710PLC中央空调智能控制系统.docx

1、710PLC中央空调智能控制系统PLC中央空调智能控制系统可行性研究报告编写日期：2013年7月 一、技术领域与研发必要性分析1.1技术相关技术名称：PLC中央空调智能控制系统持 有 人：陈君、陈梅1.2 PLC中央空调智能控制系统的发展现状随着科学技术的不断发展和进步以与人们生活水平的提高,人们在日常的生活和劳动生产中对空气环境的要求也不断提高,特别是对空气的温度、湿度、通风以与洁净度的要求,使空调系统的应用越来越广泛.空调控制系统涉与面广,要实现的任务复杂,它通过空调系统为建筑物的不同区域提供满足不同使用要求的环境.其次,空调控制系统需要有冷热源的支持,空调机组内有大功率的风机,它的能耗很

2、大.在满足用户对空气环境要求的前提下,采用先进的控制策略对空调系统进行控制,达到节约能漂和降低运行费用成为空调控制系统的最终目标.特别是近几年来,绿色建筑、环保建筑的提出,使得对空调控制系统的控制模式的研究显得尤为重要.现阶段的中央空调系统的控制几乎仍采用传统的控制模式.传统的控制模式主要存在以下几方面的问题.1传统的控制理论都是建立在以微分和积分为工具的数学模型之上的,迄今为止,还未见直接使用自然语言知识描述系统和解决问题的方法.不能灵活配置联动控制功能；2在实际工程中,尤其在工业过程控制中,被控对象的严重非线性,数学模型的不确定性,系统工作点变化剧烈等因素都是传统控制理论无法解决的；3传统

3、的控制系统输入信息比较单一,而现代的复杂系统要以各种形式一视觉的、听觉的、触觉的以与直接操作的方式,将周围的环境信息作为系统输入,并将各种信息进行融合、分析和推理,相应地采取对策或行动.对这样的控制系统就要求有自适应、自学习和自组织的功能,因而需要新一代的控制理论和技术支持.随着我国经济的不断发展,社会高度信息化,新的高科技技术不断应用到各个方面中,使得智能化已成为一种发展的必然趋势.智能化也往往是从设备自动化系统开始.本系统在空调自控中应用PLC控制技术.不但用逻辑编程取代硬连线逻辑,还增加了运算、数据传送和处理等功能,使其真正成为一种电子计算机工业控制设备,既可编程序控制器.可编程控制器P

4、LC具有编程方便,维修简单,体积小,可靠性高等一系列的优点,它在工业控制方面的作用越来越大 ,是一个理想的控制装置.在空调技术中应用PLC控制适应空调技术的发展趋势.由国内PLC在中央空调中的应用研究开发情况与国外PLC的发展情况看,中央空调开发的重点是PLC.新材料、新器件、新技术的应用,会促使中央空调向操作简单化、功能丰富、运行可靠等方面发展.1.3技术必要性分析由于智能建筑的迅猛发展,并且已成为21世纪建筑行业的发展主流而空调系统则是此类建筑中自动化方面的一个重要组成部分,因此在各个行业、部门中得到了广泛的应用,PLC以其体积小、成本低和功能专一等特点在工业控制方面的应用已日趋明显,并在

5、发电、化工、电子等行业的电气控制方面得到了广泛的应用.利用PLC实现对中央空调系统的控制,可以确保大厦内中央空调系统处于高效、节能、最佳运行状态.采用PLC来控制中央空调系统,可以完成以下功能.1检测用户房间的温度.2控制功能.例如,控制中央空调系统的手动/自动工作方式、启动与停止、控制冷水机组的启动与停止、控制冷却风机、冷却水泵的启动和停止、控制冷冻水泵的启动和停止、控制冷却水和冷冻水循环系统、控制用户房间的温度.在确定采用PLC控制后,应对被控对象机械设备、生产线或生产过程工艺流程的特点和要求作深入了解、详细分析、认真研究,明确控制的任务、范围和要求,根据工业指标,合理地制定和选取控制参数

