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1、硕士学位论文摘要本论文结合深圳市政府节能改造项目，设计了中央空调变频节能改造实施方案。中央空调系统通常由制冷主机、冷冻水系统、冷却水系统以及冷却塔、末端设备、新风补充风机等组成。目前的技术将变频器应用于水泵调速的经验为中央空调的变频节能提供有益的借鉴，本文对如何在保证供冷能力的前提下取得最佳的节能效果做了深入的研究。通过对中央空调的理论分析，验证了以出回水温差为根据对其进行变流量控制的可靠性。对变频控制系统进行了设计，为实现温度及耗电能的采集信号远距离传送，设计了基于R S4 8 5 总线通讯的网络。并介绍了监控软件的制作。关键字：中央空调，变频器，P L C，人机界面，R S 一4 8 5
2、串行通讯A B S T R A C TT h i St h e s i Sc o m b i n e st h eS h e n z h e nc i t yh a l lr e f o r m a t i o ni t e mine n e r g ye c o n o m y，g i v et h ec o n c r e t er e f o r m a t i o ni m p l e m e n tp r oj e c tf o rc e n t r a la i rc o n d i t i o nf r e q u e n c yc o n v e r s i o ne c o
3、n o m ye n e r g y C e n t e ra i r-c o n d i t i o ns y s t e mi sn o r m a l】Yc o m p o s e do fr e f r i g e r a t i o n，f r e e z i n gw a t e rs y s t e m，c o o i n gw a t e rs y s t e m，c o o li n gt o w e r-，t e r m i n a lf a c i1i t ya n df r e s hw i n de n g i n e A tp r e s e n tm o r ea
4、 n dm o r et r a n s d u c e rh a v eb e e na p p I l e di np u m p，i tc a n s a v eal o to fe l e c t r i C i t y S ot h i St h e s i Sd ot h et h o r o u g hr e s e a r c ht oo b t a i nt h eb e s te n e r g yc o n s e r v a t i o ne f f e c t。T h es t u d yb e g i nw i t ht h ea n a l y s i So ft
5、 h e o r ya b o u tc e n t r a la i r c o n d i t i o n e r W ef i n dt h a td i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ec a nr e f l e c tt h ec o o i n g1 0 a dm o r ee x a c t l y，S Oi ts h o u l db et h eb a s i so fc o n t r 0 1 W ed e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e ma g a i n s tc e n t r a
6、 la i r c o n d i t l o n e r，t or e a l i z et h er e m o t ec o m m u n i c a t i o n s D e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s eo nR S 一4 8 5 T h e ni n t r o d u c eh o wt od e s i g nt h ec o n t r o li n t e r f a c eo ft o u c hp a n e l K e yW o r d s：c e n t e ra i r-c o
