中央空調(diào)節(jié)能方案

緒論本章介紹了課題的研究背景及研究意義。提出了現(xiàn)代社會(huì)使用空調(diào)所消耗的大量能源并提出空調(diào)節(jié)能的積極作用。簡(jiǎn)單的介紹了我國(guó)空調(diào)的使用情況和空調(diào)的類(lèi)型以及空調(diào)系統(tǒng)的基本構(gòu)造。1.1課題研究背景節(jié)能減排是當(dāng)前的一個(gè)發(fā)展的熱點(diǎn)也是難點(diǎn)。節(jié)約能源已經(jīng)成為了各行各業(yè)的一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略任務(wù)，在能源日益稀少但需求不斷增大的今天，節(jié)能技術(shù)的發(fā)展也受到了社會(huì)各界的關(guān)注，其中空調(diào)節(jié)能是價(jià)值重大并且意義深遠(yuǎn)的課題之一。中央空調(diào)系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各類(lèi)大型商場(chǎng)、生產(chǎn)車(chē)間和住宅建筑中，是組成各種建筑的基礎(chǔ)配套設(shè)施的重要部分。目前建筑耗能中的主要部分就是空調(diào)的耗能，建筑總能耗的50%~60%均為空調(diào)能耗，以上海和廣州為例，全市25%的用電負(fù)荷均為中央空調(diào)的用電負(fù)荷，且這一數(shù)據(jù)將會(huì)在炎熱的夏季時(shí)節(jié)升到更高，為城市的供電產(chǎn)生了巨大壓力。近10年以來(lái)，空調(diào)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展導(dǎo)致空調(diào)能耗以30%的年增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。1.2課題研究意義傳統(tǒng)空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行效率不理想，自動(dòng)化程度低，并切需要人為干涉運(yùn)行過(guò)程，這就降低了中央空調(diào)系統(tǒng)的控制效率，無(wú)法在節(jié)能方面提高水準(zhǔn)。如何在保證了空調(diào)空氣質(zhì)量后，進(jìn)一步降低空調(diào)的能源損耗，這已經(jīng)成為了世界范圍內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。這一問(wèn)題使得中央空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)的進(jìn)一步研究與革新十分緊迫，所以，研究中央空調(diào)節(jié)能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的控制系統(tǒng)，以此來(lái)滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鞯男枰?，并達(dá)到節(jié)能的效果，具有非常積極的作用和意義。1.3中央空調(diào)發(fā)展前景我國(guó)南方會(huì)有很多家庭選擇安裝多臺(tái)空調(diào)，以此來(lái)應(yīng)對(duì)夏季的炎熱天氣和冬季的寒冷，但是如此行事存在很多的弊端，例如：整機(jī)的能效比很低，多臺(tái)空調(diào)的同時(shí)運(yùn)作使得控制表現(xiàn)明顯出明顯的滯后性，其中最明顯的現(xiàn)象就是產(chǎn)生了大量的家庭耗電量，增大了城市電網(wǎng)峰值壓力；室內(nèi)溫度和空氣無(wú)法得到保證，室內(nèi)的舒適度將會(huì)大幅下降；由于單機(jī)的過(guò)濾并不是非常完全，而且無(wú)新風(fēng)就導(dǎo)致了空氣質(zhì)量的下降；樓房整體的美觀度將因?yàn)榇罅康耐鈷鞕C(jī)而導(dǎo)致下降，并且新增了許多安全隱患。與之相比較而言，中央空調(diào)則具有很多優(yōu)勢(shì)，例如：冷源集中，中央空調(diào)相比多空調(diào)系統(tǒng)，其能效比高出后者很多，一般能效比在4～5；多風(fēng)口使得室內(nèi)具有較為新鮮的空氣和適當(dāng)?shù)臏囟?，形成了舒適的溫度場(chǎng)和空氣場(chǎng)；制冷機(jī)房的原理也有效的抑制了噪音污染；室內(nèi)空氣質(zhì)量也因加入新風(fēng)和及時(shí)的更換過(guò)濾器而得到保障。鑒于以上原因，業(yè)界開(kāi)始關(guān)注家用空調(diào)中央化方案，相繼提出“小型家用中央空調(diào)”等概念。在今后的工作生活中，中央空調(diào)必將會(huì)進(jìn)一步取代傳統(tǒng)空調(diào)，并且會(huì)應(yīng)用的更加廣泛。1.4中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)和處理是空調(diào)的宗旨，這一宗旨滿(mǎn)足了人們?cè)谌粘９ぷ骱蜕钪袑?duì)高質(zhì)量空氣的需求。人們?nèi)绾螕碛幸粋€(gè)舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境呢？這一問(wèn)題將由中央空調(diào)對(duì)空氣的溫濕度和清潔度以及流通性的一系列監(jiān)控與調(diào)節(jié)來(lái)解決。他是一種對(duì)建筑物室內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)處理的大型設(shè)備，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣，可以改善人們長(zhǎng)期工作生活的地方的空氣環(huán)境，創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境和工作環(huán)境，或者也可以滿(mǎn)足某些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的特殊環(huán)境以及各類(lèi)實(shí)驗(yàn)的特殊環(huán)境要求，是一個(gè)不可或缺的現(xiàn)代大型建筑中重要的組成部分。他對(duì)提高生活品質(zhì)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善工作環(huán)境以及維護(hù)人體的健康狀態(tài)都有著相當(dāng)大的意義。許多不同種類(lèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)隨著空調(diào)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)。例如：制冷劑系統(tǒng)、冷/熱水機(jī)組、風(fēng)管式系統(tǒng)等。其中仍然以冷/熱水機(jī)組系統(tǒng)的中央空調(diào)為市場(chǎng)主力軍。它是由以下四個(gè)部分構(gòu)成。風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)：將室內(nèi)空氣吸入并將其與冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換后再次排回室內(nèi)從而使空氣溫度降低，同時(shí)適量提供新鮮空氣，達(dá)到降溫的目的。