毕业设计--酒店空调水系统变频节能技术的工程应用.doc

摘要本次论文介绍了变频调速技术的基本概念和在水泵上的运行机理，即在中央空调水系统中使用变频技术的控制模块，并对实际应用中控制及节能效果作了分析比较，说明变频其技术在暖通空调中应用的技术优势和优良的节电性能。讲述变频调速器时，讨论了由驱动模块、整流模块、IGBT模块、电压检测装置、CPU微处理器等组成的变频器的基本结构及其控制原理。再一个，就是通过分析变频冷冻水泵和冷却水泵在变负荷时的特性，得出了冷冻水泵的扬程与流量、总能耗与流量的一半关系式。最后，介绍了一变多工水泵系统的硬件结构、软件编制、及整个模拟调节系统的实现，并通过实际工程(西安骏景速8大酒店空调水系统变频节能技术的工程应用)分析了变频调速器在中央空调电气自动化系统中的设计与应用。关键字：空调水系统，变频器，PID调节器, PLCAbstract This paper introduces a VVVF technology and the basic concepts of the pump operation mechanism, that the water in the central air-conditioning system using inverter control technology module, the practical application of the control energy-saving effects were analyzed and compared, Note inverter technology with the warm air conditioning application of the technological advantages of saving and good performance. VVVF about when they discussed a drive module, rectifier modules, IGBT module, and voltage detection device CPU microprocessor composed of the basic structure of the inverter and control theory. Another is through the analysis of frequency chilled water pumps and pumps in the cooling load changes the characteristics come to the chilled water pump head and flow, the total volume of energy consumption and half relationship. Is final, explode to call together one change and entire simulated regulating system and the hardware structural software establishment of many work pump systems realization, pass through actual project ( Xian Jun scene fast s big hotel air-condition water system Tong the project application of the technology of frequency conversion of energy saving ) to analysis the ware of frequency control is in central air-condition electrical automation application and the design in system. Keywords: Air-Conditioning Water System, Speed Adjust by Frequency Inverter, PID regulation, Programmable Logic Controller目录摘要- 1 -目录- 2 -第一章 绪论- 4 -1.1引言- 4 -1.2课题研究的意义和目的- 5 -1.3中央空调水系统- 5 -1.4中央空调耗能原因- 5 -1.5 变频技术的发展- 6 -第二章 中央空调水系统的组成及工作原理- 8 -2.1中央空调的分类- 8 -2.2空调节能的必要性- 9 -2.3中央空调系统的组成及工作原理- 10 -2.4 中央空调主控制器- 11 -2.4.1 