基于s7-200plc的中央空调冷媒水温度控制系统设计

基于s7-200plc的中央空调冷媒水温度控制系统设计内容摘要：

需要速度传感器的控制技术，这就是由磁场定向矢量变换控制演变而来的无速度传感器矢量控制技术。 无速度传感器矢量控制就是根据已测得的电机定子电压和电流，通过坐标变换和相应的计算，即所谓的速度观测来间接地获得电机的转速和与转速相关参数。 该 中央变频空调系统中使用的变频器就是采用了这种控制技术，这样的变频器完全能够满足高性能中央变频空调控制系统对交流调速器的要求。 变频调速控制系统在中央 空调中的应用，使 中央 空调的控制方式发生了根本性的变化，性能得以提高。 空调 器的发展经历了从传统定速到现代调速的过程，传统空调器中压缩机的转速及供电频率是不可调的，称为定频定速空调器。 所谓的 “变频空调 ”是与传统的 “定频空调 ”相比较而产生的概念。 众所周知，由于 电网频率 是固定的 ， 因此 传统的定频空调的压缩机转速基本不变， 只能 依靠不断 “开、停 ”压缩机来调整室内温度， 这样被控环境温度是波动的，舒适性差。 而 “变频空调 ”通过改变压缩机驱动电机的供电频率，即可达到调节压缩机转速的目的，变频器精细地调节压缩机的转速，使之始终处于最经济的运行状态。 这样就可以通过对压缩机驱动电机转速的调节来实现对温度 的自动控制。 中央变频空调采用 温度闭环控制方法，能 在短时间内迅速达到所需要的温度 ， 并在低转速、低能耗状态下 保持 较小的温差波动， 达到了 快速、节能和舒适 的目的。 国内外研究现状 空调器的发展经历了从传统定速到现代调速的过程。 传统空调器均为定频定速空调器。 90 年代以前空调器都为此类装置，与此相应的控制方式当然也为“开/关”式。 进入 90 年代以来，随着变频技术的迅速发展，变频器也初步应用于空调系统中，与此同时控制方式也有了根本的改变，一些既节能又性能高的空调系统相继出现。 如日本三菱重工推出的 PMV 型变频系列空调、 夏普的 AYC40F 型、日电的 RCV8B/V25B 型、富士通的 AS28TPR 型等都运用了变频调速技术和先进的控制技术。 荷兰、美国、法国和丹麦等国家也都有与此水平相当的产品。 但是大型中央变频空调系统仍然较少，而且其控制方式仍以传统 PID 控制为主，新型控制技术在空调系统中的应用仍处于研究阶段。 进入 21 世纪后，由于 控制技术和通信技术不断 发展 ， 楼宇自动化也大量普及，为了便于管理和维护， 使中央空调控制系统实现计算机集散控制系统 已成为可以实现的技术， 在有些新型的现代化建筑领域已出现。 目前一些发达国家使用空气调节手段维持 内部环境已很普遍。 这样，不仅能源消费大，而且人们长期生活在人工控制的环境内，也招致一些人体健康方面的问题。 初步研究表明，在所谓“令人疲倦和致病”的建筑物内，由于空调系统方兰州理工大学毕业设计说明书 6 面引起的污染占很大比重。 同时，研究表明，在空间内由于建筑材料发散的各种物质也对人体有害，诸如氡气的危害等。 空调系统运行时，对空间内空气负离子的衰减已经被实验所证明。 由此可见，空气调节技术的发展，不仅要在能源利用、能量的回收，改进能量转换和传递设备的性能、提高系统能量的综合利用效果和寻求合理的运行规律等方面继续研究和开发，而且要在更广泛的范 围内，研究创造有利于健康的适合人工作和生活的的环境。 可以预料，空气调节将由目前主要解决空间环境的温度与湿度控制，即所谓的温湿环境工程，发展到对空间环境的质量全面调节和控制，即所谓人工环境工程。 这一发展过程既包含着诸多研究工作成果，也包含着将这些成果加以实际利用。 空气调节的发展前景是广阔的，有一些新的领域还需要从事这一事业的人们去开拓。 目前对于中央空调的研究多集中在以下几个方面： （ 1）中央空调系统的结构； （ 2）冷源和制冷机的研究； （ 3）大型中央变频空调； （ 4）使空调工作在节能和最有效状态的方法； （ 5）高性能空调的自动控制技术。 研究的主要内容及主要技术参数 (1) 本此毕业设计的主要研究可概括如下： 1） 分析控制规律对控制系统的影响，提出适合本系统的控制方法。 2） 以 S7200PLC 和两台 VF7 变频器为核心，设计中央空调变频调速系统。 3） 中央空调温度控制系统的实现。 (2) 本次毕业设计的主要技术参数如下 : 1） 功率 : 2 75KW 2） 输入电压 : 3AC,380V,50HZ 3） 额定输出电压 : 380V 输出电压与输出功率成正比例关系 4） 输出功率范围 : 40~50HZ 5） 最大输出电流 : 2 150A 兰州理工大学毕业设计说明书 7 第二章 中央变频空调系统简介 中央变频空调的工作原理 中央空调系统 如图 21 所示 ，是由一系列驱动流体流动的动件 (如水泵及压缩机 )、各种型式的热交换器 (如冷却风机、蒸发器、冷凝器及中间热交换器等 )及连接各种装置的管道 、 阀件 和电气控制装置 组成。 制冷机是中央空调的“制冷源”、 “心 脏 ”，通往各个房间 的 循环水由制冷机组进行 “内部交换 ”， 在 蒸发器中吸热后的制冷剂（ R22）通过压缩机压缩成高温高压气体，送至冷凝器与冷却水热交换后 变成常温高压液体，经节流阀 (膨胀阀 )进入蒸发器蒸发吸收冷媒水的热量，然后又回到压缩机，如此形成制冷剂（ R22）循环过程。 冷媒水循环系统，由冷媒水泵及冷媒水管道组成，从冷水机组流出的冷媒水由冷媒泵加压送入冷媒水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内热量，使房间内的温度下降。 冷却水循环系统，由冷却泵及冷却水管道及冷却塔组成，冷水机组进行热交换，在水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高，冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送 回到冷水机组 ,如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。 冷却风机安装于所需要降温的房间内，用于将由冷媒水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。 将制冷剂系统分成四部分来讨论制冷剂在系统中的状态变化： 节流阀 压缩机 冷凝器 蒸发器 节流阀 冷却风机 水箱 冷却塔 冷媒水泵 节流阀 冷却水泵 图 21 中央空调系统原理图 制冷机 电气控制装置 冷媒水循环 冷却水循环 兰州理工大学毕业设计说明书 8 (1) 制冷剂在低压侧的变化 从膨胀伐（即节流阀）出口经过蒸发器到压缩机吸入口之间为低压侧。 低压侧的任何一处都有相同的低压压力，且等于蒸发器内的压力，即蒸发温度下的饱和压力。 制冷剂在低压侧的变化特点是：制冷剂压力保持一定的低压，制冷剂从周围取得了热量，其主要变化是汽化，汽化结束后出现过热状态，制冷剂在低压侧从 湿蒸汽状态到过热蒸汽状态。 在低压侧，制冷剂通过蒸发器从外部吸收热量，同时对外部起到了冷却作用，通常这个过程的末期制冷剂呈过热状态，其温度上升。 (2) 制冷剂在高压侧的变化。 从压缩机出口经冷凝器到膨胀伐（节流阀）前为高压侧，高压侧各处的压力可以视为相等，等于冷凝器内的压力，即在冷凝温度下制冷剂的饱和压力。 高压侧制冷剂状态的特点是：保持一定的高压 PK，向周围环境放出热量，气态制冷剂被冷凝成液体，也进行过热蒸汽的冷却和冷凝液的过冷却。 在过热蒸汽段，制冷剂的温度是下降的，当温度降到 PK 压力下的饱和温度时，制冷 剂蒸汽开始冷凝，此间的温度保持一定的冷凝温度，冷凝液在冷却的过程中，制冷剂温度要下降。 (3) 制冷剂在压缩机中的压缩 制冷剂由于压缩而体积缩小，压力由 P0 上升到 PK，随着压力和比容的变化，制冷剂温度升高，一般呈过热蒸汽。 压缩过程是在极短时间内完成的，可以认为压缩过程是来不及进行热转移的，这种无热量交换的压缩叫做绝热压缩。 空调机的理论中，压缩机的压缩过程是按绝热压缩来处理的。 绝热压缩时，制冷剂与外界没有热交换但所加入的功转变成了热量传递给制冷剂，使制冷剂温度升高。 (4) 制冷剂在节流伐中的节流 具有高 压 PK 的制冷剂过冷液，通过膨胀伐（或毛细管），因为受阻力的影响，由高压 PK 降至低压 P0 这个变化是在瞬间进行的，所以制冷剂经过节流过程，其热量没有和外界交换， 也没有做功或消耗功，故制冷剂的焓值保持不便。 不过随着压力降低温度也随着下降，又因为部分液体变为蒸汽，进入蒸发器时制冷剂变为湿蒸汽。 