【论文】空调智能控制大学毕业论文

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摘要
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建筑中，使得建筑的智能化已成为一种发展的必然趋势。

众所周知，智能建筑主要由建筑设备自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)三大系统组成。

智能建筑也往往是从建筑设备自动化系统开始。

本文主要阐述，智能建筑中的中央空调(冷冻站)系统的PLC控制设计。

通常大型建筑都有两套(或两套以上)中央空调系统，由三台冷却水泵、三台冷冻水泵、两台冷却塔风机、两台冷水机组等主要设备组成两套制冷系统，其中冷水机组是由设备生产厂成套供应的。

它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制的。

冷水机组由压缩机、冷凝器与蒸发器组成。

压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷机进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。

液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量，使冷冻水降温，然后冷冻水进入冷风机盘管吸收空气中的热量。

本文主要是通过用plc对中央空调中变频器的控制来调节中央空调的各参数以达到所需要求，通过上位机系统（中央管理工作站），下位机系统（区域工作站），共同对中央空调系统进行控制，上位机主要有PC机和激光打印机以及由MCGS构成的人机交互界面组成，下位机主要有TP21触摸屏和FX-1S-14MR可编程序控制器组成。

关键词：空调系统；可编程控制器(PLC)；空调机组自动控制
ABSTRACT
With the constant development of 's economy, a high degree of information-based society, the new high-tech technology applied to the building, making the intelligent
building has become a development trend. As we all know, intelligent building construction equipment from the major automation systems (BAS), communications automation system (CAS) and office automation systems (OAS) three system. tend to be from the beginning of construction equipment automation system. This article described, the intelligent building in the central air-conditioning (Freezing Point) PLC control system design.
Usually have two sets of large-scale construction (or two or more) central air-conditioning system, cooling water pump from the Big Three, three chilled water pumps, two cooling tower fan, two chiller comprising two sets of major equipment such as refrigeration system, cold water Units from complete sets of equipment manufacturing plant supply. It is based on general principles and laws of the air-conditioning, such as automatic control from the microprocessor. Chiller from the compressor, condenser and evaporator components. Compression of the refrigerant compressors, compressed into the refrigerator condenser, cooling water cooling, a liquid, precipitation heat away from the cooling water and cooling Tarja discharged into the atmosphere. Liquid refrigerant from the condenser into the evaporator evaporation absorb heat, chilled water cooling and chilled water fan coil absorbed into the cold air in the heat.
This paper is mainly used by the central air-conditioning plc in the frequency converter to regulate the control of central air-conditioning in all parameters to achieve the necessary requirements, through the host computer system (central management workstations), the under-machine system (Regional workstations), the common central air-conditioning system Control, the PC main PC and laser printers as well as by the MCGS a component of human-computer interface, the crew mainly TP21 touch-screen and FX-1S-14MR PLC components.
Keywords：air-condition; PLC; central air conditioning
目录
1 绪论
1.1空调系统研究背景
随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并己成为21世纪建筑业的发展主流。

所谓智能建筑，就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系统和“聪明”的头脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活条件。

而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业、各个部门中得到了广泛的应用。

一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和处理，使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满足人们的生产、生活需要，另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60%以上，为使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率，的要求，因此，研究空调的控制系统具有很大的经济意义。

随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案的变革同时，信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络自动化系统为基础的控制系统。

而现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。

现场总线中的Lonworks总线技术为智能控制的实施提供了广泛的发展空间，促使智能控制向着分散化、网络化方向发展[5]并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型，而且具有超调小、调节迅速、上升时间短和很好的鲁棒性的特点，使得智能控制应用会越来越广泛。

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。

由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。

通常
中央空调系统中主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载。

随着变频技术的日益成熟，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，达到节能目的提供了可靠的技术条件。

1.2 本课题的来源与目的
本课题的来源是某大型酒店对其中央空调改造要求所设计的，因酒店是一个比较特殊的场所，对客人的舒适度要求比较高，且酒店大部分空间都是全封密的，所以无论是冬天还是夏天，无论是节日还是假日，一年365天都必须供应冷气。

由于中央空调系统设计时必须按天气最热、负荷最大时设计，且留有10%-20%左右的设计余量。

其中冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应的调节。

这样，冷冻水、冷却水系统几乎长期在大流量、小温差的状态下运行，造成了能量的极大浪费。

而且冷冻、冷却水泵采用的均是Y—△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3—4倍，在如此大的电流冲击下，接触器的使用寿命大大下降；同时，启动时的机械冲击和停泵时的水锤现象，容易对机械器件、轴承、阀门和管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备件费用。