PLC的组成- 11 -2.4.2 西门子S7-200系列PLC- 12 -2.5 冷水机组的介绍及工作原理- 15 -2.6 风机盘管水系统- 16 -2.6.1 风机盘管的组成和工作原理- 16 -2.6.2风机盘管的水系统- 17 -2.7节能分析- 18 -2.8 冷却塔- 19 -第三章 变频器的介绍- 21 -3.1变频器基本结构- 21 -3.2 变频器的分类- 21 -3.2.1 按变换环节分类- 21 -3.2.2按电压的调制方式分类- 21 -3.2.3按直流环节的储能方式分类- 21 -3.2.4按直流电源性质分类- 21 -3.2.5按工作原理分类- 21 -3.2.6按用途分类- 21 -3.3通用变频器的功能可分为三大类- 22 -3.3.1输出PWM波形- 22 -3.3.2改变频率- 22 -3.3.3保护- 23 -3.4变频器的工作原理- 23 -3.4.1变频器控制方式- 24 -3.5变频器选型- 25 -3.5.1变频器选型时要确定的几点：- 25 -3.6变频器控制电路设计- 26 -3.6.1确认变频器的安装环境；- 26 -3.6.2电机的距离确定电缆和布线方法- 27 -3.6.3控制原理- 27 -3.6.4变频器接地- 27 -3.7变频器控制柜设计- 27 -3.7.1设计控制柜时注意问题- 27 -3.7.2变频器接线规范- 28 -3.7.3变频器的选型和相关参数设定- 29 -3.8常见故障分析- 29 -3.9变频器的发展预测- 30 -第四章 中央空调水系统变频调速设计- 32 -4.1工程概况- 32 -4.2 系统设计过程与控制方案- 32 -4.3器件的选型与参数设定- 35 -4.4应用方案的可靠性- 45 -4.4.1抗干扰- 45 -4.4.2接地- 45 -4.4.3安装- 45 -结论- 46 -参考文献- 47 -致谢- 49 -附录- 50 -第一章 绪论1.1引言“人类在利用和改造自然的过程中，取得了骄人的成绩，同时也付出了高昂的代价。为了阻止能源危机的爆发和地球自然环境的逐渐恶化，可持续发展和“绿色”发展的概念己渗透到各个行业和领域。作为全球能源消耗比例占到百分之三十的建筑类行业，更应贯彻“绿色，发展的概念，并且担负起可持续发展的义务。构成绿色建筑的主要因素是建筑的节能(EnergySaving)与提高耗效率(EnergyEfficiency)。因为节约建筑中的能源消耗不仅可以减少有害的温室气体的排放，减少对自然环境的污染与影响，同时也能减少一定程度的废弃物，甚至改善室内的空气质量。所以在绿色建筑的设计与评估的过程中，都将建筑的节能作为设计的主要目的和评估的主要因素。随着我国经济发展和国实力的增强，空调设备的应用口益广泛，随之而来的是耗能的日益增多。工业发达国家用于空气调节的电能占全国电能的30%左右，美国在夏季高峰时20%一40%的电力用于制冷和空调，在我国一些大型企业空调耗能约占全部能耗的40%以上。而且中国人口众多，不仅中国国内，全世界都关心中国的能耗问题，中国的能耗及节能状况对中国乃至世界的能源资源及其结构都有着重要影响。建筑及空调系统的节能问题己成为我国迫切需要解决的重大课题之一。空调的水系统己由简单的定流量系统发展到变流量系统，各部件的性能和调节、控制手段都有所提高，系统的设计方法趋向合理，因此，能耗也有了很大的降低。但是，空调水系统的理论分析和实际运行中，仍然存在不少问题，对空调水系统的进一步深入研究和整体的节能优化分析，有着重要的意义。随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，空调作为一款重要的家用电器，在国民经济生产和人们社会生活中扮演的角色也越来越重要。中国空调工业在发展的同时，一些问题也日益显露出来。特别是空调行业规范标准不健全，生产企业繁多但未能相成规模效应，科研开发能力弱，市场培育能力差，产品的附加值低等导致经营效益不佳，严重制约了行业的进一步发展和品质的提高。与此同时，我国的建设业保持迅速的增长，平均每年增长15-20%. GDP的增长每年超过7%。在今后几年里，国外私营资本的继续不断进入，以及2008奥运会和2012上海博览会推动了北京和上海的发展，促使中央空调有了较大发展.因此，中国空调企业必须抓住新的发展形势，加大科技创新，注重空调节能，提高技术含量，加强自主研发能力，打造有效推广策略，对空调行业的国家标准进行统一规划，只有这样才能在新形势下立于不败之地。1.2课题研究的意义和目的对空调水系统的水泵选取是按照空调在最不利工况运行时选取的。而空调系统在绝大部分时间内是在部分负荷下运行，为了适应负荷变化，常规的方是调节冷冻、冷却水系统的阀门，但阀门调节方式浪费能量巨大，不能达到经济运行的目的。