制冷与空调自动控制技术7

1、第7章 制冷、空调系统计算机控制7.1计算机控制系统这里所说的计算机,是指进行数字信号运算的计算装置,包括过程控制用的计算机(PC)、直接数字控制器（DDC），可编程控制器(PLC)或单片机等。7.1.1自动控制中操作量的基本运算原理1模拟控制与数字控制模拟控制与数字控制最大的区别是控制器处理的信号如图7.1（a）所示。对于时间和幅值来说，模拟控制要处理的是连续的模拟量，并以此为基础完成操作量运算。数字控制如图7.1(b)所示,数字控制要处理的则是采样周期为Ts的采样离散时间信号,它是一种非连续的数字量(数值),操作量的运算也是在这个基础上进行的。在如图7.2所示的反馈控制中，对模拟控制系统和

2、数字控制系统进行了比较。在模拟控制系统中，控制量有液位、流量、压力和温度等一般的物理量，这些量都是模拟量。此外，因为操作控制量的执行机构，多半是类似电动机和电磁阀的模拟量式机械，所以输入到控制对象中的操作量也是模拟量。r(t)，u (t)和y(t)的t表示时间，这意味着模拟量是时间的连续函数。在模拟控制系统中，控制器的输入量采用了模拟量，操作量则通过模拟计算电路进行运算。在数字控制系统中，则是先对目标值和控制量的反馈值之间进行模拟/数字转换，然后将数值化后的数字量输入到控制器中。rn，yn和un表示第n个采样周期的值。控制器利用数值化后的目标值和控制量的反馈值，再对操作量un进行数值运算，然后

3、输送到D/A变换器中。D/A变换器把数字量变换成模拟量后送到控制对象中。2数字控制的基本构成数字控制可以用PC、DDC、PLC，或者单片机来实现。由输入装置、存储装置、中央处理装置和控制对象四大功能部分组成的。输入装置多数情况下都包含A/D变换器，此外，还具有数字信号和脉冲信号等的输入功能。存储装置中存放着输入信号和中央处理装置运算结果，以及程序和运算中必需的各种数据。中央处理装置利用存储在存储装置中的程序和数据，对操作量进行运算，并将运算结果送到存储装置。输出装置配备有D/A变换器，并且具有数字信号的输出功能。在大型控制系统中，一般还采用了内部网络等信号传送设备，在传感器和执行机构的应用中，

4、要进行A/D变换和D/A变换，输入输出装置多半都配置在远离计算机的地方。A/D变换和D/A变换是在非常短的时间（0.05ms以下）内完成的，所以对控制性能几乎不发生影响。3数字控制中的信号处理值。图7.4中表示了两种不同频率的模拟信号用相同的采样周期进行采样的情况。图中的符号“”表示采样值。为了使被采样的信号存储到计算机的存储装置中，应当像图7.4中的数值信号那样，在下一个采样发生之前使采样信号保持在同一个值上。若设模拟信号的周期为Tc时，图（a）所示模拟信号在一个周期内有12次采样，即（Tc /Ts）=12；图(b)表示，（Tc/Ts）=1.5。图（a）中的数字信号滞后于模拟信号，但在波形上

5、近似于模拟信号。图(b)的数字信号与模拟信号完全不同，它变成了另一种不同频率的信号。当模拟信号不能再看作为正确的输入信号时，如果采用这种采样数字信号就会造成错误的控制。这种现象称为混淆现象，在数字控制中，必须注意不应发生混淆现象。避免混淆现象最有效的方法是使得采样周期比模拟信号的周期短，但是事实上要求控制器的运算速度过分快和负载状态过分短暂是不可能的。通过滤波器，从模拟信号的频率分量中，滤除两倍采样频率以上的模拟信号分量，这样就能避免发生混淆现象。控制器对输入、运算和输出的处理，要在每一个采样周期内完成。一般来说，PC和PLC要在多数的采样周期内进行多个功能的处理。例如，没有必要配置顺序和人机

6、联系等高速处理功能时，可以在具有一定长度的采样周期内处理；而在反馈控制等要求具备快速响应功能时，则在比较短的采样周期内处理。图7.5中所示的是在同一采样周期内，处理两个控制功能A和B的例子，由图中可见功能A和B的操作量运算和输出是依照序列处理方式进行的。因此，如果处理的功能数比较多，考虑到与运算时间的关系，采样周期不得不加长，如果采样周期属于固定不变的情况，则必须减少处理的功能数。单片机只具备作为计算机所必须的最低限度的功能，一般不能简单地改变程序。因此，只能用来实现大约一两种既定的控制功能。因为处理的功能少，可以在非常短的采样周期内完成运算，所以在要求具有高速控制响应的场合，多半都采用单片机

7、。4.PID控制的操作量运算PID控制的操作量u (t )如式（71）所示，它表明u (t )是由比例作用、积分作用和微分作用三者之和构成的。式中，u (t )为操作量；u (t0 )为操作量的初始值；e (t )为误差（目标值与反馈信号之差）；Kp为比例增益；TI为积分常数；TD为微分常数。积分(I)微分(D)比例(P)由式（71）运算得到的操作量，是由执行机构的位置本身得到的，所以这种直接实施式（71）的算法，称之为位置形算法。如式（7.2）所示，把现在时刻的操作量用（前一时刻的值十前一时刻值的增量）求出的方式称为速率形算法。 （7.2）增量u n可根据位置形算法求得的现在时刻的操作量，与