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)：由冷凍水輸送管道和冷凍水泵組成，是中央空調(diào)調(diào)節(jié)溫度的核心環(huán)節(jié)。這個(gè)系統(tǒng)將冷凍水運(yùn)輸進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤(pán)管中，吸收空氣余熱以達(dá)到降低室溫的目的，產(chǎn)生的熱水重新循環(huán)回到制冷機(jī)組冷卻，再將冷凍水重新傳遞給風(fēng)機(jī)盤(pán)管以達(dá)到制冷的最終目的。制冷機(jī)組：是中央空調(diào)制冷的核心工作區(qū)域。制冷機(jī)組制造出制冷劑，讓其在蒸發(fā)器中吸收冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中的熱量，降低冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的水溫。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)：制冷機(jī)組在工作工程中會(huì)產(chǎn)生很多的余熱，這些熱量經(jīng)過(guò)冷卻水系統(tǒng)吸收掉并排放到大氣中。冷卻水系統(tǒng)會(huì)源源不斷地吸收來(lái)自制冷機(jī)組的熱量，由冷卻水泵將熱水送至冷卻塔并排放到大氣中，再經(jīng)過(guò)循環(huán)管道返回到制冷機(jī)組，一直如此循環(huán)達(dá)到空調(diào)制冷效果。圖1-1中央空調(diào)系統(tǒng)原理框圖圖1-1可以看出中央空調(diào)系統(tǒng)就是冷凍水循環(huán)系統(tǒng)將冷凍水運(yùn)輸進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤(pán)管中，吸收空氣余熱以達(dá)到降低室溫的目的，產(chǎn)生的熱水重新循環(huán)回到制冷機(jī)組冷卻，再將冷凍水重新傳遞給風(fēng)機(jī)盤(pán)管以達(dá)到制冷的最終目的。在這個(gè)過(guò)程中兩個(gè)冷水系統(tǒng)同樣扮演著十分重要的角色，他們承擔(dān)了最主要的能量傳遞任務(wù)同時(shí)也是能源消耗最多的地方。

中央空調(diào)節(jié)能方案通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，中央空調(diào)的大部分能源消耗集中在風(fēng)機(jī)盤(pán)管和制冷設(shè)施之中，同時(shí)也還存在著空調(diào)的工作負(fù)荷不能被充分發(fā)揮而造成的資源浪費(fèi)。本文在力所能及的地方做出了節(jié)能控制方案。2.1中央空調(diào)能耗分析空調(diào)技術(shù)的更新固然給生活和工作帶來(lái)了巨大的便利，但當(dāng)人們享受著空調(diào)帶來(lái)便利的同時(shí)，空調(diào)所消耗的大量能源也為城市的供電帶來(lái)了巨大的壓力。因此，中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的研究迫在眉睫，能量損耗的減少不但可以減輕城市供電壓力，更是為綠色地球貢獻(xiàn)一份力量。傳統(tǒng)的中央空調(diào)將其大容量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只考慮建筑物的最大需求量，但卻不考慮其節(jié)能效果。這種情況的中央空調(diào)有著極高的工作負(fù)荷，但卻基本只工作在70%以下負(fù)荷的環(huán)境中。通過(guò)計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)這種空調(diào)平均工作負(fù)荷居然只有其設(shè)備能力的50%。這無(wú)疑造成了大量能源的浪費(fèi)，這種俗稱(chēng)為“大馬拉小車(chē)”的工作狀態(tài)并不符合我們的節(jié)能需求，但卻普遍存在我國(guó)各個(gè)城市。而我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的商業(yè)建筑能耗比其高出40%左右，這就說(shuō)明我國(guó)中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的研究有著巨大的發(fā)展空間等待著我們?nèi)ネ诰?。在目前常?jiàn)的定風(fēng)量以及定流量中央空調(diào)系統(tǒng)中，無(wú)論負(fù)荷變動(dòng)與否，空調(diào)都在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)轉(zhuǎn)，這無(wú)疑浪費(fèi)了大量的資源。當(dāng)其運(yùn)作在局部負(fù)荷的狀態(tài)下時(shí)，整個(gè)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行效率十分低下，循環(huán)水系統(tǒng)也運(yùn)作在“大流量，小溫差”的狀況之中，使得制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)下降，電能被大量的浪費(fèi)掉。中央空調(diào)六成的能耗集中在了制冷設(shè)施，而風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)則占到了空調(diào)總能耗的三成，也就是說(shuō)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要集中在兩個(gè)方面。首先是制冷設(shè)施中制冷，流體循環(huán)以及廢熱排放所消耗的能源。其次是風(fēng)機(jī)盤(pán)管循環(huán)室內(nèi)空氣的消耗。從中央空調(diào)系統(tǒng)的這兩個(gè)方面分析，得出了以下結(jié)論：1.合理使用設(shè)備，拒絕非必要下的啟動(dòng)和超時(shí)長(zhǎng)運(yùn)行；2.對(duì)流體流量采用變頻控制，降低拖動(dòng)設(shè)備的耗能；2.2中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制方案本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是以中小型企業(yè)公司為主，中央空調(diào)的規(guī)模相對(duì)較小。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)環(huán)境的需求，空調(diào)一年四季運(yùn)行。由于空調(diào)制冷系統(tǒng)是在計(jì)算夏季最高溫度時(shí)的冷熱負(fù)荷的過(guò)程中設(shè)計(jì)的，在夜間或過(guò)渡季節(jié)運(yùn)行的時(shí)候，空調(diào)的冷負(fù)荷較小，因此，采用變負(fù)荷控制方式可以達(dá)到良好的節(jié)能效果。本文為3臺(tái)冷凍泵（35WK/臺(tái)），3臺(tái)冷卻泵（45KW/臺(tái)）的中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制方案。