比较科学的做法是采用水泵的调速技术，特别是变频调速技术，这样可以减少电能的消耗，提高系统运行的经济性。采用什么方法对空调水系统变流量调节进行控制，及如何正确的选择水泵的台数及运行控制方法，使水泵能够在高效区运行的设计是本论文的研究目的。1.3中央空调水系统空调水系统的作用，就是以水作为介质在空调建筑物之间和建筑物内部传递冷量或热量。正确合理地设计空调水系统是整个空调系统正常运行的重要保证，同时也能有效地节省电能消耗。就空调工程的整体而言，空调水系统包括冷热水系统、冷却水系统和冷凝水系统。冷热水系统是指由冷水机组（或换热器）制备出的冷水（或热水）的供水，由冷水（或热水）循环泵，通过供水管路输送至空调末端设备，释放出冷量（或热量）后的冷水（或热水）的回水，经回水管路返回冷水机组（或换热器）。对于高层建筑，该系统通常为闭式循环环路，除循环泵外，还设有膨胀水箱、分水器和集水器、自动排气阀、除污器和水过滤器、水量调节阀及控制仪表等。对于冷水水质要求较高的冷水机组，还应设软化水制备装置、补水水箱和补水泵等。1.4中央空调耗能原因 引起水系统高能耗运行的原因有多方而，诸如设计规范、设计计算、水泵质量、工程安装及运行管理等等，主要表现在以卜几个方而: 1.系统设计选用的水泵偏大(大马拉小车)，引起水泵处于“大流量、低效率、高功耗”的不利工况运行. 2.对于有多台水泵并联或串联的较为复杂系统，运行配置不合理，增加水送能耗。 3.系统回路水力严重不平衡，或存在局部阻力偏高的不正常现象，增加水送能耗。 4.系统回路漏渗，增加无效流量，增加水泵能耗 5.水泵质量偏差，效率偏低，增加能耗。可以通过流体力学计算来说明高能耗的程度及节电潜力。对闭式循环管路系统，输送能耗可以从水泵轴功率计算得出：N=QH/=KQ/367, (KW) (1-3-1) 式中：N为水泵功率 KW，Q为场地流量 m/h，为水泵的效率，K为管路特性阻抗（在管路及阀门开启不变前提下是常数）。由此可以看出，输送能耗完全可以从水泵流量和水泵效率计算出，与流量的三次方成正比,与水泵运行时效率成反比。对开式循环管路系统，计算相仿。举例说明：100万kcal/h氟冷水机冷水额定流量200M/h，冷却水为240T/h，选用的水泵名牌流量Q=200M/h，最佳工况运行的效率1=0.75，那么最佳工况运行的水送能耗：N1= KQ/367=K200/ 3670.75，(KW) (1-3-2)如果冷冻水泵选用偏大，按水泵运行性能特性，势必处于大流量、低效率点运行，在实际运行当中流量就不是200M/h而是300M/h，同时引起水泵效率降低到2=0.6，那么实际运行的水送能耗：N2= KQ3/367=K300/ 3670.6，(KW) (1-3-3) 两者能耗比为：N2/ N1=3000.75 / 20030.6=4.2从中可以看出水泵实际运行（300M/ h）的能耗是最佳工况运行（200M/h）能耗的4.2倍，即说明有75%的能耗是白白浪费的，同时也说明节电潜力有75% 。1.5 变频技术的发展电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能和机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展，这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%-20%或更多)，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。国外变频调速技术的特点:1)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。3)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;16位、犯位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。4)基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10年。在大功率一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。第二章 中央空调水系统的组成及工作原理2.1中央空调的分类1.按照能源方式分类：电制冷空调、溴化锂制冷空调、其他能源空调2.按照冷却方式分类：风冷：冷凝器采用强制空气对流的方式进行换热，家用空调基本上都是这种，风冷空调又有单冷型和热泵型两种，单冷型顾名思义只可以夏天制冷，热泵型既可以夏天制冷又可以冬天制热。 水冷：从冷凝器散发的热量用水流进行冷却，为达到节水的目的，冷凝器出来的冷却水被水泵输送到冷却水塔，与空气进行热交换后在回到冷凝器。水冷系统一般只能制冷。3.