冷水机组监控系统课程设计.docx

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冷水机组监控系统课程设计

1绪论

1.1前言

随着信息技术的发展，使人们对赖以生存的工作和生活的建筑环境的安全性、舒适性、便捷性等诸多方面也提出了更高要求，强调高效率、低能耗的“绿色建筑”是可持续发展的目标。

智能建筑便是在这样的背景下应运而生，悄悄走进了人类生存的社会。

智能建筑是现代建筑技术、现代通信技术、现代计算机技术和现代控制技术等多种科学技术相结合的产物。

现代建筑技术给只能就爱你住提供了一个基本的建筑物支持平台，现代通信与网络技术构成了智能建筑的“神经网络”，而由现代计算机及网络技术和现代控制技术支持的建筑设备自动化系统给传统的土木建筑在其雄伟的钢筋混凝土结构和华丽的装潢外表之上又赋予了强大的生命力和活力，才使其真正具有了智能化的色彩。

这种日趋完善的智能化建筑又极大地改变着人们的生活环境和习惯，使人们在建筑环境的安全、舒适、便捷等方面得到了实惠。

人们对智能建筑的功能不断提出更高的要求，推动者支持智能建筑的主要技术之一——建筑设备自动化技术的不断发展。

在本次冷水机组监控系统课程设计中，是在学习了建筑设备自动化课程之后，进行的一次实践学习环节，在设计中能进一步巩固理论知识，培养所学得理论知识在实际中的应用能力。

并且，要能通过这次课设，掌握一般建筑电气控制控制系统的设计方法。

本次课设的具体内容有以下这些，掌握冷水机组的启停控制及其工作原理，根据冷水机组实际运行的要求，制定合理的启停方案，并要绘制中央空调冷水机组的监控原理图，掌握PLC工作原理、编程、调试方法以及PLC控制系统的设计方法以及在生产设备中的应用技术。

正确确定I/O点数，合理选用PLC控制器，并进行I/O地址分配，之后要正确合理的编写梯形图程序，最后要用ForceControl设计上位机监控界面，并与PLC通讯。

由于水平有限，设计书难免存在不足之处，敬请指导老师批评指正并希望您提出宝贵的意见。

1.2原理简述

冷水机俗称冷冻机、制冷机、冰水机、冻水机、冷却机等，因各行各业的使用比较广泛，所以名字也就多得不计其数。

其性质原理是一个多功能的机器，除去了液体蒸气通过压缩或热吸收式制冷循环。

蒸汽压缩冷水机组包括四个主要组成部分的蒸汽压缩式制冷循环压缩机，蒸发器，冷凝器，部分计量装置的形式从而实现了不同的制冷剂。

吸收式冷水机利用水作为制冷剂，并依靠之间的水和溴化锂溶液，以达到制冷效果很强的亲和力。

冷水机一般使用在空调机组和工业冷却。

在空调系统，冷冻水通常是分配给换热器或线圈在空气处理机组或其他类型的终端设备的冷却在其各自的空间，然后冷却水重新分发回冷却被冷却了。

在工业应用，冷冻水或其它液体的冷却泵是通过流程或实验室设备。

工业冷水机是用于控制产品，机制和工厂机械冷却的各行各业。

冷水机组是以多台压缩机并联工作的形式优化了冷水机组的工作结构，从而达到高效的制冷量输出。

监控系统的作用是通过对制冷机组、冷却水泵、冷却水塔、冷媒水循环泵台数的控制，在满足室内舒适度或工艺温湿度等参数的条件下，有效地、大幅度的降低冷源设备的能量消耗。

1.3设计目的与要求

1.3.1设计目的

进一步掌握巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力，掌握一般建筑电气控制系统的设计方法，培养查血图书资料、工具书的能力，培养工程绘图、书写技术报告的能力。

