目录摘要 2 Summary 3 第一章中央空调系统概述 4 第二章中央空调教学系统的设计 2.1 工程背景工程目标系统整体方案设计 6 第三章中央空调智能化控制系统传感器 ( 或敏感元件 ) 和变送器执行器单元控制器 1

Size: px

Start display at page:

Download "目录摘要 2 Summary 3 第一章中央空调系统概述 4 第二章中央空调教学系统的设计 2.1 工程背景工程目标系统整体方案设计 6 第三章中央空调智能化控制系统传感器 ( 或敏感元件 ) 和变送器执行器单元控制器 1"

鳜欺荀
7 years ago
Views:

1 中国科学技术大学工程硕士学位论文论文题目中央空调教学系统研究生姓名傅乐鸿学校导师何劲松企业导师张红岩工程领域电子与通信工程研究方向所在单位深圳高级技工学校论文完成时间二零零六年十月

2 目录摘要 2 Summary 3 第一章中央空调系统概述 4 第二章中央空调教学系统的设计 2.1 工程背景工程目标系统整体方案设计 6 第三章中央空调智能化控制系统传感器 ( 或敏感元件 ) 和变送器执行器单元控制器系统控制模式 PLC 的选型及 I/O 口分配 PLC 控制程序 21 第四章中央空调冷却水泵和冷冻泵节能运行控制冷却水泵的节能控制冷冻泵的节能控制 24 第五章 PLC 与计算机变频器之间的通讯 PLC 与变频器的通讯 FX 系列 PLC 与计算机的链接及通信 28 第六章系统开发总结与展望本系统已开发的实训项目系统运行情况和未来设想 31 附录 1: 智能化控制系统 PLC 程序梯形图 32 附录 2: 冷却水泵 PLC 控制程序梯形图 42 附录 3: 冷冻泵 PLC 控制程序梯形图 47 参考文献

3 摘要中央空调系统已广泛地应用于各类大型公共建筑以及对室内空气环境有特殊要求的空间和工业厂房中随着市场拥有量的剧增, 相应的安装调试维修和改造的技术人员日益紧缺, 特别是从事一线维护的技师和高级技师更少, 培养这方面的专业人才需要适合于实训教学的设备由于现有中央空调均为封闭式系统, 难于满足教学需要, 为此, 本文从实际的教学需求出发, 制定了符合场地资金和教学要求的工程目标, 根据工程目标和国家相关空调工程规范提出了中央空调系统的整体方案设计规划文中对智能化主机控制系统的 PLC 控制从传感器和执行器选用连接到 PLC 程序都作了较系统的阐述针对近年来流行的节能控制, 提出了中央空调冷却水泵和冷冻泵利用变频器实现变频节能控制方法, 同时对 PLC 变频器触摸屏和计算机之间的连接和通讯进行了探讨本系统已开发了近 20 个制冷技师和高级技师的实训项目, 投入运行以来已收到较好的社会效益和经济效益 [ 关键词 ] 中央空调可编程控制器变频器传感器执行器 - 2 -

4 Summary Central Air Conditioner has been applied widely to large public buildings and workshops, the indoor which have particular requirements to air environment. With the leap of market share, the skilled workers in charge of installing, debugging, repairing and altering are becoming less and less, especially the technicians and high technicians for maintaining. It needs practical equipments to train them. But now it is hard to fulfill training demands because the existing Central Air Conditioner is a close system. Therefore, the engineering purposes that fit for place, fund and training demands and whole project that fit for national criterion on air-condition engineering and above purposes have been put forward in the paper. A statement about intelligent main control system from choosing sensor and actuator to connecting to PLC program has been made. To aim at recent popular economizing idea, a way has been brought forward to realize the frequency conversion economization by using transducer in cooling water tower and freezing pump of central air-conditioning. Meanwhile, has discussed the connection and communication among PLC, transducer, touch screen and computer. Near 20 programs for refrigeration technicians and high technicians have been developed in this system, and they have brought good social and economic benefits since coming into being. [Key Words] Central Air Conditioner, Programmable Logic Controller, Transducer, Sensor, Actuator