冷凍泵和冷卻泵選用一用一備的工作模式，考慮到系統(tǒng)的可靠性，將手動(dòng)控制和自動(dòng)變頻系統(tǒng)相結(jié)合，每個(gè)泵組都配有手動(dòng)和自動(dòng)工作模式。設(shè)計(jì)的節(jié)能原理如下所述。1.冷凍泵的變頻節(jié)能原理：用PLC將其得到的冷凍水泵的出回水溫度計(jì)算得出的溫差進(jìn)行計(jì)算，傳送到變頻器中。溫差的大小可以表明室內(nèi)溫度的高低，溫差與室溫成正比，冷凍水泵的轉(zhuǎn)速也隨室溫而增快或減慢，以此來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。2.冷卻泵的變頻節(jié)能原理： 冷凍機(jī)組釋放出的熱量由冷卻水吸收，并經(jīng)由冷卻泵進(jìn)入冷卻塔進(jìn)行冷卻放熱處理。放熱后的冷卻水則再次回到冷凍機(jī)組吸收冷凍機(jī)組熱交換時(shí)放出的熱量。將放熱前和放熱后的冷卻水的溫差進(jìn)行恒溫控制，泵的轉(zhuǎn)速由溫差的大小來(lái)決定，數(shù)值大則轉(zhuǎn)速高，加快循環(huán)速度，反之則減慢，以此達(dá)到節(jié)電的目的。3.具體設(shè)計(jì)方案如下主電路設(shè)計(jì)：為防止變頻器二拖一造成交流短路或者一拖二造成過(guò)載的情況發(fā)生，需要電氣和機(jī)械互鎖，保證變頻器一拖一。分割線分割線分割線分割線分割線分割線分割線分割線分割線圖2-1冷凍水泵接線圖圖2-2冷卻水泵接線圖冷卻泵變頻控制的主要過(guò)程：中央空調(diào)有三臺(tái)冷卻泵，采用一臺(tái)變頻器的方案進(jìn)行節(jié)能控制?？紤]到系統(tǒng)穩(wěn)定性及特殊情況的影響，其中兩臺(tái)水泵在一臺(tái)變頻器的控制下節(jié)能運(yùn)行，另一臺(tái)水泵為備用系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)開(kāi)啟。首先先閉合KM1啟動(dòng)1號(hào)泵，單臺(tái)變頻運(yùn)行。當(dāng)一號(hào)泵的工作頻率上升的到50Hz上限切換頻率時(shí)，1號(hào)泵將切換到KM2工頻運(yùn)行，然后再合KM3將變頻器與2號(hào)泵相接，并進(jìn)行軟啟動(dòng)，此時(shí)1號(hào)泵工頻運(yùn)行，2號(hào)泵變頻運(yùn)行；當(dāng)2號(hào)泵的工作頻率下降到設(shè)定的下限切換頻率30Hz時(shí)，則將KM2斷開(kāi)，1號(hào)泵停機(jī)，此時(shí)又2號(hào)泵變頻運(yùn)行；當(dāng)2號(hào)泵的工作頻率上升到50HZ上限切換頻率時(shí)，2號(hào)將切換到KM4工頻運(yùn)行，后在和KM1將變頻器與1號(hào)泵接通，并進(jìn)行軟啟動(dòng)，此時(shí)2號(hào)泵工頻運(yùn)行，1號(hào)泵變頻運(yùn)行；如此循環(huán)。當(dāng)變頻電機(jī)的頻率在30Hz～50Hz之間時(shí)，通過(guò)調(diào)用子程序進(jìn)行變頻控制，使冷卻水泵運(yùn)行在節(jié)能控制循環(huán)中。在切換過(guò)程中，首先MRS接通（變頻器輸出停止）→延時(shí)0.2s后，斷開(kāi)變頻器接觸器→延時(shí)0.5s后，合上工頻接觸器，再延時(shí)和下一臺(tái)變頻器并斷開(kāi)MRS接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從變頻與工頻的切換。當(dāng)變頻啟動(dòng)時(shí)，延時(shí)時(shí)間一定要大于變頻器的加速時(shí)間，以免變頻器在啟動(dòng)過(guò)程中SU信號(hào)誤動(dòng)作。冷凍泵變頻控制的主要過(guò)程：系統(tǒng)有三臺(tái)冷凍泵其中一臺(tái)變頻運(yùn)行，一臺(tái)正常運(yùn)行，另一臺(tái)用作備用。首先以50Hz頻率啟動(dòng)冷凍泵，30s后轉(zhuǎn)入溫度自動(dòng)控制，變頻器加速時(shí)間為15s；減速時(shí)間為7s。冷凍泵在頻率為20～25Hz運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的震蕩現(xiàn)象，要求變頻器避免在此段運(yùn)行。手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率，并且在30～50Hz內(nèi)任意調(diào)節(jié)，每次調(diào)節(jié)量0.5Hz。3.主要設(shè)備選型PLC所需輸入輸出點(diǎn)數(shù)為：輸入20點(diǎn)、輸出12點(diǎn)，考慮實(shí)際需求，選用FX2N-64MR三菱PLC；考慮到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及性?xún)r(jià)比，以及水泵電機(jī)的匹配，選用三菱FR-F540-37K-CH變頻器；至于溫度傳感器則選用了Pt-100電壓型溫度傳感器，它的額定溫度輸入范圍是-100℃~600℃，電壓輸出0~10V，對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)字輸出-1000~6000；溫度傳感器模塊采用FX2N-4AD-PT，該模塊是溫度傳感器專(zhuān)用的模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊，有4路模擬信號(hào)輸入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），接收冷凍水泵和冷卻水泵進(jìn)出水溫度傳感器輸出的模擬量信號(hào)；模擬量輸出模塊型號(hào)為FX2N-2DA，是一款2通道D/A轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)通道可單獨(dú)設(shè)置電壓或電流輸出，是一種具有高精確度的輸出模塊，本文采用直流電壓，輸出

PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制需要通過(guò)特殊的算法，本章節(jié)簡(jiǎn)述了PID控制。由于本設(shè)計(jì)的硬件選擇的比較先進(jìn)實(shí)用，所以在控制算法中采用簡(jiǎn)單的PID就可以達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。若采用模糊PID控制算法，可能會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間在系統(tǒng)模糊控制上，不利于及時(shí)控制偏差量的變化。3.1模擬控制與微機(jī)控制系統(tǒng)我們?cè)谀M過(guò)程中，將測(cè)得的數(shù)值與我們?cè)O(shè)置的給定值進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算，如對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者并不相等，則會(huì)有控制器將測(cè)得數(shù)值通過(guò)PID計(jì)算，將被測(cè)數(shù)值進(jìn)行改變，使兩者接近后輸出并執(zhí)行。下圖3-1為微機(jī)控制原理框圖。