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暖通空调计算机控制系统设计
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内容提示：以沈阳建筑大学建筑环境第一实验室的空调试验系统为对象,设计了以PC机、PLC为核心的计算机分布式控制系统,并结合各种智能传感器和执行机构来实时的检测、调节空调系统的运行状态。保证空调系统正常运行,并在满足技术要求的前提下最有效的节约能源,提高经济效益。
（一）引言
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，计算机技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以计算机控制系统为基础的空调控制系统。（参考《建筑中文网》）
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。
（二）闭环控制系统的基本结构
整个调节系统采用的是闭环反馈控制，由传感器、调节器、执行器、调节对象组成。当传感器检测出被调节对象的参数θa后，与给定值θG进行比较得出偏差信号 e，然后再把偏差信号送入调节器中。调节器得到偏差信号后，根据其调节规律，自动输出调节信号 p 来控制执行器。执行器根据输入信号而动作，如控制调节阀开度，从而控制流过调节阀的介质流量，这样就实现了被控对象参数的自动调节。
本次实验室空调自动控制系统中，共有 4 个闭环控制环节，分别为：空调系统制冷量的闭环控制、空调系统供热量的闭环控制、实验房间空气温湿度的闭环控制、实验房间送风风速的闭环控制。
图 1 闭环控制原理图
（三）自动控制系统设计
1.控制系统组成原理图
图 2 为计算机分布式控制系统原理图。其上位机采用 PC机，与通信接口等组成中央控制设备。PC 机通过通信接口和RS-485 总线冷连接，实现上位机与制冷系统、供热系统、主/副空调机组控制器的正常通信。下位机控制器采用 PLC，其主要功能是读取现场数据、控制存储和解读用户逻辑、执行各种运算程序、输出运算结果、执行系统诊断程序、完成与中央控制主机和外部设备的通信。
图 2 空调系统计算机控制原理图
各种控制设备因有 PLC 作为下位机，可独立运行，完成各自的功能；各控制设备也可以在上位机的控制和协调下运行，实现预定的各种功能。由于各控制设备可以脱离上位机工作，上位机的故障影响面大大减小，系统运行更加安全、可靠。
2.空调系统冷源控制原理图
实验室空调系统的冷源由制冷系统提供，整个冷源系统由冷却塔、定压补水箱、冷冻水泵、冷却水泵，冷凝机组组成。其中冷冻水泵和冷却水泵都是一备一用。控制系统的现场监测和控制设备有下位机 PLC、冷冻水供/回温度传感器、冷却水供/回水温度压力传感器、水泵流量传感器、水泵压力传感器、变频控制箱、电磁阀等组成。其控制系统原理图如图 3 所示：
系统的监控原理如下：
（1）PLC 下位机对冷凝机组、冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔的运行状态、故障状态、手/自动状态反馈信号进行监测，并控制这些设备的启停，并能对故障进行报警。
（2）对冷却水供/回水温度、冷冻水供/回水温度进行监测保证其在正常范围。其中冷冻水供水温度的典型值为 7℃，冷冻水回水温度的典型值为 12℃，冷冻水供回水温差为 5℃，冷却水供水温度的典型值为 32℃，冷却水回水温度的典型值为 37℃，冷凝机组进出口温差和进水最低温度应按冷凝机组的具体要求确定。
图 3 空调系统冷源自动控制原理图
（3）监测冷冻水流量，再根据供回水温差计算空调系统的冷负荷，根据冷负荷的大小，通过变频调速装置调节冷冻水泵转速的快慢，实现节能的目的。其中水泵变频器运行频率上限值为 45Hz、下限值为 30Hz。
3.空调系统热源控制原理图
实验室空调系统的热源由供热系统提供，整个热源系统由蒸汽锅炉、补水定压箱、凝水箱、热水循环泵、补水泵、板式换热器组成。其中热水循环泵为一备一用。控制系统的现场监测和控制设备由下位机 PLC、热给/回水温度传感器、水泵流量传感器、水泵压力传感器、锅炉出口蒸汽压力传感器、锅炉出口蒸汽温度传感器、板式换热器冷介质出/入口温度传感器、板式换热器热介质出/入口温度传感器、电磁阀等组成。其控制系统原理图如图 4 所示：
系统的监控原理如下：
（1）PLC 下位机对蒸汽锅炉、热水循环泵、补水泵的运行状态、故障状态、手/自动状态反馈信号进行监测，并控制这些设备的启停，并能对故障进行报警。
（2）对热水的供、回水温度进行监测保证其在正常范围。锅炉输出饱和的蒸汽，经热交换后向空调机组提供温度较高的热水。回水温度反映了系统热负荷的大小，回水温度高，系统热负荷小，反之热负荷高。
（3）对板式换热器的运行参量、运行状态监测及控制，如：板式换热器一次侧蒸汽出/入口温度的检测，二次侧热给水出口温度的检测，二次侧热循环水入口温度的检测。