1.3.2设计要求

1.掌握冷水机组的启停控制及其工作原理。

2.根据冷水机组实际运行的要求，制定合理的启停方案。

3.并要绘制中央空调冷水机组的监控原理图。

4.掌握PLC工作原理、编程、调试方法以及PLC控制系统的设计方法以及在生产设备中的应用技术。

5.正确确定I/O点数，合理选用PLC控制器，并进行I/O地址分配，之后要正确合理的编写梯形图程序。

6.最后要用ForceControl设计上位机监控界面，并与PLC通讯。

2冷水机组

2.1工作原理

冷水机俗称冷冻机、制冷机、冰水机、冻水机、冷却机等，因各行各业的使用比较广泛，所以名字也就多得不计其数。

其性质原理是一个多功能的机器，除去了液体蒸气通过压缩或热吸收式制冷循环。

蒸汽压缩冷水机组包括四个主要组成部分的蒸汽压缩式制冷循环压缩机，蒸发器，冷凝器，部分计量装置的形式从而实现了不同的制冷剂。

吸收式冷水机利用水作为制冷剂，并依靠之间的水和溴化锂溶液，以达到制冷效果很强的亲和力。

冷水机一般使用在空调机组和工业冷却。

在空调系统，冷冻水通常是分配给换热器或线圈在空气处理机组或其他类型的终端设备的冷却在其各自的空间，然后冷却水重新分发回冷却被冷却了。

在工业应用，冷冻水或其它液体的冷却泵是通过流程或实验室设备。

工业冷水机是用于控制产品，机制和工厂机械冷却的各行各业。

冷水机组是以多台压缩机并联工作的形式优化了冷水机组的工作结构，从而达到高效的制冷量输出。

2.2风冷式冷水机

2.2.1风冷式冷水机特点

免装冷却塔，安装容易，移动方便，适合于水源缺乏免装水塔的场合。

低噪音风机马达，绝佳的冷却冷凝效果，稳定节流机构，优异的防锈处理，采用欧美进口高性能压缩机，高EER值，噪声低，运行稳。

2.2.1风冷式冷水机原理

风冷式冷水机是利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换，冷媒系统在吸收水中的热负荷，使水降温产生冷水后，通过压缩机的作用使热量带到翅片式冷凝器，再由散热风扇散失到外界的空气中去。

2.3水冷式冷水机

2.3.1水冷式冷水机特点

人体工学面板，全自动化控制，配备精密电温控制器，可长期平稳运行。

采用高效传热换热器，冷量损失少，易回油，传热管不致发生冻裂优点，采用日美进口高性能压缩机，高EER值，噪声低，运行稳。

2.3.2风冷式冷水机原理

水冷式冷水机是利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换，冷媒系统在吸收水中的热负荷，使水降温产生冷水后，通过压缩机的作用将热量带至壳管式冷凝器，由冷媒与水进行热交换，使水吸收热量后通过水管将热量带出外部的冷却塔散失。

2.4冷水机组控制

冷水机组控制子系统是整个控制系统的主要部分之一，由机组控制、水温控制及一次泵控制等环节组成。

机组控制包括每台机组自身的运行控制、机组开启的台数控制。

由自身的PLC根据机组运行的自身规律和模式以及主控制器S7-200PLc（CPU226）的指令实现。

水温控制子系统由温度信号采集、流量信号采集、数据传输及控制软件等环节组成。

在三台机组的出水管道中及输往实验室的主管道中分别设置四个温度传感器，监测四个点的温度。

在输水主管道中设置一流量计，监测主管道的水流量，转换得到的温度信号及流量信号传输至主控制单元的数据采集模块，进行数据采集。

S7-200PLC（CPU226）将数据采集得到的温度数据、流量数据和预定的水温度值作为温度控制算法方程的参数，由软件根据算法方程确定开启机组的数量、对应的机组编号和对应开启机组的能调百分比，将能调百分比传输至机组PLC，由机组PLC调节压缩机的能调百分比，实现主输水管道中的水温控制。