圖3-1計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)基本框圖3.2模擬PID調(diào)節(jié)器圖3-2模擬PID控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖我們將對(duì)比后產(chǎn)生的偏差輸入PID控制器，通過(guò)控制規(guī)律改變輸入數(shù)值后執(zhí)行輸出到被控對(duì)象。下式為控制規(guī)律：（3.1）在式3.1中，，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)，是回路輸出的初始值。分割線分割線分割線分割線分割線分割線分割線3.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器1.位置式PID控制算法：（3.2）當(dāng)采樣周期很小時(shí)，，，積分用求和近似代替（3.3）（3.4）這樣，式（3.1）便可離散化成為以下差分方程式（3.5）其中：比例項(xiàng)：。積分項(xiàng)：。微分項(xiàng)：。PID控制：（3.6）由于控制器的輸出的直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門(mén)），的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門(mén)開(kāi)度）是對(duì)應(yīng)的，所以通常稱(chēng)式（3.5）為位置式PID控制算法。這種算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因此產(chǎn)生了增量式PID算法。2.增量式PID控制算法：根據(jù)式（3.5）不難寫(xiě)出的表達(dá)式：（3.7）將式（3.5）和式（3.7）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為：（3.8）式中：稱(chēng)為比例增益；稱(chēng)為積分系數(shù)；稱(chēng)為微分系數(shù)。

PLC選擇與模塊連接PLC即為可編程控制器。它的設(shè)計(jì)首先被用來(lái)解決傳統(tǒng)的繼電器~接觸器系統(tǒng)之間存在的靈活性差、通用性差、功能局限等問(wèn)題。它從一問(wèn)世以來(lái)便在工控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)定型階段（1970~1980年）、普及與系列化階（1980~1990年）、高性能與小型化階段（1990~2000年）與當(dāng)前功能開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化階段，現(xiàn)在的PLC已經(jīng)具備了十分成熟的技術(shù)和穩(wěn)定的性能。4.1PLC控制系統(tǒng)PLC這種裝置的應(yīng)用十分普遍，并且擁有各種不同的控制系統(tǒng)，通常為下列幾種：1.集中控制系統(tǒng)：此類(lèi)系統(tǒng)通常是由一臺(tái)PLC以及多個(gè)與其制定I/O口相連接的控制對(duì)象組成，其示意圖如下圖4-1所示。由于PLC一對(duì)多就創(chuàng)造了一個(gè)“局域網(wǎng)”，每個(gè)被控對(duì)象之間只需通過(guò)連接的PLC即可完成信息傳遞以此來(lái)更高效的完成工作。這種系統(tǒng)更適合于多個(gè)被控對(duì)象之間距離相近，且可彼此相互協(xié)助或需要通信的情況。圖4-1集中控制系統(tǒng)2.分布式控制系統(tǒng)：此種系統(tǒng)通常擁有多臺(tái)PLC一對(duì)一控制被控對(duì)象，每個(gè)被控對(duì)象都需要經(jīng)常性的進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)傳遞，但是由于他們相距較遠(yuǎn)，所以需要PLC來(lái)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行彼此的信息傳遞完成較為復(fù)雜的系統(tǒng)工作，或者也可以由PLC或者計(jì)算機(jī)充當(dāng)?shù)纳衔粰C(jī)使用總線通信。這種系統(tǒng)更適合于多個(gè)獨(dú)立的被控對(duì)象的控制，其彼此之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。其示意圖如下圖4-2所示。圖4-2分布式控制系統(tǒng)3.遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)：此種系統(tǒng)中PLC的I/O口并不處于PLC上，而是放置在了與PLC一定距離的位置上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)端控制。其示意圖如下圖4-3所示，被控對(duì)象A、B、C屬于遠(yuǎn)程I/O通道，而被控對(duì)象M則屬于本地I/O通道。這種系統(tǒng)會(huì)受到所選PLC能夠驅(qū)動(dòng)的I/O通道數(shù)量、電纜長(zhǎng)度、以及被控對(duì)象的分散度限制。但是中央空調(diào)一般放置于一個(gè)室內(nèi)空間，其限制影響不大，所以本質(zhì)屬于集中控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)比較適合用于中央空調(diào)系統(tǒng)中。圖4-3遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)實(shí)際情況的考慮，本設(shè)計(jì)決定選用集中式控制系統(tǒng)，設(shè)定一個(gè)PLC，通過(guò)PLC對(duì)冷卻泵和冷凍泵的控制，來(lái)配合對(duì)各個(gè)房間的溫濕度進(jìn)行控制，并通過(guò)主機(jī)PLC將一些較為重要的數(shù)據(jù)送至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存或相應(yīng)的處理。4.2PLC設(shè)計(jì)與選擇表4.1FX2N—64MR電源類(lèi)型電源類(lèi)型AC電源型DC電源型額定電壓AC100～240VDC24V允許電壓范圍AC85～264V-30％～+20％額定頻率50/60Hz—電源熔斷器250V/5A250V/5A電源消耗60VA35W表4.2FX2N—64MR輸入規(guī)格項(xiàng)目DC輸入ACFX2N系列輸入信號(hào)電壓DC24V，-15％～+10％AC100～200V，-15％～+10％輸入信號(hào)電流輸入X0～X7：7mA/24V；輸入X10：5mA/24V6.2mA/AC110V,60Hz輸入ON電流輸入X0～X7：≥4.5A/24V；輸入X10：≥3.5mA/24V≥3.8mA輸入OFF電流≤1.5mA≤1.7mA輸入響應(yīng)時(shí)間一般輸入≈10ms；X0～X1：≥20μs；X2≥50μs20～30ms（無(wú)高速輸入）輸入信號(hào)形式接點(diǎn)輸入或NPN集電極開(kāi)路輸入接點(diǎn)輸入輸入隔離電路光電耦合光電耦合輸入顯示輸入ON時(shí)，指示燈（LED）亮輸入ON時(shí)，指示燈（LED）亮表4.3FX2N—64MR輸出規(guī)格項(xiàng)目繼電器輸出輸出電壓AC電源：≤250VDC電源：≤20V最大輸出電流電阻負(fù)載≤2A/點(diǎn)；≤8A/4點(diǎn)；≤8A/8點(diǎn)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載容量≤80VA/點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載功率≤100W/點(diǎn)輸出開(kāi)路漏電流——輸出最小負(fù)載2mA/DC5V輸出響應(yīng)≈10ms輸出隔離電路觸點(diǎn)機(jī)械式隔離輸出顯示輸出線圈ON時(shí)，指示燈（LED）亮4.3PLC供電系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)PLC的基本電源一般有AC100V/220V與DC24V兩種類(lèi)型。