毕业设计 中央空调系统设计报告.docx

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毕业设计中央空调系统设计报告

设计论文题目：

利用PLC、变频器设计中央空调节能改造系统

设计时间：

2010.12.13~2010.12.31

系别：

电子电气工程系

设计班级小组：

电气083班（第一组）

指导教师：

马应魁、傅继军

设计学生：

柴旭昌、程有超、丁文渊

摘要

作为现代使人生活舒适的家用电器，空调可以说与人们的生活紧密相关。

在现代社会中，它已像冰箱、电视一样，成为人类不可缺少的生活电器。

①经济节能：

每个区间末端风机盘管可自行调节温度，区间无人时可关闭，系统根据实际负荷做自动化运行，开机计费，不开机不计费，有效节约能源和运行费用。

②环保：

主机采用水源热泵型机组，电制冷，没有燃烧过程，避免了排污；整个系统为密闭式管路系统，可避免霉菌灰尘等杂质对系统的污染，使环境清新优美，特别适于高档别墅、高级公寓与写字楼的使用。

③节约空间：

主机体积小巧，不设机房，无需占用设备层，减少公用设施和土建投资，室内末端暗藏在吊顶内，极易配合屋内装修。

④个性化：

中央空调系统以区间为单元，满足用户不同区间需求，室内末端安装采用暗藏方式，不影响室内的审美观，不占据室内空间，适应用户的个性化需求。

⑤简化管理：

于采用不同区间单独控制系统为用户所有，产权关系明确，可简化空调设施管理。

⑥提升档次：

中央空调主机可以避免破坏楼体的整体外观，使用户充分享受高档综合环境的同时，提升产品质量及量贩档次。

⑦投资方便：

可根据量贩发展情况，分期分批投资添置空调系统，同时量贩档次提升，因此资金周转快，有效地利用资金更进一步开发。

而可编程控制器PLC是根据顺序逻辑控制的需要发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它具有可靠性高，操作灵活，拓展型号等优点，不仅能满足设计系统的精度，还可以降低能耗，节约能源，减小运行费用。

再加上变频器的使用，把380V的交流变成直流再变成频率可调的交流电，实现电机的无级调速，比较省电，比直流调速维护方便。

本论文就是在己有的通用变频器的基础上，采用PLC对电机进行控制，通过合理的选择和设计，对中央空调系统进行变频调速，通过调速来改变耗能大小，提高了资源的利用率，达到理想的控制效果。