另外,由于冷冻泵轴输送的冷量不能跟随系统实际负荷的变化，其热力工况的平衡只能由人工调整冷冻主机出水温度，以及大流量小温差来掩盖。

这样，不仅浪费能量，也恶化了系统的运行环境、运行质量。

特别是在环境温度偏低、某些末端设备温控稍有失灵或灵敏度不高时，将会导致大面积空调室温偏冷，感觉不适，严重干扰中央空调系统的运行质量。

因为空调偏冷的问题经常接到客人的投诉，处理这些投诉造成不少人力资源的浪费。

而最重要的是对酒店造成负面影响，影响客人入住意欲，造成不少客
源的流失。

所以酒店管理层希望通过对中央空调的改造，达到提升经济效益的目的，故方案是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等构成温差闭环自动控制，根据负载轻重自动调整水泵的运行频率，同时根据冷却水温度的高低，自动切投冷却塔散热风机，以达到节能效果。

1.3国内外研究现状
我国中央空调仍处于起步阶段，目前其销售对象主要集中在城市高收入消费群体和房地产开发商，由于其生产及安装成本较高，大范围普及尚需时日，这对争先上马该项目的企业不能不说是个考验。

此外，与普通家用空调相比，中央空调对核心技术、资金要求更高，所以欲真正立足于该领域并非易事。

我国的中央空调生产大的公司主要有海尔，美的以及格力等大的集团。

海尔1996年开始涉足中央空调领域。

这也是国内第一家进军中央空调领域的企业，不仅在2004年奥运会主办地雅典的空调招标会上中标入驻奥运村。

而且在全国的楼市销售中也获得大丰收，北京、广州、大连、上海等一些楼区均使用海尔商用空调。

美的2002年开始进军小型中央空调领域，并借商用空调生产基地落成之势也正大力推广其“MDV”。

2002年美的中央空调销售达到 2.7亿元。

格力二三期空调基地，将重点用于中央空调项目；并且在机构设置上已经将商用空调的营销和研发与家用空调业务分开，并兴建总投资超过5亿元，建筑面积近10万元平方米，国内规模最大中央空调生产基地，显示出进军中央空调市场决心。

国际上中央空调技术处于领先地位的大公司主要有大金集团、约克空调、麦克维尔公司、松下、LG等。

大金集团以欧洲、亚洲、中国、日本、美国为中心，积极有力展开全球
化事业。

现已在世界各地拥有92个子公司及相关公司。

上海大金空调有限公司是集空调机制造、销售和服务为一体的大型合资企业。

作为空调专业制造厂家，大金在不断推出新产品的同时，还推出先进空调管理系统，为空调维护给出全新理念。

约克空调是世界最大的暧通空调和冷冻设备专业制造公司之一，具有一百多年历史，凭著多年丰富经验及不断拓展技术，约克设备在同业和用户当中获得一致认同。

麦克维尔20世纪90年代以后，麦克维尔开始进入中国。

以1994年深圳麦克维尔空调有限公司和1996年武汉麦克维尔空调制冷有限公司的相继建成投产为标志，麦克维尔在中国的发展进入一个全新阶段。

LG电子从1996年开始在韩国生产和销售商用空调，从2002年起，完全由韩国进口的LG商用空调开始进入中国市场，并在中国北方最大的家电生产基地———LG电子（天津）电器有限公司组建一整套系统的市场推广组织。

预计到2003年末，年生产能力5万台商用空调生产线将在中国北方建成。

目前，LG电子在天津工厂已经成立单独的研发与销售部门，并把工作重心转移到商用空调领域。

1.4选题的意义和课题的主要内容
我国是一个人均能源相对贫乏的国家，人均能源占有量不足世界水平的一半，随着我国经济的快速发展，我国已成为世界第二耗能大国，但能源使用效率普通偏低, 造成电能浪费现象十分严重。

尽管我国电网总装机容量和发电量快速扩容，但仍赶不上用电量增加的速度，供电形势严峻, 节能节电已迫在眉睫。

中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。

由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。

通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。

随着变频技术的日益成熟，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，达到节能目的提供了可靠的技术条件。

本课题的任务是PLC在中央空调控制系统的应用和上位机监控系统。

文章在介绍了空调系统的原理。

中央空调是对建筑物内空气进行调节的专用系统，它通过对风机、阀门、泵等设备的开、关及连续调节来控制室内温度、湿度，使之满足一定要求，从而提高人体的舒适度。

随着人们生活水平的不断提高，越来越多的大、中型建筑采用中央空调系统，以达到夏季致冷、冬季取暖的目的。

为提高中央空调系统的经济性、可靠性及可维护性，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、可靠的可编程控制器(PLC)来进行控制。