通常來(lái)講，在PLC采用AC100V/220V供電時(shí)，允許輸入電源電壓波動(dòng)范圍為-15%~+10%。PLC對(duì)外部交流電源的頻率要求較低，允許的頻率變化范圍為3Hz。PLC電源采用AC220V，可以從三相電源中的一相接出，取自三相電網(wǎng)的AC220V電源會(huì)有一些細(xì)小的干擾信號(hào)，因此將三相電源通過(guò)電源開(kāi)關(guān)接入隔離變壓器以達(dá)到隔離干擾信號(hào)的目的，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。本文選用的FX2N-64MR三菱PLC的供電電源是50Hz的220V交流電。出于對(duì)可靠性的考慮，供電電源采用交流220V電源供電并裝設(shè)有相應(yīng)的處理器件，具體接線如圖4-4所示。圖4-4PLC系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)取自電網(wǎng)的三相電源經(jīng)由隔離變壓器和交流穩(wěn)壓器，產(chǎn)生隔離干擾后的穩(wěn)定的220V交流電，其中隔離變壓器采用帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，容量為2000伏安。交流穩(wěn)壓器的容量也選定為2000伏安，它的出線端同PLC的電源模塊自帶的配電端子相連接，在圖4-4中以L1、N、PE表示，其中L1和N為交流220V的進(jìn)線端子，PE為系統(tǒng)的接地相，與機(jī)殼相連達(dá)到保護(hù)的作用。4.4PLC的I/O接口電路PLC會(huì)將外部的觸發(fā)的動(dòng)作或工作狀態(tài)等操作信息通過(guò)輸入口傳入到CPU中，通過(guò)設(shè)定好的程序進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果將由輸出接口輸出并進(jìn)行執(zhí)行。在PLC的I/O接口電路中，通常都會(huì)配有一些確保PLC在工作狀態(tài)中能夠?qū)⑿盘?hào)正確傳遞的電路，這種接口正是轉(zhuǎn)換信號(hào)電平的關(guān)鍵所在。發(fā)光二極管（LED）用來(lái)顯示某一路輸入輸出端子是否有信號(hào)輸入。1I/O接口模塊每個(gè)輸入端子都可以從輸入接口電路中的用戶(hù)設(shè)備接收單獨(dú)的信號(hào)，即外端設(shè)備可以是無(wú)源觸點(diǎn)或有源器件。有源輸入設(shè)備在PLC內(nèi)部電源容量足夠的情況下不需要使用外設(shè)電源。圖4-5PLC直流輸入單元原理圖在圖4-5中當(dāng)電路接通后，外部直流電壓會(huì)經(jīng)過(guò)分壓器（由兩個(gè)電阻構(gòu)成）并利用電阻R2和電容進(jìn)行濾波。由于外部信號(hào)無(wú)法被PLC內(nèi)部電路接收，需要將其光耦后轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，光電隔離器將PLC內(nèi)部電路與輸入電路相隔離。內(nèi)部電路接到來(lái)自光電隔離器輸入的信號(hào)后，表明開(kāi)關(guān)閉合的LED會(huì)發(fā)光。其中VD用來(lái)防止反向電流輸入。多種PLC均有適合不同負(fù)載需求的三類(lèi)輸出接口電路，它們能夠?qū)LC的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行過(guò)程需要的可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的開(kāi)關(guān)信號(hào)，并由LED來(lái)表明信號(hào)是否輸出。三類(lèi)輸出接口電路中（以下按照其響應(yīng)時(shí)間的快慢來(lái)排列），晶體管輸出可以驅(qū)動(dòng)5~30V直流負(fù)載，雙向晶閘管輸出可以驅(qū)動(dòng)85~240V交流負(fù)載，繼電器輸出能夠驅(qū)動(dòng)30V直流或者250V交流負(fù)載。PLC選擇電源模塊不但需要考慮其提供給自身的5.2V和24V直流電源供電的一般的借口和通訊模塊，還需要考慮其電源模塊的輸入功率、輸出電壓、連線以及擴(kuò)展單元中的電源模塊。PLC電源模塊需要在留有約三成余量的前提下，額定輸出功率仍需高于所有模塊總消耗功率。距離主機(jī)單元最遠(yuǎn)的擴(kuò)展單元的線路壓降小于0.25V的情況下，兩個(gè)單元可以被同一個(gè)電源模塊供電。系統(tǒng)電源的輸入電壓由PLC電源模塊的輸入電壓決定，但電源模塊能夠使用多種輸入電壓，所以在選擇輸入電壓時(shí)，我們需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。如果存在部分智能模塊和特殊模塊被安裝在擴(kuò)展單元中，那么就需要在擴(kuò)展單元中安裝相應(yīng)的按照各自供電范圍計(jì)算輸出功率的電源模塊。各個(gè)電源模塊選擇完畢后，需正確安裝連線。電源與接線端相連，總線插座與CPU相連，前者輸入電壓，后者輸出信號(hào)。2PLC接口及通訊模塊電源設(shè)計(jì)為保證控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行完成工作任務(wù)，需要嚴(yán)格的設(shè)計(jì)輸入輸出模塊與負(fù)載和現(xiàn)場(chǎng)傳感器之間的供電。本設(shè)計(jì)中采用DC24V作為PLC一般的接口和通訊模塊電源。如圖4-6所示：通過(guò)變壓器把來(lái)自電網(wǎng)的市電降壓得到低壓交流電，再通過(guò)整理濾波電路，三端穩(wěn)壓電源，最后與PLC一般的接口和通訊模塊相連接。圖4-6直流I/O模塊的供電模塊由于所需的直流電壓與直流模塊電源有很大差距，因此我們需要將220V的市電進(jìn)行降壓后將交流變直流，取得所需的24V直流電壓。這里采用了單向橋式整流電路，在圖中進(jìn)行了簡(jiǎn)化，它的具體內(nèi)部電路如圖4-7所示：圖4-7單相橋式整流電路濾波電路的接入可以減少電壓脈動(dòng)，消除交流分量對(duì)負(fù)載電路產(chǎn)生的影響，能夠平滑輸出電壓。為了達(dá)到良好的濾波效果，本設(shè)計(jì)采用了LC的型濾波，電容選定為400的電解電容。三端穩(wěn)壓器則選用型號(hào)為CW7824的固定式集成穩(wěn)壓器，輸出固定的正電壓大小為24V，最大電流為1.5A。設(shè)計(jì)中的電容C3大小選定為1可以有效避免電路發(fā)生自激振蕩；輸出電壓中的高頻噪聲可以用C4消除。