触摸屏控制的中央空调系统设计.docx

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触摸屏控制的中央空调系统设计

摘要

中央空调主要用来实现室内的恒温。

在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，中央空调系统得到了广泛的运用，用来给人们提供一个舒适的生产和生活环境。

但是，空调的耗电量非常大，在能源短缺的当前形势下，对空调系统进行有效的自动控制，从而使其运行节能，具有重大意义。

中央空调系统除主机的耗能外，风机、冷冻、冷却水泵是第二大耗能设备，由于风机、冷冻、冷却泵的配置是按夏季最大流量（在此基础上还要放大余量）来确定的，而实际使用中由于气候情况，客观流量活动内容等各种因素的变化，所需负荷的不断变化（负荷极少达到最大值）。

因此为使中央空调系统温度稳定，需要按工况变化对风机、冷冻、冷却泵进行调节，这都需要有较好的自动控制模块。

随着电力电子技术、微电子技术的发展，应用变频调速技术与PLC自动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点，因此可用于新建的中央空调中也可用于对大量旧式中央空调的技术改造，具有广泛的应用领域。

在本文中，以某小区中央空调系统为例，从中央空调的工作原理、PLC和变频器的工作原理、如何实现基于触摸屏的PLC和变频器在中央空调中的应用等几个主要方面较为详细地阐述如何实现中央空调系统的集中控制。

关键字：

中央空调、PLC、变频器、触摸屏

ABSTRACT

Centralairconditioningismainlyusedtoachieveroomtemperature.Inmodernfactoriesandenterprises,officebuildings,commercialbuildings,hotels,environment,centralairconditioningsystemhasbeenwidelyused,togivepeopleacomfortablelivingorproductingenvironment.However,thepowerconsumptionofair-conditioningisverylarge,sointhecurrentsituationofenergyshortage,aneffectiveautomationcontroloftheairconditioningsystem,whichmakeitrunsenergysaving,willbeofgreatsignificance.

Inacentralair-conditioningsystem,inadditiontothehost,thefansrefrigeration,coolingwaterpumpisthesecondlargestenergy-consumingequipment,Astheconfigurationoffans,refrigeration,coolingpumpisdeterminedbasedonmaximumflowinsummer（onthisbasiswouldalsoliketoenlargemargin）,Intheactualuse,becauseofobjectivefactorssuchasweatherconditions,changesofobjectiveflow,inthecontent,therequiredloadchanges（rarelyreachsmaximumload）.Therefore,inordertomakethetemperatureofthecentralair-conditioningsystemstable，weneedtoadjustthefans,refrigeration,coolingpumpregulatoraccordingtothechangeconditions,whichrequiresabettercontrolmodule.

Withthedevelopingofpowerelectronicstechnology,microelectronictechnology,applicationoffrequencyconversiontechnologyandPLCcontrolsystemcandramaticallysaveenergyandimprovethesystemautomation,andmakethesystemmorereliable,simplerstructure,andeasiertomaintenanceandrepair.Therefore,canbeusedtoboththenewcentralairconditioningandthetechnologicaltransformationofalargenumberofoldcentralairconditioning,withawiderangeofapplications.

Inthisarticle,withthecentralairconditioningsystemofahousingestateasanexample,byexplainingtheprincipleofthecentralair-condition,PLCandinverterworks,howtoimplementtheapplyofPLC,touchscreenandfrequencyconverterinthecentralairconditioningsystem,etc,thusdescribedinmoredetailhowtoachievethecentralizedcontrolofthecentralairconditioningsystem.

Keywords:

Centralairconditioning.PLC,frequency.changer,touchscreen

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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第一章绪论

第一节课题来源及研究意义

随经济的发展,中央空调系统己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。

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。

显然，中央空调系统即应按照舒适节能的目标设计。

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，仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的20一40%，存在巨大的能源浪费。

采用新技术降低系统能耗非常重要。

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定的，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己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。

随着电力电子技术、微电子技术的发展，应用变频调速技术与PLC自动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，能有效地达到节能目的。

其节能效率通常都在40%以上，并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点，因此可用于新建的中央空调中也可用于对大量旧式中央空调的技术改造，具有广泛的应用领域。

随着工业自动化控制的发展,一种新的工控产品人机界面又称触摸屏出现,给予工业设备现场控制一种全新的图形操作界面。

它采用能高速通信的32位RISC芯片,具有交互性好,编程灵活,并且与PLC之间的连接简便,在工业设备控制中已经得到广泛应用。

综上所述，本课题的研究意义在于：

1.通过对中央空调系统的集中控制的研究，可以提高能量利用率，降低维护费用，减少劳动强度，智能控制，对于当今能源短缺的形势具有重要意义。

2.空调能耗的降低相应的对以下方面也有重要作用：

解决当前电力供需矛盾、提高电网的负荷率和发电设备及输电设施利用率、保证电力系统安全经济运行、减小国家电力投资。

第二节主要研究内容

经过系统的分析并结合实际情况，本次研究的内容和目标是实现基于触摸屏的PLC和变频器的中央空调系统的集中控制，该系统将利用PLC和变频器实现水泵电机的软启动和调速，使整个系统的运行达到最佳状态。