5 第一章中央空调系统概述空调系统按空气处理设备设置情况可分为集中式半集中式和分散式系统集中式系统是将所有空气处理设备 ( 包括风机 ) 都集中设置在一个空调机房内 ; 半集中式系统除了设在集中空调机房内的空气处理设备外, 还有分散设在空调房间的空气处理末端装置, 例如精加热器风机盘管机组等, 这些末端装置可对送入空调房间的空气作进一步的补充处理 ; 分散式系统又称局部空调系统, 是有空调机组来承担房间空调任务的, 该机组将冷热源和空气处理输送设备集中设置在一个箱体中, 例如 : 窗式空调器柜式空调器挂式空调器等通常人们习惯将集中式和半集中式空调系统统称为中央空调系统, 它是相对于局部空调系统而言的中央空调系统按负担室内热湿负荷所用的介质又可分为 : 全空气式系统空气水式系统和全水式系统集中式空调系统是典型的全空气式系统, 是工程中最常用最基本的系统它广泛地应用于舒适性或工艺性地各类空调工程中, 例如会堂影剧院和体育场馆等大型公共建筑, 学校医院商场计算机室和飞机轮船等交通工具, 以及凡对室内空气环境有特殊要求 ( 如恒温恒湿洁净等 ) 的空间和各类工业厂房集中式空调系统一般由以下几个部分组成 : 凤机盘管冷却塔凤机盘管冷却水进水冷冻水回水空调主机冷冻水出水冷却水泵冷冻泵 1 空气处理设备( 即空调机 ) 它是对空气进行过滤和各种热湿处理 ( 例如, 加热加湿冷却和减湿等 ) 的主要设备, 使室内空气达到预定的湿温度和洁净度 2 空气输送设备 4

6 它包括送风机回风机风道系统以及装在风道上的风量调节阀防火阀等配件消声器风机减震器等它是将经过处理的空气, 按照预定的要求输送到各个空调房间, 并从房间内抽回或排除一定量的室内空气 3 空气分布装置它是指设在空调房间内的各种类型的送风口 ( 例如, 百叶风口散热器等 ) 和回风口它们的作用是合理地组织室内气流, 以保证工作区内具有均匀的温度湿度气流速度和洁净度除了上述三个主要部分以外, 还有为空气处理服务的热源和热媒管道系统冷源和冷媒管道系统自动控制和自动检测系统等工程上根据中央空调回风的形式不同, 又有一次回风式系统和二次回风式系统第二章中央空调教学系统的设计 2.1 工程背景我校于 1996 年开设空调与制冷专业,2000 年前一直以培养中级技能人才为主要目标, 按照中级技能人才的培养要求, 学生实训的主要内容为分体空调, 对中央空调系统仅作理论上的学习, 不进行相关的实操但从 2000 年开始学校开始招空调与制冷专业高级工班, 按高级技能人才培养的要求, 学生必须进行中央空调系统的实操, 同时随着近年来深圳对高级技能人才的需求日益增长, 学校也必须开展制冷技师和高级技师的培训工作, 因此缺乏中央空调系统实操设备成为制约教学质量提高的关键前几年, 中央空调的实操主要在企业的中央空调系统上进行, 但大多数企业的中央空调系统为老式的继电器控制, 与当前中央空调的主流 (PLC 控制 ) 有较大的差距, 而且学生无法实时掌握中央空调系统的工况, 近年中央空调的控制技术已从分立元件的分散控制转为 3C(Computer Communication Control) 控制, 大量使用串行通讯和远程控制技术因此, 为让学生掌握现代中央空调最新技术, 提供学生实操的教学平台, 学校必须建立专门用于实操教学的中央空调实验室 2.2 工程目标在制冷空调设备行业中, 制冷空调系统包涵的内容越来越丰富, 机电一体化发展更迅速早期的中央空调控制器多为继电器控制器和 DDC( 直接数字式控制器 ), 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) 来进行控制学校制冷空调专业教学与培训应密切联系实际, 使学生能在今后的工作中学以致用, 实现培养和就业零距离根据 5