7、 n d i t i o n，t r a n s d u c e r,P L C，m a n-m a c h i n ei n t e r f a c e，I t S 4 8 5S e r i a lB u sc o m m u n i c a t e长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文中央空调变频节能智能控制系统研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
8、作者签名：丑蚶星Q Q z 年卫月立上日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：吐生划圩星Q Q Z 年殳月立上日指导导师签名：罩雠塑年卫月立上日笛一童绪论1 1 本课题的研究背景及实际意义随着国民经济的发展和人民生活水平的同益提高，中央空调系统己广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写
9、字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造以实现节能、舒适的目的。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的6 0 以上，其中，仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的2 0 4 0，存在巨大的能源浪费。采用新技术降低系统能耗成为当务之急。传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交
10、换量需求选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时问罩，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空|j 重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多空调的经营管理者所关注的问题。故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系统成为当务之急。因而中央空调的节
11、能改造便成必然。本论文结合深圳市政府节能改造项目，对中央空调实施改造，达到能耗最低、使整个中央空调系统处于最佳运行状态。通过P L C 及人机界面与变频器的通讯应用，在中央监控室增装变频监控系统，这样值班人员就可在人机界面上直接设定频率值与启停各台变频器，能实时监控水泵风机电机实际工作电流、电压、频率的大小，并具有报警等功能。中央空调进行节能技术改造后，除具有全年平均节电率在3 0 以上的显著的节能效果外，由于节能系统采用一台变频器分别控制多台水泵的方案，每台水泵都是可以实现软启动；每台水泵可任意切换，既可以在工频状态下运行，也可以在变频状态下运行。系统根据冷却水流量需求，自动进行泵起停切换。
12、采用软启动，还大大降低对空调设备和电网的冲击，延长了中央空调的使用寿命。引入软启动，不会影响启动时的制冷效果，因为软启动时间仅为数秒即可完成，避免了启动瞬间的电流(该电流为4 7 倍工作电流)对电机和电网来的冲击，另外由于空调冷水系统的闭环控制和自动调节，还可大大改善空调的舒适性。系统采用温差闭环控制，使空调系统更具舒适性。节能系统具有短路、过流、接地等保护功能，提高系统的安全可靠性。1 2 中央空调控制系统的现状在将变频器用于中央空调控制系统改造之前，由于电机的转速无法方便调节，为了达到对空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量的控制，人们采用一些简单的传统方法，如用挡板调节风量，用阀
13、门来调节流量压力及选择开启台数等。还有种方法采用人工设定的钟控装置控制中央空调系统，使系统定时启动和定时关闭，这种方法与将水泵长时间全开相比有一定优势，但空调运行时的能耗并不会降低。这些控制方法不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能被挡板和阀门白白浪费。据统计，目前我国的中央空调中使用的风机、水泵大约有2 5 的能量是无谓消耗。这些对中央空调系统的控制方法主要存在以下问题：1)无法满足空调负荷变化的不均匀性。在中央空调设计过程中为保证能在大气温度摄高、需冷量最大的情况下满足使用要求，所以按最大负荷设计并有巧左右的富裕量圈，平时使用时并不能达到满负荷，所以存在较大裕度。现在的新型制冷主机可以根