8、前一次的操作量之差来计算，即用下式表示： （7.3）速率形算法的PID控制方框图，如图7.6所示。在速率形算法中，首先利用式（7.3）求出操作量的增量u n，然后通过式（7.2）计算出经过积分运算后得到的现在时刻的操作量。在速率形算法中，因为只计算增量，所以有以下特点：容易改变增益；用多个控制系统操作一个执行机构时，合成比较容易；当打开或关闭控制系统时，其输出量的处理也比较容易等。因此，在制造工厂等部门中的所谓过程控制中，广泛地采用了速率形算法。5采样周期的设定决定PID控制系统响应的因素，是系统中所含积分作用的特性。因此，有必要分析积分作用的频率特性与采样周期之间的关系。积分作用的传递函数为

9、 （7.4）交界频率c为 （7.5）另外,若用角频率表示采样周期TS,则可以表示为 （7.6）若以S与交界频率c的比(S/c)为参量,计算出积分作用的频率特性,则计算结果如图7.7所示。由图可见，S/c越小，即采样周期越短，采样系统越接近于连续时间系统的特性。例如，在S/c=1/10的情况下，高频区的增益特性与连续时间系统比较，有很大差别，相位特性也相差很大。但是，在S/c=1/30的情况下，增益特性则大致与连续时间系统相同，交界频率上的相位滞后也很小。因此，如式（7.7）所示，如果将采样周期设定为控制系统目标响应（交界频率）周期的1/30以下，则可以获得接近于连续时间系统的控制特性。若以S与

10、交界频率c的比(S/c)为参量,计算出积分作用的频率特性,则计算结果如图7.7所示。由图可见，S/c越小，即采样周期越短，采样系统越接近于连续时间系统的特性。例如，在S/c=1/10的情况下，高频区的增益特性与连续时间系统比较，有很大差别，相位特性也相差很大。但是，在S/c=1/30的情况下，增益特性则大致与连续时间系统相同，交界频率上的相位滞后也很小。因此，如式（7.7）所示，如果将采样周期设定为控制系统目标响应（交界频率）周期的1/30以下，则可以获得接近于连续时间系统的控制特性。7. 1. 2 单片机实现的控制系统1.电动机的单片机控制特征(1)采样周期短电流控制要在250s的周期内完成

11、，速度控制要在1ms的周期内完成，所以在许多情况下，在一台单片机中以不同的周期去处理各项工作。(2)电流中包含脉动成分为了进行电流控制，必须把电流检测信号变换成数字值。虽然一般都采用了A/D变换器，但仍需注意输入信号中包含的脉动成分。由于信号的检测时刻不同，检测出的值也不相同，因此，不能保证在每一个周期内的一次检测的精度。为了避免发生这种情况，可以在各个周期内进行多次检测，然后求出其平均值。（3） 控制输出为开关信号控制器的最终输出为晶闸管的选通信号，即为控制晶闸管开关的定时信号。这种选通信号，有时会以微秒以下的增量控制定。单用单片机来实现如此短时间的定时控制，是一件困难的事情，往往要与数字电

12、路的硬件结合起来才能实现这种控制。2由单片机构成的电动机控制系统图7.9所示的是由单片机构成的电动机控制系统。电流通过A/D变换器时，以数字值的形式输入到计算机中。脉冲编码之类的旋转传感器信号，经过统计计数等的信号处理电路，变成数字值。单片机可以利用这些输入信号计算出晶闸管的导通相位指令，并将其输送到由数字电路构成的相位控制电路中。相位控制电路与电源同步，决定导通时间，并且向各个晶闸管输出选通信号。3.由单片机实现传递函数在图7.9所示的单片机中央处理装置（CPU）中，进行操作量的运算。首先，实现一阶滞后传递函数。在一阶滞后传递函数的拉普拉斯变换表达式中，如果设输入量为u，输出量为y，则把表达

13、式写成 （7.8）在上式的两边用一阶滞后环节的分母相乘，求出输出的微分项y s，即 （7.9） 如果设采样周期为Ts，Ts期间输出量的变化为y，则输出量的微分y s可以近似地表示y /Ts。因此，Ts期间的变化量可以用下式求出 （7.10）在每一个周期上对上述输出的变化量进行叠加，就可以得到输出量。即 （7.11）式中，yn为各控制周期的输出量；yn-1为前一次的输出量。若用方框图近似表示上述处理过程，则如图7.10所示。在图中，D意味着输出其输入信号的前一次的值。上述一阶滞后环节的实现方法可以整理如下。（1）通过变换只把传递函数输出量的微分项y s放到等式左边。（2）设输出量的微分y s为y

14、/Ts，然后用Ts乘等式两边得到输出变化量y的计算公式。（3）将变化量y与前一次的输出量相加。7.1.3 .计算机控制系统的构成1计算机控制系统的特征表7.1中列出了单片机、PLC和PC的特征，以及它们的使用范围。单片机是一种小巧玲珑的计算机，它是距控制对象最近的一种控制用计算机。电动机速度控制和电磁阀控制等，都适于采用单片机。用模拟运算元件构成的单一回路控制器，基本上也都是用单片机进行置换的。PLC居于单片机与PC之间，并且具有容易实现程序控制和闭环控制等功能。实现这种功能时专门开发使用语言。适合于程序控制的序列函数图（SFC），以及适用于闭环控制系统的程序框图（BLK）等也被采用。但是，P