6、,使PLC控制系统最大限度地满足被控对象的工艺要求.控制要求,主要指控制的基本方式、必须完成的动作时序和动作条件、具备的操作方式、必要的保护和联锁等,系统采用控制流程图或系统框图的形式来描述.在明确了控制任务和要求后,选择电气传动方式和电动机、电磁阀等执行机构的类型和数量,拟定电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求,确定输入、输出设备的种类和数量,分析控制过程中输入、输出设备之间的关系,了解对输入信号的响应速度等.二、内容与可行性分析2.1技术基本原理系统概述中央空调是提供新鲜空气的一种空气调节设备.功能上按使用环境的要求可以达到恒温恒湿或者单纯提供新鲜空气.工作原理是在室外抽取新鲜的空

7、气经过除尘、除湿或加湿、降温或升温等处理后通过风机送到室内,在进入室内空间时替换室内原有的空气.当然以上所提到的功能得根据使用环境的需求来定,功能越齐全造价越高. 中央空调系统由主机、风道、排风口、窗进器与其它附件组成.主机运转时,污浊空气通过排风口、排风道至室外,室外新鲜空气从窗进器引入,在主机形成的压力场作用下,至室内活动区域,满足人员活动的需要；气流组织方式科学合理,持续低风量设计,运行时低噪音低能耗,并保证最佳的空气品质.双向流热回收新风系统由热回收主机、送风管道、排风管道、送风口、排风口与其它附件组成.主机运转时,新鲜空气从室外引入,通过送风风道送至各房间；污浊空气通过排风风道从排风

8、主机排出室外.排风经过主机时与新风进行热回收交换,回收大部分能量通过新风送回室内. 中央空调的传输方式采用置制换式,而非空调气体的内循环原理和新旧气体混合的不健康做法,户外的新鲜空气会自动吸入室内,通过安装在卧室、室厅或起居室窗户上的新风口进入室内时,会自动除尘和过滤.同时,再由对应的室内管路与数个功能房间内的排风口相连,形成的循环系统将带走室内废气,集中在排风口呼出,而排出的废气不再做循环使用,新旧风形良好的循环.而且,考虑到能源的节约和再利用,排走的空气都会被做热回收,而回收率达到80%以上,作为新的能源.中央空调系统在现代社会中,是对高品质生活的一种追求,是最有效的空气污染解决方案,相信

9、在不久的将来,新风换气机将步入千家万户. 中央空调系统是根据在密闭的室内一侧用专用设备向室内送新风,再从另一侧由专用设备向室外排出,则在室内会形成新风流动场的原理,从而满足室内新风换气的需要.实施方案是：采用高压头、大流量小功率直流高速无刷电机带动离心风机、依靠机械强力由一侧向室内送风,由另一侧用专门设计的排风新风机向室外排出的方式强迫在系统内形成新风流动场.在送风的同时对进入室内的空气进新风过滤、灭毒、杀菌、增氧、预热冬天.借用大范围形成洁净空间的方案,保证进入室内的空气是洁净的.以此达到室内空气净化环境的目的. 新风换气效果图如图2-1图2-1中央空调换气效果图中央空调系统特点 1、排出室

10、内每一个角落的浑浊空气； 2、将室外新鲜空气经过滤后输入室内各处； 3、通过能量交换,节约能源； 4、低噪音设计.中央空调系统的作用：1. 可持续、高效地为室内提供人体所必需的新鲜空气,对人体健康和儿童成长发育有利；2. 不用开窗即可实现室内通风换气,缓解了开窗通风换气与室外噪音影响的矛盾,解决了在大风、雨雪天气里,或无人在家,或室内开启空调或取暖设施等不宜开窗时室内通风换气的难题；3. 可减少或消除厨房和卫生间的异味；4. 可减少或消除室内装修后长期缓释的有害气体；5. 可减少或消除社会上广泛议论的装修病和空调病的发生；6. 可减少或消除由于长时间通风不畅而导致的室内墙壁、家具、衣物的发霉现