7 近几年来的教学实践, 结合学校的财力状况, 本中央空调系统工程的基本要求如下 1 工程总面积为 400 平方米, 其中 100 平方米用于布置中央空调设备, 另 300 平方米为空调面积, 考虑深圳天气的实际状况, 拟选用单螺杆冷水机组, 工程总冷负荷为 10 万千卡 / 小时 ; 2 设备小而全, 包含制冷空调系统常用的设备, 使学生见多知广 ; 3 设备控制先进, 采用 PLC 及人机界面系统, 使学生掌握和了解制冷空调系统控制的最新动态 ; 4 对风机和冷却水泵实现变频控制, 最大限度节约能源 ; 5 根据电子行业与制药行业对洁净的不断要求, 将洁净室系统作为系统二期工程的内容, 预留设备功能扩展, 以适合今后行业发展的教学要求 ; 6 大量采用数字传感器与执行器, 在电脑上直观了解制冷空调系统恒温恒湿恒压的控制过程, 便于老师教学和学生的理解 ; 7 控制系统具有网络发布功能, 可远程监视和控制, 适应现代化教学需要, 保持系统在国内学校中应具有一定的领先水平 ; 8 配套中央空调模拟教学仿真系统软件; 9 工程总预算不得超过人民币 80 万元 ; 2.3 系统整体方案设计本工程总建筑面积约 440 平方米, 位于西校区实训大楼五楼, 其中空调面积为制冷实训室 100 平方米, 工业控制实训室 90 平方米, 虚拟实训室 90 平方米, 冷库和洁净室预留面积 60 平方米, 中央空调实训室 ( 布置设备 )100 平方米本中央空调为舒适性空调系统, 含通风和排烟系统在内系统设计依据系统按照以下要求进行设计 : 1 学校的工程目标和中央空调专业实训教学的实际要求; 2 采暖通风与空气调节设计规范 GBJ19-87(2001 版 ); 3 通风与空调工程施工及验收规范 GB ; 4 建筑设计防火规范 GBJ16-87(2001 版 ); 系统设计的基本参数 1 气象条件室外气象参数 : 夏季干球温度 33.5 湿球温度 27.7, 室内设计参数 : 夏季设计温度 26 相对湿度 65% 2 制冷系统参数总冷负荷为千卡 / 小时 ( 单冷机组 ) 空调面积为 280 平方米冷冻水 6

8 供回水温度为 7 /12 冷却水供回水温度为 32 / 系统构成框图根据上述的系统设计要求, 我们提出了以下系统组成框图 ( 如图 2 所示 ) 其它网络设备工业计算机 INTERNET 远程访问 PLC 触摸屏数字模拟输入输出模块水泵系统模式大金主机冷却塔组合式风柜变频器传感器执行器图 2 中央空调教学系统构成框图 7