摘要

Abstract

一绪论...................................................................5

1.1选题的依据及意义：

....................................................5

1.2国内外研究现状及发展趋势............................................5

1.3论文的主要内容如下...................................................7

二中央空调节能改造系统的介绍............................................8

2.1中央空调应用变频器的目的..............................................8

2.2中央空调的工作原理....................................................9

2.3中央空调的组成........................................................9

三调速变频器类型选择及其设计参数.......................................11

3.1变频器的分类........................................................11

3.2变频器的品牌及型号选择..............................................11

3.3通用变频器..........................................................12

3.4西门子变频器.........................................................13

四PLC的选择及其控制系统的硬件开发.....................................18

4.1可编程控制器（PLC）的简介............................................18

4.2可编程控制器（PLC）的特点...........................................19

4.3三菱的FX2N系列的PLC简介...........................................20

4.4三菱PLC在设计中的使用..............................................21

五系统软件开发.........................................................24

5.1中央空调节能改造的方案.............................................24

5.2实验所需设备.........................................................24

5.3电路设计.............................................................25

5.4触摸品的显示设置.....................................................31

5.5主电路与控制电路的实际接线图.........................................32

一绪论

1.1、选题的依据及意义：

1．依据：

随着我国人民生活水平的不断提高，购买力增强。

近年来修建了不少商业建筑，并且向多元化方向发展，建筑规模越来越大。

装饰豪华、营销全面、多维服务，集商贸、娱乐、居住、办公为一体的高级商城也层出不穷。

商业建筑的一个流动人口众多的公共场所，室内空气的温湿度、洁净度和新鲜空气量等，多顾客和商场职工的身体健康影响很大。

因此，商业建筑的空气环境越来越被商业部门所重视。

我国卫生防疫部门对商业建筑提出了卫生要求，对较大的重点商场还进行过监测，对一些已建的大中商场要求进行改造，增设通风设施或加建空气调节装置。

新建的大中商业建筑纷纷安装了空调系统，以提高商场的档次，吸引更多的顾客。

各大城市中频频展开的“商战”更加速了空调系统在商业建筑中的普及。

商业建筑不断的增多，以及人们对室内空气的温湿度、洁净度和空气品质问题越来越重视。

由于能源的紧缺，节能问题越来越引起人们的重视。

因此迫切需要为商业建筑物安装配置节能、健康、舒适的中央空调系统来满足人们对高生活水平的追求。

2．意义：

目前，随着我国经济的逐步增长，居住条件日益改善人们对生活环境的舒适性的要求越来越高，对中央空调的需求越来越大，对中央空调节能、舒适、健康更加关注。

因此，设计一项节能、舒适、健康的中央空调工程是很有实际意义的。

1.2、国内外研究现状及发展趋势：

1．研究现状：

中央空调在世界上已有百年的发展历史，在中国也有20多年的应用时间，然而真正引起国内企业关注还是近几年。

目前国内市场中央空调领域竞争已经进入白热化阶段，随着价格战连绵不断，在家用空调领域几乎已经无利可图的企业纷纷开始在中央空调领域寻找新的

发展空间和利润增长点。

2003年中央空调市场容量将达到85亿元，2005年达到200亿元以上。

市场空间迅速巨大，而利润至少是40%以上。

这对于众多在市场上艰难逐利的企业，尤其是仍在价格战中挣扎的家电企业来说，无疑是极其诱人的。

与家用空调行业相比，中央空调仍保持较高利润空调，这使得由原来约克、大金、开利等国外品牌所占领的国内中央空调市场开始发生变化，国内一些品牌也纷纷进入这个领域。

2．中央空调领域存在激烈的竞争：

a.品牌竞争

前几年还是约克、大金、开利等国外品牌占领国内商用空调市场，近几年已风生水起，海尔、美的、格力、松下、LG等企业纷纷进入这一领域，以争取更多主动权。

我国中央空调仍处于起步阶段，目前其销售对象主要集中在城市高收入消费群体和房地产开发商，由于其生产及安装成本较高，大范围普及尚需时日，这对争先上马该项目的企业不能不说是个考验。

此外，与普通家用空调相比，中央空调对核心技术、资金要求更高，所以欲真正立足于该领域并非易事。

　b.技术竞争

中央空调品种多，发展迅速。

　在中央空调发展趋势中，健康、环保、节能也将是永远的主题。

中国中央空调市场虽然还处于发展初期，但是不少企业已经在上述方面做了诸多尝试，以下是在市场上应用的几种不同类型中央空调。

（1）、燃气空调

　　从1992年由远大开发出中国第一台“溴化锂吸收式冷温水机”到现在，燃气空调在我国已得到一定范围应用，在广东、福建的各工程项目和“西气东输”等大型供气项目完成之后，我国燃气空调将可能迎来爆炸式增长。

这是因为燃气空调相对于电空调有4大优点：

一是环保、舒适、经济、稳定耐用，可有效平衡城市能源结构，缓解城市夏季供电紧张、燃气使用量过低的矛盾。

目前全国中央空调年销售额大约50多亿元，其中生产燃气空调的内外资企业有30多家，去年销售额约10亿元，其中三四家大型企业占85%左右的市场份额。

随着天然气普及和和环保意识提高，燃气空调有望成为中国最主要的制冷产品。

未来我国能源结构调整，将为燃气空调的发展带来更好的发展空间。

（2）、地温中央空调

　　地温中央空调是一种新型节能空调设备，它根据可逆卡诺循环原理，利用地温能源，冬天采用热泵技术原理，通过热交换将地下水或土壤中的热量提出用于室内采暖，而夏天则利用地下土壤或地下水带走热量，达到制冷效果。