15、C可以使用通用的高级语言，同时它具有处理大量信息的能力，所以适用于对整个工厂的管理和控制。当然，这里所揭示的特征只是一般性规律。实际上适用于单片机的一些功能，用PLC也能够实现，并且用PC也能实现程序控制。表7.1 计算机的特征和应用范围特征应用范围单片机 用汇编语言编程 定点运算 采样周期短例如：1ms 便宜可以简单地实现标准化功能 单回路控制器 电动机和液压机械等执行机构的控制 家电产品等的控制PLC 利用专门语言编程，指针序列函数图、程序框图 定点运算和浮点运算均可 可以进行多任务处理 采用中等长度的采样周期例如：20 ms机械设备和生产过程的控制 程序控制 产品质量控制PC 采用高级语

16、言C语言，FORTRAN 可以处理大量的信息 容易进行高级的运算 采样周期长例如：100ms整个工厂的管理和控制 工厂构成设备和机器的规划和拟定 信息处理 高级复杂运算中的必要的控制 数据采集和分析2计算机控制系统的构成（1）电动机的速度控制（速度的基准由操作者输入）在电动机的速度控制中，为了用短采样周期实现其标准化的功能（高速控制响应），这时最适合采用单片机。在图7.9中，单片机组成了电动机的控制器，如果特意把它进行分解，控制系统就可以如图7.11所示。在这个系统中，单片机和作为控制对象的电动机是一一对应的。单片机通过输入输出部分，与速度基准设定器、电动机的控制装置和转动传感器进行信息的交换

17、。这种计算机与其它设备的信号进行直接输入输出交换的方式，称为直接结合方式。小型控制系统一般都是采用直接结合方式，虽然具有信号传送时间短的特点，但是系统不易扩展。（2） 中规模的计算机控制系统如图7.12所示的控制系统方案。因为电动机的控制装置是分散安装的，所以PLC与电动机控制装置之间的信息交换是通过控制用的局域网LAN（Local Area Aetwork）来实现的。由于采用了局域网LAN，可以使工程费用大大减低。控制用局域网LAN与可编程控制器PLC，以及电动机控制装置之间的连接是通过遥控站（RS）来实现的。另外，在电动机控制装置和传送线路上设置的位置传感器中，其输入和输出信号，使用了过程

18、输入输出装置（PI/O）。在PI/O中，根据需要安装有模拟输入输出接口、数字输入输出接口，以及脉冲输入接口等。这种采用了局域网LAN的，把输入输出装置配置在靠近进行信号交换装置附近的方式，一般不同于直接连结方式，这称为遥控输入输出方式。（3）兼有上位机监控和两个并行控制子系统的大规模计算机控制系统中央空调是由冷媒系统水系统和风系统等多个子系统组成的复杂的大系统，为了协调不紊的工作采用大规模的计算机控制系统的构成方案。大规模控制系统具有分层构造，各层承担着不同的功能。这与社会组织非常相似。7.2制冷空调的直接数字（DDC）控制7.2.1直接数字控制直接数字控制简称DDC。DDC实际上是用一台工业

19、计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道，直接作用到执行机构上，实现对生产过程的闭环控制。所以说DDC控制系统是以计算机为控制器过程控制系统。DDC控制系统具有高可靠性，友好的人机对话界面，方便的显、示打印功能及灵活的控制规律。现介绍具有扩展功能的式DDC控制器：扩展式数字控制器对于冷冻机组或锅炉设备、空调系统HVAC的处理过程的控制来说，是一种理想的数字控制器。控制器的独立配置，使其软、硬件的功能能灵活地适应各种不同的控制过程。除了它突出的灵活控制之外，还可在扩展总线上连接I/O扩展模块，输入、输出点的容量，并可通过内置

20、的LED来监控这些点。控制器可通过总线进行通信，并且将所有监控点情况和各种控制信息准确地提供给整个网络或控制站。扩展式数字控制器有两种不同结构的型号。第一种：在控制器内配有接线端子。第二种：配有可分离的安装和接线基座，可先安装基座，与现场接线端子相连，再安装控制器。两种型号都可安装在控制盘内，或者通过标准导轨，直接安装在所控制的设备上。坚固的结构设计，使其更具吸引力。扩展模块可以透过同一条标准导轨安装在控制器旁，或安装在离控制器最远不超过1200mm的地方。扩展模块由子模块组成，可提供模拟、数字I/O点的各种组合。最多可有8个扩展模块连接到扩展总线上。控制器及扩展模块配备了一系列的传感器、驱动

21、器、控制阀门及挡板，可控制冷冻机组、锅炉设备、HVAC空调系统及其它制冷采暖的设备。控制器不但能接收变送器送出010V的电压和无源温度传感器所输出的信号，亦能接收工业标准的420mA信号。控制器的输出，不但能控制比例式及增量式电子驱动器，也能控制微型电动机、控制式继电器、分段加热制冷及其它一些电气设备。而通过一个外部转换器，就可对气动驱动器加以控制。扩展式数字控制器无需按传统方式编程，而是用梯形图编程软件对控制算法、时间程序和输入输出点的分配进行设置。图形编程软件是在与控制器的总线相连的便携式计算机上运行的，从而简化了控制器的配置。DDC控制器无论是作为整个系统的一部分，还是作为一个独立的控制