14、据负载变化自动加载、卸载，而水泵的流量却不能随制冷风机而调节，必然存在很大的能量浪费：除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的，系统并不能做出相应的调节。2)水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，存在较大节流损失。不仅浪费大量电能，而且还可能造成空调运行大幅度偏离额定设计的情形，对系统设备带来不利的影响。3)通过水泵开启台数的控制，造成电机起停频繁，对设备长期安全运行带来不利影响。起动电流通常为额定值的5 倍左右，电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触点、空气形状触点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴
15、承，阀门等造成疲劳损伤。原国家经贸委于1 9 9 4 年下发了7 6 3 号文件关于加强风机、水泵节能改造的意见，鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用，使变频节能获得政策上的支持阁。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑2的速度调节，最佳的方法就是采用变频器调速，变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速进行调节的装置。采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高控制和调节的精度，从而方便地实现恒温空调系统和恒压供水系统。在近年来出现一些对中央空调系统实施变频改造的项目，取得不错的节能效果。而如何采用更先进的
16、控制方法实现系统更加节能而高效的运行值得进一步研究。设计优良的控制系统要能在各种供冷负荷条件下高效运行，水泵风机等的流量可以随着负荷变化而自动调节变化，用户侧室温保持稳定。而更重要的是能给投资者带来良好的投资回报。1 3 本课题的主要研究内容本课题是以中央空调变频改造项目为基础，经过部分改进，采用智能控制实现对冷冻水及冷却水的控制，对基于R S 一4 8 5 总线通信技术设计的控制系统进行了研究，设计了中央空调变频节能控制系统。研究工作的具体内容如下：1)对空调系统变频进行理论分析。验证了以出回水温差为依据对系统进行变流量控制的可靠性。2)由于无法建立精确模型，选择模糊控制，以温差及温差的变化
17、量作为模糊变量进行模糊化，对模糊控制应用于空调系统控制进行研究。3)对变频控制系统进行设计。实现工频变频切换和故障切换功能。4)设计了基于R S 一4 8 5 网络的智能控制系统，可将采集的出回水压力温度、室温、大气温度和系统耗电数据等信号通过网络送到主控系统，实现远距离传送。并完成了监控软件的设计。第二章中央空调变频改造设计2 1 中央空调系统变频的控制方式2 1 1 在水系统的变频调速方案中，可行的控制方式主要有两种：1 压差为主的控制方式即以制冷主机的出水压力和回水压力之问的压差作为控制依据，使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的压力，进行恒压差控制。如果压差低于规定下限值，电动机的转速将
18、不再下降。当压差较小，说明系统负荷不大，减小水泵的转速，压差上升：当压差较大，说明系统负荷较重，增加水泵的转速，压差下降。这样一来，既考虑到了系统负荷的因素，又改善了节能效果。2 温差为主的控制方式这种方式同样对压差进行检测，压差低于规定下限值，电动机的转速将不再下降，确保各楼层的管路具有足够的压力。但所不同的是非恒压差控制。以制冷主机的回水温度和出水温度之闻的温差信号为反馈信号，使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的低温，进行恒温差控制。当温差较小，说明系统负荷不大，减小水泵的转速，温差上升：当温差较大，说明系统负荷较重，增加水泵的转速，温差下降。不论使用何种调节方法，其流量调节的范围不应低于
19、系统的报警闲值。严格地说，排除冷冻水在传输途中的损失的话，制冷主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间带走的热量，相比压差更能反映系统供冷负荷，应该作为控制依据。因此决定在控制系统中采用温差为主的控制方式。制冷主机的出水温度一般较为稳定，一般为设定值，在7 卜I O O C。因此实际上，也可以只根据回水温度进行控制。2 1 2 以温差为主的控制方式的优点采用以温差为主的控制方式，非常适合对已有空调的变频改造。相比其他控制方式，无需在各支路增加电动二通调节阀，又能保证系统运行的可靠性。各支路并没有采用自主调节的电动二通阀门，阀门的开度还是根据初调节决定的。这样经过改造后的变流量系统，在泵进
