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基于PLC的变频中央空调控制系统的开发设计毕业设计学位论文范文模板参考资料
目录
目录1
前言3
一、中央空调系统简介4
1、冷水机组4
2、冷却水塔4
3、外部热交换系统4
4、冷却风机5
二、系统工作原理6
1、中央空调制冷原理6
2、中央空调系统原理6
三、中央空调与家用空调对比分析8
1、普通家用空调基本工作原理8
2、中央空调工作原理8
四、四通阀在中央空调中的应用11
五、温度传感器在中央空调中的应用12
1、传感器作用分析12
2、传感器故障分析13
六、中央空调系统控制分析15
1、冷冻水循环系统的控制15
2、冷却水循环系统的控制15
3、末端送风机的变频控制16
4、应用方案的系统考虑18
5、机组台数控制18
七、PLC技术在中央空调中的应用20
1、PLC的简介20
2、PLC结构20
3、PLC选型及设置20
4、软件设计21
5、PLC控制系统主要功能21
6、系统特点23
7、控制方法23
8、系统设计和应用说明24
八、中央空调常见问题分析26
1、吸气温度过高26
2、吸气温度过低26
3、排气温度不正常27
4、排气压力较高27
5、排气温度过低28
九、结束语29
参考文献29
前言
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领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。
在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，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，尽管有的系统采用了闸阀档板节流方式，但其能量的浪费仍是显而易见的。
近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运电费成本中占据越来越大的比例，因此，电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。
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，中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20~40%，故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。
所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频中央空调水泵、风机系统和自适应智能负荷调节的主压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的性能优越性和经济性，得到了广泛的推广与应用。
采用变频调速技术不仅能提高系统自动化控制水平，使中央空调系统达到更加理想的工作状态，而且，更重要的是能给用户带来良好的投资回报。
在业已实施的项目中，各项目的节电率均高达30%以上，有的系统节电率高达60%。
一、中央空调系统简介中央空调系统的组成如图所示。
1. 冷水机组这是中央空调的“制冷源”，“心藏”，通往各个房间循环水由冷水机组进行“内部交换”，降温为“冷却水”。
2. 冷却水塔
用于为冷水机组提供冷却水。
3．外部热交换系统
由两个循环水系统组成——
（1）冷冻水循环系统
由冷冻泵及冷冻水管道组成。
从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，是房间内的温度下降。
（2）冷却水循环系统
由冷却泵及冷却水管道及冷却塔组成。
冷水机组进行热交换，是水温冷却的同时，必将释放大量的热量。
该热量被冷却水吸收，是冷却水温度升高。
冷却泵将升了温冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再降了温的冷却水，送回到冷水机组。
如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。
4．冷却风机
安装于所需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。
大、中型中央空调由3部分组成:
（1）制冷、制热站
（2）空调水管网系统
（3）空调末端装置（空调机组，风机盘管和新风机组等）
大、中型中央空调系统框图如图1所示。
二、系统工作原理中央空调原理包括：
1、中央空调制冷原理：
有压缩式、吸收式等
2、中央空调系统原理：
有风系统工作原理、水系统工作原理、盘管系统工作原理等，简单介绍如下
（1）中央空的有风系统原理分析：