11、象.中央空调换气机的设计原则 原则一：确定新风路径,新风从空气较洁净区域进入,由污浊处排出.一般污浊空气从浴室、卫生间与厨房排出,而新鲜空气则从起居室、卧室等区域送入.条件许可尽量遵循下进上出的空气流动原理.与新鲜空气从较低的位置送入室内离地不低于800mm,室内废气从较高位置排出.新风进出风口尽量不在一个平面,对立面为最佳. 原则二：确定住房内最小排风量以满足人们日常工作、休息时所需的新鲜空气量.按国家通风规范,每人每小时必须保证30立方米. 或每小时换气一次.两者取大值.中央空调换气机的功效新风换气机是一种新型的通风排气设备,新风换气机把室内污浊的空气排放出去的同事也将室外的新鲜空气输入室

12、内,新风换气机与其他空气净化设备不同,新风换气机属于开放式的循环系统,可以为室内提供新鲜的经过过滤的室外空气,有了足够的新风量,人们在室内也可以呼机到高品质的,新鲜的,干净的空气,这些空气富含新鲜氧气,有利于人体健康.中央空调新风机组的控制新风机组控制包括：送风温度控制、送风相对湿度控制、防冻控制、CO2浓度控制以与各种联锁内容.如果新风机组要考虑承担室内负荷如直流式机组,则还要控制室内温度或室内相对湿度.图2-2新风组成图送风温度控制送风温度控制即是指定出风温度控制,其适用条件通常是该新风机组是以满足室内卫生要求而不是负担室内负荷来使用的.因此,在整个控制时间内,其送风温度以保持恒定值为原则

13、.由于冬、夏季对室内要求不同,因此冬、夏季送风温度应有不同的要求.也即是说,新风机组定送风温度控制时,全年有两个控制值冬季控制值和夏季控制值,因此必须考虑控制器冬、夏工况的转换问题. 送风温度控制时,通常是夏季控制冷盘管水量,冬季控制热盘管水量或蒸汽盘管的蒸汽流量.为了管理方便,温度传感器一般设于该机组所在机房内的送风管上. 室内温度控制对于一些直流式系统,新风不仅能使环境满足卫生标准,而且还可承担全部室内负荷.由于室内负荷是变化的,这时采用控制送风温度的方式必然不能满足室内要求有可能过热或过冷.因此必须对使用地点的温度进行控制.由此可知,这时必须把温感器设于被控房间的典型区域.由于直流系统通

14、常设有排风系统,温感器设于排风管道并考虑一定的修正也是一种可行的办法. 除直流式系统外,新风机组通常是与风机盘管一起使用的.在一些工程中,由于考虑种种原因如风机盘管的除湿能力限制等,新风机组在设计时承担了部分室内负荷,这种做法对于设计状态时,新风机组按送风温度控制是不存在问题的.但当室外气候变化而使得室内达到热平衡时如过渡季的某些时间,如果继续控制送风温度,必然造成房间过冷供冷水工况时或过热供热水工况时,这时应采用室内温度控制.因此,这种情况下,从全年运行而言,应采用送风温度与室内温度的联合控制方式. 相对湿度控制新风机组相对湿度控制的主要一点是选择湿度传感器的设置位置或者控制参数,这与其加湿

15、源和控制方式有关. 1 蒸汽加湿 对于要求比较高的场所,应根据被控湿度的要求,自动调整蒸汽加湿量.这一方式要求蒸汽加湿器用间应采用调节式阀门直线特性,调节器应采用PI型控制器.由于这种方式的稳定性较好,湿度传感器可设于机房内送风管道上. 对于一般要求的高层民用建筑物而言,也可以采用位式控制方式.这样可采用位式加湿器配快开型阀门和位式调节器,对于降低投资是有利的. 采用双位控制时,由于位式加湿器只有全开全关的功能,湿度传感器如果还是设在送风管上,一旦加湿器全开,传感器立即就会检测出湿度高于设定值而要求关阀因为通常选择的加湿器的最大加湿量必然高于设计要求值；而一旦关闭,又会使传感器立即检测出湿度低