并可提供生活用水，是当代最经济的中央空调主机。

地温中央空调的另一特点是其环保价值。

传统的供暖、制冷方式是以煤、石油、天然气等矿物质为主要能源，这些资源在消耗和转换的过程中不但会造成严重的环境污染，而且热效率还比较低。

而地温中央空调不仅实现零排放，还有热效率高、价格低廉等优势。

（3）、冰蓄冷中央空调

　　冰蓄冷中央空调是由冰提供冷源的中央空调系统，相对于常规中央空调增加一个蓄冰装置。

冰蓄冷中央空调可以减缓用电高峰紧张，而且比常规空调系统每年节约运行费用10％－30％。

目前世界发达国家都已经或正在使用冰蓄冷空调，我国目前实施推广的省、市有北京、湖北、

河南、湖南、江苏、浙江、广东等，尤其是在以广东为中心的华南地区，每年使用中央空调的时间长达9－10个月，使用冰蓄冷空调无论在经济效益上，还是社会效益上，意义更为重大。

1.3、论文的主要内容如下：

首先对中央空调系统及可编程控制器（PLC）、变频器作了比较全面的总结和介绍。

确定系统的总体结构，由PLC来实现信号控制，变频器实现变频调速，完成了变频器和可编程控制器（PLC）的选择。

再次是完成变频器的参数设置及PLC的选型、I/0口分配以及和PLC的连接。

最后，在分析了中央空调系统的软件设计方法基础上，设计出了梯形图与状态图程序，并设计出了总线路图的连接，对实际的改造工作具有指导意义。

最后实际连接设备，布好线后，通过调试实现系统的运行。

二中央空调节能改造系统的介绍

2.1中央空调应用变频器的目的

中央空调是楼宇里最大的耗电设备，每年的电费中空调耗电占60%左右。

故对其进行节能改造具有重要意义。

由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、符合最大的情况进行设计，并且要留10%至20%设计裕量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，故存在较大的富裕，所以节能的潜力就较大。

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，故存在很大的浪费。

水泵系统的流量与差压是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免的存在较大节流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅浪费大量电能，而且还造成中央空调末端达不到合理效果的情况。

为了解决这些问题，需使水泵随着负载的变化调节水流量开关闭旁通。

对水泵系统进行变频调速改造，根据冷冻泵和冷却水泵负载的变化随之调整电动机转速，以达到节能的目的，节能效果分析如下。

经变频调速后，水泵电动机转速下降，电动机从电网吸收的电能就会大大减小。

其减小的损耗为：

△P=Po【1—（n1/no）3】

减少的流量为：

△Q=Qo【1—（n1/no）】

式中n1——改变后的转速

no——电动机原来的转速

Po——电动机原转速下的电动机消耗功率

Qo——电动机原转速下所产生的水泵流量。

一般水泵采用的是Y—△启动方式，电动机的启动电流均为其额定电流的3~4倍，一台110kw的电动机其启动电流将达到600A，在如此大的电流冲击下，接触器、电动机的使用寿命大大降低。

同时，启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象，容易对机械零件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备用、备件费用。

