OA自动化楼宇自动化实验指导书.docx

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OA自动化楼宇自动化实验指导书

（OA自动化）楼宇自动化实验指导书

第一章概述

随着信息社会的发展，建筑越来越成为人类生活环境的一个组成部分。

从工业社会现代化建筑的概念转向面对信息社会的需求，智能建筑正在世界范围内蓬勃发展，并在大量的建筑实践中取得了显著的成就。

由于智能建筑（国际上通常称为楼宇自动化）比传统建筑更能够为人们提供理想的工作和生活环境，因此，以1984年1月美国联合科技UTBS在康涅狄格州哈特福德市建设的都市大厦为标志，在美国、欧洲及世界其他地区相继兴起了营造智能建筑的热潮。

当前，我国的城市建设正在经历一个前所未有的蓬勃发展阶段，同时也陆续兴建了一些不同智能标准的新型智能建筑。

尤其是进入20世纪90年代以来，智能建筑在我国像雨后春笋般地拔地而起，相信将成为21世纪建筑发展的主流。

我国颁布的智能建筑设计标准（GB/T50314-2000）中指出，智能建筑是“以建筑为平台，兼备建筑设计、办公自动化及通讯网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。

”智能建筑是综合经济实力的象征和综合性科技产物，其发展涉及电力、电子、仪表、建材、钢铁、建筑、计算机与通信等多种行业。

为配合国内外高等院校智能建筑领域教学、实验的发展，我公司与有关院校紧密合作总结多年的研究成果及调研了众多高等院校的实际要求，重点考虑了国内教学、科研的发展需求，精简了教学、实验内容研制出一套楼宇自动化实验装置。

装置特点：

1、系统性强

全部实验装置包含了广义楼宇自动化系统的大部分实验内容如：

中央空调系统的能量管理及自动控制系统、闭路电视及保安监控系统、火灾探测及消防报警系统。

2、高度的开放性

系统在选择技术规范及国内外标准时，重点采用了技术开放、公开、可免费使用的通讯协议和标准。

设计中集中安排了信号端子，可连接不同控制系统。

3、灵活性强

由于技术开放、标准、模块化，各校可根据具体需要选择系统配置和组合，并进一步开发实验装置的应用范围。

4、技术先进

全部实验装置尽可能的采用当代先进技术，数字化内容丰富，网络化功能强，可根据需要深入集成系统信息。

5、经济实用

全部实验装置的控制器及监控装置在配合相关板卡的基础上可完全采用个人计算机实现全部实验内容，减少了硬件投资，提高了设备利用率。

本实验主要介绍中央空调系统

第二章智能大厦中央空调控制系统实验装置简介

模拟智能大厦中央空调控制系统提供了智能大厦中央空调控制系统研究的模拟环境，它涵盖了中央空调系统的制冷机组，空气处理及新风机组的主要控制功能。

系统采用了工业化设计，主要的传感器、执行器采用了Honeywell公司的产品，真实再现了实际系统各环节的内容，系统的风道结构采用透明的有机玻璃设计。

由于在各部件中应用了模块化设计，易于组成各类空调系统，丰富了实验内容，在选择楼宇自动化系统时，采用了最常用的可编程控制器（三菱PLC），使学生可以自由，熟练的从事实验中的编程、组态、开发。

并进一步为学生提供了研究设备，为便于使用不同的控制器，设计中集中安排了信号端子连接，应用该系统可以构造成PLC控制系统，基于PC的控制系统，集散控制系统，各类仪表控制系统或各类现场总线控制系统。

通过该系统的实验可以是学生对中央空调系统的基本原理和构造进一步熟悉和了解，掌握常规的暖通空调系统的能量管理和空气控制方法、控制器编程、设计组态等。

同时通过系统实验使学生掌握常规故障点的检测。

实际系统如下图所示：

整个实验装置包括制冷（热）机组和空调机组组成。

全部机组由PLC主单元和特殊模块控制。

实验调节系统采用闭环调节，并通过上位机监控系统进行监视、控制等远程控制功能，使操作者不必靠近控制对象可以对系统进行远程控制，系统具有数据采集和数据管理功能、动态数据交换功能、实时和历史趋势图和事件自动记录功能。

