中央空调自动控制系统设计终结版.docx
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中央空调自动控制系统设计终结版
一、空气—水系统中央空调机组概述
本中央空调自动控制系统设计对象是200m2的CSC餐厅的空气—水中央空调机组，其系统简图如图1，餐厅人流量高峰时期约为220人，闲时约为30人（包括餐厅工作人员）。
中央空调机组由往复式压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、风机盘管等组成。
图11
控制要求：
季节
温度（℃）
相对湿度（%）
空气流速（m/s）
夏季
26~27
50~60
0.2~0.5
冬季
18~22
40~50
0.15~0.3
餐厅冷热负荷：
夏季：
满负荷时，按餐厅单位面积估算法进行简单计算（按照350W/m2），即：
350W/m2×200m2=70000W=70kW。
闲时扣除190人所需冷负荷（116.3W/人），即：
70000W—116.3W/人×190人=47903W≈48kW
冬季：
利用面积估算法计算（120W/m2），即：
120W/m2×200m2=24000W=24kW
故，本系统采用往复式压缩机空气源热泵冷热水机组。
送风量的确定：
根据新风量中，餐厅的要求为：
25m3/（h*人），新风量占总风量的20%，则满员时：
新风送风量=25×220=5500m3/h
总风量=新风量×5=27500m3/h
温度控制采用变风速控制系统（VariableAirVolume，简称VAV），即通过改变进入房间的风量，来满足室内条件的改变。
当房间低于设计额定温度时，系统随之减少送风量，亦即降低了风机的能耗。
二、中央空调自动控制系统的任务
中央空调装置是为了完成特定空间的温度、湿度精确调节，制造使人感到舒适的室内气候环境而采用的机器和设备。
为了完成指定工艺过程，需要对有关过程参数和性能指标进行调节和控制，以保证系统安全、稳定和高效地运行。
为了满足上述要求，中央空调自动控制的主要任务包括以下内容：
1、参数检测对中央空调工艺参数（如压力、温度、湿度、流量等）进行检测。
2、自动调节工艺参数使工艺参数恒定或按一定规律变化，如对蒸发压力、冷凝压力、风量、被调节空间温湿度等进行自动调节。
3、自动调节性能参数使中央空调装置运行的性能参数始终处于最佳运行状态。
4、执行程序控制根据编制的工艺流程和规定的操作程序，对机器设备执行一定的程序控制。
1）制冷系统控制回路
①冷水泵控制回路及压缩机本机连锁（包括启动、正常运行、与冷水机组压缩机电动机连锁控制、停机和过载保护）。
②冷凝风机控制回路及压缩机本机连锁
③油泵控制回路及压缩机本机连锁
2）空调柜的调节控制
①温度调节
②湿度调节
③送风量控制
A.新风量控制
B.回风量控制
5、实现自动保护在装置工作异常、参数达到警戒值，以及出行事故苗头时，使装置故障性停机或执行保护性操作，并发出警报，确保人机安全。
1）冷水低温保护冷水温度降到2.5℃时，压缩机停止运行，防止冷水结冰，直到冷水温度回升到5.5℃时，压缩机重新起动运行。
2）高压开关与低压开关保护当冷凝器中冷却水中断，压缩机出口压力超过设定值时，压缩机停止运行，当压缩机吸气压力减小到预置压力以下时，压缩机停止运行。
3）油压差保护通过油压差控制器实现。
压缩机工作时会有一油泵强迫油循环润滑冷却，油压差控制器是一种对压缩机安全保护开关，当油压异常不足以使压缩机安全工作时，并在延时设定期间没有恢复到设定油压值以上，主电路切断，压缩机停止工作，以达到保护压缩机免受损坏的目的。
4）过流保护超过过流继电器设定电流时，触点断开，压缩机停运。
5）压缩机高温保护与旁通调节阀配套使用，一旦发生压缩机排气温度过高，接通连接在冷凝器出口的注液阀向压缩机吸气喷液，以降低压缩机排气温度。
6）内部高温保护电动机绕组温度达到设定温度以上，压缩机停运。