20、行调速时，流量还是按照原先的比例进行分配。绝大多数情况下，各个房间的负荷急剧变化的情况很少出现，可以近似认为是相似工况，所以按照过去比例分配流量是可行的。采用这种控制方式将定流量系统改造为变流量系统有以下优点：I)改造费用低。可利用原有阀门，节省电动二通阀的费用，更重要的是没有改变管路的原有特性。在经过校核计算冷冻机最小流量的前提下，设定泵的转速的最小频率，不需要增加二次泵；42)施工难度低。不需要对系统进行大的改造，全部改造在机房内就可完成：3)运行管理和维修保养相对简便。由于改造涉及部分只有变频器、温度和压传感器等少数设备，并不增加管理人员的工作量。2 1 3 采用这种控制方式也需具备几个
21、基本条件：1)制冷机和水泵有多台，至少有一台可做备有的：2)系统的出回水温差大多数时间小于设计温差，末端设备多数时间在低速就可满足绝大多数工况：3)各个房间负荷快速变化的情况较少。由上述分析可知，以温差为主的控制方式是一种相对简便有效的变流量控制方式。而且由于电机的功率与频率或转速的三次方成正比，从理论上讲，在采用变频器之后，如果水系统的流量下降为水泵工频时的9 0，水泵电机功率只有工频时的7 3，能耗下降十分明显，因而变频改造之后有很大的节能潜力。以温差作为被调量，在设计上要考虑管路的传热时间延迟、房间存在的热惰性和末端设备的非线性，整个管网构成了复杂具有惯性、延迟、非线性系统，其控制上考虑
22、的因素比进行单纯的流量控制要复杂。在确定以温差为主的系统控制方式之后，研究如何根据温差对水泵频率进行控制，既保证供冷负荷，又是水泵频率尽量降低，实现节能的目的。2 1 4 变频控制系统要实现的目标有以下几点：1)负荷变化时冷冻水温度保持基本恒定。2)水泵能在系统负荷最大和最小时为所有盘管提供足够的供水压力。3)在满足供冷负荷情况下，冷冻和冷却水泵都能在尽可能低的转速下工作，保持运行能耗最小。4)制冷机组运行能耗随负荷的减少而减少。2 1 5 热负载分析在中央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是按建筑物的最大热负载设计选定的，留有比较多的余量，从而使设备在一年四季都固定在大流量下运行。但是由于
23、季节、气候、昼夜和用户负荷的变化，实际空调的热负荷在大部分时间都比设计要低。热负载率1 0 0、，I，l，l，t-，t，Il、12345 678 91 0111 2 月图2-1 热负载年变化图热负载率1 0 0 5 0 2 5，、，I，tft|，I，l，、，一，专70：4681 0l21 41 61 82 02 2 时图2-2 热负载日变化图图2-1、2-2 为某大厦的实际热负载变化情况，可见，与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比，一年中负载率低于5 0 的时间要占全部时间的一半以上。一般冷冻水设计温差为5 7，冷却水的设计温差为4 5，在系统冷冻泵和冷却水泵流量固定不变的情况下，温差并不稳
24、定。而且全年大部分时问温差仅为l 一3，即长期在低温差、大流量情6况下运行，不仅浪费了大量的电能，而且还造成大楼内空调冷暖不适的情形。一般空调水泵的耗电量约占空调系统总耗电量的2 0 一3 0，故节省低热负载时水泵的耗电量，具有很重要的意义。在中央空调系统冷却水泵和冷冻水泵中采用变频调速技术，实现循环水流量随热负载变化而自动调节，显示了很大的节能优越性。对于水泵而言，流量Q 与转速r l 的一次方成正比，温差T 与转速n的一次方成反比，扬程H 与转速n 的二次方成正比，而轴功率P 则与转速r l 的三次方成正比，即：Q“n，T a c l n，H“r 1 2。P“r 1 3(2 1)参看表2-
25、1。表2-1 转速、流量、温差、扬程、轴功率关系转速n()流量Q()温差T()扬程H()轴功率P()1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 09 09 01 1 08 17 2 98 08 01 2 56 45 1 27 07 01 4 34 93 4 36 06 01 6 73 62 1 65 05 02 0 02 51 2 5从上表数字中，可看出当实际气温较空调设计最高温度相差越大，节能效果就越明显，例如，晚秋(1 1 月初至次年4 月初)之间，应算在白天平均最高气温下，也仅运行在6 0 的负载，该期间全天2 4 小时平均负载仅为2 0 3 0，即节电率可达7 0 _-8 0 9