22、器，对于冷冻、加热、HVAC空调系统，控制器都是你的最佳选择。因为它集配置和操作的方便性、应用的灵活性，以及精确的状态控制及能源管理于一身。7.2.2.直接数字控制器在制冷、空调系统中的应用1直接数字化控制节能可以说是数字自动控制系统的出发点和归宿。在智能建筑中，HVAC（采暖、通风和空调）系统所耗费的能量要占到大楼消耗的总能量的极大部分比例，大致在50%60%左右。特别是冷冻机组、冷却塔、循环水泵和空调机组、新风机组，都是耗能大户。所以很有必要发展一种有效的空调系统节能方法，尤其用是在改善现有大楼空调系统自动化上方面。DDC直接数字化控制，是一项构造简单操作容易的控制设备，它可借由接口转接设

23、备随负荷变化作系统控制，如空调冷水循环系统、空调箱变频自动风量调整及冷却水塔散热风扇的变频操控等，可以让空调系统更有效率的运转，这样，不仅为物业管理带来很大的经济效益，而且还可使系统在较佳的工况下运行，从而延长设备的使用寿命以及达到提供舒适的空调环境和节能之目的。2DDC自动控制系统DDC直接数字化控制是一种简易的微处理器设备，它须与其它组件，如变频器、温度湿度传感器、焓差控制器、两通阀等组件整合搭配才能发挥功效。这些组件的输入输出以模拟信号DC010V或低电流420mA作信号传送，送至DDC控制器。经DDC内置软件作判别后反向输出信号来控制阀部件或变频器来调节空调。DDC自动控制系统各周边设

24、备及控制功能。（1）直接数字控制（DDC）DDC系指一台数字计算机直接操作一个状态，或者一套程序予以自动控制的作业。所配用的数字计算机，可以采用小型微处理机，也可配用于中央型的微处理器连线作业。空调系统常用的控制元件，例如风闸开关、阀开关、驱动继电器等的操作，不论气动式还是电动式的，亦不论其作用为调整大小的动作或仅为开或关的动作，均可改用DDC方式作自动的操作。DDC系统利用硬件和软件来调整控制变数或依据操作人员的需要来控制制造程序。其中控制变数包括温度、压力、相对湿度、流量等。控制程序和设定点可利用软件输入计算机内，并能够在操作人员的键盘上进行修正。DDC系统可将检测到的温度、压力等控制变数

25、，与预先储存在计算机内的希望数值相比较，如果测试的数值小于或大于所希望的数值，系统将会送出一系列的数字脉冲，这些脉冲则借助电动对气动的转换器或电动对电动的转换器转变成控制装置的调整信号，然后通过计算机的调整，其所输出的信号，再操作转换器，使原来气动或电动的组件按指示信号操作。（2）焓差控制器焓差控制是指在送风系统中，当室外的温度低于室内温度时，利用室外的低温空气调节室内温度。焓差控制器是由控制器比较室外温度及回风温度低而将各风门关大、关小或全开、全关的。风量控制，可采取自动和手动双重方式，由温（湿）度的感测，经过风门和变频双重调节，以达到室内设定的温度和湿度。（3）冷却水塔散热风机温控器冷却水

26、塔风机在不同的冷却负载下其耗电维持在一定值，造成电力的浪费。故在冷却水塔风机使用变频电动机，并利用冷却水出口温度控制风扇电动机起停及高低转速，不但主机能在较低的冷却水进水温度下做高效率的运转，并且可有效的减少冷却水塔风机的耗电。3大楼空调系统的架构一般大楼常用的空调系统有CAV、VAV、VWV等，各有不同操控方式，都可以用DDC控制。（1）定风量系统（简称CAV）定风量系统为空调机吹出的风量一定，以提供空调区域所需要的冷（暖）气。当空调区域负荷变动时，则以改变送风温度应付室内负荷，并达到维持室内温度于舒适度的要求。常用的中央空调系统为空调机（AHU）与冷水管系统（FCU系统）。这两者一般均以定

27、风量（CAV）来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送来处理，在一般FCU系统则以冷水阀ON/OFF控制来调节送风温度。（2）变风量系统（VAV）变风量系统（简称VAV）即是空调机（AHU或FCU）可以调变风量。常用的中央空调系统为空调机（AHU）与冷水管系统FCU系统。这两者一般均以定风量（CAV）来供应空调区，为了应付室内部分负荷的变动，在AHU定风量系统以空调机的变温送风来处理，在一般FCU系统则以冷水阀ON/OFF控制来调节送风温度。然而这两者在送风系统上浪费了大量能源。 因为在长期低负荷时送风亦均执行全风量运转而耗电，这不但不易维持稳定的室内温湿条

28、件，也浪费大量的送风运转能源。变风量系统就是针对送风系统耗电缺点的节能对策。变风量系统可分为两种：一种为AHU风管系统中的空调机变风量系统（AHUVAV系统）；一种为FCU系统中的室内风机变风量系统（FCU-VAV系统）。AHU-VAV系统是在全风管系统中将送风温度固定，而以调节送风机送风量的方式来应付室内空调负荷的变动。FCU-VAV系统则是将冷水供应量固定，而在室内FCU加装无段变功率控制器改变送风量，亦即改变FCU的热交换率来调节室内负荷变动。这两种方式透过风量的调整来减少送风机的耗电量，同时也可增加热源机器的运转效率而节约的热源耗电，因此可在送风及热源两方面时获得节能效果。（3）变流量