7）压差保护压缩机进出口制冷剂压力过大，压缩机停运。
3、测量参数数据采集系统
数据采集系统图如图2：
图2
1、温度参数数据采集系统
测量点：
房间温度、新风进口温度（环境温度）、冷风出口温度、回风进口温度、空气冷却器进出口温度、压缩机电动机绕组温度、油温。
根据本系统温度范围，及所需测量精度，选用铜-康铜热电偶。
热电偶结构简单、操作方便、测温精确、信号便于远程传输和自动记录等；铜-康铜热电偶在—170~200℃范围内稳定性优，一级允差±0.5℃。
常用热电偶参数
2、湿度参数数据采集系统
主要湿度传感器及变送器特点
种类
优点
缺点
测量范围
氯化锂湿度传感器及变送器
1能连续指示、远距离测量与调节
2精度高、反应快
1受环境气体的影响
2互换性差
3使用时间长会老化
5%～95%RH
氯化锂露点湿度传感器及变送器
1能连续指示露点温度
2能连续指示、远距离测量与调节
3不受环境气体温度影响
4使用范围广
5原件可再生
受环境气体流速的影响和加热电源电压波动的影响
露点温度-45～70℃DP
电容式湿度传感器及变送器
1、能连续指示、远距离测量与调节
2、精度高、反应快
3不受环境条件影响，维护简单
4使用范围广
价格贵
10%～95%RH
干、湿球湿度传感器
1使用电阻测温能得到稳定特性
2不受环境气体成分影响
1需要经常维护纱布上水并防止污染
2环境温度只能在0℃以上
10%～100%RH
10～40℃DP
测量点：
房间湿度、新风进口湿度（环境温度）、冷风出口湿度、回风进口湿度。
（新风管入口、回风管入口、餐厅室内）
根据本系统空气湿度范围、露点温度及使用要求，选用氯化锂湿度传感器与变送器。
其测量范围为露点温度—45~70℃，优点是：
1）能直接指示露点温度，2）能连接显示，远距离测量与调节，3）不受环境气体温度影响，4）使用范围广，5）元件可再生；缺点是：
受环境气体流速和加热源电压波动影响，但本系统中这两者的影响小，故氯化锂湿度传感器与变送器合适。
3、压力参数数据采集系统
测量点：
压缩机进出口压力、冷凝器进出口压力、冷冻水泵进出口压力、蒸发器进出口压力、压缩机油压差。
根据系统压力测量特点，压缩机进出口压力、冷凝器进出口压力、冷冻水泵进出口压力、蒸发器进出口压力的压力传感器选择固定压阻传感器。
这种传感器灵敏度高，传感满量程输出为100mV左右，可作为压力传感器或压差传感器。
作为压差传感器，其量程有0~200Pa、400Pa、2000Pa直到30MPa。
压缩机油压差的压力传感器选用RT260A型号油压差继电器，可实现将油压信号转换为电信号，便于进行自动控制。
该型号压力差范围为0.05~0.40Mpa，差动压力为0.03Mpa，适用于氟、氨、油。
故对于油压规定允许值为0.1~0.3Mpa的油压差采用RT260型号油压差继电器进行检测是合适的。
4、空气风速参数数据采集
测量点：
主送风管
由于系统空气流速低，故选择热球式热电风速仪。
这是一种可以测量低风速的基本仪表，其优点是使用方便，反应快，灵敏度高，测量范围为0.05~30m/s，对恒温恒湿房间等低风速测量场合进行测量尤为适用。
一般情况下，测头的反应时间是1~3s。
5、CO2的检测参数数据采集系统
测量点：
餐厅室内
本系统控制对象（餐厅室内）温度范围为18~27℃，湿度范围40~60%，故选用Telaire8002W型号的CO2控制器和分析仪。
其测量范围为0~10000ppm，供电为18~42VDC，输出为4~20mA、0~10V，分辨率为1ppm,精度为50ppm+2%读数，使用环境（非冷凝）为0~50℃、0~95%RH，数字I/O接口为RS232。
6、流量参数数据采集系统
测量点：
新风入口、排风出口、主送风管、冷/热水流量
本系统送风量为3000m3/h,且送风流量信号需转换成电信号，故选用涡街流量计LU-200型号。
