各房间风机风口的冷却盘管中。

盘管充当热交换器，和室内空气进行热交换。

风机把室内空气吸入，流经盘管表面，进行冷却，再送入室内达到降温的目的。

热交换过程中冷冻水温度升高，被送回冷冻主机后又成为冷冻水，继续循环。

而在制冷过程中制冷剂蒸发后会释放出大量热量，通过冷凝器与冷却循环水进行热交换，冷却水温度升高，再由冷却水泵将带走热量的冷却水送到冷却塔上。

冷却塔也相当于一个热交换器，冷却水在这里进行喷淋，由冷却塔风扇加快其与大气之间的热交换，最终将热量散发到大气中去，冷却水温度降低进入冷却水管路继续循环。

如此周而复始就实现了建筑物内的空气调温。

可以看出，中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转移过程。

3中央空调系统变频的控制方式

3．1在水系统的变频调速方案中，可行的控制方式主要有两种：

1．压差为主的控制方式

即以制冷主机的出水压力和回水压力之问的压差作为控制依据，使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的压力，进行恒压差控制。

如果压差低于规定下限值，电动机的转速将不再下降。

当压差较小，说明系统负荷不大，减小水泵的转速，压差上升：

当压差较大，说明系统负荷较重，增加水泵的转速，压差下降。

这样一来，既考虑到了系统负荷的因素，又改善了节能效果。

2．温差为主的控制方式

这种方式同样对压差进行检测，压差低于规定下限值，电动机的转速将不再下降，确保各楼层的管路具有足够的压力。

但所不同的是非恒压差控制。

以制冷主机的回水温度和出水温度之闻的温差信号为反馈信号，使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的低温，进行恒温差控制。

当温差较小，说明系统负荷不大，减小水泵的转速，温差上升：

当温差较大，说明系统负荷较重，增加水泵的转速，温差下降。

不论使用何种调节方法，其流量调节的范围不应低于系统的报警闲值。

严格地说，排除冷冻水在传输途中的损失的话，制冷主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间带走的热量，相比压差更能反映系统供冷负荷，应该作为控制依据。

因此决定在控制系统中采用温差为主的控制方式。

制冷主机的出水温度一般较为稳定，一般为设定值，在7——100摄氏度。

因此实际上，也可以只根据回水温度进行控制。

3．2以温差为主的控制方式的优点

采用以温差为主的控制方式，非常适合对已有空调的变频改造。

相比其他控制方式，无需在各支路增加电动二通调节阀，又能保证系统运行的可靠性。

各支路并没有采用自主调节的电动二通阀门，阀门的开度还是根据初调节决定的。

这样经过改造后的变流量系统，在泵进行调速时，流量还是按照原先的比例进行分配。

绝大多数情况下，各个房间的负荷急剧变化的情况很少出现，可以近似认为是相似工况，所以按照过去比例分配流量是可行的。

采用这种控制方式将定流量系统改造为变流量系统有以下优点：

（1）改造费用低。

可利用原有阀门，节省电动二通阀的费用，更重要的是没有改变管路的原有特性。

在经过校核计算冷冻机最小流量的前提下，设定泵的转速的最小频率，不需要增加二次泵；

（2）施工难度低。

不需要对系统进行大的改造，全部改造在机房内就可完成：

（3）运行管理和维修保养相对简便。

由于改造涉及部分只有变频器、温度和压传感器等少数设备，并不增加管理人员的工作量。

3．3采用这种控制方式也需具备几个基本条件：

（1）制冷机和水泵有多台，至少有一台可做备有的：

（2）系统的出回水温差大多数时间小于设计温差，末端设备多数时间在低速就可满足绝大多数工况：

（3）各个房间负荷快速变化的情况较少。

由上述分析可知，以温差为主的控制方式是一种相对简便有效的变流量控制方式。

而且由于电机的功率与频率或转速的三次方成正比，从理论上讲，在采用变频器之后，如果水系统的流量下降为水泵工频时的90％，水泵电机功率只有工频时的73，能耗下降十分明显，因而变频改造之后有很大的节能潜力。

以温差作为被调量，在设计上要考虑管路的传热时间延迟、房间存在的热惰性和末端设备的非线性，整个管网构成了复杂具有惯性、延迟、非线性系统，其控制上考虑的因素比进行单纯的流量控制要复杂。