图 4 空调系统热源自动控制原理图
4.试验房间空调机组控制原理图
实验房间空调机组主要由新风阀、回风阀、排风阀、过滤器、冷/热盘管、送风机组成。控制系统中的现场设备由下位机 PLC、送/回风温度传感器、送/回风湿度传感器、送/回风风速传感器、送风管道静压传感器、回风二氧化碳传感器、防冻开关、压差传感器、风阀执行器、电磁阀等组成。其控制系统原理图如图 5 所示：
系统的监控原理如下：
（1）电动风阀与送风机回风机的连锁控制。当送风机、回风机关闭时，新风阀、回风阀、排风阀都关闭。新风阀和排风阀同步动作，与回风阀动作相反根据新风、回风及送风焓值的比较，调节新风阀和回风阀的开度。当风机启动时，新风阀打开；风机关闭时，新风阀关闭。
（2）当过滤网两侧压差超过设定值时，压差开关送出过滤网堵塞信号，并由监控工作站发出报警信号。
图 5 实验房间空调机组自动控制原理图
（3）送风温度传感器检测出实际送风温度，送往计算机与给定值进行比较，经计算机的计算后，输出相应的模拟信号，控制水阀的开度，直到实测温度非常逼近和等于设定温度。
（4）送风湿度传感器检测出实际送风湿度，送往计算机与给定值进行比较，经计算机的计算后，输出相应的模拟信号，调节加湿阀的开度，控制房间湿度达到设定值。
（5）由设定的时间表对风机启停进行控制，并自动对风机手动/自动状态、运行状态和故障状态进行监测；对送风机、回风机的启停进行顺序控制。
（四）结束语
本文设计了以 PC 机和 PLC 为核心的暖通空调计算机分布式控制系统，实现了制冷系统的自动控制、空热系统的自动控制、空调机组的自动控制，并使各子系统协调工作，节能减耗。并使得实验室暖通空调系统更加完善，方便了同学和老师今后进行实验。
【参考文献】
[1] 叶大法,杨国荣.变风量空调系统设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2007 年 12 月.
[2] 张少军.建筑智能化系统技术[M].北京:中国电力出版社,2006 年 10 月.
[3] 霍小平.中央空调自动控制系统设计[M].北京:中国电力出版社,2007 年 11 月.
[4] 电子工业部第十设计研究院主编.空气调节设计手册(第二版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005 年 10 月.
[5] 于海生.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,2006 年 5 月.
[6] 梁春生,智勇.中央空调变流量控制节能技术[M].北京:电子工业出版社,2005 年 6 月. 来源: 《建筑中文网》.
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，计算机技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以计算机控制系统为基础的空调控制系统。（参考《建筑中文网》）
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。
（二）闭环控制系统的基本结构
整个调节系统采用的是闭环反馈控制，由传感器、调节器、执行器、调节对象组成。当传感器检测出被调节对象的参数θa后，与给定值θG进行比较得出偏差信号 e，然后再把偏差信号送入调节器中。调节器得到偏差信号后，根据其调节规律，自动输出调节信号 p 来控制执行器。执行器根据输入信号而动作，如控制调节阀开度，从而控制流过调节阀的介质流量，这样就实现了被控对象参数的自动调节。
本次实验室空调自动控制系统中，共有 4 个闭环控制环节，分别为：空调系统制冷量的闭环控制、空调系统供热量的闭环控制、实验房间空气温湿度的闭环控制、实验房间送风风速的闭环控制。
图 1 闭环控制原理图
（三）自动控制系统设计
1.控制系统组成原理图
图 2 为计算机分布式控制系统原理图。其上位机采用 PC机，与通信接口等组成中央控制设备。PC 机通过通信接口和RS-485 总线冷连接，实现上位机与制冷系统、供热系统、主/副空调机组控制器的正常通信。下位机控制器采用 PLC，其主要功能是读取现场数据、控制存储和解读用户逻辑、执行各种运算程序、输出运算结果、执行系统诊断程序、完成与中央控制主机和外部设备的通信。
图 2 空调系统计算机控制原理图
各种控制设备因有 PLC 作为下位机，可独立运行，完成各自的功能；各控制设备也可以在上位机的控制和协调下运行，实现预定的各种功能。由于各控制设备可以脱离上位机工作，上位机的故障影响面大大减小，系统运行更加安全、可靠。
2.空调系统冷源控制原理图
实验室空调系统的冷源由制冷系统提供，整个冷源系统由冷却塔、定压补水箱、冷冻水泵、冷却水泵，冷凝机组组成。其中冷冻水泵和冷却水泵都是一备一用。控制系统的现场监测和控制设备有下位机 PLC、冷冻水供/回温度传感器、冷却水供/回水温度压力传感器、水泵流量传感器、水泵压力传感器、变频控制箱、电磁阀等组成。其控制系统原理图如图 3 所示：