该型号涡街流量计的液体流量适用范围是56~800m3/h，气体流量适用范围是550~5500m3/h。
涡街流量计特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。
无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。
仪表参数能长期稳定。
涡街流量计采用压电应力式传感器,可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。
有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用。
四、中央空调执行器与控制器
1、空调柜
如系统图，涵括了各部分机构，包括中效滤网、空气冷却器、喷水室、加热器。
2、风机
根据计算，总风量为27500m3/h，故选择轴流风机。
其特点是：
空气流向平行于主轴，它主要有叶片、圆筒形出风口、钟罩形进风口、电动机组成。
叶片安装在主轴上，随电动机高速转动，将空气从进风口吸入，沿圆筒形风口排出。
3、风量调门
风门特性：
动作模式为90°转角，可以脱扣手动操作；通过电子式限位保护；供电电压24VAC（+20%、—15%）；功耗：
8VA；行程周期：
70~150s，与负荷相关。
4、系统控制器
12×12系统控制器TDSC-1212
（1）说明：
TDZTDSC-1212是真正的BACnet设备，可以使用BCAnet协议通过RS-485网络通信或者通过双绞线以太网（10BaseT）通信。
它也支持MS/TP子网，用来连接VAV或者其他基于应用的控制器。
最为另一种选择，这个子网也可以被配置为LINKnetI/O设备。
这个控制器的设计是为了满足中等数量的I/O需求，覆盖了很宽的应用范围。
使用强大的GCL语言编写控制策略。
潜入软件和控制器数据库都可通过网络下载。
（2）应用：
由于有12个输入和12个输出，这些控制器适合于以下应用：
空调机组、锅炉、制冷机组和其他各种暖通空调系统。
这个基于BACnet的控制器是完全可编程的。
可以建立、修改GCL程序和BACnet对象来适应特定的应用。
（3）性能：
真正的BACnet嵌入软件，支持BACnetMS/TP通信；可选的以太网通信能力；集成的封状；12点通用输入和12点通用输出（可选的手动、自动开关）；使用GCL语言，完全可编程；应用数据库可通过网络下载。
（4）输入：
12点通用输入—10位分辨率，支持0-5V、0-10V，10kΩ电阻、4-10mA；每点输入均有可视的LED状态指示。
（5）输出：
12点通用输出0-10V；可用软件配置为二进制或模拟输出；可选的手动、自动开关（带位置反馈）；每点输出均有可视的LED状态指示。
（6）技术参数：
16位处理器；1MBflash存储器；256KBSRAM存储器（对于以太网选项：
512KB）；实时时钟；锂电池作为时钟和SRAM的后备；可视的LED状态指示，用来指示CPU和扫描状态。
（7）设备类型：
可以配置为系统设备或者子网设备。
（8）设备地址：
通过拨码开关和跳线或者通过软件设置地址。
（9）通信口：
主网（NET1）BACnetMS/TP通信速率为9600、19200、38400或76800bps（默认），每个网段最多99个设备，子网（NET2）BACnetMS/TP通信速率为76800bps，每个网段最多99个设备；TDNS-14/24BACstats；串行RS-232TDZPTP通信速率为9600、19200、38400bps；可选用的双绞线以太网（10BaseT）通信速率为10Mbps。
（10）端子：
可拆卸的螺钉夹紧的端子。
（11）接线：
Ⅱ类（低压接线）。
（12）供电：
24VAC，40VA，c/w可视LED状态指示。
（13）工作环境：
0~55℃；10%~99%湿度（不结霜）。
（14）外形：
9.25in×7in（23.6cm×17.8cm）；1lb（454g）。
