毕业设计(论文)-PLC定风量空调系统设计.doc
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1、空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与自动化电气工程与自动化 2 班班 第三组第三组1 目录目录 摘要摘要 .3 第一章第一章 绪论绪论 .4 1.1 空调系统研究背景4 1.2 国内外空调研究发展及现状4 1.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展4 1.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展6 1.3 本论文做的主要工作7 第二章第二章 空调控制系统的原理及构成空调控制系统的原理及构成 .8 2.1 空调系统的原理8 2.2 中央空调系统的控制功能和要求10 2.2.1 空气温度调节系统10 2.2.2 空气湿度调节系统11 2.2.3 空调控制系统的要求13 2.3
2、空调监控系统的构成14 第三章第三章 CAV 空调的系统的的原理空调的系统的的原理.16 3.1 定风量系统运行参数与状态监控点版/位及常用传感器,电气控制一、二次接线图和原理图设计.16 3.1.1 定风量空调机组运行参数与状态监控点位及常用传感器.17 3.1.2 状态监控点表.18 3.2 定风量空调系统原理19 3.3 电器接线图 20 3.4 系统连锁控制22 3.4.1 系统连锁控制.22 3.4.2 风量系统运行与调节控制.23 3.4.3 定风量系统连锁控制流程图.24 3.5 PID24 空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与自动化电气工程与自动化 2 班班 第三组
3、第三组2 第四章第四章 监控设计监控设计28 4.1 硬件设计 28 4.2 主站程序设计 28 4.3 从站程序设计 29 4.4 上位机监控程序设计 29 4.4.1 PLC 工作原理.29 4.4.2 组态王工作原理.31 (2) 组态王与 PLC 连接31 (3)变量定义32 4.5 主站和从站之间的通讯 36 4.5.1 主站和上位机之间的通讯.36 4.5.2 主站和温湿度仪表之间的通讯.36 第五章第五章 结束语结束语 .37 第六章第六章 心得体会心得体会 .37 第七章第七章 参考文献参考文献 .38 成员列表成员列表 .39 空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与
4、自动化电气工程与自动化 2 班班 第三组第三组3 摘要摘要 随着人们生活水平的不断提高,智能建筑得到了迅猛发展,并已成为 21 世纪建筑业 的发展主流。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,因此对空调系统的研究十分必要。 本课题的任务是在研究空调系统的数学模型基础上,设计空调系统的控制方案,并 对空调温度控制系统进行仿真研究。 文章在介绍了空调系统的原理之后,通过热力学和传热学的知识,利用机理法建立 被控对象即空调房间在定风量系统下的数学模型,求出了空调房间的传递函数,并给出 了传递函数中各参数的确定方法。 文章介绍了过程控制系统中
5、常用的 PID 控制,采用西门子 S7 系列 PLC 作为现场控 制器, 利用 W in cc6. 0 组态软件实现基于 PR O FIBU S- D P 现场总线技术的某空调 监控系统。实践证明: 该系统技术先进、运行稳定、人机界面友好、系统扩充性能强, 全面提高了工程内部维护管理水平。 关键词关键词: : 空调监控系统空调监控系统; ; 可编程控制器可编程控制器; ; W W inin cc6.cc6. 0 0 ; ; PRPR O O FIBUFIBU S-S- D D P P 总线总线 空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与自动化电气工程与自动化 2 班班 第三组第三组4 第
6、一章第一章 绪论绪论 1.11.1 空调系统研究背景空调系统研究背景 随着人们生活水平的不断提高,智能建筑得到了迅猛发展,并已成为 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
7、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。 PROFIBUS - DP 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,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
8、能 PID 控制应用会越来越广泛。 1.21.2 国内外空调研究发展及现状国内外空调研究发展及现状 本文从两个方面研究空调系统,一是从空调系统的数学模型方面,二是从空调系统 的控制方案方面。 1.2.11.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展空调系统建模方面的国内外研究状况及发展 要研究一个系统,必须知道这个系统的模型。系统模型是研究和掌握系统运动规律 的有力工具,它是认识、分析、设计、预测、控制实际系统的基础,也是解决系统工程 问题不可缺少的技术手段。因此,建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首 空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与自动化电气工程与自动化 2 班
9、班 第三组第三组5 要任务。实践中有两类基本方法可以获得系统的数学模型,一种是理论的方法,即应用 系统所遵循的物理定律进行理论推导,称为数学建模;另一类是实验方法,即分析实验 数据,找出系统中各物理量之间的关系,成为系统辨识。建立一个满足需要的系统模型, 没有普遍的方法可循,因为不同的过程或系统都有各自的特点。 此外,良好控制器的设计和控制参数的调节也有赖于系统的数学模型。所以近年来 国内外的学者也都热衷于建立空调系统的模型。 早在 1985 年美国学者 ClarkDR 等就已经在 ASHRAE 上发表文章,建立了送风管道的 数学模型。由于当时此项工作刚处于起步阶段,他建立的数学模型是在非常理
10、想的条件 下推导的,而且最后建立的送风管道的数学模型就是一个纯滞后环节,这一结论对我们 现在的工作仍有一定的指导意义。而且更重要的意义是他引起了人们对空调系统建模的 关注。1900 年 Underwood 和 Crawford 合作,依据非线性控制理论的发展,在大量实验的 基础上提出了水加热器的数学模型,该模型是以热水加热器中热水的流速为输入量,以 加热器出口处空气的温度为输出量的。同一时期,Maxwell 也在实验的基础上获得了冷却 器的模型。Len R. Glicksman 在 1997 年给出了家用空调房间的模型,房间送风采用典型 的侧面送风,并且用随机信号模拟房间内人员变化情况对控制系
11、统的干扰,这一点对我 们研究空调控制系统很有启发。随着控制系统的发展,空调系统的建模越来越细化。由 于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同,所以国外对 空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统,但是他们建模的一些方法及思想 对我们研究空调系统很有价值。 国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在 1999 年通过分析空调系统各个环节的热力学特性,用 RC 模型代替空调系统各个环节的模型, 此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在 2002 年通过对空调房间的热 力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。随着控制系统的发