9 2.3.4 系统组成 1 冷水机组系统主机采用大金 40 匹单螺杆冷水机组 (CUW40C5Y), 制冷量为千卡 / 小时, 一台立式管道冷冻水泵 (GD80-20L 4KW, 广东第一水泵厂 ), 一台机械密封凯旋离心冷却水泵 (XA KW, 广东第一水泵厂 ), 配备冷却水冷冻水管路系统和冷却水电子水处理仪, 使用一台低噪音冷却塔 (30M3/H, 菱电有限公司 ), 冷却塔周围进行玻璃隔墙及排风设备, 大金公司提供 BMS( 楼宇智能化管理系统 ) 远程控制系统接口及软件, 该软件通过 BMS 对机组有关数据进行设定和工作状态显示, 对冷却水泵进行出水温度变频器自动控制, 对冷冻水泵根据进出水压差进行变频控制, 通过进出水温差和流量计量对末端用户进行空调计费演示, 基本故障设置与排除等, 系统可通过电脑人机界面自动或手动运行 2 组合式风柜采用新雅纯色板材风柜, 风量 20,000NM 3/H, 内带多功能段系统 : 新回风混合段初效过滤段中效过滤段表冷段加热段加湿段送风段消声段, 各功能段均可打开以方便教学, 使用西门子 (Landis & Staefa Division ) 数字传感器及执行器 ( 新回风温湿度传感器 CO2 传感器焓值传感控制器露点温度传感器过滤压差传感器风机皮带保护压差传感器管道式送风温度传感器风阀执行器冷冻水比例阀 (0-10V 输入 )) 比例阀执行器和风机变频器, 风柜带有防护照明系统, 配有铝合金风阀多叶前倾双进风风机和便于教学的多套密封门, 风柜控制系统采用 Rittal 电力控制柜组合式分柜可自动或手动运行, 各执行机构或变频器均可通过电脑手动或自动调节, 有人机界面温湿度设定与控制和机组各部件工作状态显示, 通过电脑可直观显示温湿度控制机理, 基本故障的判断和排除 3 送风系统为让学生对各种类型的送风有深刻的认识, 本系统采用了多种形式送风管道 ( 有矩形风管圆形风管方圆连接导流板和风口风量调节器 ) 和各种形式散流器, 回风口, 风阀 ( 包含一些新型专利产品 ) 管道内保温与外保温形式有达到 B1 级和 B2 级防火要求的玻璃棉保温 PEF 保温和佛乐斯材料保温送风管道内带有风速风温测量传感器, 可以通过 BMS 显示各种形式及材料风送管道保温材料散流器回风口及管道送回风温度及流速 ( 流量 ) 送风管道及构件特 8

10 别加透明观察窗以方便现场教学根据防火要求还设计消防排烟系统 ( 利用送风管道在火灾时排风 ) 消防中心烟感报警系统喷淋示意系统和防火阀虚拟实训室和工业控制实训室舒适性空调冷气, 空调室温湿度电脑化控制及数据显示消防报警系统工作演示, 消防风机工作特性显示 4 末端系统为让学生学习末端系统的各种形式, 系统采用了开利各种形式带温度控制的风机盘管风柜 (40 系列风机盘管,42 系列柜式空调柜,DFP,BFP 风柜 ) 和空气膜风帘机 ( 安装于通道或门上部 ) 两种末端, 它们基本上代表了中央空调末端的常用形式通过 BMS 可以显示各种形式的系统末端及空调房间的状况 5 人机界面自动化控制中心通过本中心可以方便实现用计算机控制整个中央空调系统的运行和调整, 本中心要求由以下几个部分组成 : (1) 使用琴式操作控制台方便实训教学 ; (2) 作为总控制的工业控制计算机 ; (3)Windows 操作系统 Office PC-Anyway 软件, 自行开发控制软件和大金三菱等公司提供的各种通讯协议 ; (4)FX2N 型 PLC 数字模拟输入输出模块,UPS 电源系统,FX2N 型触摸屏控制制冷系统 ; (5) 带有防结露空调系统的 Rittal 电柜机箱, 电柜电力控制系统元件为进口组装件 ; (6) 各种通讯控制电力电缆, 进口接线端子, 航空接线头等 6 控制系统硬件配置 : 控制系统采用可编程逻辑控制器 (PLC ) 现场控制, 通过现场总线网络实现与上位 PC 机通讯, 实现对系统的数据采集监控和远程控制具体含有以下部分 : (1)PLC 应充分考虑采用广东地区大量使用的 MITSUBISHI FX2N 系列可编程控制器 ; (2) 工业控制计算机要求运行稳定可靠性高 ; (3) 数据采集系统可随机采集系统运行工况以方便随时调用和显示 ; (4) 驱动和执行器系统, 用于执行控制中心下达的各种操作 ; 9