室外的新鲜空气受到风处理机的吸引进入风柜，并经过过滤降温除湿后由风道送入每个房间，这时的新风不能满足室内的热湿负荷，仅能满足室内所需的新风量，随着室内风机盘管处理室内空气热湿负荷的同时，多余出来的空气通过回风机按阀门的开启比例一部分排出室外，一部分返回到进风口处以便再次循环利用。
如图：
（2）中央空调原理的盘管系统工作：
室内的风机盘管工作时吸入一部分由风柜处理后的新风，再吸入一部分室内未处理的空气经过工艺处理后，由风口送出能够吸收室内余热余湿的冷空气，使室内温度湿度达到所需要的标准，如此循环工作。
如图：
三、中央空调与家用空调对比分析
1、普通家用空调的基本工作原理
图1是普通热泵型家用空调器的原理图。
它主要包含：
室内换热器、室外换热器、压缩机、毛细管、气液分离器和四通阀等部件。
当热泵型空调器运行于制冷工况时，四通阀换向使图中实线接通。
这时，室内换热器成为蒸发器，而室外换热器成为冷凝器。
从室内换热器来的低温低压过热气经四通阀和消声器进入气液分离器．分离出液体后，干过热气被压缩机吸入压缩成为高温高压的气体徘出，气体经四通阀进入室外换热器放热冷凝，成为过冷液。
过冷液经毛细管阻力降压后成为低温低压两相流体，进入室内换热器蒸发吸热（此时室内空气被降温），再一次经四通阀和气液分离器进入下一循环：
图中过滤器主要用于制冷剂与压缩机油的分离，以保证换热器的换热效率。
为防止制热时因除霜导致室内舒适性下降，采用了热气旁通不间断制热除霜方式。
除霜时，运行原理基本与制热相同，只是将融霜电磁阀打开。
从压缩机出来的高温高压的过热气有一部分被分流到室外换热器的人口，迅速把室外换热器的温度提高到O℃以上，融掉室外换热器上的霜层，使换热器保持良好的换热效率。
2、中央空调的工作原理
图2为中央空调原理图。
中央空调的制冷剂循环与普通家用空调完全相同，即：
制冷时机组的风冷换热器为冷凝器，机组的水冷换热器为蒸发器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在风冷换热器中冷凝放热，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热（此时载冷剂被冷却），最后再回到压缩机进入下一循环。
制热时机组的风冷换热器为蒸发器，机组的水冷换热器为冷凝器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在水冷换热器中冷凝放热（此时载冷剂被加热），成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热，最后再回到压缩机进入下一循环。
中央空调的制冷剂循环与普通家用空调和VRV形式的家用中央空调的不同在于：
中央空调并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中，而是通过水冷换热器将制冷剂的冷／热量传给专门的输送介质——载冷剂送到用户端。
这种载冷剂通常为水。
中央空调的载冷剂循环为：
从各用户换热器返回的高／低温（供冷时为高温，供热时为低温）回水在集水器中混合，经空调水泵加压送入水冷换热器中换热成为低／高温（供冷时为低温，供热时为高温）载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空调空间的供水管路，供水在各房间的换热设备（譬如：
风机盘管）中向空调空间释放冷／热量后成为高／低温回水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。
四、四通阀在中央空调中的应用
工作原理：
四通阀不同于普通直动式电磁阀，它必须在一定压力下才能正常工作，四通阀由三个部分组成：
先导阀，主阀和电磁线圈，电磁线圈可以拆卸，先导阀与主阀焊接成一体。
当电磁阀线圈处于断电状态，如图一，先导滑阀在右侧压缩弹簧驱动下左移，高压气体进入毛细管①后进入右端活塞腔，另一方面，左端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀左移，使排气管（S管）与室外机接管（C管）相通，另两根接管相通，形成制冷循环。
当电磁阀线圈处于通电状态，如图二，先导滑阀在电磁线圈产生的磁力作用下克服压缩弹簧的张力而右移，高压气体进入毛细管①后进入左端活塞腔，另一方面，右端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀右移，使排气管（S管）与室内机接管（E管）相通，另两根接管相通，形成制热循环。
结构：
中间位置，由四通阀结构不难发现，当主滑阀处于中间位置状态时，如上图所示，E、S、C三条接管相互通气，产生中间流量，此时，压缩机高压管内的冷媒可以直接流回低压管。
设计中间流量的目的是当主滑阀处在中间位置时，能起到卸压的作用，使系统免受高压破坏。
四通阀串气故障的形成:
四通换向的基本条件是活塞两端的压力差（F1—F2）必须大于摩擦阻力f，否则，四通阀将不会换向。