空调调节系统的目的在于，创造一个良好的空气环境，即根据季节变化提供合适的空气温度、相对湿度、气流速度和空气洁净度，以保证办公人员的工作效率。

一.空气处理机组的监控

空气处理是指对空气进行加热、冷却、加湿、干燥及净化处理。

机组结构、原理图如下：

空调机组结构图

空调机组原理图

1）新风采入段设有新风风门FV1，调节风门开度，可以通过增大管路阻力来减少风量。

2）新风、回风混合段设置新、回风混合段的目的在于：

冬季节省热量，夏季节省冷量，以实现节能。

回风进入段设有回风风门FV2，同样可以控制风门开度，调节回风量。

3）空气过滤段新风和回风一起经过空气过滤器除尘净化，随着过滤网上沉附的灰尘逐渐增加，将增大气流阻力，影响空调系统正常运行。

通过对过滤网两端空气压差的检测，可及时对过滤网进行清理和更换。

4）冷、热水盘管段表热交换器可以对空气进行加热和冷却。

夏季向热交换器通入15℃或以下的冷水，调节电动调节阀TV1的阀门开度，控制冷水流量。

例如温度高于设定值时，可加大冷水流量；反之，则减之。

冬天，向热交换器通入31℃或以上的热水，调节阀门TV1的开度，控制热水流量，可调节温度。

5）加湿段通过调节超声波加湿器的开关，控制气雾量，可改变湿度。

空气处理机组采用直接数字控制器DDC进行控制，即利用数字计算机进行控制，可对多个受控装置进行直接控制，通过编程实现各种控制功能。

与常规仪表组成的传统控制方式相比，一个DDC可以取代多个传统控制器实现联动控制、选择、切换等多种功能。

当控制内容及规模相同时，总成本大为降低，其功能和灵活性又是传统控制器望尘莫及的。

1）送风温度控制由送风管道内的温度传感器T2实测出送风温度，通常，传感器与变送器组合成一体，将实测温度信号变换成满足接口电路要求的模拟量信号，输入DDC,与送风温度设定值比较，得出偏差。

考虑到温度变化缓慢，时间常数大，采用PID控制算法，以便缩短调节周期、消除静差，提高调节精度，以便温度波动范围控制在±0.5℃以内。

经过PID运算后，DDC输出相应的电压控制信号，用来控制电动调节阀TV1的阀门开度，调节冷、热水流量。

2）送风湿度控制由送风管道内的湿度传感器H2测出送风湿度，输入DDC，与湿度设定值比较，得到偏差，经过PID运算，DDC输出相应的数字信号与相应的周期数字信号作比较，输出一组脉宽调制信号来控制加湿器的开关来控制送风湿度。

3）连锁控制自动实现必要的连锁保护功能。

采用压差开关检测风机启停状态，风机启动后，如果风机前后压差Pd1打达到设定值，发出正常运行信号，自动启动系统控制信号投入运行。

如果检测到Pd1过低，发出故障信号，并自动连锁停机：

由于各电动调节和风机都与风门连锁，一旦风机停止运行，冷、热水阀自动关闭，新风风门全关。

4）过滤网堵塞报警用压差开关检测过滤网两端压差Pd2,当压差超过设定值时，报警指示灯亮。

5）变风量控制系统采用的是末端调节的变风量控制系统，即由末端装置（变频器）直接控制风机。

基于末端装置的实时风量需求，采用先进的控制方法（风机－调节阀－温度串级控制）来进行温度控制。

使系统更节能、稳定。

6）压差控制系统由微压差传感器测出房间与外界的压力差，送入DDC与设定值比较输出控制值给房间风门执行器来控制压差，使房内有一定的正压防止外界细菌入内。

7）工作状态、数据显示与打印通过组态软件来实现监控，可显示图形或文字并打印数据：

风机启/停状态，风机故障报警；过滤网堵塞报警；新风、回风、送风温度、湿度与设定值；流程图实时画面、阀位值显示，参数变化趋势曲线等。

二、制冷机组的监控

空调系统需要冷源、热源。

本装置采用的是用压缩机产生冷、热源。

它是以消耗电能作为补偿，以氟利昂为制冷剂。

机组原理图如下：

制冷机组结构图

图1为压缩式制冷原理示意图。

图中点划线框内为整体式制冷装置，称为冷水机组。

它由压缩机、冷凝器、蒸发器及其它辅助装置组成。

压缩机将制冷剂压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后变成液体，析出的热量则由冷却水带走，在冷却塔中利用水喷射或是经冷却风机将热量排入大气。