按照主机压缩机的形式分类：活塞式压缩机：是早期空调曾普遍使用的压缩机，因为零部件过多，故障率较高，且生产成本也比较高，运行稳定性差，压缩机抗液击的能力差，现在已经很少使用。涡旋式压缩机：目前使用频率很高的一种压缩机，压缩机由定盘、动盘、电机、机体四大部分组成，最大的特点是零部件少，运行稳定性高，使用寿命长，广泛的运用于小型制冷机组，如后面讲到的模块机、家用空调等。螺杆式压缩机：在大型中央空调主机上使用最频繁的压缩机，其特点是零部件少、稳定性高、使用寿命长、维修方便等，还有很重要的一点是螺杆机的能效比很高，同样的制冷量，螺杆机比活塞机节能25%以上。螺杆机有单螺杆和双螺杆之分。离心式压缩机：离心机的外观看起来就像是个大的离心式水泵，其结构和水泵结构也比较相似。离心式压缩机往往用在功率比较大的中央空调主机上，特点是单机制冷量大，结构简单、性能可靠、运行稳定，由于其对生产工艺的要求很高，目前只有几家国际大公司，如特灵、约克等大规模的生产销售，国产品牌美的在重庆的工厂也可以生产。 4.按照室内系统的不同分类:氟系统：室内机和主机之间由铜管连接，铜管里面运行的是制冷剂，制冷剂直接在室内机蒸发吸热。常用于家用空调和商用空调，因其特点，系统不可能做的很大。水系统：室内系统和主机由水管道连接，管道里面运行的是低温水（7），低温的水在室内机（风机盘管）吸取热量之后回流到主机。在大型中央空调系统里面使用最广。空气系统：由空气处理机直接把空气处理到所需要的温度，在由风管通道将风送到所需要的房间，特点是很容易引进新风。在安装上对空间的高度有一定要求，同时在经济性上要差一些。表2-1常见的几种空调主机名称及其比较名称制冷量螺杆式水冷冷水机组制冷量大涡旋式水冷冷水机组较少采用离心式水冷冷水机组制冷量很大风冷螺杆冷水、热泵机组制冷量大不需要冷却塔、专门的空调机房风冷模块冷水、热泵机组制冷量适中不需要冷却塔、专门的空调机房大型风冷涡旋冷水、热泵机组制冷量大和风冷模块形式完全相同小型户式水系统空调机组制冷量小适合家庭使用小型变频多联空调机组制冷量小适合家庭使用2.2空调节能的必要性随着我国经济的持续发展、电力供应日趋紧张。最近几年夏季,我国许多城市由于用电紧张,供电部门被迫实施强制性错峰供电,严重影响了人民的生活和企业生产。中央空调以电能为动力,为人们提供了舒适的生活和工作环境。高层楼宇的中央空调是用电大户,几乎占了总建筑物耗电量的50%;对于商场和综合大楼则高达60%以上,日常开支费用很大。在欧美等一些发达国家中,空调耗电量甚至占了其城市总用电量的30%以上。因此节能已成为各行业的重要议题。随着空调的应用和普及,中央空调节能已显得越来越重要。目前常用的中央空调系统存在以下缺点:1.冷却水循环系统的能耗过大在设计时,为保证在大气温度最高的情况下也能正常使用,所以中央空调要按满负荷计算,并留有一定的富裕量。平时使用时由于天气情况、人员数量活动内容的变化所需负荷是不断变化的,往往达不到最大值。冷却水泵的配置是按夏季的最大流量配置必然存在大马拉小车的问题。从节能的角度考虑,只要能保证制冷系统正常工作,冷却水流量越小,耗能越少,节能效果就越好。根据流量计算公式,流量与电机的转速成正比。由于交流电机的转速不可调,只能全功率运行,增加了管道的能量损失,浪费了冷却水泵运行的输送能量,增加了能耗。2.冷冻水循环系统能耗过大根据泵的流量计算公式,冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比,当冷冻水泵转速高时,冷冻水的流量大,流速快。当冷冻水流过风机盘管机组时,还没来得及将所带的冷量全部释放完,就已返回制冷机去了,造成冷冻水泵输送和空调主机冷却能量的过度损耗。2.3中央空调系统的组成及工作原理如图2-1所示,中央空调系统主要由制冷剂回路、冷却水循环系统、冷冻水循环系统等组成。图2-1中央空调系统工作原理图1.制冷剂回路制冷剂回路是中央空调系统的心脏。在蒸发器里,制冷剂和冷冻水发生热量交换,将冷冻水制冷制冷剂吸收热量后蒸发;在冷凝器里,蒸发后的制冷剂和冷却水发生热量交换,制冷剂释放出热量,被冷却循环水带走。2.冷冻水循环系统冷冻水泵将冷冻水送到各风机风口的冷却盘管中,由风机吹送冷风达到冷却空气的目的。3.冷却水循环系统冷却水泵将吸收热量后的冷却水送到冷却塔上由冷却塔风机对其进行喷淋冷却,与大气进行热交换冷却后的冷却水被送到冷凝器去吸收制冷剂放出的热量。2.4 中央空调主控制器中央空调控制系统主控制器采用PLC控制，由于PLC编程简单，扩展能力强，并且程序容易修改，所以越来越多的被应用在中央空调系统中，取代原来的DDC控制器，并且可通过PLC的通讯接口接入上位监控系统，便于在主控室查看各节点运行状态，并且很容易进行电能消耗、运行时间统计以及故障监视及分析。