2.2中央空调的工作原理

中央空调主要由冷冻主机、冷却水塔、冷却水循环系统、冷冻水循环系统，冷却风机等部分组成。

2.3中央空调的组成

（1）冷冻主机

冷冻主机也成为制冷装置，是中央空调的制冷源，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。

（2）冷却水塔

冷冻主机在制冷过程中必然会释放热量，使机组发热。

冷却塔用于对冷冻主机提供“冷却水”。

冷却水在盘旋流过的冷冻主机后，将带走冷冻主机产生的热量，使冷冻主机降温。

（3）冷冻水循环系统

有冷冻泵及冷冻水管道组成。

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。

同时，房间内的热量被冷冻水吸收，是冷冻水的温度升高。

温度升高了的冷冻水经冷冻主机后又变成冷冻水，如此循环往复。

这里，冷冻主机是冷冻水的“源”；从冷冻主机流出的水成为“出水”；经各楼层房间后流回冷冻主机的水成为“回水”。

（4）冷却水循环系统

冷却水循环系统由冷却泵，冷却水管道及冷却塔组成。

冷却水在吸收冷冻主机释放的热量后，必将使自身的温度升高。

冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水送回到冷冻机组。

如此循环，带走了冷冻主机释放的热量。

这里，冷却主机是冷却水的冷却对象，是“负载”，故流进冷冻主机的冷却水称为“进水”；从冷冻主机流回冷却塔的冷却水称为“回水”。

回水的温度高于进水的温度，以形成温差。

（5）有两种不同用途的冷却风机。

①盘管风机安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷却水盘管冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换。

②冷却塔风机用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。

可以看出，中央空调系统的工作是一个不断的进行热交换的能量转过程。

在这里，冷却水和冷冻水循环系统是能量的主要传递者。

因此，对冷却水和冷冻水循环系统的控制便是中央空调控制系统的重要组成部分。

两个循环水系统的控制方法基本相同。

三调速变频器类型选择及其设计参数

变频器（Transducer）也就是电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电转换成频率电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。