液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发，使冷（冻）水降温，提供冷源送空调使用。

图1

1）手动控制在上位剂手动设置制冷机组旁通阀TV2的开度、冷冻水泵和压缩机的启停，由DDC送出相应控制信号。

2）压差旁通控制由供水、回水压力传感器检测出的压力的差值，送入DDC，与压差设定值比较后，DDC送出相应信号，调节位于供、回水总管之间的旁通管上的电动调节阀（旁通阀TV2）的开度，实现进水与回水的旁通，以保持供、回水压差恒定。

3）互补控制即DDC送出全范围的60%－调节阀开度的值给旁通阀，使旁通阀的开度与调节阀在60%内互补。

4）冷冻水温度控制利用温度传感器检测出冷冻水的温度，送入温控仪与设定值比较，输出控制信号给压缩机从而控制水温。

系统的主要仪表性能及参数指标如下：

一．检测元件

1．WS302V温湿度变送器

用于测量本系统中的新风、送风、回风的温度和相对湿度。

测量范围：

0—50℃，0—100%RH

精度：

±0.3℃，±2%RH

输出电流：

4—20mA二线制传输

供电电压：

12—24VDC

2．BP8110压力传感器

用于测量本系统中冷冻供水和回水的压力。

测量范围：

0—0.1Mpa。

输出电压：

4—20mA。

供电电压：

DC24V。

以及四个polymer温湿度变送器和两个DPS200压差传感器。

二．执行元件

1．ML7420A3055线形电动调节阀

用于调节冷冻供水和冷冻旁通水的开度。

工作电压：

24Vac（±15%），60HZ。

功耗：

最大7VA。

输入信号：

0/2到10Vdc。

2．ML7174E2007风门执行器

工作电压：

24Vac（±20%）50/60HZ。

功耗：

2VA。

全程时间：

150/125s

控制方式：

2—10V

三．控制器

下位机的控制器采用日本三菱公司生产的可编程逻辑控制器（FX2N-32MR+4块FX2N-4AN+2块FX2N-4DA），负责模拟量和数字量的采集和处理和上位机通讯。

四．上位机监控软件

上位机监控软件采用“美国柏元网控”开发的“WebAccess”软件。

WebAccess是完全基于浏览器、基于B/S架构的人机界面（HMI）和监控及数据采集（SCADA）软件，可运行于Windows2000/XP/2003等操作系统。

WebAccess系统组件WebAccess完全基于网络架构，基本组成部分包括：

监控节点（SCADAnode）–数据采集和本地监控，连接自动化硬件设备，并且通过网络传输数据；提供管理控制和数据采集（SCADA）功能，包括：

通讯驱动程序（Modbus、Lonworks、OPC、DDE和其他PLC、IO模块、DDC等）；实时和历史趋势记录，报警记录以及事件运行记录。

工程节点（Projectnode）–WebAccess开发平台，所有系统设置及前期项目开发均在此完成；作为Web服务器，提供客户端和监控节点间的初始化连接；作为数据库服务器，通过ODBC记录所有运行数据。