换向所需的最低动作压力差是靠系统流量来保证的（图三所示）。
当左右活塞腔的压力差大于摩擦阻力f时，四通阀换向开始，当主滑阀运动到中间位置时，四通阀的E、S、C三条接管相互导通，压缩机排出的冷媒从四通阀D接管直接经E、C接管流向S接管（压缩机回气口），使压力差快速降低，形成瞬时串气状态（中间流量状态）。
此时，若压缩机的排气流量远大于四通阀的中间流量，便可以建立足够大的换向压力差而使四通阀换向到位；反过来，若压缩机的排气量小于四通阀的中间流量，则四通阀换向所需的最低动作压力差便不能建立，即F1-F2＜f，四通阀不能继续换向而停在中间位置，形成串气。
五、温度传感器在中央空调中的应用
空调温度传感器为负温度系数热敏电阻，简称NTC，其阻值随温度升高而减小，随温度降低而增大。
25℃时的阻值为标称值。
NTC常见的故障为阻值变大、开路、受潮霉变阻值特性变化、短路、插头及座接触不好或漏电等，引起空调的CPU检测端子电压异常变化而产生空调故障。
空调常用的NTC有室内环境温度NTC、室内盘管（热交换器）温度NTC、室外盘管（热交换器）温度NTC等三个，较高档的空调还应用室外环境温度NTC、压缩机吸气、排气温度NTC等。
NTC在电路中主要有如图一所示两种用法，温度变化使NTC阻值变化，CPU端子的电压也随之变化，CPU根据电压的变化来检测空调的工作状态并发出指令。
1、传感器作用分析
（1）室内环境温度NTC作用
室内环温NTC根据人工设定的工作状态，检测室内环境的温度变化使CPU自动开停压缩机或改变压缩机的工作频率（变频空调）。
定频空调（非变频）使室内温度温差变化范围为“设定值+（-）1”℃，即若制冷温度设定为24℃时，当温度降到23℃压缩机停机，当温度回升到25℃压缩机工作；若制热设定24℃时，当温度升到25℃压缩机停机，当温度回落到23℃压缩机工作。
值得说明的是一般空调的温度设定范围为15℃—30℃之间，因此一般的空调在低于15℃的环温下制冷不工作，高于30℃的环温下制热不工作。
变频空调根据人工设定的工作温度和室内温度的差值进行变频调速，差值越大压缩机工作频率越高，因此，压缩机启动以后转速能很快提升。
（2）室内盘管温度NTC
室内盘管NTC的主要作用是在制冷时进行过冷（低于+3℃）保护检测、制冷缺氟检测；制热时进行防冷风吹出、过热保护检测等。
空调制冷15分钟自动检查室内盘管的温度，若降温达不到20℃（或CPU的设定值）则自动诊断为缺氟而停机保护。
若因某些原因使室内盘管温度降到+3℃以下，为防盘管结霜也停机（过冷保护）
制热时室内盘管温度底于32℃内风机不吹风（防冷风吹出保护），高于58℃外风机停转，高于62℃压缩机停转（过热保护）；有的空调制热通过盘管NTC自动控制内风机风速；自动切换电辅热等。
变频空调进行频率自动控制等。
（3）室外盘管温度NTC
制热时化霜温度检测，制冷冷凝温度检测。
制热化霜是热泵机一个重要的功能，一般的空调第一次化霜为CPU定时（一般在50分钟），以后化霜则由室外盘管NTC控制。
一般为—11℃要化霜，+9℃则恢复制热。
制冷时冷凝温度达68℃停压缩机，代替高压压力开关的作用；变频空调制冷则降频阻止盘管继续升温。
（4）室外环境温度NTC
控制室外风机的转速、冬季预热压缩机等。
（5）压缩机排气温度NTC
使变频压缩机降频，避免外机过热，缺氟检测等。
（6）压缩机吸气温度NTC
变频空调自动控制制冷剂流量，有步进电机控制节流阀实现。
2、传感器故障分析
传感器出现故障表现为不能准确地检测温度，阻值变大，误判温度过低；阻值减小，误判温度过高。
还有的表现为开路或短路，导致保护停机。
室内、外盘管NTC损坏率最高，故障现象也各种各样。
室内、外盘管NTC由于位处温度不断变化及结露或高、低温的环境，所以其损坏率较高。
主要表现在电源正常而整机不工作、工作短时间停机、制热时外机正常内风机不运转、外风机不工作或异常停转，压缩机不启动，变频效果差，变频不工作，制热不化霜等。
化霜故障可代换室外盘管NTC或室外化霜板。
变频空调不正常首先考虑上述两个NTC。
在电源正常而空调不工作时也要考虑到查室内环温NTC。
空调工作不停机或达不到设定温度停机，也要先查室内环温NTC；变频空调达不到制冷效果，工作不正常也会和它有关。
因室内环温NTC若出现故障会使得CPU错误地判断室内环温而引起误动作。
六、中央空调系统控制分析
中央空调系统的外部热交换由2个循环水系统来完成。
循环水系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。
因此，根据回水与进（出）水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。
1、冷冻水循环系统的控制
由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。