在一些特殊的情況下，穩(wěn)壓器容易在電容C6由于輸入端斷開(kāi)從穩(wěn)壓器的輸入端放電而造成損壞，為了避免這個(gè)問(wèn)題在使用過(guò)程中在穩(wěn)壓器的輸入與輸出端接入了一個(gè)二極管來(lái)保護(hù)穩(wěn)壓器。4.5溫度控制模塊對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的基本要求是維持空調(diào)房間內(nèi)的空氣達(dá)到要求的空調(diào)參數(shù)，并且允許在微小范圍內(nèi)波動(dòng)[2]。由于空調(diào)需要對(duì)室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并以采集得到的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行智能控制，所以設(shè)計(jì)合理的溫度和濕度檢測(cè)以及控制系統(tǒng)是十分必要的。下面介紹了本設(shè)計(jì)中的溫度及濕度控制。為了便于實(shí)現(xiàn)模塊間的通訊功能，本設(shè)計(jì)中的溫度控制模塊采用了三菱PLC系列的特殊功能模塊FX2N-4AD-PT和FX2N-2DA。溫度控制的輸入轉(zhuǎn)換模塊采用前者FX2N-4AD-PT模塊。后者則是用來(lái)把PLC內(nèi)的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虮煌獠垦b置接收的信息，轉(zhuǎn)換的通道為2通道。1FX2N-4AD-PT的使用說(shuō)明關(guān)于FX2N-4AD-PT的各項(xiàng)指標(biāo)及使用說(shuō)明如下表：表4.4性能指標(biāo)項(xiàng)目攝氏度模擬輸入信號(hào)鉑溫度傳感器PT100(100?)，3線，4通道（CH1、CH2、CH3、CH4）傳感器電流1mA傳感器：100?PT補(bǔ)償范圍-100～+600攝氏度數(shù)字輸出-1000～6000最小可測(cè)溫度12位轉(zhuǎn)換11數(shù)據(jù)位+1符號(hào)位總精度0.2～0.3攝氏度轉(zhuǎn)換速度4通道15ms表4.5BFM分配BFM內(nèi)容#1～#4將被平均的CH1、CH2、CH3、CH4的平均溫度刻度值（1～4096）默認(rèn)值為8接上表#～#8CH1、CH2、CH3、CH4在0.1攝氏度單位下的平均溫度#9～#12CH1、CH2、CH3、CH4在0.1攝氏度單位下的當(dāng)前溫度#21～#27保留#28數(shù)字范圍錯(cuò)誤鎖存#29錯(cuò)誤狀態(tài)#30識(shí)別碼K2040#31保留表4.6電源指標(biāo)項(xiàng)目說(shuō)明模擬電路DC24（1±10%）V，50mA數(shù)字電路DC5V，30mA（源于主電源的內(nèi)部電源）

2FX2N-4AD-PT的工作原理圖4-8FX2N-4AD-PT工作原理框圖圖4-8中，模塊將PLC的基本單元與擴(kuò)展電纜相連接，并使用指令實(shí)現(xiàn)各模塊之間的控制指令傳送。四通道鉑電阻的信號(hào)由CH1~CH4四個(gè)點(diǎn)輸入，為轉(zhuǎn)變成12位數(shù)字量，選定的信號(hào)會(huì)根據(jù)需求經(jīng)由PLC通道選擇器進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，在經(jīng)過(guò)與模塊CPU之間采用的光電隔離措施后，被轉(zhuǎn)換的數(shù)字量會(huì)被進(jìn)村到緩沖存儲(chǔ)器中（BMP）中，PLC能夠用指令在BMP中讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)。3FX2N-4AD-PT接線本文中溫度模塊將同使用最為普遍的Pt100傳感器配套使用。這種傳感器通過(guò)測(cè)得鉑熱電阻阻值來(lái)反應(yīng)溫度的變化。為避免被其他電器干擾和電氣干擾，需要將Pt100的電纜作為輸入電纜用于模擬輸入接口處，并將FX2N-4AD-PT和FX2N主單元這兩者的接地端與外殼地線端子相接；為了提升金屬熱電阻Pt100的精度，采用三類(lèi)配線方式進(jìn)行降壓補(bǔ)償。來(lái)自溫度傳感器的出線分別連接到L+、L-以及I-，并通過(guò)電源模塊的DC24V給Pt100供電。模塊與Pt100、24V直流電源間的連接如下圖4-9：圖4-9模塊連接圖4FX2N-2DA的模塊連接作為PLC的模擬輸出模塊，它能夠用轉(zhuǎn)化而來(lái)的模擬量來(lái)控制外部設(shè)備。它的性能規(guī)格如下表4.7：表4.7FX2N-2DA的性能規(guī)格項(xiàng)目參數(shù)電壓輸出電流輸出輸出點(diǎn)數(shù)2通道輸出范圍DC0～10VDC0～5VDC4～20mA負(fù)載阻抗≥2k?≤500?數(shù)字輸入12位（4095）分辨率2.5mV（DC0～10V）1.25(DC0～5V)4μA(DC4～20mA)轉(zhuǎn)換精度±1%處理時(shí)間4mas/1通道調(diào)整偏移調(diào)節(jié)/增益調(diào)節(jié)（電位器調(diào)節(jié)）輸出隔離光電耦合（模擬電路和數(shù)字電路之間）占用I/O點(diǎn)數(shù)8點(diǎn)消耗電流24V/85mA，5V/20mA，需PLC供給編程指令FORM/TO本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)FX2N-2DA模塊來(lái)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水泵及冷凍水泵變頻器的控制，輸出的是0~10V電壓，輸出接口中V+連接變頻器的2端口即頻率設(shè)定接口，V-連接5端口即模擬信號(hào)公共端，下表中是溫差與變頻器和數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表4.8冷凍泵進(jìn)水與出水溫度差和變頻器輸出頻率及D/A數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系冷凍泵進(jìn)/出水溫度差變頻器輸出頻率D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字量0～1℃30Hz24001～1.5℃32.5Hz26001.5～2℃35Hz28002～2.5℃37.5Hz30002.5～3℃40Hz32003～3.5℃42.5Hz34003.5～4℃45Hz3600接上表4～4.5℃47.5Hz3800〉4.5℃50Hz40004.6濕度傳感器模塊高分子濕度傳感器由于濕度量程寬、響應(yīng)時(shí)問(wèn)短、濕滯回差小、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[12]。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度般是用高分子薄膜電容制成的，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比[12]。由于濕敏電阻的阻值不只會(huì)根據(jù)環(huán)境的相對(duì)濕度變化而變化，還會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度的不同發(fā)生變化[12]。這樣，就會(huì)產(chǎn)生不必要的誤差，因此在使用濕敏電阻時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償；而使用濕敏電容時(shí)，由于濕敏電容對(duì)溫度的響應(yīng)非常弱[14]不用對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而且，使用濕敏電容可以，可以制作成脈沖發(fā)生器，圖4-10是使用濕敏電容HS1101及時(shí)基芯片NE555制成的相對(duì)濕度傳感器THS1101，其工作原理如下：濕敏電容的工作狀態(tài)工作環(huán)境的濕度密不可分，其電容值會(huì)隨著周?chē)臐穸戎瞪仙龃?，但這兩者又會(huì)隨著脈沖發(fā)生器的輸出頻率的增高而減小。相對(duì)濕度傳感器THS1101的線性度非常好，在相對(duì)濕度在20%RH～80%RH范圍內(nèi)線性度較好，而兩端的線性度稍差一些。圖4-10THS1101相對(duì)濕度傳感器電路原理圖