WS302V温湿度变送器使用说明书

特点

●风道型、法兰安装

●标准电流、电压信号输出

●线性响应，测量范围宽、精度高

●性能稳定可靠

应用

用于暖通空调以及楼宇自控等环境的温湿度测量

性能指标

温度

湿度

测量范围

0℃～50℃

0％RH～100%RH

精度

<±0.3℃

<±2%RH（at25℃,30％RH～80%RH）

长期稳定性

<±0.3℃/年

<1％RH/年

敏感元件

Pt100铂电阻

S118湿敏电容器

工作温度

0℃～50℃

存储温度

0℃～50℃（非凝结）

连接方式

4位接线端子（间距5.0mm）

外壳材料

ABS塑料

信号输出

4mA～20mA

电源

12～24V

功耗

<25mA

电气连接：

WS302A温湿度变送器使用说明书

特点

●壁挂式安装

●标准电流、电压信号输出

●线性响应，测量范围宽、精度高

●性能稳定可靠

应用

用于室内、外环境监测，通讯机房、仓库以及楼宇自控等环境的温湿度测量

性能指标

温度

湿度

测量范围

0℃～50℃

0％RH～100%RH

精度

<±0.3℃

<±2%RH（at25℃,30％RH～80%RH）

长期稳定性

<±0.3℃/年

<1％RH/年

敏感元件

Pt100铂电阻

S118湿敏电容器

工作温度

0℃～50℃

存储温度

0℃～50℃（非凝结）

连接方式

4位接线端子（间距5.0mm）

外壳材料

ABS塑料

信号输出

4mA～20mA

电源

12～24V

功耗

<25mA

电气连接：

DPS200气流压差开关

技术规格：

●最大压力：

5KPa

●压力范围：

20～200Pa

●开关时压差（平均值）：

20Pa

●压力介质：

空气，非易燃和非腐蚀性气体

●压力连接：

2个塑料导管

●开关容量：

1.5A（0.4A）/250Vac

●允许工作温度：

－20℃～85℃

●电气连接：

AMP连接头或螺丝端子

●膜材料：

硅

●导管口：

PGII

●保护级：

IP54

应用：

监视风道中过滤网，风机和空气流的状态。

BP8110压力传感器

·采用进口扩散硅传感器，不锈钢隔离膜片，适用范围广；

·零点、量程正负迁移可调，操作方便，且调整时互不影响；

·采用信号剥离技术，对传感器温度漂移跟随补偿；

·稳定性好：

≤0.2％FS／年；

·线性度优于0.1％FS；

·结构精巧，安装便捷

·性能价格比高

·抗电磁干扰；

·外壳防护等级：

IP65

应用

气动设备、空气压缩机、空气过滤监控设备和工业控制

特点

高性能价格比

输出带放大

极性反向保护

响应时间低于500us

IP65封装

ML7174E2007风门执行器

技术规格

●工作电源：

24V/230V；50/60Hz

●控制信号：

2to10Vdc

●环境温度：

－7～50℃

●相对湿度：

5－95％，无凝露

●连接：

圆形和方形风门连杆9.5－12.7mm

●最短连杆长：

45mm

●防护等级：

IP54

●噪音标准：

一米处45dB（A）

●电缆长：

0.9m

●扭矩：

8NMm

●可控风门面积：

1.5m2

应用

直接耦合风门执行器可用于风门，通风百业窗和VAV装置的调节/浮点控制

ML7420A电动阀门执行器

特点

●安装方便快速

●无需连杆

●标准导管式接线连接

●无需调整

●阀门定位准确

●低功耗

●高的关断压力

●终端推力限位开关

●0～10Vdc或2～10Vdc信号输入

●带位置反馈信号输出

●正反作用可选

●同步马达

●防腐设计

●免维修

应用：

ML7420A执行器适用于HoneywellHAVC阀门，内带一个选择正反作用插头，用于提供模拟输出0～10Vdc或2～10Vdc的调制控制。

电器特性：

电源：

24Vac（±15%）50HZ/60HZ

功耗：

7VA最大（24Vac）

输入信号：

0～10Vdc或2～10Vdc

输出阻抗：

1kΩ

负载：

最大1mA

轴杆推力：

600N

执行器行程：

20mm

环境温度：

-10℃～+50℃

保护等级：

IP54

隔离：

保护等级（24Vdc）

认证标志：

UL94-5V防火符合CE要求

材料：

壳ABS-FR塑料；基座：

PGTP-FR塑料；支架：

注：

本实验装置可以制冷或制热，“制冷机组控制系统”界面同时也是制热机组控制系统界面。

相应地界面上的“冷冻供水温度”“冷冻回水温度”同时也就是“热水供水温度”和“热水回水温度”，其它名称一样对应。

建议实验时天气寒冷时运行制热系统，天气炎热时运行制冷系统。

压缩机开关使用方法：

制冷：

先设定温度，然后旋钮右旋打到制冷。

制热：

先设定温度，然后旋钮左旋打到制热。

第三章实验部分

实验一中央空调的逻辑控制与被控对象的实验建模

一、实验目的

1、解中央空调控制系统的结构和组成。

2、熟悉空调机组和制冷（热）机组的启停顺序。

3、掌握响应曲线法建立数学模型。

4、计算单回路控制系统的最佳参数的计算方法。

二、实验概述

一、响应曲线法进行数学建模

㈠、响应曲线法

响应曲线法主要用于测取阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。

其中，阶跃响应曲线法应用比较广泛，下面介绍阶跃响应曲线法的具体做法。

将被控过程的输入量作一阶跃变化x0，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，则称谓阶跃响应曲线。