11 (5) 低压电气系统 ; 系统具有焓值比较控制空气质量浓度控制露点温度控制环境恒压控制等功能本子系统在后面有详尽的描述 7 控制中心为系统的核心, 本子系统应具备如下功能 : (1) 通过网络可远程操作或浏览整个系统, 操作安全级别控制, 所有操作过程电脑记录, 各种报警的信息发布, 系统高可靠性自动备份, 远程维修诊断服务端口 (PCANYWAY 系统 ), 有关数据的查询和曲线分析等 (2) 系统以 BAS(Building Automatic System) 控制为理念, 将系统控制过程分解, 使整个系统更加便于教学和学生对制冷空调自动化控制的理解 (3) 系统具有网络功能, 人机界面可通过网络发布, 系统在安全的前提下可远程进行操作, 符合现代教学的特点 (4) 系统小而全, 除设备较小外, 整个系统配置, 控制手段和软件与工业及民用先进制冷空调系统无本质差别 (5) 系统配置远程服务接口, 自动化系统售后服务更加方便快捷 8 操作软件应具备以下功能: (1) 采用全中文界面显示 ; (2) 具有开机密码保护 ; (3) 可运行形象的运行动画 ; (4) 提供温度变化曲线显示 ; (5) 具备输入输出外部接点信号实时监测功能 ; (6) 具有冷冻水冷却水各温度实时监测功能 ; (7) 具有压缩机运行负荷运行时间的显示功能 ; (8) 至少提供 12 种控制模式设定 ; (9) 具有机组当前控制模式显示功能 ; 10

12 (10) 错误提示 ; (11) 可检测 32 项异常信息, 并显示详细异常内容及原因 ; (12) 用户密码可自行进行修改 9 远程控制系统具备以下功能 (1) 全中文显示 ; (2) 至少具备 12 种运行模式设定 ; (3) 用户在办公室可以监控机组的一切运行情况 ; (4) 机组所有输入输出信以及外部信号全部实时监测 ; (5) 当机器出现异常时, 画面的异常灯亮并不停闪烁 ; (6) 可自动记录机组运行时不同时刻的各种数据 ; (7) 远距控制距离不小于 1000 米 10 网络化模拟仿真教学考核培训软件系统 (1) 具有多种形象逼真动画效果生动 (2) 系统可进行考核, 所有部件均可设置故障, 故障点不少于 100 个, 理论组合故障点不少于 1000 个并具有故障设定与排除功能 (3) 具有无纸化考核功能, 可以随机组题显示答案判题评分成绩公布 3 年记录 11 虚拟教室仿真软件接口 (1) 制冷空调冷库及 PLC 电气教学与考试模拟仿真软件, 可根据学校设备的特点及老师和专家的要求对原系统进行二次开发 (2) 通过虚拟实训室, 在制冷空调专业教学与学生实际操作考核, 使学校制冷空调专业的教学与考核处于国内领先水平 11

13 第三章中央空调智能化控制系统本空调智能化控制系统包括 : 可编程控制器 (PLC) 工业控制计算机触摸屏传感器和变送器执行器和单元控制器如图 3 所示阀开新风水阀度室温度回风 PT 485 通讯可编程控制器风阀执行器内温度变送器及焓差变送器温湿度变送器传感器 0# 1# 2# 3# 4# 5# 485 BD FX 2N -64MR FX 2N -4DA FX 2N -4AD FX 2N -4AD FX 2N -4AD FX 2N -4AD-PT 单元控制计算机 RS232 通讯主机触摸屏器 RS485 通讯风柜触摸屏图 3 PLC 控制系统 3.1 传感器 ( 或敏感元件 ) 和变送器传感器 ( 或敏感元件 ) 和变送器是构成自动控制系统的主要硬件设备, 是模拟控制系统和集散式控制系统必不可少的自控部件空调控制系统中常用的传感器有温度湿度静压等几种其安装在空调区域或现场空调设备上, 其作用是把被控的温度湿度静压等被控参数按一定的规律转换成便于调节器处理或传送的物理量 ( 例如电阻电流电压等 ), 提供给调节器显示器或可编程控制器, 以实现被控参数的自动控制以及显示对传感器 ( 或变送器 ) 的要求是对被子测参数的转换必须为单值函数关系, 稳定准确地实现变换本系统提供的传感器 / 变送器主要为西门子楼宇科技的产品主要有 : 1 风管温/ 湿度传感器 - 西门子 QFM65( 图 4), 它采用电容湿度敏感元件用于测量风柜的回风温度及新风温湿度, 可测湿度范围为 10~95%, 输出信号 ( 湿度 )DC 1~9V,20 时的精度 : 相对湿度 40-60%rH 12

