基于plc的中央空调自动控制系统设计..docx
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1、 北京航空航天高校毕业设计(论文) 第 III 页基于plc的中心空调自动限制系统设计摘要中心空调系统是现代大型建筑物不行缺少的配套设施之一,电能的消耗特别大,约占建筑物总电能消耗的50%。通常中心空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变更自动调整负载,而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调整负载,几乎长期在100%负载下运行,造成了能量的极大奢侈,也恶化了中心空调的运行环境和运行质量。本文首先介绍了中心空调的结构和工作原理,然后采纳西门子的S7200PLC作为主限制单元,利用传统PID限制算法,通过西门子MM440 变频器限制水泵运转速度,保证系统依据实际负荷的状况调整流量,实现恒温限
2、制,同时又可以节约大量能源。关键词:PLC;中心空调;限制Design of automatic control system for central air conditioning system based on PLCAbstractThe central air conditioning system is one of the necessary supporting facilities of modern large-scale buildings. The consumption of electric energy is very large, which accounts
3、for about 50% of the total energy consumption. The frozen host usually in the central air-conditioning system load can automatically according to the change of temperature and load regulation, refrigeration pump and cooling pump matched with the frozen host can automatically adjust the load, almost
4、run 100% under load operation, resulting in a great waste of energy, but also worsen the operation environment and operation quality of Central air conditioning. This paper first introduces the structure and working principle of central air conditioning, then use SIEMENS S7 200PLC as the main contro
5、l unit, using the traditional PID control algorithm, through the SIEMENS MM440 inverter control pumpspeed ensure system according to the actual situation to adjust load flow, realize constant temperature control, but also can save a lot of energy.Key words:PLC; central air conditioning; control目 录摘要
6、I1绪论11.1课题的探讨背景11.2 国内外中心空调限制系统的探讨现状22中心空调限制的原理42.1中心空调系统的结构和原理42.2中心空调电机的软启动原理及应用43中心空调限制系统的硬件设计63.1 变频器的原理63.2 西门子MM440变频器性能介绍63.2.1 主要特征73.2.2 限制性能的特点73.3PLC选型73.4人机界面设计83.5系统硬件设计94限制系统软件设计124.1PLC的初始设定124.2 PLC主程序流程图144.3程序设计14中心空调限制系统的I/O安排表144.3.2 程序中运用的存储器及功能16结论17参考文献18致 谢20附录 PLC软件源程序22III
7、北京航空航天高校毕业设计(论文) 第 24 页1绪论1.1课题的探讨背景随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高,中心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。已经成为人们生活中的必不行少的工具。目前,全球能源惊慌,节能问题自然成为全世界关注的首要问题。从资源总量来看,虽然我国属于资源大国,但长期不合理开发及粗放型的利用,使我国资源正在快速削减,甚至已经枯竭,所以节能己成为我国一个燃眉之急的问题。随着社会的进步发展,现代城市化的不断推动,人们对高品质建筑生活环境的要求也越来越高,所以中心空调系统被广泛应用在大型和超大型公共建筑中。