29、系统（VWV）所谓变流量系统（简称VWV），是以一定的水温供应空调机以提高热源机器的效率，而以特殊的水泵来改变送水量，以达到节约水泵用电的功效。变水量系统对水泵系统的节能效率依水泵的控制方式和VWV使用比例而异，一般VWV的控制方式有无段变速（SP）与双向阀控制方式。4不同空调设备运用DDC的方法（1）FCU用在定风量系统（CAV）区域空调因为是定风量系统，所以我们控制冷水系统上的两通阀。当室温升高，室内感温器送出信号给控制器，控制器接到信号与设定的温度比较，输出信号给冷水管上的两通阀。控制两通阀打开，循环风变冷送入室内。如室内温度下降过多，盘管风机作卸载。室内温度感温器送信号至控制器为模拟输

30、入，控制器与设定温度比较，输出模拟信号至冷水管上的两通阀关闭。两通阀也有比例式型式，这种比例式两通阀控制冷水进入冷气排管使空调更有弹性控制，维持室温在设定值上下。（2）AHU用在变风量系统（VAV）区域空调大楼常用的空调系统，以出风温度及预设定的比值为控制方式。靠着送、回风及室外空气温度来控制电动机转速。控制程序如下：1）出风温度感应到感温器（设定在120C），DDC控制两通阀打开。2）送冷气时，冷水感温器测得冷水离开冷气排管温度，调整出风温度状况，陆续利用DDC控制AHU变频器改变电动机转速送出理想出风温度。3）冷水阀门关小至120C，DDC控制器打开室外空气及回风风门，综合送风温度，直到室

31、外空气风门关至最小开度以维持120C送风风温。4）低温限制感应混合温度控制以保护冷气排管不结冰。（3）做冷水主机开关机及状况记录空调系统每天的冷水主机开关机，大都靠人工来操控。最主要开机加载的程序由人来监视比较有弹性。所以操作人员很重要。DDC可以设定所有开关机程序并且标准一致。主机控制系统加装模拟信号适配卡转换传信，再加一台列表机，就能把一天中所有运转情形显示出来。遇有停机又能即时通知技术人员检修。5DDC控制在新风机组节能应用（1）新风机组不节能的原因：1）风机的大小一般是根据最远环路、最大阻力，再乘以一定的安全系数后确定的。2）无尘室的总面积为870M2，净高为3M，工作人员140名，以

32、每人新风量40M3/H计算，总新风需求5600M3/H，而组合式风柜机的风量为10000M3/H；3）设计冰水流量一般是根据最大的设计冷负荷，再按50C供回水温差确定的，而实际上出现最大设计冷负荷的时间，根据有关资料统计，即按满负荷运行的时间，每年不超过30100h，绝大部分时间是在部分轻负荷条件下运行。(2)正压不稳定的原因：1）风机工频运行时，主送风管的全压为120Pa；2）各无尘室的正压控制由新风阀手动控制，不能及时随房间环境的变化来做及时的调整正压。3)改善计划：将厂房无尘室新风机组的风机频率、冰水阀的调节控制、电极式加湿器、加热器、无尘室新风阀采用DDC集中编程控制，实时在线监测。组

33、网的结构设计：采用DDC控制，提高风机的工作效率（分为两地控制：手动-现场控制、自动-机房控制），控制系统维护简单，操作简单，降低生产成本，减少操作维护人员，提高无尘室正压的稳定性。(4)系统配置：DDC控制器：所谓在线数字控制是以微处理器为基础、不借助模拟仪表而将系统中的传感器或变送器输出的信号，直接输入到单片机中，经单片机按预先编制的程序计算处理，直接驱动执行器的控制方式，DDC控制原理如图7.13所示：DDC选择所需端口数量如表7.3所示：图7-13 DDC控制原理端 口数 量端 口数 量AI接口8个DI接口2个AO接口10个DO接口3个根据以上数据，并考虑到以后如需增加输入和输出端口，

34、可以在其上增加扩展模块，本设计选用霍尼威尔XL50MM1型，端口数量如表7.4所示：表7.4 霍尼威尔XL50MM1端口数量端 口数 量端 口数 量AI接口8个DI接口4个AO接口4个DO接口8个表7.3 DDC选择所需端口数量A0接口数量不够，可再加装一个XSL-511带8个A0端口的扩展模块 (5)加热器控制器选择：考虑到机组带有两组30KW的电加热器，为满足对送风温度的精确控制，选用二组上海顺科电子的三相交流调压模块系统IN4-8V SSR-H380-D125D，此调压模块系统具有输入端与输出端光电隔离。采用输入端电压（0-10V）的高低变化实现对输出端负载功率的控制，输入阻抗高，可直接

35、与DDC控制相连，十分方便地实现了对输出端负载电压功率的无级调节，调压范围0380V，最大控制电流为125A。(6)加湿器的选择：机组本身自带加湿量为65Kg/H的电极式加湿器,但无法利用DDC来控制。后改用瑞士品牌NORMANNAT3000-6564，加湿量为64Kg/H，该加湿器根据0-10V模拟量控制，可以进行加湿量无极调节，并带有自清洁系统（SC系统）。(7)传感器的作用：传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。新风机组的控制，需取四种信号：送风温度、露点温度、压力和室内静压。(8)防浪涌设计：接触器为感性负载

36、，且为交流电源供电，为防浪涌电流冲击，在负载两端并接RC (9)控制系统软件设计:1）启动前要有软硬件互锁；2）电动机的控制要能满足远程自动控制及手动启停控制；3）风机启动并建压360S后，电加热器才允许投入；电加热器停止后120S风机才停止；4）当送风压力大于或小于设定值时，风机频率要能自动增加和减小；5）当送风温度、露点温度偏离设定值时，冰水阀、加热器、加湿器自动控制调节；6）当室内静压偏离设定压力时，新风阀应能自动开小或开大；7）当送风温度、露点温度、压力、房间静压、水流开关等有异常时能发出报警信号。(10)DDC自控系统调试：现场调试设备：系统调试步骤：1）按施工图纸检查各设务接线端子