14 +/-3%rH ; 相对湿度 60-90%rH +/-5%Rh 可测温度范围 0 ~ 50 ( 新风温度 )/-35 ~ +35 ( 回风温度 ), 输出信号 ( 温度 ) DC 1~10V 图 4 图 5 图 5 为传感器接线图 : G M 工作电压 24VAC 系统相线系统中线 B RH 相对湿度输出信号 DC0~10V 对应 0~100% B at50 温度输出信号 DC0~10V 对应 0~50 ( 新风温度 ) B at35 温度输出信号 DC0~10V 对应 -35~35 ( 回风温度 ) 2 组合式室内温湿度传感器-QFA65, 它采用电容湿度敏感元件, 安装在墙上测量室内空气的温湿度 ( 如图 6), 主要参数如下 : 湿度范围输出信号 ( 湿度 ) 10 95% 1 9V 20 时精度相对湿度 40 60% +/-3%rh 相对湿度 20 90% +/-5%rh 时间常数温度范围输出信号 ( 温度 ) 2 分钟 V 13

15 图 6 图 7 图 7 的接线图同 QFM65 3 风道温度传感器-QAM22( 图 8), 用于测量风道中的温度参数如下 : 测量范围 : -30 至 80, 测温元件 : Ni1000 Ω (0 时 ), 测温元件长度 400mm 图 8 图 9 4 压力传感器- 西门子压差开关 QBM81-3( 图 10) 它用于监测风柜初中效过滤器前后压差, 设定值为 10Pa-200Pa, 如果风柜过滤器前后压差大于设定值时, 此压差开关常开触点接通, 系统显示报警 14

16 图 10 图 11 5 绝对湿度和焓值变送器- 西门子 AQF61( 图 12) 它用于比较新风焓值与回风焓值的大小, 根据此值控制新风阀和回风阀的开度基于微处理器的变换器计算出绝对湿度和焓差温度传感器可以选 PT1000 温度传感器或 NI1000 温度传感器图 12 AQF61.1 外形 15

HMI COM1 RS SIEMENSE S7-200 RS485

HMI COM1 RS SIEMENSE S7-200 RS485 目录第一部分维控人机界面串口引脚定义...2 1 LEVI777T COM1 引脚定义原理图...2 2 LEVI777T COM2 引脚定义原理图...2 3 LEVI908T COM1 引脚定义原理图...2 4 LEVI908T COM2/COM3 引脚定义原理图...3 第二部分通信针头...4 1 通信针头...4 第三部分各 PLC 与 LEVI 通信线接法...5 1 西门子 S7-200

目录 摘要 2 Summary 3 第一章中央空调系统概述 4 第二章中央空调教学系统的设计 2.1 工程背景 工程目标 系统整体方案设计 6 第三章中央空调智能化控制系统 传感器 ( 或敏感元件 ) 和变送器 执行器 单元控制器 1

目录摘要 2 Summary 3 第一章中央空调系统概述 4 第二章中央空调教学系统的设计 2.1 工程背景工程目标系统整体方案设计 6 第三章中央空调智能化控制系统传感器 ( 或敏感元件 ) 和变送器执行器单元控制器 1