26、6，很显然，中央空调循环水采用变频调速实现变流量控制，节能效果十分显著，节电率通常都在4 0 以上(非2 4 小时运行)，当然，若在6 l O 月问，日气温在3 3 一3 5 以上时(主要时问在该日中午1 2：O O 一下午3：0 0 间)，设备几乎全频运行，即满负荷运行，此时节能系统是无法节能的。2 2 设计方案总述中央空调变频节能改造方案主要包括“中央空调水系统变流量控制系统”和“系统用能计量装置”两部分的工作。主要项目内容及设计方案如下：表2-2 主要T 程项目内容及设计方案改造采用技术产品产品数量及技术要求项目中央变流量控制系统设置2 台l l k W 变频控制系统，项目空变流量分别控
27、制1 台l l k W 冷冻泵。1 台l l k W 冷却泵；节电调同时通过中间继电器切换另2 台水泵处于变频水控制系统率为状况，也可通过中间继电器将变频状况切换为2 5 系工频状况。统对冷冻水泵(1 套)和冷却水泵(1 套)、制冷用主机(1 套)、冷却塔(1 套)，风柜(1 套)分项目能系统用能计量装别增加用电计量系统和制冷主机的冷量计量节电系置(含主供水管上1 套流量传感器和温度传感率为器)，共计6 套。计量内容：各个计量对象崩电统5 量的逐时统计值；空调主机负荷率和冷量逐时值：主机和水泵开机运行时问记录。中央空调循环水变流量控制系统，是将整个中央空调系统从节能、高效、环保、健康、安全、管
28、理等方面进行全面综合考虑，把科学的节能理念和方法与成熟的智能专家控制理论技术、网络通讯技术、检测技术、变频技术及其产品进行融合，形成了一个完整的节能与管理体系。该项目是一个具有模块化结构的智能体系。根掘用户需求，各子系统可以独立运行，也可以通过网络通讯技术将子系统灵活、简便地组合成各种功能齐全的完美系统。使用R S 一4 8 5 通讯控制仅通过一条通讯电缆连接就可以完成变频器的启动，停止，频率设定；并且很容易实现多电机之问的同步运行。该系统成本低，信号传输距离远，抗干扰性强。在P L C 软件中使各种功能的程序模块通过主程序有机的结合起来。P L C 程序主要解决现场电机的启动，切换程序，模拟
29、量处理，与触摸屏通信数据的处理功能等。2 3 中央空调水循环系统变流量控制系统设计设计目标：8(1)中央空调水循环变流控制系统，能自动跟踪负荷的变化，自动调节水泵转速及动态参数修正，以达到理想的节能效果。(2)系统能对中央空调的冷却循环水系统、能量计量系统实现参数集中监测、记录、统计和显示。(3)自动控制冷却水、冷冻水流量，确保中央空调主机的安全运行。(4)尽可能利用原有设备资源，优化施工线路，减少电气线路及水系统的更改工作量，缩短技术改造工期。表2-3 变流量控制系统主要技术参数适用电机2 2 K W 3 5 0 K W输入电源电压三相A C3 8 0 V 1 5 输出电压三相A CO V
30、3 8 0 V输入电源频率5 0 H z输出频率0H z 5 0 H z操作方式就地、远程、自动、手动控制方式温度、温差、压力P I D 闭环控制保护功能过压、欠压、过流、电流限幅、过热、电子热过载继电器、过压失速、外部故障、最小流量限制。工作环境温度一1 0+5 0 相对湿度9 0 9 6(2 0 无凝露)安装使用地点的海拔高度不超过1 0 0 0 M控制柜防护等级I P 2 0工频耐压2 0 0 0 V 1m i n外形尺寸(高宽X 深)8 0 0 6 0 0 X 2 2 0 0 m m2 4 1 冷冻泵项目中冷冻泵的变频控制信号取自蒸发器两端的温差，我们采用两个温度传感器(P T l 0
31、 0)、一个温差调节器与变频器组成温差闭环控制系统，对冷冻水的出水、回水的温差进行控制，使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。在温差调节器上设定上限报警输出信号，当末端负荷突变，温差达到6。C 时，将频率直接切换到5 0 H Z。使水泵输出加大到最大流量，以提高负载的跟踪速度。为保证主机的最小流量要求，设定变频器最低下限频率为3 5 H Z。既保证主机的最小流量为7 0。另外，为防止首次运行时温度交换不充分的缺陷，控制系统增加了首次起动全速运行功能，可使冷冻水系统充分交换一段时间(1 5 分钟)，9然后再根据冷冻回水温差对频率进行无级调速。图2 3 冷冻水变流鼍控制系统图2 4 2 冷却泵