（15）通过的标准认证：
UL916；CE；FCCA类。
（16）附件：
TDZMS/TP的网络中继器TRPT-768；TDZMS/TP的网络终端TRM-768。
五、中央空调自动控制构成环节的特性
1、被控对象的特性
空调室的热量Q=∑miciθ，式中θ为室内温度，mi、ci分别为空调室壁级各部分设备的质量和比热容，被控对象的容量为Q。
显然，被控参数（温度）升高，则容量增大，因此容量是一个虽工况变化的参数。
容量系数大的对象具有较大的蓄热能力或称有较大的惯性。
中央空调的被控对象可当做热工对象，它的特性常用对象相应曲线来描述，常见的响应曲线形式如图3所示。
在响应曲线上可以获得三个描述对象的参数：
放大系数K，时间常数T，延迟时间τ。
图3响应曲线形式图
2、自动控制的设备特征
系统控制质量不仅与被控对象的特性有关，而且与自动控制设备有关。
自动控制设备是由传感器、控制器和执行器组成的。
（1）传感器的特性及其对系统控制质量的影响。
在中央空调系统中，传感器有温度、压力及湿度等几种传感器。
这些传感器可以看做单容对象，器性能可以用图3来描述，其时间常数表示传感器热惯性的大小。
（2）控制器的特性
控制器决定自动控制系统的控制规律，并在很大程度上决定了自动控制系统的控制质量，因此控制器是自动控制系统的核心。
控制器的输出信号p是控制作用，输入信号是测量值与给定值的偏差e。
控制器的特性即控制器的输出p与输入e的函数关系p=f（e），即所谓控制器的控制规律。
按照控制器的控制规律，控制器可分为双位、比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例积分微分（PID）。
（3）执行器的特性
执行器是自动控制系统的动力部件，它的作用是将控制器送来的控制信号p变成控制量，克服干扰造成的影响。
执行器有直接作用式和间接作用式之分。
传感器、控制器、调节机构组装成一个整体的执行器为直接执行器。
当传感器所测得的被控参数与给定值之间存在偏差时，传感器的物理量直接发生变化，产生足够大的立或能量，直接推动调节机构作用。
传感器、控制器、执行器三者分别做成三个或两个部件的执行器成为间接作用式执行器。
当被控参数发生变化后，传感器发出测量值信号，送至控制器，信号经放大，在送至执行器，从而是调节机构动作，灵敏度高，输出功率大，作用距离长，便于集中控制。
六、中央空调自动控制方案
根据整个中央空调系统运行特点，为实现系统的稳定运行、快速响应和准确控制，可采用3个调节手段：
压缩机转速控制、冷水水泵转速控制、送风机转速控制。
1、压缩机转速控制
利用压缩机的转速调节来调控空气源热泵的制冷或制热负荷，空气源热泵的负荷根据空气冷却器的负荷来进行随动调节。
测量信号有空气冷却器进口的压力P0温度T0和空气冷却器出口的压力P1和温度T1，分别对压力和温度信号进行偏差运算，经控制处理给出空气的负荷进行PID运算得出负荷信号，将负荷信号转化成对压缩机的控制。
2、冷冻水泵转速控制
冷冻水的转速采用串级控制，采集的信号有室内温度Ts、回风分度Tf,温度给定值Tg。
回风温度Th和给定值Tg的偏差作为主调信号,给定温度和室温均值的偏差值作为给定主调信号的校正，调节任务由一个PI环节完成，然后用一个转换f（x）1将控制信号转换成冷冻水泵转速指令，如果偏差在不调区的范围内，则不需要调节。
3、风机转速调节
风机转速调节和冷冻水泵的调节是并行调节，风机的调节也是用回风温度Tf和给定值Tg的偏差作为主调信号,给定温度和室温的偏差值作为给定主调信号的校正，调节任务由一个PI环节完成，然后用一个转换f（x）2将控制信号转换成风机转速控制指令。
在风机调节过程中，风门也是和这个过程进行联动的，以减少调节进行的时间。
7、系统控制流程图
1.压缩机启动和停机程序：
图5压缩机程序停机逻辑图
A.压缩机程序启动
压缩机程序启动逻辑如图4，其控制过程是：