系统的监控原理如下：
（1）PLC 下位机对冷凝机组、冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔的运行状态、故障状态、手/自动状态反馈信号进行监测，并控制这些设备的启停，并能对故障进行报警。
（2）对冷却水供/回水温度、冷冻水供/回水温度进行监测保证其在正常范围。其中冷冻水供水温度的典型值为 7℃，冷冻水回水温度的典型值为 12℃，冷冻水供回水温差为 5℃，冷却水供水温度的典型值为 32℃，冷却水回水温度的典型值为 37℃，冷凝机组进出口温差和进水最低温度应按冷凝机组的具体要求确定。
图 3 空调系统冷源自动控制原理图
（3）监测冷冻水流量，再根据供回水温差计算空调系统的冷负荷，根据冷负荷的大小，通过变频调速装置调节冷冻水泵转速的快慢，实现节能的目的。其中水泵变频器运行频率上限值为 45Hz、下限值为 30Hz。
3.空调系统热源控制原理图
实验室空调系统的热源由供热系统提供，整个热源系统由蒸汽锅炉、补水定压箱、凝水箱、热水循环泵、补水泵、板式换热器组成。其中热水循环泵为一备一用。控制系统的现场监测和控制设备由下位机 PLC、热给/回水温度传感器、水泵流量传感器、水泵压力传感器、锅炉出口蒸汽压力传感器、锅炉出口蒸汽温度传感器、板式换热器冷介质出/入口温度传感器、板式换热器热介质出/入口温度传感器、电磁阀等组成。其控制系统原理图如图 4 所示：
系统的监控原理如下：
（1）PLC 下位机对蒸汽锅炉、热水循环泵、补水泵的运行状态、故障状态、手/自动状态反馈信号进行监测，并控制这些设备的启停，并能对故障进行报警。
（2）对热水的供、回水温度进行监测保证其在正常范围。锅炉输出饱和的蒸汽，经热交换后向空调机组提供温度较高的热水。回水温度反映了系统热负荷的大小，回水温度高，系统热负荷小，反之热负荷高。
（3）对板式换热器的运行参量、运行状态监测及控制，如：板式换热器一次侧蒸汽出/入口温度的检测，二次侧热给水出口温度的检测，二次侧热循环水入口温度的检测。
图 4 空调系统热源自动控制原理图
4.试验房间空调机组控制原理图
实验房间空调机组主要由新风阀、回风阀、排风阀、过滤器、冷/热盘管、送风机组成。控制系统中的现场设备由下位机 PLC、送/回风温度传感器、送/回风湿度传感器、送/回风风速传感器、送风管道静压传感器、回风二氧化碳传感器、防冻开关、压差传感器、风阀执行器、电磁阀等组成。其控制系统原理图如图 5 所示：
系统的监控原理如下：
（1）电动风阀与送风机回风机的连锁控制。当送风机、回风机关闭时，新风阀、回风阀、排风阀都关闭。新风阀和排风阀同步动作，与回风阀动作相反根据新风、回风及送风焓值的比较，调节新风阀和回风阀的开度。当风机启动时，新风阀打开；风机关闭时，新风阀关闭。
（2）当过滤网两侧压差超过设定值时，压差开关送出过滤网堵塞信号，并由监控工作站发出报警信号。
图 5 实验房间空调机组自动控制原理图
（3）送风温度传感器检测出实际送风温度，送往计算机与给定值进行比较，经计算机的计算后，输出相应的模拟信号，控制水阀的开度，直到实测温度非常逼近和等于设定温度。
（4）送风湿度传感器检测出实际送风湿度，送往计算机与给定值进行比较，经计算机的计算后，输出相应的模拟信号，调节加湿阀的开度，控制房间湿度达到设定值。
（5）由设定的时间表对风机启停进行控制，并自动对风机手动/自动状态、运行状态和故障状态进行监测；对送风机、回风机的启停进行顺序控制。
（四）结束语
本文设计了以 PC 机和 PLC 为核心的暖通空调计算机分布式控制系统，实现了制冷系统的自动控制、空热系统的自动控制、空调机组的自动控制，并使各子系统协调工作，节能减耗。并使得实验室暖通空调系统更加完善，方便了同学和老师今后进行实验。
【参考文献】
[1] 叶大法,杨国荣.变风量空调系统设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2007 年 12 月.
[2] 张少军.建筑智能化系统技术[M].北京:中国电力出版社,2006 年 10 月.
[3] 霍小平.中央空调自动控制系统设计[M].北京:中国电力出版社,2007 年 11 月.
[4] 电子工业部第十设计研究院主编.空气调节设计手册(第二版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005 年 10 月.
[5] 于海生.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,2006 年 5 月.
[6] 梁春生,智勇.中央空调变流量控制节能技术[M].北京:电子工业出版社,2005 年 6 月. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201101/14678.htm
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