16、于设定值而要求打开加湿器,这样必然造成加湿器阀的振荡运行,动作频繁,使用寿命缩短.显然,这种现象是由于从加湿器至出风管的范围内湿容量过小造成的.因此,蒸汽加湿器采用位式控制时,湿度传感器应设于典型房间区域或相对湿度变化较为平缓的位置,以增大湿容量,防止加湿器阀开关动作过于频繁而损坏. 2 高压喷雾、超声波加湿与电加湿 这三种都属于位式加湿方式.因此,其控制手段和传感器的设置情况应与采用位式方式控制蒸汽加湿的情况相类似.即：控制器采用位式,控制加湿器启停或开关,湿度传感器应设于典型房间区域. 3 循环水喷水加湿 循环水喷水加湿与高压喷雾加湿在处理过程上是有所区别的.理论上前者属于等培加湿而后者属

17、于无露点加湿.如果采用位式控制器控制喷水泵起停时,则设置原则与高压喷雾情况相似.但在一些工程中,喷水泵本身并不做控制而只是与空调机组联锁起停,为了控制加湿量,此时应在加湿器前设置预热盘管.通过控制预热盘管的加热量,保证加湿器后的机器露点tLL点为dN 线与 =80%85%的交点,达到控制相对湿度的目的. 4二氧化碳浓度控制 通常新风机组的最大风量是按满足卫生要求而设计的考虑承担室内负荷的直流式机组除外,这时房间人数按满员考虑.在实际使用过程中,房间人数并非总是满员的,当人员数量不多时,可以减少新风量以节省能源,这种方法特别适合于某些采用新风加风机组盘管系统的办公建筑物中间隙使用的小型会议室等场

18、所. 为了保证基本的室内空气品质,通常采用测量室内CO2浓度的方法来衡量.各房间均设CO2浓度控制器,控制其新风支管上的电动风阀的开度,同时,为了防止系统内静压过高,在总送风管上设置静压控制器控制风机转速.因此,这样做不但新风冷负荷减少,而且风机能耗也将下降. 很显然,这一控制属于变风量控制关于变风量控制详见后述、这种控制方式目前应用并不很多,一个重要原因是CO2浓度控制器产品并不普与仅有少数厂家生产,同时,这种控制方式的投资较大,其综合经济效益需要进行具体分析. 5 防冻与联锁 在冬季室外设计气温低于0的地区,应考虑盘管的防冻问题.除空调系统设计中本身应采用的预防措施外,从机组电气与控制方面

19、,也应采用一定的手段. 1限制热盘管电动阀的最小开度 在盘管选择符合一定要求的情况下,才能限制热盘管电动阀的最小开度.尤其是对两管制系统中的冷、热两用盘管更是如此,最小开度设置后应能保证盘管内水不结冰的最小水量.2 设置防冻温度控制 这是防止运行过程中盘管冻裂的又一措施.通常可在热水盘管出水口或盘管回水连箱上设一温度传感器控制器,测量回水温度.当其所测值低到5左右时,防冻控制器动作,停止空调机组运行,同时开大热水阀. 3 联锁新风阀 为防止冷风过量的渗透引起盘管冻裂,应在停止机组运行时,联锁关闭新风阀.当机组起动时,则打开新风阀通常先打开风阀、后开风机、防止风阀压差过大无法开启.无论新风阀是开