中央空调水系统简介 中央空调的水系统分为冷媒水系统和冷却水系统两个部分 , 空调冷媒水是用来传输能量（冷量）的介质，从冷水机组出来的空调冷媒水（一般是 7 度），通过管道，传递给空调末端（如风机盘管、组合式空调机组），在末端 ，通过换热设备，将冷媒水所携带的能量和空气进行热量交换，空气温度降低，而空调冷兰州理工大学毕业设计说明书 9 媒水温度升高（一般是 12 度），然后空调冷媒水又进入冷水机组，在冷水机组的蒸发器通过与制冷剂热交换，再次温度降低（ 7 度），完成一个循环 由于冷水机组在制冷的时候，制冷剂被压缩，温度、压力均增加，为了实现制冷循环，必须要把高温高压的制冷剂温度降下来，这时候就需要冷却水把他冷却，冷却水进水温度（ 32 度），进入冷水机组的冷凝器，经过热交换，温度升高（ 37 度），这部分水通过管道传输到冷却塔，通过冷却塔的作用，把热量散到大气中，温度降低（ 32 度），然后再回到冷水机组 根据不同的情况可以设计成不同的型式。 中央空调水系统原理图如下： ： (1) 冷却水系统概述 空调冷却水系统一般分为两类，即直流式供水系统和循环式供水系统。 前者适用源水量特别重组的地区，例如以江，河，湖，海的水源作为冷却水。 城市自来水则不应选用，而且它一般用于采用 立体式冷凝器的供冷系统。 循环式供水系统将来自冷凝器的冷却水通过冷却塔或者冷却水池冷却后循环使用。 在循环过程中只需要少量的补充水，但需要增设冷却塔，水泵等。 供水系统比较复杂，常在水源水量比较小，水温比较高时采用，它在目前空调系统中应用最多。 (2) 冷却水系统的分类： 冷却水系统一般可以分为以下几种： 1) 直流式冷却水系统： 直流式冷却水系统是最简单的冷却水系统，冷却水经设备使用后直接排掉，不再重复使用。 由于冷却水使用后的温升不大，一般在 3— 8℃因此这种系统的兰州理工大学毕业设计说明书 10 耗水量很大，适宜用在有充足水源的地方，如江河附近 、湖畔、海滨等。 直流式冷却水系统一般不宜采用自来水做水源。 2) 混合式冷却水系统： 混合式冷却水系统经冷凝器使用后的冷却水部分排掉，部分与供水混合后循环使用。 这种系统用于冷却水温度较低的场合，如使用井水。 采用这种系统后，可提高冷凝器的出水温度，增大冷却水的温升，从而减少冷却水的耗量，但不减少冷凝器中冷却水的流量（或者流速），以不使冷凝器传热系数下降。 混合式冷却水系统是将一部分已用过的冷却水与深井水混合，然后再用水泵压送至各冷凝器使用。 这样既不减少通入冷凝器的水量，又提高了冷却水的温升，从而大大节省深井水量。 井水是宝贵的水资源，大量的汲取使用，还会使地面下沉。 因此，即使这种系统可减少冷却水的耗量，也不宜在大型系统中采用。 3)循环式冷却水系统： 降低制冷系统的水消耗量非常重要，因此除采用蒸发式冷凝器或风冷式冷凝器以外，也可以采用循环式冷却水系统。 循环式冷却水系统的特点是：冷却水循环使用。 此种系统就是将来自冷凝器的冷却回水先通入蒸发式冷却装置，使之冷却降温，然后再用水泵送回冷凝器循环使用，这样，少量补水即可。 冷却水经冷凝器等设备后吸热而升温，再利用水蒸发吸热的原理对它进行冷却。 蒸发冷却的装置有两类 —— 喷水池和 冷却塔。 在水池上部将水喷入空中，增大水与空气的接触面积，使少量的水蒸发而把自身冷却下来。 喷水池的结构简单，可以与美化环境的喷泉结合起来，但冷却效果差，占地面积大，一般 1 ㎡水池面积可冷却的水量约 平方米。 喷水池宜用在气候比较干燥地区的小型制冷系统中。 经过制冷机（或换热器）制得的冷冻水（或热水）由水泵送到空调系统，放出冷量（或热量）后，再回到制冷机（或热交换器）中进行制冷（或制热），如此循环便是冷冻水系统的工作过程。 (1) 冷冻水系统概述 制冷的目的在于供给用户使用，向用户 供冷的方式由两种，即直接供冷和间接供冷。 直接供冷是将制冷装置的蒸发器直接置于需冷却的对象处，使低压液态制冷剂直接吸收该对象的热量，采用这种方式供冷可以减少一些中间设备，故投资和机房占地面积较少，而且制冷系数较高；它的缺点是蓄冷性能较差，制冷剂渗透可能性增多，所以适用于中小型系统或低温系统。 间接供冷是首先利用蒸发器冷却某种载冷剂，然后再将此载冷剂输送到各个用户，使需冷却对象降低温度，这种供冷方式使用灵活，控制方便，特别适合于区域性供冷。 兰州理工大学毕业设计说明书 11 (2) 冷冻水系统分类 1) 冷冻水管道为循环水系统，根据冷冻水是否与空 气接触分，可以分为闭式系统和开式系统两种。 基本原理图如下页所示： 开式系统需要设置冷冻水箱和回水箱，系统水容量大，运行稳定，控制简便。 开式系统的水与大气相通，闭式系统的水不与大气相通。 凡采用淋水室处理空气或回水直接进入。