3.1变频器的分类

变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类：

（1）按变换频率的方法分交—直—交变频器

交—交变频器

（2）按主电路工作方式分电压型变频器

电流型变频器

（3）按变频器调压方法的不同分脉幅调制（PAM）变频器

脉宽调制（PWM）变频器

（4）按控制方式分类V/f控制变频器

转差频率控制变频器

矢量控制方式变频器

（5）按滤波元件分类电压源型变频器（大电容滤波）

电流源性变频器（大电感滤波）

（6）按照用途分类通用变频器

高性能专用变频器

高频变频器

3.2变频器的品牌及型号选择

确定变频器的品牌和型号，以及确定变频器的规格，就完成了变频器的选择。

要分别讨论品牌和型号、规格。

（1）变频器品牌、型号的选择

变频器是变频调速系统的核心设备，它的质量品质对于系统的可靠性影响很大，选择品牌时，质量品质，尤其是与可靠性相关的质量品质，显然是选择时的重要考虑方面。

同时，设备的平均寿命的长短是一个重要的参数，所以根据预期使用寿命来选择品牌，经验和口碑仍然是主要依据。

在同一品牌中选择具体型号时，则主要依据己经确定的变频调速方案、负载类型以及应用所需要的一些附加功能来决定。

（2）变频器的规格选择

变频器产品说明书上的都是标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数。

因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实际中常常可能会行不通。

根据具体工程的情况，可以有以下几种不同的变频器规格选择方式：

①按照标称功率选择：

一般作初步投资估算依据。

②按照电动机额定电流选择：

用于恒转矩负载的新设计项目。

③按照电动机实际运行电流选择：

多用于改造工程。

④按照转矩过载能力选择

综上所述，根据实际工程情况，以适当的方法选择变频器规格很重要。

选择结果多数情况下变频器标称功率与电动机匹配，少数情况需要放大。

所以，笼统地认为放大一级功率选择变频器的想法虽然是没有错，但会造成浪费。

（3）选择的变频器应满足的条件

①根据被控设备的负载特性选择通用变频器的类型。

②所选择通用变频器的类型与被控制异步电动机的参数匹配。

③为降低电梯成本，首选通用变频器。

④电梯的启动和停车都要平稳。

⑤变频器带有防止失速功能。

⑥变频器具有优良的转矩特性。

3.3通用变频器

1．为了满足以上的条件，本设计选择通用变频器。

采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的是：

（1）为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求。

（2）为了节约能源、降低生产成本。

2.简述通用变频器

上个世纪80年代初，通用变频实现了商品化。

在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。

（1）容量不断扩大

80年代初采用的BJT的PWM变频器实现了通用化。

到了90年代初，BJT通用变频器的容量达到了600KVA，400KVA以下的已经系列化，前几年主开关器件开始采用IGBT，仅三、四年的时间，IGBT变频器的单机容量已达1800KVA，随着IGBT容量的扩大，通用变频器的容量也将随之扩大。

（2）结构的小型化

变频器主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路（LSI）和全数字控制技术，结构设计上采用“平面安装技术”等一系列措施，促进了变频电源装置的小型化。

另外，一种混合式功率集成器件，采用厚薄膜混合集成技术，把功率电桥、驱动电路、检测电路、保护电路等封装在一起，构成了一种“智能电力模块”（IntelligentModule，IPM）这种器件属于绝缘金属基底结构，所以防电磁干扰能力强，保护电路和检测电路与功率开关间的距离尽可能的小，因而保护迅速且可靠，传感信号也十分迅速。

（3）多功能和智能化

电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。

特别是微机的应用，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

（4）应用领域不断扩大

通用变频器经历了模拟控制、数字控制、数模混合控制，直到全数字控制的演变，逐步地实现了多功能化和高性能化，进而使之对各类生产机械、各类生产工艺的适应性不断增强。

最初通用变频器仅用于风机、泵类负载的节能调速和化纤工业中高速缠绕的多机协调运行等，到目前为止，其应用领域得到了相当的扩展。

如搬运机械，从反抗性负载的搬运车辆、带式运输机到位能负载的起重机、提升机、立体仓库、立体停车厂等都已采用了通用变频器；金属加工机械，从各类切削机床直到高速磨床乃至数控机床，加工中心超高速伺机的精确位置控制都已应用通用变频器；在其它方面，如农用机械、食品机械、木工机械、印刷机械、各类空调、各类家用电器甚至街心公园喷水池，可以说其应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

3.4西门子变频器

1．西门子变频器的示意图

2.变频器可能的设定值

为了把变频器的所有参数复位为出厂时的缺省设置值，应按下面的参数设置：

P0010=30；P0970=1.

3.西门子变频器的两种主要变频方法：

（1）直接选择+on命令（P0701~P0706=16）

选择固定频率时，既有选定的固定频率，又带有ON命令，把它们组合在一起。

在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率，如果有几个固定频率输入同时被激活，选定的频率是他们的总和。

（2）二进制编码选择+on命令（P0701~P0706=17）

使用这种方法可以选择15个固定频率。

个个固定频率的数值根据下表选择：

4.BOP-2上的按钮

四、PLC的选择及其控制系统的硬件开发

4.1可编程控制器（PLC）的简介

可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器。

以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。

提出PLC概念的是美国通用汽车公司。

PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。

根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。

70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑（Logic）判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。

目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。

可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。

①可靠性高，抗干扰能力强；

②编程直观、简单；

③适应性好；

④功能完善，接口功能强。

可编程逻辑控制器（PLC）的计算模块是由理查德.e.莫雷在1968年发明的，现在已广泛应用于工业中的制造系统，运输系统，化工过程控制，以及许多其他领域。

PLC使用软连线逻辑或所谓的梯形图取代硬接线逻辑，采用编程语言和可视化的模拟硬接线逻辑设计，这样使的系统的配置时间从以前的6个月减少到了6天。

虽然现在基于PC的控制系统已经开始进入工业控制领域，但是基于PLC的控制系统凭借其高性能，低廉的价格，优越的可靠性以及适应恶劣环境的能力，仍占领工业控制系