32、项目中冷却水泵的变频控制信号取自冷凝器迸、出水温度差，当进、出水温差大于设定值时，频率无级上调(到上限频率)，当进、出水温差小于设定值时，频率无级下调(到下限频率)。进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小，变频器的输出频率越低。为保证主机的最小流量要求，设定变频器最低下限频率为3 5 H Z 并锁定，既保证最小流量为7 0。防止主机升温。检测冷凝器出水口温度，当温度超过3 7。C 时，将频率直接提升到5 0 H Z，加大冷却泵输出流量，以保障主机的安全运行需求。图2-4 冷却水变流餐控制系统图2 4 3 对中央空调模糊控制的研究由于冷冻泵系统采用变频器控制冷冻泵的转速以实现最
33、大限度的节能运行，因而该系统的输出是可以连续调节的。如何确定冷冻泵的运行的频率是一个需要解决的问题，因为我们无法建立冷冻泵子系统精确的数学模型，所以，冷冻泵系统拟采用先进的模糊逻辑方法。首先对系统进行定量的分析。正常运行时，制冷机出回水温差可以反映各个房间当前冷负荷的实际需求量，出水温度基本恒定，回水温度越高，热能交换越多，说明实际需求量越大：回水温度越低，热能交换越少，说明实际需求量越小。然而冷冻水回水温度差与冷冻泵转速有一定的联系，比如，在其它条件(外界温度、冷冻出水温度、制冷机组工况等，由于影响因素太多，无法详细罗列全部的条件)相同的情况下，回水温度较低，表明输送额定水量大，管道冷冻水流
34、速高，导致单位冷冻水量热能交换较少，因而可以推出冷冻泵转速较高，可降低些：反之亦然。冷冻泵的转速是控制器的控制输出量，所以冷冻泵的转速是各个房间实际冷负荷量的反映。所以，对于冷冻水泵系统，在保证最高层有充足的冷冻水的前提下，调节冷冻泵转速，使冷冻进出水温度差满足要求即可。通常冷冻进出水温度差设置范围在5 8 C。根据模糊控制器中控制规则和参数对控制效果的影响，可以设计一种模糊参控制器。冷冻出回水温差T 和两个相临的控制周期的温差之差值D T 为控制器的二维输入量，经过模糊化、模糊推理机和反模糊化用于整定水泵的频率输出。1 相关模糊变量1)根据水泵的技术参数，将冷冻水泵当前冷冻出回水温差T 的模
35、糊集以设定值为中心分成含义为负大、负小、零、正小和正大五个模糊子集，分别用N B，N s，o K，P s，P B 表示。“负大”表示当前温差的值大大小于设定温差值，“零”表示当前温差与设定值几乎相等，而“正大”则表示当 狩温度差值远远大于设定温差值。2)由于冷冻出回水温度差是有波动的量，其变化不是非常快，再加上本系统的大时滞性，所以确定其控制周期时，可以先定在五秒至一分钟级水平，最后的确定应在现场调试过程中。本系统可取冷冻进出水温差的5 为分割点，将两个相临的控制周期的温差之间的差值T(当前温差减上一个周期的温差)作为被控量的变化率，以零为中心分成含义为负高、负低、零、正低和正高五个模糊子集，
36、分别用N H，N L，0 K，P L，P H表示。2 论域与隶属度函数赫P j l 诣啦撼蓐傩!i 冷一谢YX卜j 心N j。l I P 2 j)罐蛙穰精 是i j j 厂一姒YV图2-5 温差与温差变化率的隶属函数对于上述的两个输入量，均采用三角形模糊化方法，其中冷冻出回水温差T 的论域可以额定值的左右5 0 确定，相临的模糊数在隶属函数值等于0 5 处相交：同理将出回水温差的变化值T 的论域定义在以额定值的5 为分割点的左右两边，如图2 3 所示。3 建立模糊推理规则根据对水泵频率变化对系统供冷能力的影响，可确定以下推理原则：(1)当实际温差T 偏离设定值较多，应加大频率的变化值，加快系统
37、的响应速度，使其较快的接近设定值。实际温差大于设定值，应增大频率；实际温差小于设定值，应减小频率；(2)温差的变化值T 大于0，说明温差在增大：D T 小于O，说明温差在减小。当实际温差T 大于设定值，如温差的变化值T 大于。越多，说明实际温差T 加速远离设定值，越来越不能满足负荷需求，应尽可能加大水泵频率，使T 和T 都减小：如温差的变化值T 小于0 越多，说明实际温差T 接近设定值越快，应保持水泵频率。当实际温差T 小于设定值，如温差的变化值T 小于。越多，说明实际温差T 加速远离设定值，浪费能耗越来越多，应尽可能减小水泵频率，使T 和T 都增大：如温差的变化值T 大于。越多，说明实际温差
38、T 接近设定值越快，应保持水泵频率。1 2表2-4 模糊推理规则添嫠N BN S0 KP sP B溢茇变化N H4 0 j-t 0 5+O 3诣。lON L卅 5十o 3+o 1O_ 0 1O K+O 3 t O。100|地3P Ls O 1O峨l_ o 3-0 5l HO国。l-0 3o 5-0 5由上述原则，可分别建立如表2-4 的水泵频率改变值的模糊推理规则，表中I 日J 的数值表示冷冻水泵频率变化的方向和大小。具体参数应根据现场调试情况调整表中参数。4 反模糊化模糊推理是基于规则的，反模糊化过程采用加权平均法进行。5 频率输出变化值由前面建立的隶属度函数及模糊控制规则表，每一个控制周期