1.对变频技术用于大型中央空调系统的可行性进行分析，以某小区的中央空调系统为研究对象，确定系统的集中控制方案及如何用PLC实现。

2.确定冷冻、冷却循环水泵采用集中控制的具体方案，实现PLC的功能。

3．通过对PID控制器基本原理的介绍，初步分析模拟量PID算法的控制。

第二章中央空调简述

本章将概要地讲述一下中央空调系统的一般组成及其分类，以及基本的自动控制原理，然后着重讲解一下户式水冷式中央空调的结构和工作原理。

第一节中央空调系统的组成和分类

一、中央空调系统的组成

中央空调系统是基于如下三大理论基础的：

质量守恒理论；

热力学第一定律；

热力学第二定律。

基本上，中央空调系统的科学规律都可以根据以上三大理论，通过纯粹的数学推演和科学实验的修正来予以表达。

如再结合室内空气动力学和高等流体力学，那么所有的问题都可以迎刃而解。

中央空调系统一般由如下三部分组成：

冷热源系统；

冷媒输送系统；

空气分布系统。

对于一个典型的中央空调系统，这三部分相互作用与传递，如流水作业般实现室内外物质与能量的交换。

典型的中央空调系统夏季热量搬运图如图1-1-1所示。

图1-1-1典型的中央空调系统夏季热量搬运图

基于以上论述，中央空调的自动控制，主要由如下三部分组成：

冷热源系统的群控;

水系统控制；

风系统控制。

二、中央空调系统的分类

1．直流式：

这种系统的新风全部来自室外，经处理达到所需的温、湿度和洁净度后，由风机送入空调房间。

在室内吸收了余热、余湿后全部经排风口排到室外。

2．回风式：

这种系统的特点是送风中除一部分室外空气外，还利用部分室内回风。

回风系统由于利用了一部分回风，设备投资和运行费用比直流式大为减少。

回风式系统还可以分为一次回风系统和二次回风系统。

3．封闭式：

送风全部来自空调房间，而不补给新风。

这种系统运行费用低，但卫生条件差。

一个完整的室温调节系统是由测定温度的传感器，变送器，调节器，执行器和房间对象等几个环节组成的。

第二节户式中央空调

一、户式中央空调器的分类与特点

（一）户式中央空调器分类：

户式中央空调器由室外主机、室内风机盘管及其连接部分组成。

户式中央空调器按照输送冷热量的介质不同，可分为多联式、风管式和水冷式等三种类型。

（二）户式中央空调器的特点：

1．优点

（1）舒适

它适合作为别墅、公寓、家庭的暗藏式空调器，可使冷（热）风均匀地分布到各房间，形成“零”温差，而且噪音极低，保证了宁静的家居环境，避免了其他分体机常有的直吹过冷和房间冷热不均的现象。

（2）美观

空调风道与装修相结合，完全隐蔽，不占用室内空间，为现代家庭空调器（分体机、柜机）的换代产品。

（3）个性化设计

户式中央空调系统是小型化的中央空调系统，可以满足用户多居室的需求，以家庭为单元，可适应用户的个性化需求，不受其他用户影响。

（4）制冷能量调节范围大

它采用区域温度控制，每一个房间可单独进行温度控制。

随着季节、时间、环境等变化，系统工作负荷也随之变化。

可根据负荷的要求自动控制机组的运行，从而达到最佳的性能。

2．缺点

（1）设计布局与装修必须结合

它的设计和安装要与装修结合，才能达到良好的舒适性和装饰效果。

（2）电源负荷要求较高

它工作时的电负荷较大，老式住宅要考虑电路负荷是否满足。

（3）价格较昂贵

以一个150平方米的三室两厅计算，普通冷暖分体式空调器共需19000元左右，而户式中央空调系统一般情况下，大约需要3万元。

在安装价格上，户式中央空调器比起普通家用空调器并不具有明显优势。

（4）维护困难，维护费用高。

（5）安装复杂，是一项系统工程。

二、水管式中央空调器结构及工作原理

水管式中央空调在每个房间的末端设备叫做“风机盘管”，它可以调节风机的转速，因此可以对每个空调房间进行单独调节，较为节能。

冷媒系统一般配备一台压缩机冷凝器有风冷和水冷形式。

风机直接用轴流风机强制散热，水冷则由冷却水塔、冷冻泵、风机、Y型过滤器、水流开关等组成的冷却水系统完成热交换。

蒸发器主要以水作为输送冷量或热量的传递介质，经由冷冻泵、补水阀、水箱、放空阀、平衡阀、循环水管线所组成的冷冻水系统输送到室内末端设备。

末端设备采用风机盘管来进行热量交换。

但该系统的缺点也显而易见，除了无法直接引入新风之外，造价较高，安装难度大，水管也容易腐蚀，维护难度较大。

该中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换及热交换的过程。

其理想运行状态是：

在冷冻水循环系统中，在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7℃）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12℃），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。