37、，有无漏、掉、错、虚接的情况；2）用测量工具（摇表、万用表）测量，各设备线路和接点有无因施工受到损伤或短接；3）安检各设备及线路后，送控制电路电源并测量其电压，重复安全检查；4）将计算机和DDC相连，将计算机内制作的控制程序由计算机传到DDC里；5）设定变频器参数，测量输入电压是否在380V7%内，电压正常后，手动启动风机并测量其电流是否正常，并检查风机压差开关（设定60Pa闭合）是否闭合，风压在120Pa左右，运行正常；6）手动停止风机，转到变频位置，并按启动，变频器频率从0HZ开始加载；7）开启房间风机盘管和FFU，并将风机盘管温度设定在2320C，湿度设定在5510%，FFU风速设定在中

38、间第五档； 8）将DDC的运行键拨至运行位置；9）将DDC温度、露点温度、主送风管压力、各房间压力从最小调到最大，观察冷水控制阀、加热器、加湿器、各房间新风阀能否从最小值调到最大值，并测量DDC输出是否在010V之内变化，不能者对其值进行修正，并测量加热器和加湿器的电流值是否在额定范围内；10）用标准温度计、露点温度计、压差计测量各送风实测值并记录，检查DDC的显示值和实测值是否一至，不一至者在DDC内对其值进行修正，不能修正者更换其传感器；11）设定DDC控制参数，温度19.50C，露点温度12.50C，房间静压10K级二个设15Pa，100K级三个设10Pa，主送风管压力设定在90Pa，并

39、检测各参数正常；12）断开各传感器，报警器工作正常；13）DDC、各房间正压、各执行器动作正常，调试成功。6. DCS在空调监控系统中的应用某档案馆中央空调DCS监控系统在空调机房装置一台智能化I/O单元,把现有空调冷气及各室通风系统的所有状态信号及控制开关信号连接到计算机化自动监控系统,可实现系统现场的无人值守可按预设的数据自动运行。系统监测各部份的运行状态和故障的发生,并累计设备的运行时间。计算机化系统可根据所监测的冷水机的出、入水温度,冷水泵的出、入水压力等数据,智能化地可以诊断冰水机及冷水泵是否处于正常运行状态,预先防止设备故障。对于每层的新风机组,可根据室外新风的温度及室内回风的温度

40、,按照最佳时间程序,系统可以适时地自动启/停鲜风机的冷水阀门,在不影响楼层保持适宜的环境温度,又可节能。中央空调DCS监控系统的结构如图7-17所示中央空调DCS监控系统中受控的设备，主要有抽湿机、新风机、排风机、净化装置以及恒温恒湿空调。用户可选择自动或是手动来控制这些设备，手动优先，在手动按钮按下后，设备的自动控制功能将被关闭。而各设备下的自动开关按钮也应在手动按钮按下后方能作用，否则将会出现控制紊乱的情况。7.3.1 可编程序控制器（PLC ）1.PLC的硬件组成PLC的硬件部分由中央处理单元（CPU模块）、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源模块、通信模块、编程器等部分组成。如图7.

41、19所示。2输入/输出（I/O）模块I/O模块是CPU与现场I/O设备或其它外部设备之间连接的桥梁。输入模块的作用是接收和采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数字拔码开关、限位开关、接近开关、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关量信号和热电偶、电位器、测速发电动机以及各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号转换为CPU能够接收和处理的数字信号。输出模块的作用是接收经CPU处理过的数字信号，并把这些数字信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信号，以控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，或控制指示灯、数字显示装置和报警装置等设备。PLC的对外功能主要是通过各类I/O模块的

42、外接线，实现对工业设备或生产过程的检测或控制。在实际生产过程中，输入信号的电平多种多样，外部执行机构所需要的电平也多种多样，而PLC的CPU所处理的只能是标准电平，正是通过各种不同的I/O模块除了传递信号外，还具有电平转换的作用。图7.20就是PLC连接各种不同I/O设备的例子。输入信号有开关量信号、数字信号、脉冲信号和各种模拟量信号；输出信号有交流和直流开关量信号、脉冲信号、模拟量信号。由于PLC的I/O信号电压一般较高，比如直流24 V交流220V，而CPU模块的工作电压较低，一般为5V。因而从外部引入的尖峰电压和诸如电力线、电气噪声等各种干扰很可能损坏CPU模块，使PLC不能正常工作。为

43、此，I/O模块还要具有隔离的作用。图7.20 PLC输入/输出模块图（1）对I/O模块的基本要求由于I/O模块是与现场设备直接相连，因此对I/O模块的基本要求如下：1）抗干扰性能好，要能可靠地在干扰较大的场合工作；2）输入模块要能直接接收现场的直流或交流电压信号；3）输出模块要能直接驱动诸如接触器、电磁阀、调节阀等执行机构；4）可靠性和安全性要求高，除了能在恶劣的环境下可靠地工作外，还要能在发生故障时，保证设备的安全，使故障的影响减到最小。（2）开关量I/O模块1）开关量输入模块开关量输入模块若按照使用的电源不同可分为直流输入模块、交流输入模块和交、直流输入模块三种；若按照输入端与用户输入设备