39、的变频器频率输出变化计算公式如下：5，A f=材御)封(掣)7。1j d(2 2)式中：簦(只)表示温差属于第i 个模糊子集的隶属度，誓(巧)表示温差变化率属于第J 个模糊子集的隶属度，u 表示模糊规则表中第i 行第J列的值。对冷却水的模糊控制研究，具体模糊控制方法与冷冻泵控制方法相似，这里不再赘述。实现设定值的自动调节由前面的分析可知，系统的冷负荷随着昼夜和季节的不同、大气环境的变化有很大的差异，室温等因素也会产生较大的影响。即使空调系统的水泵、风机等以同样转速等情况运行，其实际出回水温差也变化很大。因此随环境因素实时的修改设置参数，可更加节能。对冷冻水冷却水的控制都是根据出回水温差。温差的
40、设定值虽可在一定范围内修改，但无法自动调节。在室温较低时，系统供冷负荷较低，所需冷冻水流量较低，由于流量与出回水温差成反比，将温差的设定值调高一些仍可来满足负荷：而在室温较高时，系统供冷负荷较高，所需冷冻水流量较高，就要将温差的设定值调高来满足负荷。这样，既考虑了供冷负荷，又更加节能。因此我们可建立表2-5 所示的温差查询表，将查询表存放在P L C 的存储器中，并编制一个查找查询表的子程序，在实际控制过程中，根据监测的室温使系统自动调整温差设定值。表2-5 冷冻水系统温差查询表寰滠1 9 以下1 9-2 3 2 3 五6 2 6 以t设定滠魔g了65由于供冷房间很多，可选取有代表性的地方如供
41、冷负荷最大的几个房间，取室温和设定温度的平均值。采用类似的方法，可为冷却水系统建立查询表。冷却泵以冷却水出回水温差为根据来控制运转频率，而出回水温差会受到外界条件影响。2 4 技术实施2 4 1 冷冻水泵、冷却水泵变流量控制系统表2-6 主要设备配置序泵类别数量电动机功率变频器变频器号(台)(k W)数量(台)功率(k W)1冷冻泵3l l1l l2冷却泵31 111 1冷冻泵、冷却泵各由一台R F N l l P l l S 一4 C X 富士变频器控制，可以分别驱动三台1 1 K W 冷冻泵和三台1 1 K W 冷却泵为变频运行方式；也可以通过继电器将三台1 1 K W 冷冻泵和三台l l
42、 K W 冷却泵切换到工频运行方式。2 4 2 改造方式：1 4在改造设计、施工中，原冷冻泵和冷却泵的工频线路保留并基本不做变动，只增加变频控制与工变频切换回路。图2-6 冷冻水泵、冷却水泵变流量控制系统主回路系统图K 章t 品并，t 毒第三章用能计量系统设计本系统主要是将主机、冷冻泵、冷却泵、水塔风机、末端风柜的电能和系统冷量的数量采集到工控机上，然后由工控主机对有关数掘进行处理(运算、统计、存储、输出显示)，处理后再通过触摸屏直接显示，同时，系统也可随时由用户直接通过点击触摸屏上的菜单完成输入，进行查询、系统参数优化设置等操作。系统由下层检测仪表进行参数测量，有电子式电能表、温度测试仪及其
43、接口模块，这些仪表均带R S 4 8 5 接口，然后，由触摸屏强大的通讯及接口管理功能实现各仪表的数据采集并直接通过其自身的R S 一4 8 5 接口将采集回的数据上传到上位主机(工控机)，最后由工控机和已设计好的组态软件完成各种数据处理操作。由工控主机对有关数据进行处理(运算、统计、存储、输出显示)，处理后再通过触摸屏直接显示，同时，系统也可随时由用户直接通过点击触摸屏上的菜单完成输入，进行查询、系统参数优化设置等操作。图3-I 用能计量系统图3 1 系统主要设备及实现功能系统组态共分为：检测装置(内置网络装置)、数据采集装置、数据处理和存储装置及对应的软件。检测装置共有：富士人机界面(P
44、o D)、富士P L C(I O 检测)、电子式电能表。1 61、P L C 作为控制单元，是整个系统的控制核心，选用富士F L E X P cN 系列。特点是不受安装场所限制的小尺寸P C。最适合于节省控制柜的空间大容量内存，搭载大容量的4 K 步(2 0 3 0 点基本单元)、8 K 步(4 0 6 0点基本单元)。数据容量也为9 K 字大容量。是具有充足余量的可编程序控制器。可进行R U N 时程序写入，进行程序变更时不需要停机。利用其通讯指令编好程序，下载到P L C，然后将它与变频器的R s 一4 8 5 串行通讯接口相连接，就可实现与变频器的实时通讯。2、电能表，有功双向、正弦式无