通过PLC在空调系统的推广运用，验证了PLC系统的可靠性特点，保证了系统的安全运行和有效节能，同时也为楼宇设备控制系统的控制器选
型提供了新的思路。

相信在不久的将来，越来越多的PLC系统在空调系统的运用中日趋成熟，在楼宇设备控制系统中也将会大显身手。

可编程器在空调机组自动控制中的应用,说明用可编程控制器完成空调自控比传统的中间继电器、时间继电器组成的空调自动控制系统有更大的方便、经济、灵活性。

为提高中央空调系统的经济性、可靠性及可维护性，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、可靠的可编程控制器(PLC)来进行控制。

2 空调控制系统的原理构成及运行中存在的问题
2.1空调系统的原理及构成
要讨论空调控制技术，就必须对控制对象即空调系统有全面、深入的了解。

只有掌握了其原理、特性、要达到的日的及实现手段才能决定采用何种控制策略。

本文在此先对空调系统原理及组成作一介绍。

空气调节[24]，就是把经过一定处理之后的空气，以一定方式送入室内，将室内空气的温湿度、流动速度和洁净度等控制在一定范围内。

影响室内空气环境参数的变化，主要是由以下两方面造成的。

一是外部原因，如太阳辐射和外界气候条件的变化;另一方面是内部原因，如室内人和设备产生的热、湿和其它有害物质。

当室内空气参数偏离了规定值时，就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到规定的要求。

一般的空调系统包括以下几个部分:
(1)进风部分:根据生理卫生对空气新鲜度的要求，空调系统必须有一部
分空气取自室外，常称新风。

进风口连同引入通道和阻止外来异物的结构等，组成了进风部分。

(2)空气过滤部分:由进风部分取入的新风，必须经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。

一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。

根据过滤的效率不同可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。

(3)空气的热湿处理部分:将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。

热湿处理设备上要有两大类型:直接接触式和表面式。

直接接触式:与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中。

喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。

表面式:与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的表面进行的。

表面式换热器即我们简称的表冷器就属于这一类。

(4)空气输送和分配部分:将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内，以保证其合适的温度场和速度场。

这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同型式的管道组成。

(5)冷热源部分:为了保证空调系统具有加热和冷却能力，必须具备冷源和热源两部分。

冷源有自然冷源和人冷源两种。

自然冷源指深井水。

热源也有自然和人工两种。

自然热源指地热和太阳能。

人工热源是指用煤、煤气等作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热水，目前应用最为广泛。

空气调节的形式很多，按照空气处理设备的设置情况，一般可分为:集中式空调系统(又称中央空调)、半集中式空调系统和全分散式空调系统。

其中，集中式空调系统的所有空气处理设备(包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等)都设在一个空调集中的空调机房内，其特点是，经集中
设备处理后的空气，通过风道分送到各空调房间，因而，系统便于集中管理、维护。

此外还具有节能、卫生、噪音小、使用方便等特点，目前已被广泛采用。

在集中式空调系统中，常见的是混风式系统。

该系统的特点是采用一部分回风与新鲜空气相棍合。

这样既保证了室内空气新鲜，又利用了回风的能量，提高了设备运行的经济性。

图2.1为一典型的集中式空调系统。

图2.1典型的集中式空调系统
这种空气处理机组能根据各种场合要求增减其中的部件，构成各种形式的空气处理设备。

在不同的工况中，AHU (Air Handling Unit)的部分部件可能不被使用。

如在冬季加热加湿工况下，表冷器是不工作的;而在夏季减温减湿工况下，加热器和加湿器是不工作的。

空调器的进风通过风阀取室外新风和部分回风混合，经过滤网去除杂质后送入热交换段及加湿段，处理后符合温湿度要求的空气通过风机进入送风管，从而送到空调房间，使空调房间的温湿度达到要求。

部分回风与新风混合，对新风预处理，以节约能源。

此外，当室内空气余热Q值发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可将送风量固定，而改变送风温度，这种空调系统称为定风量CA V (Constant Air V olume )系统;也可将送风温度固定，而改变送风量，这种空调系统则称为变风量V A V(Variable Air V olume)系统。

本论文就是针对定风量空调系统的温度控制部分进行研究的。

2.2中央空调系统的控制功能及要求
空调系统控制的主要对象是:空气温度及相对湿度。

下面分别从温度和相对湿度两个方面介绍空气调节系统。

（1）一般空气的温度调节有以下几种方式[26]
[1]夏季制冷
A.采用喷水室喷冷水冷却空气的温度调节
B.采用水冷式冷却器冷却空气的温度调节
[2]冬季加热
A.热水加热器的加热量调节
B.蒸汽加热器的加热量调节
C.电加热器的加热量调节
各种温度控制方式都有其特点，针对不同项目实际情况，要分析后采用合适的温度控制方案。