20、启还是关闭,前述防冻控制器始终都正常工作. 除风间外,电动水阀、加湿器和喷水泵等与风机都应进行电气联锁.在冬季运行时,热水阀应优先于所有机组内的设备的起动而开启.2.2技术内容总体流程根据模块式空调的控制要求,控制过程分为手动控制模式和自动控制模式.手动控制模式手动控制模式是指用户根据自身的要求,分别启动和停止各个模块：冷却水系统、冷冻水系统、变频调速模块、制冷、制暖系统等几个系统.冷却水系统的工作过程包括以下几个方面.1按下冷却风机启动按钮,系统上电,风机启动.2然后按下冷却泵启动按钮,水泵开始工作.3然后通过按下冷却风机的加/减速按钮,可以控制风机的转速.4按下停止按钮,系统停止工作.冷却

21、水系统工作流程图如图4-1所示.冷冻水系统的工作过程包括以下几个方面.1按下冷冻泵启动按钮,系统上电,水泵工作.2然后通过按下冷冻水泵加/减速按钮,可以控制水泵的转速.3按下停水按钮,系统工作.冷冻水系统工作流程图如图2-3所示.在空调运行过程中,需要根据温度变化的情况来控制冷却风机和冷冻水泵的工作状态,所以使用变频器控制着两个设备的运行.其工作过程包括以下几方面:1启动冷却风机或冷冻水泵使变频器工作,输送个启动频率给控制设备.2根据控制面板上按钮的控制,增加或减少输出地频率值.3急停按钮按下后,变频器的频率值复位,即输出为0.变频器工作流程图如图2-4所示.制冷系统是空调控制系统的核心部分,

22、主要是对制冷设备的启动过程,由于对冷却水系统和冷冻水系统进行了自适应控制,实现了保持室内空气条件稳定的功能,因此这个部分的控制过程比较简单,工作过程主要包括以下两方面.1按下制冷机组启动按钮,制冷机组开始工作.2急停按钮按下后,制冷机组停止工作.制冷机组工作流程图如图2-5所示.2.2.2各个模块梯形图在设计程序过程中,会使用许多寄存器、继电器、定时器等软元件,为了便于变成与修改,在程序编写应先列出所用到的软元件,如表2-1所示.表2-1 元件设置表编号 意义内容 备注M0.0急停标志On有效M0.1手动标志 On有效M0.2自动标志On有效M0.3自动过程启动标志On有效M0.4冷却风机启动

23、标志On有效M0.5冷却水泵启动标志On有效M0.6冷却水系统启动标志On有效M1.2冷冻水泵启动标志On有效M1.3采暖泵启动标志On有效M1.4制冷系统启动标志On有效M1.5采暖系统启动标志On有效M1.6冷却水温度高于设定值On有效M1.7冷却水温度低于设定值On有效M2.0冷冻水温度高于设定值On有效M2.1冷冻水温度低于设定值On有效M3.0冷却水风机切换到工频标志On有效M3.2冷却水风机切换到变频标志On有效T37等待冷冻水系统启动时间101sT38等待制冷系统启动时间101sT39等待冷冻水系统停止时间50.5sT40等待冷却水系统停止时间202sVW14有效误差值VW20变

24、频器1频率存储单元VW22变频器2频率存储单元2.2.2.1冷却水系统在自动和手动状态下,冷却水系统的控制过程,冷却水控制系统梯形图程序如图2-7所示.图2-7冷却水控制系统梯形图程序2.2.2.2冷冻水系统在手动自动状态下,冷冻水系统控制过程,其梯形图程序如图2-8所示.图2-8冷冻水控制系统梯形图程序2.2.2.3制冷设备在手动和自动状态下,制动设备的控制过程,制冷控制系统梯形图如图2-9所示.图2-9制冷控制系统梯形图程序2.2.2.4变频模块在控制过程中,变频器控制模块梯形图如图2-10所示.图2-10变频器控制模块梯形图程序2.2.2.5停止控制图2-11停止控制梯形图程序2.2.3

25、监控系统2.2.3.1组态软件的特点随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,人们对工业自动化的要求越来越高,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求.在开发传统的工业控制软件时,当工业被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低,导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时,倘若原来的编程人员因工作变动而离去时,则必须同其他人员或新手进行源程序的修改,因而更是相当困难.通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新