45、功四象限分时电能计量，具有标准R S 4 8 5接口，可远传所有记录的电能量数据和失压记录数据。通讯协议和数据结构符合D L T 6 4 5-1 9 9 7 标准。可任选手持电脑红外方式、R S 4 8 5 接口、国际标准I C 卡等方式设置参数。采用多种硬件、软件抗干扰措施，保证在交流电源和内部备用电源均失压的情况下不丢失任何数据。3、人机界面，采用具有网络数据采集功能的日本富士可编程操作人机界面U G 3 3 0 H V H，既可实现各检测装置的数据采集、存储、计算功能，又可实现人机对话，操作直观，简洁、方便。通过触摸屏可以实时显示电机等的工作情况以及各种故障信息，还可以通过触摸屏对P L
46、 C 进行在线控制。采用具有网络数据采集功能的可编程操作人机界面，既可实现各检测装置的数据采集、存储、计算功能，又可实现人机对话，操作直观、简洁、方便。通过仪表箱面板上的人机界面可以随时显示主机瞬时冷量值、累计冷量值、流量、温差等数据。主机安装一块多功能电度表，用来记录和显示有功电度和电流(负载)。通过触摸屏可以显示各台水泵和主机的开停机时间。3 2 设备间通信3 2 1 系统的硬件组成与连接富士可编程控制器需要通过连接通信适配器与带有R S-2 3 2 C R S 一4 8 5接口的外部设备相连，进行数据的接受和发送。另外，为了接收、发送数据，可编程控制器一侧必须编写通信程序。3 2 2R
47、S 4 8 5 和其它总线网络的比较工业网络归结为三类：R S 4 8 5 网络、H A R T 网络和现场总线网络。H A R T 网络：H A R T 是由现在的艾默生提出一个过度性总线标准，他主要是在4 2 0 毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用B E L L 2 0 2 频移键控1 7技术，以实现部分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准，要加入他的基金会才能拿到协议。现场总线网络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，但是现在的现场总线的各种标准并行存在并且都有自己的生存领域，还没有形成真正统一的标准。R S 4 8 5 网
48、络：R S 4 8 5 M O D B U S 是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便，而且现在支持R S 4 8 5 的仪表又很多。3 2 3R s 一4 8 5 通信R S-2 3 2、R S 一4 2 2 与R s 一4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会(E I A)制订并发布的，为改进R S 一2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，R S 一4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到l O M b s，传输距离延长到4 0 0 0 英尺(速率低于l O O k b s 时)，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器。R S-4 2 2 是一种
49、单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。为扩展应用范围，E I A 又在R S-4 2 2 基础上制定了R S 一4 8 5标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。表3-1R S 一2 3 2 C R S-4 8 5 通信规格比较项目R S 一2 3 2 CR S 一4 8 5同步方式起止同步方式传输速度(b p s)1 2 0 0 2 4 0 0 4 8 0 0 9 6 0 0 1 9 2 0 0 3 8 4 0 0传输距离1 5 m 以内l k m 以内连接台数1：1l：3 1(最多)连接方式D-s
50、u b9 针连接器欧式装卸端子台，5 极传输代码二进制(没有代码变换)或A S C I I(带有代码变换)E B C D I C(带有代码变换)错误控制硬件垂直奇偶(奇偶位)、成帧、超限错误软件水平奇偶(B C C)位送出顺序从低位开始送出1 次可收发的数掘长度最大5 1 2 个字节起始码无i 一5 个字节结束码i-5 个字节字符结构开始位：l(固定)数据位：7 或8奇偶位：无奇数偶数停止位：1 或2】8R S 一2 3 2 C R S 一4 8 5 通信适配器连接在P L C 基本单元上，与带有R S 一2 3 2 C R S-4 8 5 接口的设备进行通信。根据使用情况可通过参数设定选择下