因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。
所以，冷冻泵变频调速系统，可以简单地根据回水温度进行如下控制:
回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的循环速度，以节约能源。
反之则反。
总之，对于冷冻水循环系统，控制依据是回水温度，即通过变频调速，实现回水的恒温控制。
原理图见图2。
图2 冷冻水循环系统的控制原理图
2、冷却水循环系统的控制
由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单测水温不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。
所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。
温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度;温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。
冷却水循环系统的控制原理图见图3。
图3 冷却水循环系统的控制原理图
3、 末端送风机的变频控制
随着生活水平的提高，人们已开始关注生活与工作环境的舒适性。
大型公共建筑（如商场、宾馆、影剧院等）均设置有中央空调系统，而大多数中央空调的运行，绝大部分末端机采用开/关控制方式，难以满足人们对舒适感的要求。
变频技术的飞速发展，成本进一步下降，使得这一要求成为现实。
图4 手动调节控制终端
（1）调节风量
在中央空调系统中，冷、暖的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。
在输送介质（水）温度恒定的情况下，改变送风量可以改变带入室内的制冷（热）量，从而较方便地调节室内温度。
这样，便可以根据自己的要求来设定需要的室温。
调整风机的转速可以控制送风量。
使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输出端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。
（2）控制方式的确立
a、在室内适当的位置，安装手动调节控制终端，如图4所示，调速电位器vr和运行开关kk置于控制终端盒内，变频器的集中供电由空气开关控制，需要送电时在配电控制室直接操作。
调整频率设定电位器vr，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量，关闭时断开kk即可，此方式成本低廉，随意性强。
b、当室外温度变化，或者冷/暖输送介质温度发生改变时，将可能造成室温随之改变，对环境舒适要求较高的消费群体，则可以采用自动恒温运行方式，如图5所示
图5 自动恒温运行方式
选择内置pid软件模块的变频器。
控制终端的方式同手动方式。
电位器用来设定温度（而不是调整频率）。
变频器通过采集来自反馈端vpf/ipf的温度测量值，与给定值作比较，送入pid模块运算事自动改变u、v、w端子的输出频率，调整送风量，达到自动恒温运行。
c、送风机的分布可能不是均匀的，对于稍大的室内空间，则可以采用“区域温度平均法”策略调节送风量，以满足特殊需要量场所。
d、为降低成本，个别的变频器可能没有内置pid软件模块，选用外加pid调节器即可。
4、应用方案的系统考虑
（1）共振（动）:
选择末端送风机时，应考虑测试其在全转速范围的共振转速点，应避免电机工作于这样的转速区，通过设定变频器的回避频率及其宽度值，则可以避免电机运行于该转速区域。
（2）节能:
风机属于平方转矩负载，应用时，选择风机、泵类专用变频器（亦称为节能型变频器）较好，并将其转矩曲线（v/f）设定为“平方转矩”，这样可以达到较好的节能效果。
（3）安装:
变频器应装于末端机的“隔离室”内，除保证良好的散热外，还应让其不置身于潮湿环境下。
亦需考虑中央空调在制冷或制热时末端机自身的温度影响。
（4）频率限制:
电机转速较低时，散热效果较差:
转速过大，则会引起因风速过高而造成的不适当状态，如制冷时，可能因风速过大，致辞使冷凝水不能被吸水盘完全接收，造成外漏。
应选择适宜的上、下限频率，下限频率以不小于15hz为宜，上限频率不要超过60hz，根据最大风速确定。
（5）载波频率:
将变频器的载波频率适当提高，则可以降低电机运行噪音，提高环境质量。
（6）多机并联运行时，若电机距离变频器较远，则需调整载波频率，以避免引起电机电流振荡。
5、机组台数控制
（1）某大厦基本工况:
3台机组，一用两备，根据大厦的热负荷量自动控制机组运行台数，自动保持各机组运行时间基本一致，达到最低能耗，达到最低的主机折旧。
（2）解决方案
基本思路:
根据回流量，供/回水温度来调节机组运行台数，负荷计算根据:
q=c×m×|t1-t2|∣
注:
c常数;m回水流量;t1回水温度;t2供水温度
当负荷大于单台机组80%，则第2台机组备份;当负荷大于前2台机组的负荷总量的80%，则第3台机组运行（80%该数值可调）。
采用plc作为主控制器，采用摸拟量模块进行数据采集。
原理图如图6所示。
七、PLC技术在中央空调中的应用
1、PLC的简介
中央空调冷冻系统的控制有3种控制方式：
早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC（可编程序控制器）控制系统。
继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。
但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。
相反，PLC控制系统以其运行可*、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。
可编程控制器是计算机家族中的一员。
于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,即简称为PLC。
PLC具有功能强大、使用可*、维修简便等许多优点。
对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。
而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。
随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。
因此今天这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。
2、PLC结构
PLC主要是模块式的，包含CPU模块、I/O模块等，PLC一端接传感器，另一端接执行器，从传感器得到的数据经PLC读、运算等处理下达给执行器，执行器动作。
PLC相当于继电器的作用，其好处是可*性高，自动化程度高、可进行网络化等。
3、PLC的选型及设置
为了满足以上所介绍的空调工艺要求，整个控制系统需要可编程序控制器的输入、输出点分别是112点和32点，其中模拟量输入、输出为6点和4点。
根据PLC的I/O原理使用原则，即留出一定的I/O点以做扩展时使用，以及系统设计中实际所需的I/O点数。
选用华光电子工业有限公司的SU－5/B型。
主机：
SU－5/B；输入模块：
U－25N、U－01AD；输出模块：
U－05T、U－01DA。
这种机型的I/O点数为256点，有RS－422通讯端口，其编程指令有143条，并配有相应的编程软件S－62P，不仅可以通过手持编程器对其编程。
而且可以通过PC机对其进行编程输入。
该软件还能在PLC运行时监控其运行状况。
4、软件设计
制冷系统的启动/停止是用于制冷系统的手动启动/停止控制。
也可以通过温度设定，依据冷负荷的需要自动开启制冷系统。
每台设备均设有自动、手动、备用三种运行状态，自动用于联锁集中控制；手动用于调试或检修；备用状态用于热备用。
三台水泵二工一备。
其中备用泵循环轮换，提高设备的保养率。
各台设备按工艺要求顺序自动启动/停止时，采用每台设备启动后经15s左右延时，再启动下一台设备。
一是考虑水泵稳定运行有个过程，二是避免数台电动机同时启动，冲击变压器，影响供电质量。
为提高中央空调系统的经济性、可*性及可维护性，需采用控制产品对中央空调系统的各个设备进行控制。
早期的中央空调控制器多为就地式专用控制器和DDC控制器，它们具有控制功能简单、不易联网及信息集成度不高等缺点。
随着计算机技术、控制技术和网络技术的发展，现在的中央空调系统都倾向于采用先进、实用、可*的可编程控制器（PLC）来进行控制。
5、PLC控制系统主要功能
PLC控制系统功能说明
如空气处理机PLC控制原理简图所示：
（1）当启动空气处理机时，PLC发出控制指令。
首先开户回风门和新风门到设定位置，然后启动送风机，同时通过控制变频器，从而调节风机的转速。
（2）露点温度与系统设定值相比较后,用PID方式调节冷水电动阀,控制冷水流量,使送风温度达到设定值。
（3）送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值相比较后，用PID方式控制变频器，从而调节风机的转速，达到调节回风温度的目的。
（4）当过滤网前后压差超出设定值时，PLC发出过滤堵塞报警信号。
（5）当空气处理机停止运行后，新风门、回风门和冷水电动阀回复到全关位置，并关停冷水环泵。
上位机监控系统主要完成对工艺参数的检测、各机组的协调控制以及数据的处理、分析等任务，下位PLC主要完成数据采集、现场设备的控制及连锁等功能。
除此以外，PLC系统还有如下功
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