（1）按下开机按钮，油温传感器检测润滑油油温是否高于110℃，以确保活塞与气缸保持良好的润滑。
（2）当油温低于110℃时，启动油加热器，以免因油的粘度太大使压缩机难以启动，加热至140℃后停止加热，启动冷冻水泵、冷凝器风机、油泵，保证压缩机能启动后系统能正常运行。
（3）启动变频压缩机，压缩机转速随负荷变动进行变频调节，当达到满负荷运行时，启动第二台压缩机。
B.压缩机程序停机
压缩机程序停机逻辑图如图5，其控制过程是：
（1）正常停机时，发出停机信号，主机停止运行，压缩机立即停止运行。
（2）压缩机停运后，由于惯性其电动机不会立即停转，为保证活塞与气缸间的良好润滑，需经过2分钟延时操作，油泵停止运行。
（3）压缩机停运后，由于惯性仍会产生一定的冷量，需要由冷却水带走，冷凝器也需要继续冷却一段时间，故需经过5分钟延时操作，冷却水泵停止运行，冷凝器风机停止运行。
2.能量平衡温度调节
图6能量平衡温度调节逻辑图
温度调节流程图如图6所示，过程分析如下：
①夏天进行制冷调节过程中，如果直接对空气源热泵的压缩机进行转速调节来响应餐厅的供冷需求，将会存在很大的调节惯性和滞后性，因此在调节过程中我们采取一个能量平衡温度调节方案：
调节过程中房间的冷量需求由冷冻水的流量和供风进行调节，这样响应比较快，而空气冷却器的冷量需求通过对压缩机的制冷负荷随动调节。
冷冻水具有一定的蓄冷，当温差信号来时，调节冷冻水的转速和风量可以一个短暂的时间内将室温降到要求值，随后空气源热泵的制冷供应跟上调节负荷。
控制流程如下图中所示：
采集的信号—Ts室内温度、Th回风分度.Tg温度给定值.空气冷却器进口的压力P0温度T0和空气冷却器出口的压力P1和温度T1调节对象—风机转速、风门开度、冷冻水泵转速、压缩机转速。
a.将餐厅内外的热量扰动转化到Th的变化，Th和Tg求偏差作为主调信号，Ts和Tg求偏差做主调信号的校正以克服温度的动态扰动。
当温差信号1℃《时进入不调区，如果超过1℃通过PI1（克服温度传感器存在的惯性），控制信号经f（x）1、f（x）2、f（x）3分别转换成冷冻水泵转速指令、风机转速指令、风门开度信号。
b.P0和P1求偏差经一个比例环节和开根号运算，T0和T1的偏差信号和上面的压力偏差信号相乘，经过一个PID环节，温度偏差的变化率d/dt加入消除控制信号的滞后。
控制负荷信号经过选择，如果制冷负荷小于整个系统额定负荷的67.5%则只对A机组压缩机转速进行控制，若负荷大于整个系统额定负荷的的67.5%则对负荷进行从新分配，输出A机组转速指令及B机组的定负荷开启运行指令
②冬季的时候，我们对空气进行的是升温处理，因此运行工况和夏天有些不同，冬季是设定温度减去回风温，设定温度减去房间测温的均值，另外在冬季的时候外界湿度较小我们需要对空气进行加湿处理。
如果执行加湿指令，加入的蒸汽会对经过升温的空气温度产生扰动，需要选择空气加热器对空气温度进行微调，冬季的整体调节流程和夏季调节相近。
3.变露点湿度串级调节
系统图7：
其中φl为送风的湿度，φx为新风的湿度，φh为回风的湿度。
串级调节系统对于调节对象纯滞后较大，时间常数较大，热湿干扰影响严重的空调系统尤其适宜。
对于采用喷水室的空调系统，采用串级调节系统，以φh为主参数调节主环，φl为副参数调节副环，可以达到快速精确的调节。
图7湿度串级调节流程图
系统流程
：
①夏天湿度调节：
通过温度调节的换热器主调，降温除湿；喷水室微调
Φx和φh经过F（x）计算得到混合风的相对湿度，此时再与设定的湿度，求取偏差。
按舒适性空调湿度调节要求，夏天相对湿度需控制在50~60%，设定值为55%，由于湿度为一个范围的控制值，故使偏差通过一个不调节区，当偏差<3%时，不进行调节，这样既可以节约能源，又可以减小执行器动作频率，延长执行器的寿命。
然后偏差送到PI1主调节器，运算，进行主调。
然后与送风湿度，求取偏差，送到PI2调节，最后控制喷水量，调节到目标湿度。