8、这虽然满意了人们对建筑空间的品质要求供应高品质的环境空间的品质要求,但也大大增加了用电能耗。在建筑能耗中,一些西方发达国家中心空调能耗占总能耗的60%-70%,而我国建筑总能耗中,中心空调能耗也达到50%-60%。中心空调系统能源消耗在办公楼、酒店、医院、商场的中占总能耗的比例分别为48%、46%、30%、40%而且呈现显著上升趋势,占据了大部分的能源消耗,所以我们必需把中心空调整能探讨作为重要的着手点,从而达到节能降耗的目的。当前很多国家已起先制定节能的行动,把建筑是否节能作为评价建筑是否合格的重要内容以及考察建筑物质量优劣的标准,因此,主动开发新能源及高科技节能限制技术的合理应用是节约能源
9、,削减空调能耗的最主要途径,这对节约能源,维护良好的生态环境,推动自然资源的可持续的发展,促进经济增长有着重要意义。随着季节的变更,户外气候和环境条件,太阳光照强度的变更,以及人员流量的变动,实际运用中空调负载的也会不断变更。在传统运行模式下,中心空调系统的制冷机组已拥有比较健全的能能量调整机制,依据负荷的变更,系统可自动调整制冷机组的运行功率,以达到节能的目的。但当前大多数中心空调系统的冷冻水循环系统中还是运用对水菜台数的加减限制来完成对负荷的适应,使得系统的功率消耗能耗不能依据建筑物内实际冷量需求来对应调整,更达不到使得制冷量与实际需求量在变更中的最优匹配以及动态调整,从而使剩余扬程消散在
10、空调末端的限制阀门上,造成能量的奢侈。同时在空调部分负荷时,虽然空调末端供应的冷量可以实现以实际需求冷量输出,但冷冻水系统中冷冻水粟的输出功率却没有相对应的削减,即仍是全功率运行。而大多数中心空调系统中,冷水主机、冷冻水栗以及风机的量程范围都是依据全年最大的空调负载进行设置的,也就是说,一年大多数时间,水菜流量量程比正常所须要大一些,导致扬程偏高,从而出现我们常见的中心空调水系统的小温差大流量的状况,这时冷冻水粟一般都是每年保持定流量运行,使得冷冻水系统中大多数的功率消耗都是无效的。依据现在不完全统计数据显示,全国现存建筑中已经安装中心空调系统的有约7万栋,假如全部均釆用节能自控技术,估计可以
11、节约用电量500亿千瓦。1.2 国内外中心空调限制系统的探讨现状中心空调在世界上已经有几百年历史了,在中国也有20多年的应用时间,由于对于能源结构的优化与节能减排都已成为各国关注的热点,大量学者也做出了相应的探讨工作。由于随着季节变动,中心空调系统的负荷变更较大,因此大型空调系统运行的节能包含多个方面:如低负荷率条件下的冷水机组进行压缩机变频调整可以有效的提高制冷压缩机性能和能效比。由于压缩机低速限制,低负荷条件下运行会导致压缩机频繁启停,压缩机变频运行调整范围窄,压缩机性能和效率显著下降,动态切换策略是一个级联的整合限制结构,通过直观的切换策略以及动态补偿,动态调整压缩机启停阈值以及电子膨胀
12、阀的开度,理论分析表明,当动态补偿器的输出矩阵选择正确,可以有效地提高压缩能效比。空调系统冷负荷与湿负荷的解藕独立限制在肯定程度上能够降低空调系统能耗。国外学者 T.T.Chow 等人通过运用遗传算法的方式对汲取式冷机系统的工作状态进行了建模预料分析,并从全局角度动身提出了全局节能最优化参数方案;Wang Y 等人从工程实际应用角度对冷盘管进行数学建模,对整个空调系统进行了模拟和分析;Ahmedo通过分析冷冻水流量中现场限制器的分布于参数,给出了详尽的冷冻水限制方案和在实际工程中的实施应用;Lu L 等人在分析实际空调系统志向的节能潜力的基础上,为空调系统优化设计与运行供应理论,指导建立了冷却
13、和除湿独立限制系统的数学模型,据志向独立除湿系统与实际系统之间的差异,例如热处理方法,换热温差和能源动力运输等。空调末端设备的热惰性是变风量运行限制调整品质不高的关键缘由,一种通过提高送风温度的鲁棒预料限制策略被应用于空气处理机组的限制,限制策略运用不确定时滞系统增益,加上时间延迟模型来描述各种天气条件下的空气处理过程的时间延迟和系统增益的不确定性,基于LMI 的鲁棒模型预料限制算法被应用于设计空气处理机组鲁棒限制器同传统的PID限制相比,可以保证良好的鲁棒性,对于各种气候条件都具有良好的适应性,但依据仿真计算结果,基于鲁棒限制的限制策略与传统限制策略相比,其调整品质改善并不显著。天花板辐射冷
14、却面板、风机盘管与 100新风量的混合运行模式可以得到显着的节能减排效果,比传统的VAV限制系统节能率高大约17.3%,但系统前期投资也更大,须要进行技术经济性比较。2中心空调限制的原理2.1中心空调系统的结构和原理中心空调系统是一种大型的对建筑物进行集中空气调整并进行管理的设备,一般由空气处理设备、送(回)风机、送(回)风通道、空气安排装置及冷、热源等组成。依据须要,它们能组成不同形式的系统。在工程实际中,应从建筑物的用途和性质,热湿负荷特点、空调机房面积和位置、初投资和运行修理费用等很多方面去考虑,选择合理的空调系统。气态制冷工质(如氟利昂)经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器,与水(空
15、气)进行等压热交换,变成低温高压液态。液态工质经干燥过滤器去除水份、杂质,进入膨胀阀节流减压,成为低温低压液态工质,在蒸发器内气化。液体气化过程要汲取气化潜热,而且液体压力不同,其饱和温度(沸点)也不同,压力越低,饱和温度越低。例如,1kg的水,在肯定压力为0.00087MPa,饱和温度为5,气化时须要汲取2488.7KJ热量;1kg的氨,在1个标准大气压力(0.10133MPa)下,气化时须要汲取1369.59KJ热量,温度可抵达-33.33。因此,只要创建肯定的低压条件,就可以利用液体的气化获得所要求的低温。依此原理,气化过程吸取冷冻水的热量,使冷冻水温度降低(一般降为7)。制冷工质在蒸发