下面对PLC的发展及功能特点进行阐述：2.4.1 PLC的组成 PLC主要有CPU模块，输入模块、输出模块和编程器组成，如图2.6 图2.6PLC的结构组成CPU模块：CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。I/O模块：输入(Input)模块和输出（Output）模块统称I/O模块，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块主要用来接受和采集输入信号，输入信号包括两类：一类是从按钮，选择开关，接近开关，光电开关等来的开关量输入信号；另一类就是由电位器，测速发电机等提供的连续变化的模拟量信号。PLC通过输出模块控制接触器、电磁阀等执行机构，另外也可以驱动指示灯、数字显示装置等CPU模块的工作电压一般是5V，而其输入/输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。为防止外部引入的尖峰电压和干扰噪声损坏CPU模块，影响其正常工作，在I/O模块中，用光电耦合器、可控硅，小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时响应随时变化的输入信号，用户程序不是执行了一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环中，PLC还要完成内部处理，通讯处理等工作，一次循环可分为5个阶段，如图2.7图2.7 PLC的扫描过程由于PLC采用循环扫描集中刷新的方法，导致输入/输出时间滞后，但是一般情况下，这种响应延迟仅几十ms，对于一般系统无关紧要，要是对时间有要求的话可以采用中断进行处理，例如高速计数。2.4.2 西门子S7-200系列PLCSIMATIC S7-200 系列PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 系列具有极高的性能/价格比。S7-200 系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。S7-200 系列PLC在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统，可提供4 个不同的基本型号的8 种CPU，如表2.1表2.1 各种类型的CPU四种型号的PLC具有下列特点： （1）集成的24V电源 可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221和CPU222具有180mA 输出。CPU224输出280mA，CPU 226、CPU 226XM输出400mA 可用作负载电源。 （2）高速脉冲输出 具有2 路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。 （3）通信口 CPU 221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。 （4）模拟电位器 CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。 （5）中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 （6）EEPROM 存储器模块（选件） 可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。 （7）电池模块 用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5 天。选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 （8）不同的设备类型 CPU 221226 各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 （9）数字量输入/输出点 CPU 221具有6个输入点和4个输出点；CPU 222具有8个输入点和6个输出点；CPU 224 具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM 具有24个输入点和16个输出点。CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。 （10）高速计数器CPU 221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。扩展功能模块：扩展单元没有CPU，作为基本单元输入/输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用。