阶跃响应曲线能直观、完全描述被控过程的动态特性。

实验测试方法易于实现，只要使阀门开度作一阶跃变化即可。

实验时必须注意：

合理选择阶跃扰动量，既不能太大，也不能太小，以防止被控过程的不真实性。

通常取阶跃信号值为正常输入信号的5～15%。

①、试验应在相同的测试条件下重复做几次，需获得两次以上比较接近的响应曲线，减少干扰的影响。

②、试验应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测出其响应曲线，以检验被控过程的非线形程度。

③、在实验前，即在输入阶跃信号前，被控过程必须处于稳定的工作状态。

在一次试验完成后，必须使被控过程稳定一段时间后在施加测试信号作第二次试验。

确定有时滞的一阶惯性环节的参数：

在过程输入阶跃信号瞬时，其响应曲线斜率为零，之后逐渐增大，最后达到稳定曲线呈S形，如图所示。

显然，过程模型为一阶加滞后或二阶以上。

工程上可用下面的模型近似：

其中K0=（注意：

在实验中，输出和输入都应折算成十二位数字量）

过程时间常数T0和之后时间τ的求法如下：

过响应曲线的拐点P作切线，交时间轴于B点，交其稳态值的渐进线于A点，A点在时间上的投影为C点，则OB为过程滞后时间τ，BC为过程的时间常数T0。

当阶跃响应曲线上的拐点不易确定时，可直接取阶跃响应曲线的稳态值的28%和63%所对应的时间t1和t2，再按下式计算，即：

t1=τ+

t2=τ+T0

㈡、系统建模原理

1、被控过程因风门位置的不同而分为新风机组和空气机组控制，新风机组控制的是送风温度，空气机组控制的是回风温度。

2、阀门执行器的给定（0-100开度）在PLC控制器里对应数字量0-2000，即如果给定10%，其实给定是200。

温度传感器的量程（0-50℃）在PLC控制器里的对应数字量0-1000，即，如果显示为20℃，则数字量为400。

计算模型时都要统一折合成数字量计算。

3、实验中制冷机组工作方式为：

压缩机设定6.5度，旁通阀与调节阀在30%内互补。

所以：

新风机组的模型构建图为：

其中，新风风门和排风风门全开，回风风门全闭。

空气机组的模型构建图为：

其中，新风风门和排风风门开度各为10%，回风风门开度为90%。

㈢、用响应曲线法进行参数整定

工程整定方法有很多种，有临界比例度法；衰减曲线法；响应曲线法。

本实验中主要应用响应曲线法，响应曲线法已经在上面已经详细介绍了通过响应曲线法得出广义对象的数学模型及参数τ、T0、K0的具体过程，在这里就不在赘述了。

现在我们应用经验公式来求取最佳PID参数。

KP

Ti

TD

P

T0/（K0τ）

——

——

PI

T0/（1.1K0τ）

3.3τ

——

PID

T0/（0.85K0τ）

2τ

0.5τ

表1-1

三、实验内容

⑴、风门初始化：

新风风门、排风风门全关（即打到零角度）；回风风门全开（即打到零角度）房间风门全开（最大角度）。

简而言之，全部风门打到零角度。

这是实际中央空调风门的缺省位置。

（注意：

用手操作，非上位机）⑵、将压缩机设定温度6.5度（制冷），或设定为40℃（制热）。

以保持压缩机尽量少停机，给空调机组一个恒定的冷冻（热）水温度。

（不要启动）⑶、机组通电，运行PLC（即把拨片开关从中间拨到上边的动作，拨片位置见附图）。

⑷、打开PC机上的WebAccess应用程序。

（选择智能大厦中央空调控制系统工程，按按扭栏上的“运行”按扭。

1．熟悉中央空调的逻辑控制顺序