由于温度控制分为夏季的冷却和冬季的加热两种情况，其控制方式也会有所不同，下面分别加以介绍。

（2）夏季制冷控制方案
由于喷水室冷却方式为开环系统会引起回水水质下降且容易漏水，故目前基本不采用。

本次只讨论水冷式表面冷却器的空气温度调节方法。

对于空气冷却调节一般有以下几种方式
[1]水量的量调节:利用双通阀改变通过冷却器的冷水量来调节
[2]水温的质调节:利用三通阀改变冷冻水和回水的混合比调节水温
[3]调节通过冷却器的风量来调节最后混合后的送风温度
（3）冬季加热控制方案
加热方式选择:
加热一般有热水加热、蒸汽加热、电加热三种方式可以选择。

三种热源发生方式及经济性比较如表2.1。

表2.1空调加热方式比较
从上表可看出，电加热具有控制精度高、控制简单的优点，但其热效率低、浪费能源、价格高，作为主调节不合适，一般用于恒温室等对动态特性要求特别高的区域的辅助调节手段。

一般对动态特性没有特殊要求的，不考虑采用。

由于当地工业区可以提供的蒸汽是一种廉价、稳定的热源，一般将其作为主调节手段。

如果控制对象产生的热扰动较大，蒸汽系统调节阀全开仍不能满足要求，为改善动态特性，将启动热泵机组提供热水作为辅助调节。

另外如果工业区蒸汽管网系统出现故障，也可以将热水加热作为备用加热方式。

空调系统中的相对湿度调节，可以采用定露点(间接)和不定露点(直接)的控制方法。

定露点法是采用使空气经喷水室后或喷水表面冷却器后露点相对恒定的方法，使空调房间内空气的相对湿度保持在一定范围内。

自动控制点的露点一般是由空调系统设计时确定的。

由于定露法不能反映室内余湿量或相对湿度的变化，存在着室内湿度的偏差，故此种方法一般用于室内余湿量变化幅度较小的场合。

不定露点的直接控制方法，即用在房间内及回风管内安装的相对湿度传感器，测量和调节系统中相应的执行机构，以达到空调房间内相对湿度控制的目的。

在夏季，由于空气湿度较大，需要降低湿度;而冬季由于空气干燥，又需要加大湿度。

这两种功能可分别由水冷式表面冷却器和蒸汽加湿来实现。

（1）水冷式表面冷却器的去湿控制
该去湿方法的原理其实就是冷却，由于相对湿度较大的空气其露点温
度高。

空气冷却降温后，水蒸汽结露为水，从而降低空气的湿度。

在冬季空气千燥或夏季高温处于冷却模式时，基本都不需要强制去湿。

而当温度不高，而湿度较大时，则根据室内湿度探测器的信号与设定值比较，根据其差值，调节冷冻水阀门开度，强制启动制冷模式，调低冷却器出口的空气温度以满足去湿要求。

此时，由于送风温度偏低，为满足室内温度要求，根据温度探测器的信号，可能要启动蒸汽加热功能，以补偿温度的偏差。

其中作原理如图2.2
图2.2水冷式表面冷却器的去湿控制
（2）喷蒸汽加湿的控制
采用蒸汽加湿空调系统，它是由装于室内的相对湿度传感器ME、电动双通调节阀MV、及相对湿度调节器MC组成。

它在调节过程中，根据湿度传感器所测得的室内相对湿度值，由调节器进行比较、放大后发出调节信号，使电动调节阀动作，改变喷入空气中的蒸汽量，达到调节室内湿度的目的。

示意图如图2.3所示。

为达到要求的控制精度而且便于用户使用，中央空调控制系统必须完成以下主要功能:
(1)空调区域温、湿度检测与显示。

根据空调区域的面积，采用若干个温、湿度传感器，将其信号取平均值计算。

空调区域温、湿度的自动控制。

(2)新风温、湿度检测与显示。

(3)送、回风机运行状态(开机/停机)显示，及其启停控制(可通过自动和手动两种方式)、过载故障报警。

(4)送、回风机与防火阀联锁，发生火灾时防火阀报警并自动关闭送、回风机与风阀。

(5)过滤器过阻报警，提醒运行人员及时清洗更换过滤器。

(6)自动调节表冷器或加热器上的三通阀和电动风阀的开度，以调节冷。