不能单独使用。S7-200的扩展单元包括数字量扩展单元，模拟量扩展单元，热电偶、热电阻扩展模块，PROFIBUS-DP通信模块。用户选用具有不同功能的扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。电源模块：外部提供给PLC的电源，有24VDC、220VAC两种，根据型号不同有所变化。S7-200的CPU单元有一个内部电源模块，S7-200 小型PLC的电源模块与CPU封装在一起，通过连接总线为CPU模块、扩展模块提供5V的直流电源，如果容量许可，还可提供给外部24V直流的电源，供本机输入点和扩展模块继电器线圈使用。应根据下面的原则来确定I/O电源的配置。 （1）有扩展模块连接时，如果扩展模块对5VDC电源的需求超过CPU的5V电源模块的容量，则必须减少扩展模块的数量。 （2）当+24V直流电源的容量不满足要求时，可以增加一个外部24V直流电源给扩展模块供电。此时外部电源不能与S7-200的传感器电源并联使用，但两个电源的公共端（M）应连接在一起。2.5 冷水机组的介绍及工作原理当天然的冷源不能满足空调需要时，便采用人工制冷的方式，主要有以下几种:1.蒸汽压缩式制冷蒸汽压缩式制冷系统的组成及工作过程:蒸汽压缩式制冷系统主要有制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个主要设备组成，并用管道相连接，构成一个封闭的循环系统，如图2-5所示。系统工作时，来自蒸发器的低温低压的制冷剂蒸汽被压缩机吸入，压缩成高温高压的制冷剂蒸汽后，进入冷凝器。在冷凝器中，高温高压的制冷剂被冷却水冷却，冷凝成高压的液体，同时放热QK，然后经膨胀阀截流后变成低压低温液体进入蒸发器。在蒸发器中，低压的制冷剂液体吸取被冷却介质(如冷媒水)的热量Q。，蒸发成为低温低压的蒸汽再次进入压缩机，开始下一个循环。被冷却的介质(如冷媒水)失去热量Q。后被送往空调系统对空气进行降温去湿处理。2.吸收式制冷吸收式制冷与蒸汽式制冷一样，都是利用液体在汽化时需吸收热量这一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸汽压缩式制冷是以消耗机械能为补偿，而吸收式制冷则是以消耗热能为补偿的，使热量从低温热原转移到高温热源。3.蒸汽喷射式制冷蒸汽喷射式是以水为制冷剂，以喷射器代替压缩机，以消耗蒸汽的热能作为补偿来实现制冷的。蒸汽喷射式制冷机的主要设备有加热器、喷射器、冷凝器、蒸发器以及膨胀阀等。来自加热器的高温高压工作蒸汽在喷射器管中绝热膨胀，形成一股低压高速气流，从而将蒸发器里的低压水蒸气抽吸到喷射器中，并与之混合增压后进入冷凝器，被冷却水冷凝成液体。一部分凝结水通过循环水泵提高压力后送回加热器加热汽化，用作高温高压工作蒸汽开始下一个循环;另一部分凝结水经膨胀阀节流降压后进入蒸发器，在蒸发器内吸收冷媒水的热量汽化为低压水蒸气后又被喷射器中的低压高速流所抽走。蒸发器盘管中的冷媒水因失去热量而温度下降，被送入空调系统作为冷源使用。图2-5蒸汽压缩式制冷机工作原理图2.6 风机盘管水系统2.6.1 风机盘管的组成和工作原理1.风机盘管主要有风机、盘管(换热器)以及空气过滤器、电动机、室温控制装置等组成，如图2-6所示。风机常采用前向多翼离心式风机或贯流式风机盘管则为带肋片的盘管式换热器。2.风机盘管的工作原理，就是借助风机不断的循环室内空气，使之通过盘管而被冷却或加热，以保持房间所需要到温度和一定的相对湿度。风机盘管制冷时，由冷源为盘管提供7左右的低温水，室外空气由低噪声风机吸入，通过滤尘网去掉灰尘，吹向盘管进行换热。空气通过换热器降温去湿后，冷空气从出风口格栅吹向室内。空气中的水蒸气在盘管肋片上析出的凝结水汇集至凝水盘，然后通过泄水管排出。图2-6风机盘管的构造3.风机盘管主要依靠风机的强制作用，使空气通过加热器表面时被加热，因而强化了散热器与空气间的对流换热器，能够迅速加热房间的空气。风机盘管是空调系统的末端装置，其工作原理是机组内不断的再循环所在房间的空气，使空气通过冷水（热水）盘管后被冷却（加热），以保持房间温度的恒定。通常，通过新风机组处理后送入室内，以满足空调房间新风量的需要。 但是，由于这种采暖方式只基于对流换热，而致使室内达不到最佳的舒适水平，故只适用于人停留时间较短的场所，如：办公室及宾馆，而不用于普通住宅。由于增加了风机，提高了造价和运行费用，设备的维护和管理也较为复杂。风机盘管控制多采用就地控制的方案，分简单控制和温度控制两种。 简单控制：使用三速开关直接手动控制风机的三速转换与启停。温度控制：STC 系列温控器根据设定温度与实际检测温度的比较、运算，自动控制 STV 系列电动两 / 三通阀的开闭；风机的三速转换。或直接控制风机的三速转换与启停，从而通过控制系统水流或风量达到恒温的目的。 