44、的接线方式的不同又可分为汇点式输入和分隔式输入两种汇点式输入就是全部或几个输入回路共享一个COM公共端，如图7.21所示。从图中可以看出汇点式输入接线方式既可以用于直流模块，也可以用于交流模块。直流输入端的模块的电源一般由PLC自身的电源供给，而交流输入端的模块的电源一般由用户提供。分隔式输入端就是每个输入回路有两个接线端，由单独的一个电源供电，相对于电源来说，各个输入点之间是互相隔离的。如图7.22所示。通常情况下，采用汇点输入接线方式，当要求避免每个回路之间的信号发生于干扰时，才采用分隔输入接线方式。（3）模拟量I/O模块模拟量I/O模块在工业控制中的应用十分广泛。例如，若要将温度、压力、

45、流量、位移、速度、酸碱度等模拟量参数送入PLC进行控制，则必须通过模拟量输入模块将这些模拟量参数转换成数字量，才能被PLC所接收，继而进行运算或处理。同样，若要对电动调节阀、液压电磁阀等之类的执行机构进行连续控制，也必须通过模拟量输出模块把PLC输出的数字量转换成模拟量，才能满足这类执行机构的动作要求。因此，模拟量I/O模块实际上就是实现A/D和D/A转换的模块。在使用模拟量I/O模块时，应考虑I/O通道数、I/O信号种类、分辩率等。所谓I/O通道数就是指每个模块有多少点模拟量输入、输出。常用的有每个模块4点隔离I/O、8点I/O或16点I/O，16点的常用多路切换器输入，构成多路数据采集系统

46、。模拟量I/O信号有电压和电流两种。电压信号电平有- 10+ 10V、010V、-5+5V、05V、等几种。电流信号有420mA、020mA、010mA等几种。常用的模拟I/O信号为05V或420mA。在进行A/D或D/A转换时，使用的数字位数越多，能识别的模拟信号值越小，即分辩率越高。3特殊功能模块在工业控制中，不仅需要处理开关量，而且还需要处理模拟量，需要具有闭环控制及机 器间的通信等功能。PLC逐渐加强和完善了这些功能。目前，一般采取如下两种措施来实现这些功能：一种是利用PLC的主CPU，再加上一定的硬件支持环境，通过开发比较完善的软件来完成，如一般的模拟量输入/输出的处理以及简单的控制

47、。另一种是硬件、软件一起开发，形成带自己的CPU模块，并在模块系统软件支持下，通过执行控制程序来完成任务，即利用所谓智能模块来实现控制。此时，智能模块的工作和PLC主CPU的工作可以并行进行，它可以不管PLC主CPU的状态而独立地连续工作。这种智能模块与通用输入/输出模块的主要区别是：它自身不仅带有微处理器芯片，而且自身带有存储器和系统程序。它通过系统总线与CPU模块相连，并可在CPU模块协调管理之下独立进行工作，提高处理速度，便于用户编程。根据各种特殊功能的需要，PLC智能模块的种类也越来越多，如PID控制模块、高速计数模块、热电偶输入模块、热电阻输入模块、中断控制模块等。（1）热电偶输入模

48、块。标准模拟输入模块能接收从变送器出来的标准电压或电流信号，而特殊的模拟输入模块却能直接接收来自现场传感器的信号。热电偶输入模块就是一种能直接接收热电偶传感器检测的毫伏（mV）信号的特殊功能模块。热电偶输入模块有各种不同型号可供选用。通过选择热电偶输入模块中的跨接线或设定开关，可使热电偶输入模块与不同型号的热电偶连接。例如，一个热电偶输入模块具有E、J或K型号的热电偶（ISA标准）连接的能力，其中不同型号的热电偶传感器适用于不同的测量范围。热电偶输入模块的工作原理与标准模拟输入模块十分相似。从热电偶传感器接收的毫伏级输入信号经信号放大后，转换为二进制或BCD码格式的数字信号。也就是用转换后的二

49、进制或BCD码格式的数字信号，表示由所选择的热电偶传感器检测出的摄氏或华氏温度值。由于热电偶在00C到其最高温度限之间呈非线性，所以其测量输出的mV值与被测温度值之间不成正比关系。在热电偶输入模块内，常含有一个微处理器，用来将模块所接收的毫伏值换算成对应的摄氏（0C）或华氏（0F）温度值。这是通过查阅选定热电偶的毫伏一温度表，并进行线性插值来完成的。在热电偶输入模块内，通常提供对热电偶读数进行冷端温度的补偿，使热电偶好象是以冰点（00C）作为参考点工作，这是由于热电偶表中的电动势是以冰点（00C）作为参考点的。除冷端补偿外，热电偶输入模块通常还为某一确定的电阻值提供引线电阻补偿。（2）热电阻输

50、入模块。热电阻输入模块是一种能直接接收热电阻传感器检测信号的特殊功能模块。热电阻通常有一个线绕电阻，该线绕电阻一般由带有不锈钢保护销的铂、镍或铜质小线圈构成，且其电阻值随温度以一种已知的重复的规律变化。热电阻以其精确性、可重复性和长期稳定性而特别适合作温度传感器。热电阻输入模块的工作原理与其它标准模拟输入模块相似，它向热电阻发送一小电流（mA），并读回对该电流的阻值。由于热电阻的阻值随温度而变化，因此该模块可测量温度。热电阻输入模块将电阻值转化为摄氏（0C）或华氏（0F）温度值，并供处理器使用。这种模块可与多种类型的热电阻相连。控制模块通过监视生产过程的模拟输入量，将输入值与设定值进行比较，然