26、的方法,因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程.2.2.3.2常见组态软件的比较从目前国内组态软件市场看,是国内组态软件品牌和国外品牌同时并存的局面.这种局面,应该说在今后相当长的一段时期内还要长期存在.组态软件市场经过10余年的培育和发展,目前正处在一个蓬勃发展的成长阶段,用户对组态软件产品接受程度也日益增加.用户正面临从产品接受度到品牌接受度的转变期.随着市场竞争的加剧和一些先期发展的品牌市场推广力度的加大,组态软件市场对新进入者会增加越来越高的门槛.从各家组态软件市场看,现在主要有以下品牌：1国际品牌：

27、iFix 、Intouch 、WinCC.2国内品牌：组态王、MCGS 、力控、FameView 、世纪星.从使用方便和性价比的角度来说,选取国内组态软件还是不错的.组态王是国内最早、装机量最多的组态软件.主要优势如下：品牌知名度,在许多项目中,往往是国外组态软件的替代品,而且只要是接触过组态软件,基本上都知道组态王；办事处多,本地化服务能力强；驱动丰富而且一般都比较可靠.可见组态王完全能够完成本次设计的组态部分.2.2.3.3仿真本设计监控系统的部分监控仿真图如下图2-12所示：图2-12 系统运行主界图在系统主画面中,组态了系统所用的的所有设备,并能够显示设备状态.工作人员只需在监控室,就

28、能够掌握所有设备的运行状况以与所需要的信息.图2-13空调控制系统2.3关键技术与创新点本系统主要包括空调主机,风机盘管系统、水系统与相应的控制系统.通过统一考虑,全面控制的方式,使全系统协调运行,以实现最优的综合性能.实现空调系统负荷的跟随性变流量控制系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式,通过对中央空调运行系统的动态监测和闭环控制,将空调主机的定流量运行改为变流量运行,实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化,在空调系统的任何负荷条件下,既能确保中央空调系统的舒适性,又实现最大的节能.该PLC中央空调智能调控系统具有功能强、速度快、扩展灵活,具有模块化、紧凑的结构等特点.使用范围可

29、覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制.应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业与民用领域,包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域.此外,系统具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性,强劲的通讯能力、丰富的扩展模块.该系统的强大功能使其无论是在独立运行中,或相连成网络都能实现复杂控制功能.所以它具有极高的性价比.三、市场需求与风险分析3.1市场需求分析在传统的设计中,中央空调的制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔风机系统、风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的,且留有充足余量.不管在什么时间,负荷的多少,各电

30、机都长期处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的功能,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.有个例子可以很好的说明这些,中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵,一年四季长期在固定的最大流量下工作,但由于季节、昼夜和用户负荷的变化,在绝大部分时间内,空调的实际热负载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比,一年中负载率在50以下的小时数约占全部运行时间的60%以上.一般冷冻水设计温差为57,冷却水的设计温差为45,在系统流量固定的情况下,全年绝大部分运行时间温差仅为13,即在低温差、大流量情况下工作,从而增加了管路系统的能量损失,严重浪费了

31、水泵运行的输送能量.也就是说,中央空调系统存在着至少30以上的节能空间.本系统通过冷冻水供回水温度、压差,冷却水泵的流量等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起停,使空调系统高效、节能运行,将产生非常明显的经济效果.另外,根据交流电机的特性,要实现连续平滑的速度调节,最佳的方法就是采用变频器调速,采用变频器进行风机、水泵的节能改造,不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费,而且还会极大提高调节和控制的精度,从而方便地实现恒温空调系统.空调节能的目的是有效利用能源,以最小的能耗创造出一个适合人居住、工作的室内环境.空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗,提高能源利用率,对减少温室气体排放,减轻环境污染,实现人类社会的可持续发展,从而创造更为巨大的经济效益.