變頻器與觸摸屏5.1變頻器變頻器是一種在現(xiàn)代控制中十分廣泛電力控制設(shè)備，它能夠?qū)㈦姍C(jī)利用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)來(lái)變動(dòng)其運(yùn)行時(shí)的電源頻率，這種變動(dòng)使得它達(dá)到控制交流電機(jī)的目的。變頻器可以將輸出電源的電壓和頻率利用其內(nèi)部的絕緣柵雙極型晶體管調(diào)控電機(jī)所需的電源電壓，以此來(lái)調(diào)速和節(jié)能。同時(shí)，它還具有多種電路保護(hù)功能。通常變頻器被接在電源輸入端（R、S、T）和電動(dòng)機(jī)輸入端（U、V、W）之間，實(shí)現(xiàn)變頻功能，其連接位置如下圖5-1。圖5-1變頻器在主電路中的位置變頻器一般含有多部分電路，例如用來(lái)將交流變直流的整流電路，控制主電路的控制電路，用來(lái)逆變的逆變電路，將整流后的直流電進(jìn)行平滑濾波的直流中間電路，其結(jié)構(gòu)圖如圖5-2所示。變頻器中主電路通常分為把電壓型和電流型兩類(lèi)。電壓型將直流變交流它們是將電源電力變換的部分。主電路由整流器、逆變器以及濾波回路三部分構(gòu)成。圖5-2變頻器結(jié)構(gòu)圖整流器：主要功能是可以將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，也可以在電線通電時(shí)產(chǎn)生干擾的情況下，用于消除干擾波確保繼電器接受正確信號(hào)。平波回路：經(jīng)過(guò)整流后的直流電壓或經(jīng)過(guò)逆變的交流電壓均會(huì)使電壓波動(dòng)，需要用到電感和電容將其抑制。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使六個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到三相交流輸出?？刂齐娐肥墙o異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它由頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。5.2變頻節(jié)能技術(shù)1變頻器的節(jié)能功能變頻技術(shù)就是將一個(gè)頻率可以隨著設(shè)備的需求而進(jìn)行變化的設(shè)備安裝在電網(wǎng)電源與交流電機(jī)中間，這就可以將電網(wǎng)電源的固定頻率變?yōu)榭勺冾l率，我們隨時(shí)可以獲取設(shè)備所需頻率。這項(xiàng)技術(shù)的用途十分廣泛，有諸多優(yōu)點(diǎn)。1.節(jié)省有功電能，如風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)變頻設(shè)備的有功功耗隨頻率大幅度的降低；2.節(jié)約峰值電能和無(wú)功電能；3.節(jié)約燃料，如火焰設(shè)備實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速與優(yōu)化控制可提高燃燒效率，從而降低能耗并減輕污染；4.節(jié)約原材料，如電磁設(shè)備的重量和體積隨頻率的算術(shù)平方根近似成反比減少；5.延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，如旋轉(zhuǎn)設(shè)備的易損件的使用壽命延長(zhǎng)。對(duì)于輸送泵系統(tǒng)采用變頻技術(shù)將取代因環(huán)境所造成的較高故障率的滑差電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及控制精度較差的各類(lèi)閥門(mén)控制方式。使系統(tǒng)節(jié)能20~40%，降低設(shè)備磨損，減少備品備件的投資，提高控制精度，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。在本設(shè)計(jì)中，由于中央空調(diào)系統(tǒng)的高能耗模塊主要集中在水循環(huán)系統(tǒng)，這里采用了變頻節(jié)能技術(shù)來(lái)控制循環(huán)泵，通過(guò)對(duì)水泵機(jī)組的變頻運(yùn)行實(shí)現(xiàn)變流量的控制目的，以達(dá)到良好的節(jié)能目的，而這些都是通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。變頻器作為一種常用的節(jié)能器件它具有以下幾種節(jié)能方式：變頻節(jié)能：變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)和水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大且大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿(mǎn)足要求。電動(dòng)機(jī)使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動(dòng)電流。作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3-5%）。2.功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能：無(wú)功功率不但增加線路損壞和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的有功功率降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備的使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，在使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。3.軟啟動(dòng)節(jié)能：電機(jī)硬啟動(dòng)時(shí)，電流會(huì)比額定高5-6倍，不但會(huì)影響電機(jī)的使用壽命而且會(huì)消耗較多的電量會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，并且會(huì)使設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板及閥門(mén)的損害極大，對(duì)設(shè)備、管道的使用壽命造成不利影響。