控制算法是该环节的核心，为了能够实现通过调节压缩机的能调百分比调节水温，需要明确提供机组压缩机能调百分比与机组出水温度的关系的经验数据或实验数据。

由于一次泵为定频泵，它们的控制实际是供电与断电的切换，控制程序根据确定的冷水机组开启台数，确定相应一次水泵的开启或关闭，并控制对应阀门的开关。

控制由主控制器输出控制信号经由驱动模块控制一次水泵的供电与断电。

阀门由$7-200PLC（CPU226）的软件通过数字I／O或模拟量输出模块实现，电动阀门由数字I／0模块控制，比例阀由模拟量输出模块控制。

3监控方案

监控系统为集散测控系统。

包括三大部分：

中央集中监控环节，现场检测及控制环节，和冷水机组。

1）中央集中监控环节

该环节位于远地主控室，是本系统的中央控制环节，由中央控制用工业控制计算机和适配器等构成，在整个系统中处于核心的控制环节，主要功能是监控整个供水系统的运行状况。

2）现场检测及控制环节

该环节由现场PLC，温度、流量和压力传感器，调节阀门，交流接触器，变频器及水泵组成。

3）冷水机组

冷水机组是提供冷水的设备，其内置的PLC控制机组的运行，通过调节机组压缩机的能调百分比调节机组的出水温度。

机组PLC可以向中央控制计算机传输工况数据实现机组运行状况的中央监测，同时可以接收中央控制计算机的机组运行设定参数设定或改变机组的运行状态。

3.1监控原理图

中央空调冷水机组系统由冷媒水循环泵、通过管道系统所连接的制冷机蒸发器及用户所使用的各种冷媒水设备（如空调机和风机盘管）而组成。

空调冷水机组监测与控制系统的核心任务是：

1）保证制冷机蒸发器通过足够的水量以使蒸发器正常工作，防止冻坏。

2）向冷媒水用户提供足够的水量以满足使用要求。

3）在满足使用要求的前提下尽可能减少循环水泵电耗。

下图3-1为设计的一台冷却塔时冷水机组监控系统（DDC）原理图。

该冷水机组系统由一台制冷机组、两台台冷却水泵、一台冷却塔和两台冷媒水泵组成。

图3-1监控图

下图3-2为设计的两台冷却塔时冷水机组监控系统（DDC）原理图。

该冷水机组系统由两台制冷机组、三台冷却水泵、两台冷却塔和三台冷媒水泵组成。

图3-2监控图

3.2冷水机组监控内容

3.2.1监测内容

1）冷却水供、回温度

2）冷媒水、冷却水供回水管水流开关信号

3）冷媒水供、回水压差信号及回水流量信号

4）制冷机组正常运行、故障及远程/本地转换状态

5）冷却水泵、冷媒水泵、冷却塔风机工作、故障及手/自动状态。

以上内容能在中央站上显示。

DDC将冷却水泵、冷媒水泵、冷却塔风机电动机主电路上交流接触器的辅助触点作为开关量输入（DI信号），输出DDC监控冷媒水泵的运行状态；主电路上热继电器的辅助触点信号作为冷媒水泵过载停机报警信号。

3.2.2联锁及保护

1）根据排定的工作程序表，DDC按时起停机组。

顺序控制如图：

2）通过DDC对各设备运行时间的积累，实现同组设备的均衡运行。

当其中某台设备故障时，备用设备会自动投入运行，同时提示检修。

3）DDC对冷却水泵、冷媒水泵、冷却塔风机的起停控制时间应与制冷机组的要求一致。

4）水泵启动后，水流开关监测水流状态，发生断水故障，自动停机。

5）设置时间延时和冷量控制上下限范围，防止机组频繁起动。

3.2.3控制

1）测量冷媒水系统供、回水温度及回水流量，计算空调实际冷负荷，根据冷负荷确定制冷机组起停台数，已达到最佳节能效果。

2）根据冷却水回水温度，决定冷却塔风机的运行台数，自动起停冷却塔风机。

并通过控制其旁路电动调节阀的开度，调节流入冷却塔的水量。

3）测量冷媒水系统供、回水总管之压差，控制其旁通阀开度，以维持压差平衡。

4PLC控制

4.1PLC工作原理

4.1.1工作原理

可编程控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。

PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。

它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。

普通计算机进行入出信息交换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。

而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。

特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。

4.1.2调试方法

PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC外部接线做仔细检查，这一个环节很重要。

外部接线一定要准确无误。

也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。

不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。

当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。

1）程序的模拟调试

将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。

用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通／断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。