风机盘管做为中央空调的末端设备，其质量的好坏决定了室内的空调效果。性能主要是送冷（热）量的保障、送风量的保障，噪音的数值比、冷凝水不泄漏及电器、钣金件设计的合理性等等。2.6.2风机盘管的水系统风机盘管的水系统的主要功能是输配冷(热)流体，以满足末端设备或机组的负荷要求。其配置则应具备足够的输送能力，经济合理的选定水泵、管材和管径，具有良好的水力工况稳定性，应便于空调系统负荷变化时的运行调节，实现空调系统节能运行要求、并便于管理、检修和养护。空调水系统可分为开式和闭式两种。由于开式系统与大气相通，水质容易受到污染，设备易被腐蚀，近些年的空调工程中大多采用闭式系统。与开式相比，闭式系统的水泵能耗小、管路和设备的腐蚀性小。2.7节能分析以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为N0,阀门全开时的管阻特性为1,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1。流量-转速-压力关系曲线如图2.8所示。在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由2变为3，系统工作点沿方向1由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。水泵轴功率实际值（kW）可由公式：P=QH（cb）10-3得出。其中，P、Q、H、c、b分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（cb）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和 BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线1，系统工作点将沿方向2由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH1的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。另外，从图中还可以看出：阀门调节时将使系统压力H升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，系统压力H将随泵转速n的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH2H1所对应的功率大小，节能率在75%以上。 图2.8 转速与扬程、流量的关系与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较结果。亦即，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。据此，在空调水系统中，采用此类方法，将大幅度提高节能效果。2.8 冷却塔 冷却塔的作用是将挟带热量的冷却水在塔内与空气进行换热，使热量传输给空气并散入大气。 冷却塔中水和空气的换热方式之一是，流过水表面的空气与水直接接触，通过接触传热和蒸发散热，把水中的热量传输给空气。用这种方式冷却的称为湿式冷却塔。湿式冷却塔的换热效率高，水被冷却的极限温度为空气的湿球温度。但是，水因蒸发而造成损耗；蒸发又使循环的冷却水含盐度增加，为了稳定水质，必须排掉一部分含盐度较高的水；风吹也会造成水的飘散损失。必须有足够的新水持续补充。因此，湿式冷却塔需要有供给水的水源。 缺水地区，在补充水有困难的情况下，只能采用干式冷却塔。干式冷却塔中空气与水的换热是通过由金属管组成的散热器表面传热，将管内水的热量传输给散热器外流动的空气。干式冷却塔的换热效率比湿式冷却塔低，冷却的极限温度为空气的干球温度。这些装置的一次性投资大，且风机耗能很高。 冷却塔冷却水的过程属热质传递过程。被冷却的水用喷嘴、布水器或配水盘分配至冷却塔内部填料处，大大增加水与空气的接触面积。空气由风机、强制气流、自然风或喷射的诱导效应而循环。制冷剂在冷凝器中进行冷却凝结过程中放出的热量，一般通过空气和水带走。以空气为冷却介质的冷凝器，多用于小型制冷系统及缺水地区。大、中型制冷系统的冷凝器多以水为冷却介质。工程中常用的水冷却设备有两种类型:一是自然通风式喷水冷却塔，另一种是机械通风式冷却塔。前者只适用于空气温度较低、相对湿度较小的地区应用，而后者是目前应用极为广泛的一种水冷却设备。制冷装置的冷却回水，由冷却塔的上部喷向塔内的填充层上，以增大水与空气的接触面积及接触时间，被冷却后的水从填充层流至下部集水池，通过循环水泵再送回制冷装置循环使用。冷却塔顶部装有通风机，使空气以一定的流速由下而上通过填料层，以加强水的蒸发冷却效果。