12、展,人们开始 关注基于现代智能控制理论的各环节模型,北京机械工业学院的刘元威在 2003 年利用三 层前馈人工神经网络,结合传统的表冷器模型,建立了基于人工神经网络的表冷器模型。 同济大学孟华老师在 2004 年从热力学和传热传质的基本原理出发,以 TANSYS 为仿真平 台,建立了表冷器的数学模型。李绍勇则针对广义预测控制,推导了空调房间的 CARIMA 模型(受控的自回归积分滑动平均模型)。 空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与自动化电气工程与自动化 2 班班 第三组第三组6 1.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展空调控制系统国内外研究现状及发展 伴随着计算机控制技术的发
13、展,世界上 HVAC-供热通风与空调工程(Heating Ventilation and Air Conditioning)系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制 系统,六十年代改进为电动单元组合仪表,七十年代采用小型专用微型计算机进行集中 式控制系统。直到 1984 年,美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦 的出现,标志着智能建筑时代的开始。集散式(即集中管理,分散控制)自控系统,目 前技术趋于成熟,主要技术特征是采用了 DDC(Direct Digital Control) 。 作为控制系统中的主要单元控制器,目前国内外主要采用的是常规 PID 控制,因其 控制简单、实
14、用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便,并且具有一定的鲁棒 性-系统的健壮性,在空气调节中的应用比较广泛。1982 年 Shavit 和 Brandt 等对由控 制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984 年 Brandt 和 Shavit 对 PID 控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995 年 Kalman 等人将 PID 控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节,以实现制冷去湿,并建立了系统的数学模型 以及 PID 算法的三个参数的解析整定方法,同时给出了系统的两种控制策略。实际上, 现在大多数空调系统都是采用 PID 控制。虽然 PID 控制在空气
15、调节中广泛使用,但是由 于 PID 算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调 好参数的 PID 控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差, 甚至不稳定。再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系,研究者们又 转向其他高级控制方法,如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。 智能控制与传统的 PID 控制相比,它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型, 同时具有自寻优特点,并且在整个控制过程中,计算机在线获取信息和实时处理并给出 控制决策,通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式,以获取整体最优控制性 能。由于空调系统是一
16、个大滞后、多干扰、大惯性的系统,获取它的精确模型很困难, 所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985 年日本“三菱重工”就开发出了 以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的 Albert.P.SO 等人于 1994 年开发出空 调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。同年,香港的 S.Huang 和美国的 Nelso 对基于规则 的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究,给出了建立和校正模糊控制规则的策 略,并分析了控制器的多阶继电器特性。1999 年 Kasahara 等设计了自适应 PID 控制器, 空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与自动化电气工程与自动化 2 班班
17、第三组第三组7 此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。Ghiaus 则证明了热交换过程这一非线性 过程可以用模糊控制来较好的实现,并且可以克服 PID 控制过程出现的超调。国内学者 对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器 在中央空调温度控制系统中的应用,该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因 子对系统的影响后,采用了在输入的比例因子后加权因子的方法,优化了控制效果。同 时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。李志浩采用空 调负荷预测作为优化控制的手段,张韬等对自回归法在空调系统中的应用进行了分析和 研究,并在此基础上就如何
18、提高预测算法的准确性和实用性提出了一些想法,该方法可 以实现空调系统的在线识别和预测。但其预测结果精度还不太理想,所以还有待改进。 综上可知,智能控制是今后控制界发展的必然趋势,随着计算机技术和智能控制理 论的发展,智能 PID 控制必将在空调系统中得到广泛的应用。 1.31.3 本论文做的主要工作本论文做的主要工作 本论文以空调系统为研究对象,主要做了以下工作: (1)深入学习集中式空调系统的各个环节,掌握各种空调系统原理和空调的控制要 求及性能指标,同时讨论了空调监控系统组态软件的设计方法。 (2)通过热力学和传热学的知识,利用基理法建立空调房间的数学模型,并对空调 房间的特性参数进行了估
19、算。同时建立了表冷器和系统其他环节的数学模型。为控制方 案的确定和控制参数调整奠定了基础。 (3)利用单回路闭环控制系统实现空调房间的温度控制,利用工程整定法整定 PID 控制器参数,使系统取得良好的控制效果,利用 STEP7 仿真软件仿真控制效果。并且用 信号发生器产生特定的干扰信号模拟空调房间内人员进出的干扰情况,仿真系统有受干 扰时的响应特性。 空调机组自动控制空调机组自动控制 - 电气工程与自动化电气工程与自动化 2 班班 第三组第三组8 第二章第二章 空调控制系统的原理及构成空调控制系统的原理及构成 2.12.1 空调系统的原理空调系统的原理 要讨论空调控制技术,就必须对控制对象即空
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