（1）开启顺序为：

●进入手动控制系统界面，设定冷热水调节阀为一定开关量，即开冷冻水阀门。

●进入制冷机组界面，启动冷冻水水泵。

●启动压缩机。

●返回手动控制系统界面，启动风机。

等待风机启动完毕。

●打开新风风门和排风风门为一定角度，回风风门为一定角度，即打开风门。

启动完毕。

熟悉一下过滤网堵塞报警和风机报警，即拔掉压差传感器，观察。

当过滤网两旁存在压差时，报警；当风机启动后没有压差时，报警。

（2）停止顺序：

●停压缩机。

●停冷冻水水泵。

●停风机。

●关各个风门为缺省位置。

即关风门。

●关电动调节阀，即关冷冻水水阀。

停机完毕。

2．中央空调系统的实验建模

⑴新风处理机组建模

准备工作同上。

实验步骤：

●进入手动控制界面，设定新风风门和排风风门为全开，回风风门全闭。

（用上位机操作）

●进入制冷机组控制界面，启动“与调节阀互补”控制方式，冷冻水泵将启动。

●启动压缩机，等待压缩机第一次自动停机。

●然后，记录送风温度开始温度，给冷热水调节阀一个设定值（小于20%），如10%；启动风机。

记录开始时间。

●打开“送回风温度历史趋势”观察送风温度，同时也可以观察“实时趋势1”以观察实时变化。

●等到送风温度达到稳态值时，记录停止时间和稳定温度。

然后按照停机顺序停机。

调整历史趋势的横坐标时间，则可以计算新风机组的的数学模型。

⑵空气机组建模

步骤与新风机组相同，所不同的是建模时的风门位置为：

新风风门和排风风门为10%，回风风门为90%，观察的是回风温度。

（是建模时用上位机操作的，风门开始缺省位置不变）

⑶根据前面介绍的响应曲线法计算出新风机组和空气机组的数学模型，并根据表1-1计算出PID控制参数。

四、思考问题

⒈实验建模和机理建模的区别。

2.本实验建立的是狭义的控制对象，还是广义的控制对象，它们各包括哪几个环节。

五、实验要求

1．实验前完成预习，熟悉实验步骤，并对控制界面的操作要熟练。

2．实验时记录下被控对象的响应曲线。

3．课后完成数据分析，计算出数学模型。

4．完成一套完整的实验报告。

实验二新风处理机组控制系统

一、实验目的

1．了解新风处理机组的原理。

1．了解全部利用室外新风对房间供风的优点和缺点。

2．了解闭环系统的特性。

3．掌握单回路控制参数的整定过程。

4．了解PID各参数在调节过程中的作用。

二、实验概述

一、单回路简介和系统方块图

单回路系统是由四个基本环节组成，即被控对象（或被控过程）、测量变送装置、调节器和执行机构（本系统为调节阀）。

有时为了分析方便起见，往往把执行机构、被控对象和测量变送装置合在一起，称之为广义对象。

这样系统就归结为调节器和广义对象两部分。

然而，一般来说，还是把系统看成上述四个基本环节所组成。

新风机组控制系统的系统方块图（原理图）如图2-1所示：

图2-1新风机组控制系统方块图

其中，新风风门和排风风门为全开，回风风门为全闭，全部利用新风来对房间进行空气处理，所以称之为新风处理机组控制系统。

三、实验内容

准备阶段：

（1）、风门初始化：

新风风门、排风风门全关（即打到零角度）；回风风门全开（即打到零角度）房间风门全开（最大角度）。

简而言之，全部风门打到零角度。

这是实际中央空调风门的缺省位置。

（用手操作，非上位机）

（2）、将压缩机设定温度6.5度（制冷）或40度（制热），（用手操作）。

以保持压缩机尽量少停机，给空调机组一个恒定的冷冻（热）水温度。

（