空调水系统中，各个部件之间是相互联系，相互影响的。改变冷冻水、冷却水的参数，势必对各个部件的性能产生影响。第三章 变频器的介绍3.1变频器基本结构 变频器是采用大功率晶体管作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采用脉冲调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品。它将随着功率元件和计算机技术的发展，结构上做到体积小，重量轻：性能上优于以往的变极调速，串阻调速，串极调速，滑差电机调速等交流电机调速方式，并且将会逐步以这种崭新的调速技术取代直流电机调速。用交流异步电机取代直流电机，将使调速系统更加简单。变频器就是将频率固定的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。应用中，变频器的输入端接至频率固定的三相交流电源，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。3.2 变频器的分类 3.2.1 按变换环节分类 a.交-交变频器把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故他主要用于容量较大的低速拖动系统中。b.交-直-交变频器先把频率固定的交流电经过整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较容易控制，因此在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一种。3.2.2按电压的调制方式分类 a.PAM脉幅调制变频器输出电压的大小通过盖面直流电压的大小来进行调制，在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。b.PWM脉宽调制变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制SPWM方式。3.2.3按直流环节的储能方式分类 a.电流型直流环节的储能元件是电感线圈。b.电压型直流环节的储能元件是电容器。3.2.4按直流电源性质分类 a，电流型变频器；b，电压型变频器。3.2.5按工作原理分类 v/f控制变频器，转差功率控制变频器和矢量控制变频器等等。 3.2.6按用途分类 a,通用变频器;b,高性能变频器;c,专用变频器。3.3通用变频器的功能可分为三大类3.3.1输出PWM波形包括输出载波频率、基波频率、正反转停止时间、死区时间。 1变频器输出的是高频脉冲列信号，载波频率为5V20V,间隔0.5V可调。采用三相调制方法，对称七段式PWM波输出。输出电压经阻容滤波后，示波器上观察为马鞍型波。输出电压的频率为0400HZ。2CPU输出的占空比周期变化的脉冲列的幅值范围为05V，经过隔离和功率放大，夹在交流电机上。通常u、v、w三相脉冲的变化规律是一致的，积基波的频率和波形相同，但相位相差120度。如果U领先V20度，称为正转，若V领先U120度称为反转。 当给电动机加上电压，电动机开始运转后，会产生一个与外加电动势相反的感应电势。抵消一部分外加电压。剩余的外加电势形成定子的铜损，变为热能。感应电势大小和方向是由电机的转速和方向决定的。当外加电势突然改变方向时，电机的转速和方向不能立刻改变，形成外加电势与感应电势方向相同，叠加后共同加在定子线圈上，有可能将定子线圈烧毁。因此，给电动机上加的电压的方向是不可突变的。对三相交流电机来说，就不能突然由正转变为反转。中间要经过一段停止时间Tfrd，以避免叠加现象出现。范围是0.22秒。 3在两种特殊情况下U.V.W三项输出脉冲的占空比不成周期变化，而是一个常数。第一种为停车，第二种为直流制动。 当系统处于停车时，三相输出占空比均为0。共有四种可能出现停车：A.波频率为0 ； B. 正反转停止； C. 自有停车； D. 跳闸。 当系统处于直流制动时，三相输出相同的固定占空比，大小为Pdb，或写成Vdb，变化范围015%，故称作直流制动转距。有两种情况可以进入直流制动状态：一是基波频率小于某一数值且无运转信号以使这时直流制动将持续一段时间。延续时间结束后系统转为停止状态。直流制动起始频率的范围为010Hz，延续时间的范围是0.110秒，延续时间为0秒表示不进行这种方式的直流制动。二是出现直流制动信号，且无运转信号。直流制动信号可编程输入*(Dc、Br)当结果未FF时不进行这种方式的直流制动。 3.3.2改变频率 包括频率设定、起停、加减速、限幅、输出电压、转差补偿。 1频率给定 频率给定共有七种方式，优先级从高到低为：点动运行，多段速运行，模拟量电压给定，模拟量电流给定，操作面板旋钮给定，脉冲给定，直流设定频率。 （1）点动