16、器内吸取热量,温度上升变成过热蒸气,进入压缩机重复循环过程。2.2中心空调电机的软启动原理及应用电压由零渐渐提升到额定电压,使电机启动的全过程都不存在冲击转矩,而是平滑的启动运行。这就是软启动。电机的软启动可以通过软启动器或者变频器来实现。软起动器是一种集软停车、轻载节能和多种爱护功能于一体的新奇电机限制装置,国外称为SoftStarter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子限制电路。运用不同的方法,限制三相反并联闸管的导通角,使被控电机的输入电压按不同的要求而变更,就可实现不同的功能。变频器(Variable-frequency Drive,VFD)是应用变频技术
17、与微电子技术,通过变更电机工作电源频率方式来限制沟通电动机的电力限制设备。变频器主要由整流(沟通变直流)、滤波、逆变(直流变沟通)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过变更电源的频率来达到变更电源电压的目的,依据电机的实际须要来供应其所须要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的爱护功能,如过流、过压、过载爱护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了特别广泛的应用。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于须要调速的地方,其输出不但变更电压而且同时变更频率;软起动器事实上是个调压器,用于电机起动时,输出只变更电压并没有变更频率。变频器具备
18、全部软起动器功能,但它的价格比软起动器贵得多,结构也困难得多。软启动器是通过星三角转换来降低启动电流;而变频器是通过变更频率来调整电机的转速的,能降低能耗。变频器也有软启动功能,是通过变更电源频率实现。软启动器只能通过晶闸管调压实现电机软启动、软停车,但不具备调速功能。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电机限制调速装置。通过变频限制电机运行,是真正的高效调速方式,效率很高。变频器能够实现真正的软启动、软停止和高效调速。两者可以协作运用,大中型供水设备中,常由变频器带动一台泵变速运行,由一台软启动器完成其余各泵开、停操作,变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡,运行中变频
19、与工频可实现平稳切换。3中心空调限制系统的硬件设计3.1 变频器的原理主电路是给异步电动机供应调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为沟通的变频器,直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为沟通的变频器,其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,汲取在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为沟通功率的“逆变器”。整流器:最近大量运用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。平波回路:在整流器整流后的
20、直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采纳电感和电容汲取脉动电压(电流)。装置容量小时,假如电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采纳简洁的平波回路。逆变器:同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的沟通功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相沟通输出。3.2 西门子MM440变频器性能介绍MICROMASTER 440全新一代用于限制三相沟通电动机速度和转矩的多功能标准变频器。本变频器由微处理器限制,并采纳具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此,它们具有很高的运行牢靠
21、性和功能的多样性。采纳脉冲频率可选的专用脉宽调制技术,可使电动机低噪声运行。全面而完善的爱护功能为变频器和电动机供应了良好的爱护创新的BiCo(内部功能互联)功能有无可比拟的敏捷性15。其具有缺省的工厂设置参数,它是给数量众多的可变速限制系统供电的志向变频传动装置。由于MICROMASTER 440具有全面而完善的限制功能,在设置相关参数以后,它也可用于更高级的电动机限制系统。既可用于单独传动系统,也可集成到自动化系统中。变频器适用于各种变速驱动装置。由于它具有高度的敏捷性因而可以在广泛的领域得到应用。它尤其适合用于吊车和起重系统、立体仓储系统、食品、饮料和烟草工业以及包装工业的定位系统。3.
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