②冬天湿度调节：
通过喷水室喷水加湿
按舒适性空调湿度调节要求，冬天为40~50%，设定值为45%，其调节流程与夏天调节基本一致。
4.压缩机程序保护
图8压缩机保护程序逻辑图
压缩机保护程序逻辑如图8，其控制过程是：
（1）压缩机启动保护压缩机启动前，冷水泵、冷凝风机以及油泵必须启动，并且都投入正常运行；压缩机启动应采用降压启动方式，以减轻启动电流对电网的冲击。
（2）冷水低温保护冷水温度降到2.5℃时，压缩机自动停止运行（不报警），防止冷水结冰，5分钟后，若冷水温度回升到5.5℃，自动发出开机信号，压缩机重新起动运行。
（3）高压开关保护当冷凝器中冷却水中断，压缩机出口压力超过设定值时，压缩机自动停止运行（不报警），5分钟后，若出口压力降至接通压力，自动发出开机信号，压缩机重新启动。
（4）低压开关保护当压缩机吸气压力减小到预置压力以下时，压缩机自动停止运行（不报警），5分钟后，若吸气压力回升至接通压力，自动发出开机信号，压缩机重新启动。
（5）过流保护超过过流继电器设定电流72A时，触点断开，压缩机停运并发出警报。
（6）为对压缩机电动机加以保护，当电动机绕组温度为115℃以上时，压缩机停运并发出警报。
（7）油温过低保护当油加热器出现故障，润滑油油温低于110℃时，压缩机停运并发出警报。
（8）当检测出电源相线反接时，压缩机停运并发出警报，操作者只要待电动机停止转动后把电源相线中的任两根调换连接即可。
八、中央空调系统逻辑控制图
图9中央空调系统逻辑控制图
图9用labview8.20描绘的，整个中央空调系统的逻辑控制图。
图片最上方为被控对象——餐厅。
被控量为其室内温度与湿度。
空气循环：
房间的空气被吸入管道中送入空调柜中与新风混合，先后经过滤网、空气冷却器、加湿器、加热器、风量调节，进入风机。
滤网对混合气体进行净化；空气冷却器利用冷冻水与空气进行换热，完成制冷；加湿器用于保持空气的湿度；加热器完成对温度的微调；风量调门辅助调节进入风机的空气流量。
风机将制冷后的冷空气通过盘管系统送入房间。
水循环：
图中左下方的一号机组与二号机组分别为变频压缩机与定频压缩机，当餐厅所需负荷较低时单独启动一号机组，进行变频调节，当餐厅所需负荷突增，如客流高峰期时，一号机满负荷了，启动二号机组，两台机组一起运行提供制冷。
通过与制冷剂进行换热，使产生冷冻水经冷冻水泵进入空气冷却器与空气进行热交换，哪个被空气加热后的水返回压缩机循环使用。
这样达到节能控制。
控制机制：
图正中心的控制中心，主要完成各路信号的分析与转换，形成一个控制枢纽。
主要完成回风温度与给定温度相比较所得温差值及湿度比较所得湿度差值转换为电信号，在转换为数字信号，最后转换为模拟信号对风门、加湿器、冷冻水泵、风机、压缩机转述进行调节从而调节冷冻水流量与温度，调节空气的温度、流量，完成对房间温度的控制。
而其中对房间取点采集测温主要是与回风温度比较进行微调并达到对房间局部温度过高或过低时的局部调节。
以上即为整个控制系统的结构描述。
九、课程设计总结
在本次《自动控制系统设计》的课程设计中，我们选取了中央空调为控制对象。
不仅仅是因为它是我们学习的科目，更是因为它离我们的生活非常近，尤其是在夏天，这酷热的天气里，在空调屋里学习、休息，绝对是一种非常好的享受，而如何控制空调完成特定空间的温度、湿度精确调节，制造使人感到舒适的室内气候环境，并且能够节省电能的任务呢，这就需要中央空调自动控制系统。
起初，我们对中央空调系统了解不够清晰透彻，对其参数及参数间的联系，调节控制手段、设计规定等掌握不够充分，设计一个中央空调自动控制系统，对于我们来说确实是困难重重。
但我们认为，正是因为这样的课程设计有这么多的挑战，才更值得我们去攻克，锻炼我们的能力，在课程设计中学到更多的知识.。
要确定一个控制系统，首先必
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