在使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不會(huì)超過(guò)額定電流，這樣便減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門(mén)的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用在未進(jìn)行節(jié)能改造的電機(jī)設(shè)備匯總，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是固定不變，但在實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)要以較低或者較高的速度運(yùn)行，因此進(jìn)行變頻改造是十分有必要的。2變頻技術(shù)節(jié)能的理論依據(jù)中央空調(diào)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，它主要由制冷機(jī)組、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、水塔等組成。應(yīng)用交流變頻技術(shù)對(duì)中央空調(diào)末端風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷凍水以及冷卻水水泵、主機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等設(shè)備進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而使空調(diào)各子系統(tǒng)風(fēng)量、水流量等負(fù)荷工況參數(shù)按負(fù)荷情況得到適時(shí)調(diào)節(jié)，不但能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，改善空調(diào)的舒適性，更能節(jié)省大量電能，降低設(shè)備運(yùn)行成本，因此對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行變頻節(jié)能改造是降耗增效的一條捷徑。水泵電機(jī)的容量是按照最大熱交換的情況設(shè)計(jì)的，由于季節(jié)和晝夜變化不同及所開(kāi)空調(diào)數(shù)目的不同，實(shí)際熱交換量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，熱交換量的大小取決于冷卻水或冷凍水的流量，而水的流量取決于水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此合理調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到節(jié)能的目的。下面本文將闡述變頻技術(shù)節(jié)能的基本原理。首先交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：（5.1）式中為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，為異步電動(dòng)機(jī)的頻率，為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。從上式中可以得出如下結(jié)論：1.水流量與水泵電機(jī)功率成正比2.電機(jī)的軸功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比3.電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率成正比4.水泵揚(yáng)程與水流量的平方成正比那么不難看出調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié)頻率、轉(zhuǎn)差率和電機(jī)極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在中央空調(diào)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)差率以及極對(duì)數(shù)的調(diào)整難以實(shí)現(xiàn)且相對(duì)復(fù)雜，這樣對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)便顯得十分可行了。電機(jī)的耗電量決定于其輸出功率，輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比，而電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，即降低供電頻率，將會(huì)使輸出功率大幅度下降。在中央空調(diào)設(shè)備通過(guò)變頻器的調(diào)整使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)實(shí)際所需來(lái)合理的調(diào)節(jié)將會(huì)大大降低電機(jī)的功率，從而顯著降低能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。5.3變頻器的選擇本文采用了FR-F540-37K-CH型號(hào)的變頻器。它是一款采用了矢量控制技術(shù)、PWM原理和智能功率模塊（IPM）的高性能變頻器。其功率范圍為0.4~315KW，可以完成本設(shè)計(jì)中對(duì)水泵的變頻控制。具體接線方式如下：交流電源輸入端子R、S、T：經(jīng)接觸器或空氣開(kāi)關(guān)與三相交流電源連接；變頻器輸出端子U、V、W：連接三相異步電動(dòng)機(jī)；端子2、5、10：由這三個(gè)端子控制頻率設(shè)定電位器或相關(guān)信號(hào)?？刂苹芈范俗雍?jiǎn)介：正轉(zhuǎn)啟動(dòng)STR：STR信號(hào)為ON時(shí)便正轉(zhuǎn)，處于OFF時(shí)便停止；端子SD：SD是觸點(diǎn)輸入信號(hào)的公共端；端子SE：端子SE是變頻器輸出信號(hào)的公共端，通常選用正邏輯；RUN：變頻器運(yùn)行；MRS：MRS為ON時(shí)，變頻器輸出停止信號(hào)，MRS為OFF時(shí)，變頻器輸出停止信號(hào)復(fù)位。端子SD、SE和5為I/O公共端子，相互隔離，不可以將公共端子輕易的相互連接或接地，控制回路采用0.75mm2電纜接線。5.4變頻器參數(shù)設(shè)定根據(jù)控制要求三菱FR-F540變頻器主要參數(shù)及PLC的I/O分配表的設(shè)定如下：表5.1變頻器參數(shù)設(shè)定Pr.160:0允許所有參數(shù)的讀/寫(xiě)Pr.1:50.00變頻器的上限頻率為50HzPr.2:30.0030.00變頻器的下限頻率為30HzPr.7:15.0變頻器的加速時(shí)間為15SPr.8:7.0變頻器的減速時(shí)間為7SPr.9:65.00變頻器的電子熱保護(hù)為65APr.60:4智能模式選擇為節(jié)能模塊Pr.73:0設(shè)定端子2-5間的頻率設(shè)定為電壓信號(hào)0～10VPr