在冷却水循环系统中，在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸收升温后（37℃）被送到冷却塔，经风扇散热后（32℃）再由冷却泵送到主机，形成循环。

在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。

该系统的室内末端装置通常为风机盘管。

目前风机盘管一般均可以调节其风机转速，从而调节送入室内的冷（热）量。

因此，该系统可以对每个空调房间进行单独调节，满足不同房间不同的空调需求，同时其节能性也较好。

此外，由于冷（热）水机组的输配系统所占空间较小，因此一般不受住宅层高的限制。

但此种系统一般难以引进新风，因此，对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性较差。

室内的风机盘管有多种形式：

明装与暗装、立式与卧式、吊顶式等。

小型水管式中央空调器的安装方便，因使用空气冷凝器而省去了冷却塔，可安装于屋顶、阳台或室外，只需连通冷（热）水路、水泵即可进行系统冷（热）水循环。

其机组运转噪声低，对环境影响小，与同等能力的其他类型空调器相比，运转更加平稳，从而拓宽了其适应范围。

小型冷（热）水管式中央空调系统可满足用户的多居室需求，可适应用户的个性化需求，不受其他用户的影响；采用主机与末端分离安装方式，保证了宁静的居室环境；主机由微电脑控制，在室内可完成全部操作；室内末端安装可采用暗藏方式，极适宜配合室内装修；系统可根据实际负荷自动化运行，节约能源及运行费用；将供冷、供暖费直接转化电费，开机计费，停机则不计费，收费直观、合理。

第三章可编程控制器（PLC）简介

可编程控制器（ProgrammableLogicalController简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

纵观来说，可编程控制器其实是在传统继电接触器控制的基础上,采用电子技术和计算机技术发展起来的工业控制装置。

由于可编程控制器具有接口简单、维护方便、使用灵活、可靠性高、通用性强且编程简单、易于掌握等特点，其发展非常迅速，已成为当今实现自动控制的主要手段之一。

第一节PLC的定义

国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。

在草案中对可编程控制器定义如下：

“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，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”

近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了定义的范围

第二节PLC的结构及工作原理

一、PLC的结构

PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。

下图为一典型PLC结构简图。

图2-2-1可编程序控制器结构框图

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同：

（一）中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

（二）存储器

存储器用来存放系统软件，称为系统程序存储器。

（三）输入/输出接口

输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。

PLC输入接口可以检测被控对象的各种数据，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据

PLC输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的

I/O接口的作用其实主要是电平转换功能：

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。

二、基本工作原理

PLC采用循环扫描的工作方式，整个工作过程分为内部处理、通信服务、输入处理、用户程序执行、输出处理几个阶段。

工作过程如右图所示。

PLC执行一次整个过程所需时间称为一个扫描周期。

在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，及其完成其它一些内部处理。

在通信服务阶段，PLC与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

在PLC处于停止运行（STOP）状态时，只完成内部处理器和通信服务工作。

在PLC处于运行（RUN）状态时,除完成上述操作外,还要完成输入处理、程序执行、输出处理的工作。

1.输入处理阶段

PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并将此状态存入输入映像寄存器。

接着转入程序执行阶段。

在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

2.程序执行阶段

PLC在该阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，并将运算结果存入有关的输入映像寄存器中。

3.输出处理阶段

在所有用户程序执行完毕后，将输入映像寄存器的通/断状态转存到输出寄存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信号，这才是PLC的实际输出。

三、PLC的特点

可编程控制器具有许多明显的特点，其中最主要的有以下几点。

（一）可靠性高，抗干扰能力强

PLC是专为工业控制而设计的，在硬件方面采用电磁屏蔽、光电隔离、模拟量与数字量滤波、优化电源电路等措施，并对元件进行严格的筛选；在软件方面则采用了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和动态数据进行保护。

因此，PLC具有其他工业控制设备无可比拟的高可靠性，其平均无故障时间达到（3～5）×

h。

1982年美国对PLC使用情况的数据调查表明，93%的用户认为可靠性高是选用PLC的首要依据。

（二）编程方便，使用简单

PLC使用简单，一般情况下，不需考虑接口问题，只需用螺丝刀就可以完成全部接线工作。

PLC可以采用一种面向控制过程的梯形图语言，它与继电器原理图非常接近，易学易懂，电气工人可以在短时间内学会。

因此，世界上许多国家的可编程控制器生产公司都将梯形图语言作为第一用户语言。

（三）功能完善，应用灵活

PLC的基本功能包括数字和模拟量输入／输出、算术和逻辑运算、定时、计数、移位、比较、代码转换等，其扩充功能有批数据传输、排序查表、中断控制、函数运算、通信联网、PID闭环控制、监控报警等，可以组成功能完善的控制系统。

PLC标准的积木