可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。

对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。

在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。

发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。

如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。

在设计和模拟调试程序的同时，可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。

2）程序的现场调试

完成上述的工作后，将PLC安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。

如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。

全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。

4.2PLC控制系统

4.2.1起停控制过程分析

在空调冷媒水系统的起动或停止过程中，冷水机组与相应的辅助设备进行电气联锁。

只有当所有的附属设备及附件都正常运行之后，冷水机组才能起动，停车过程则顺序相反。

起停顺序及联锁控制如下图所示：

图4-1起停顺序流程图

4.2.2I/O点数

变量

功能

I1.0

报警变量。

1代表系统报警、0代表正常

I1.1

手动、自动选择开关，为1时为自动，0代表手动

I0.0

自动模式下启停开关。

1代表启动、0代表停止

I0.1~10.7

手动启动开关

Q0.1~Q0.7

冷水机组输出

4.2.3PLC型号选用

SIMATICS7-200系列PLC为单体式结构，配有RS-485通信接口、内置电源系统和部分I/O接口。

它体积小、运算速度快、可靠性高，具有丰富的指令，系统操作渐变、便于掌握，可方便地实现系统的I/O扩展，性能价格比高，是目前中小规模控制系统的理想控制设备。

S7-200系列PLC的硬件系统配置灵活，既可用单独的CPU模块构成简单的开关量控制系统，也可通过I/O扩展或通信联网功能构成中等规模的控制系统。

主要包括如下几部分：

1）PLC基本单元（即CPU模块）：

是PLC系统的核心，包括CPU、存储器系统、部分输入/输出接口、内置5V和24V直流电源、RS-485通信接口等。

2）扩展单元：

用于PLC系统的I/O扩展，包括数字量I/O模块和模拟量I/O模块。

3）变成设备：

可使用手持式编程器，也可使用装有SIMATICS7系列PLC编程软件的计算机。

变成设备可实现用户程序的编制、编译、调试和下载。

4）人机界面：

常用的有触摸屏和文本显示器，也可通过装有工业组态软件的微机实现。

通过人机界面可实现对工业控制过程的监控。

5）通信模块：

可通过CPU模块自带的RS-485接口与上位机或其他PLC通信，也可通过专用的通信模块与其他网络设备组成各种通信网络以实现数据交换，如通信处理器模块CP243-2或PROFIBUS-DP模块EM277等。

6）其他设备：

各种特殊功能模块，具有独立的运算能力，能实现特定的功能，如位置控制模块、高速计数器模块、闭环控制模块、温度控制模块等。

4.2.4梯形图程序

5组态监控软件设计

典型的计算机控制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构构成了一个分布式的工业网络控制系统，其中设备层负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号，控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制，监控层通过对多个控制设备的集中管理，以完成监控生产运行过程的目的，管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。

监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业生产信息化的重要组成部分。

5.1组态软件简介

组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预先设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I／O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。

工业组态软件主要有以下优点：

（1）有较好的人机交互界面，提供丰富的图形功能；

（2）支持多种数据类型；

（3）提供网络连接与工业总线通信接口；

（4）拥有完整的管理与报表等功能；

（5）开发简单。

组态软件主要用于提供工业现场控制、楼宇控制的自动化解决方案，实现现场生产的远程可视化过程，现场数据获取和监控等功能。

本次课设为基于力控（ForceControl）组态软件的冷水机组监控系统设计，因此采用力控组态软件。

5.2力控（ForceControl）组态软件

力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，比如在分布式网络应用中，所有应用（例如趋势曲线、报警等）对远程数据的引用方法与引用本地数据完全相同，通过“组态”的方式可以大大缩短了自动化工程师的系统集成的时间，提高了集成效率。

力控监控组态软件能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，实现与“第三方”的软、硬件系统进行集成。

5.3系统工艺图

以单台冷水机组为例，系统总体工艺画面如下图：

图5-1单台冷水机组工艺画面

以两台冷水机组，其系统工艺画面如下图：

图5-2多台冷水机组及辅助设备工艺画面

6总结

本次建筑设备自动化课程设计是在课程学完结束后的一次实践环节。

通过本次课程设计，我们加深了对课程基本知识的理解，提高了综合运用知识的能力，掌握了本课程的主要内容、工程设计或撰写论文的步骤和方法。

围绕课本内容培养了我们独立进行设计。

掌握了冷水机组的起停控制顺序及其工作原理，还根据冷水机组实际运行的要求，制定了合理的启停方案。

并且在此次设计中绘制了冷水机组的监控原理图的图纸，掌握了PLC工作原理、编程、调试方法及PLC控制系统的设计方法以及在生产设备中的应用技术。

并且使用了ForceControl设计了上位机监控界面。

在本次设计过程中，衷心的感谢老师在百忙之中对我的设计给予了细致的指导和建议。

同时，还要感谢和我同组的同学，是你们的细心才能让我们共同完成这次课程设计。

在此，我对你们表示最衷心的感谢，我将在今后的工作中不断追求新知识、继续努力，不辜负老师们对我们悉心的培养。

7参考文献

[1].何波.《电气控制与PLC应用》.中国电力出版社.

[2].孙景芝.《楼宇电气控制》.中国建筑工业出版社.

[3].王可崇.《建筑设备自动化系统》.人民交通出版社.

[4].马小军.《建筑电气控制技术》.机械工业出版社.

[5].李玉云.《建筑设备自动化》.机械工业出版社.

[6].《电气工程师设计手册》.

[7].ForceControl用户使用手册.