在确定以温差为主的系统控制方式之后，研究如何根据温差对水泵频率进行控制，既保证供冷负荷，又是水泵频率尽量降低，实现节能的目的。

4.元器件的选用

4.1末端部分

风机盘管系统：

卡式明装风机盘管

机组特点：

1、效率高，能量足

盘管采用优质无缝紫铜管与铝质正弦波纹型散热片，经过液压或机械涨管而成，翅片与铜管间绝对紧密，能发挥最佳换热效果。

2、造型美观，节省空间

外观造型线条流畅，色调高雅，机体纤巧，美观整洁，可隐藏在天花板内，与空间装修完美结合，浑然一体，节省空间。

3、四面三微立体送风，气流分布合理

气流从四侧送出，四个方向立体均匀送风，即使镶嵌在天花板上，也能把舒适的气流送到每一个角落。

二、CYFC（DB2卡式明装双吹、DB4卡式明装四吹）风机盘管机组性能参数

型号

性能

企标（CYFC）

200

300

400

500

600

800

1000

1200

1400

国标（FP）

102

136

170

204

238

额定风量

（m3/h）

高档

350

520

710

880

1050

1380

1780

2100

2390

中档

260

390

540

660

780

1050

1350

1620

1890

低档

180

280

390

480

570

740

920

1130

1330

额定制冷量

（W）

高档

2120

2900

3860

4720

5608

7550

9160

10860

12800

中档

1840

2540

3365

4110

4880

6580

7980

9540

11130

低档

1430

1990

2650

3220

3820

5140

6400

7480

8960

额定制热量

（W）

高档

3200

4580

5920

7120

8460

11600

13900

16500

19200

中档

2750

3930

5090

6120

7275

9980

11960

14200

16520

低档

2400

3430

4265

5120

6090

8350

9998

11880

13820

出口静压（Pa）

电

机

电源

单相 220V 50Hz

输出功率（W）

16×2

25×2

40×2

50×2

输入功率（W）

118

146

182

216

风

机

型式

双进风多叶前倾离心风机

个数

盘

管

型式

铜管穿铝片

最大工作压力

1．6MPa

配

管

进出水管

3/4″内螺纹

冷凝水管

3/4″外螺纹

水流量（kg/h）

360

520

680

780

920

1280

1580

1860

2160

水阻力（kpa）

噪声（高档风量时）dB（A）

机组重量（kg）

双吹

四吹

机组尺寸（mm）

双吹

长

580

680

800

895

975

1215

1480

1595

1780

宽

630

高

420

四吹

长

700

800

900

1000

1110

1260

1380

宽

700

800

900

1000

1110

1260

1380

高

430

4.2主机部分

大金单螺杆式冷水机组CUW-D5Y系列

性能参数：

机组型号

CUW40

CUW50

CUW60

CUW80

CUW100

CUW120

CUW140

CUW160

制冷量

47.8

55.5

75.4

96.7

118

130.8

150.7

输入功率

28.8

34.8

40.5

55.5

111

机组型号

CUW180

CUW200

CUW220

CUW240

CUW260

CUW280

CUW300

CUW320

制冷量

172.1

193.4

214.7

236.1

247.4

268.8

290.1

311.4

输入功率

127.5

144

160

176

183

199.5

216

232

机组型号

CUW340

CUW360

CUW380

CUW400

CUW420

CUW440

CUW460

CUW480

制冷量

332.7

354.1

365.5

386.8

408.1

429.4

450.8

472.1

输入功率

248

264

271.5

288

304

320

336

352

机组特点：

1）机组精选进口名牌压缩机，内置安全保护，噪音低，省电耐用。

2）进口水泵，流量大，效率高，恒久耐用。

3）配备进口精密式数显温度控制器，能精确控制水温±1℃，设定温度范围5℃-50℃。

4）全不锈钢厚质水箱，盘管蒸发器，内置补水等装置，清洗维护方便快捷。

5）水冷机组冷凝器为壳管式，管内螺纹铜管，设计合理，换热效果良好。

6）机组外形美观大方，外表板采用快速拆装形式，方便使用和维护。

7）高度可靠性，采用电子控制回路实现精微的控制，高设计压力，在苛刻的运转条件下仍卓然裕如。

8）配备了日本大金最新一代单螺杆压缩机，COP更高。

高效率的热交换器使制冷能力和COP得到大幅度提升，达到同系列产品中的最高水平，采用最先进的电子控制技术实现了最佳运转。

运转状态的数控化使机组操作更方便，同时使故障诊断更容易。

卧式管壳式冷凝器和干式管壳式蒸发器的结合，拓宽了机组的使用温度范围。

可与楼宇中央空调系统相通，进行全方位远程通讯控制。

4.3传感器的选用

QFM2160西门子温湿度传感器：

·工作电压AC24V或DC13.5...35V

·信号输出DC0...10V，用于相对湿度

·信号输出DC0...10V，用于温度

·测量精度为舒适范围内的±3%相对湿度

西门子QFM2160用途：

✧专用于通风与空气调节设备中相对湿度和温度

✧控制送风与排风

✧参考传感器，如露点转换限定传感器，例如与蒸汽湿度传感器相连

✧限定传感器，例如测量值显示或与一个楼宇自控系统相连

✧焓值与绝对湿度传感器，与AQF61.1或SEZ222）配套使用

型号概览：

参考型号

温度测量范围

温度信号输出

湿度测量范围

湿度信号输出

工作电压

QFM2100

None

0...100%

DC0...10V

AC24VorDC13.5…35V

QFM2101

None

0...100%

4…20mA

DC13.5…35V

QFM2120

−35...+50°C

LG-Ni1000

0...100%

DC0...10V

AC24VorDC13.5…35V

QFM2140

−35...+50°C

T1（PTC）

0...100%

DC0...10V

AC24VorDC13.5…35V

QFM2160

0...50°Cor

−35...+35°C

DC0...10V

0...100%

DC0...10V

AC24VorDC13.5…35V

QFM2171

0...50°Cor

−35...+35°C

4…20mA

0...100%

4…20mA

DC13.5…35V

构造设计：

✓风管式温度传感器包括外壳、印制电路板、连接终端、安装法兰和带测量器的浸入杆。

✓组合式的外壳包括底座和可拆卸的面板（卡箍式设计）。

✓测量电路和设定元件的位置在面板里面的印制电路板上，连接终端则在底座上。

✓传感元件在测量器的末端并有过滤帽保护。

✓电线接入是通过传感器所带的M16电线接入密封管（IP54）用螺丝固定在外壳里面的。

✓浸入杆和外壳由塑料做成，连接紧密。

✓传感器通过附带的安装法兰进行安装。

法兰套入浸入杆并且根据所需的浸入长度进行固定。

4.4

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