51、后使用固化在模块内的控制算法程序计算出模拟控制信号，输出到模块以外的设备。(4）通信模块通信模块是用来使CPU与外部设备或其它PLC或上位计算机进行开关量I/O、模拟量I/O、各种寄存器数值、用户程序和诊断信息的串行通信，使操作人员可以通过外部设备或上位计算机监控PLC的工作状态、为PLC输入程序、改变PLC的工作方式或某些参数，或者将PLC的程序或状态送到外部设备或上位机。通信模块一般是一个带有CPU的智能模块，各种类型的通信模块略有差异，但基本原理和作用都是相似的。在通信模块中，CPU以及控制电路加上ROM中的控制程序，是模块的核心，其它部分的工作均由这个核心控制。与通信模块相连的外部设备

52、，可以是计算机、编程器、调制解调器、其它通信模块或者是高档的PLC。通过通信模块，使PLC与各种外部设备之间建立了一个数据通道，利用这个通道可实现编程；检查程序；控制工作方式；监控运行状态；改变I/O状态;图示与操作等。4.PLC的软件组成PLC的软件分为两大部分：系统监控程序和用户程序。(1) 系统监控程序用于控制PLC本身的运行。系统监控程序分成系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块或系统调用子程序程序模块。1）系统管理程序系统管理程序是系统监控程序中最重要的部分，整个PLC的运行都由它主管。其一是运行管理，控制PLC何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通信等等，进行时间上的

53、分配管理。其二是进行存储空间的管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址。将用户使用的数据参数，存储地址转化为实际的数据格式和物理存放地址。它将有限的资源变为用户可直接使用的诸多组件。例如，它将有限的内部时钟扩展为几十个甚至上百个用户定时器和计数器。通过这部分程序，用户看到的不是实际机器存储地址，而是按照用户数据结构排列的组件空间和程序存储空间。其三是系统自检程序。它包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个PLC就能有序地正确工作。2）用户指令解释程序、编辑程序任何计算机最终都是根据机器语言来执行的，而机器语言的编制又是非常麻烦

54、的。例如， 在PLC中可以采用梯形图编程。将人们易懂的梯形图程序变为机器能识别的机器语言程序，这就是解释程序的任务。它将梯形图程序逐条翻译成相应的一串机器语言，然后通过CPU完成这些功能。事实上，为了节省内存，提高解释速度，用户程序是以内码的形式存储在PLC的。用户程序变为内码形式的这一步是由编辑程序实现的，它可以插入、删除、检查、修改用户程序，方便程序的调试。3）标准程序模块或系统调用子程序程序模块这部分是由许多独立的程序块组成的，各自能完成不同的功能，有些完成输入、输出，有些完成特殊运算等。PLC的各种具体工作都是由这部分程序来完成的。整个系统监控程序是一个整体，它的质量好坏很大程度上影响

55、PLC的性能。因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬设备的条件下，改善PLC的性能。(2) 用户程序用户程序是可编程控制器的使用者编制的针对控制问题的程序。它是用梯形图或某种可编程控制器指令的助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等，其助记符形式随可编程控制器型号的不同而略有不同。用户程序是线性地存贮在监控程序指令的存贮区间内的，它的最大容量也是由监控程序限制了的。5.PLC的工作原理（1）PLC的扫描用户程序通过编程器输入并存放在PLC的用户存储器中。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时

56、刻只执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好象是同时完成的。这种按分时原则，顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描。执行一次扫描的时间称为扫描周期。当PLC投入运行是，它首先执行系统程序和CPU自检等工作。然后开始顺序执行用户程序。PLC的用户程序由若干条指令（语句）组成，这些指令在存储器中是按步序号的顺序排列的。用户程序的执行是按顺序扫描工作方式完成的。在没有中断或跳转控制的情况下，CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再返回第一条指令开始新的一轮扫描，PLC就是这样周而复始地重

57、复上述的扫描周期。顺序扫描的工作方式简单直观，它为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，通过 自诊断，检查CPU模块内部的硬件是否正常；通过CPU设置的监控定时器，判断每次扫描是否超过规定时间，从而避免了因CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成的影响。第三方面，通过通信功能，使PLC与编程器、上位机或别的带微处理器的智能装置进行通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。可见，PLC与继电器控制的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是按“并行”方式工作的，或者说是同时执行的，只要形成电流通路，可能同

58、时有好几个电器动作。而PLC是按顺序扫描的方式工作，也就是说PLC是以“串行”方式工作的。它是循环地、连续地顺序逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令。PLC的这种串行工作方式可避免继电器控制的触点竞争和时序失配的问题。值得说明的是：PLC的扫描除可按固定的顺序进行外，还可按用户程序规定的可变顺序进行。这不仅仅是因为有的程序不需要每扫描一次，执行一次。也因为在一个大型控制系统中，需要处理的I/0点数较多。通过不同的组织模块的安排，采用分时分批扫描的方法，可缩短扫描周期和提高控制的实时响应性。（2）PLC的工作过程PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作的，其工作过程就是程

59、序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图7.25所示。1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC用扫描方式，把所有输入端的外部输入信号的通/断（ON/OFF）状态一次写入到输入映像寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会随之改变。输入信号变化了的状态，只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。换句话说，在输入采样阶段采样结束之后，无论输入信号如何变化，输入映像寄存器的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入新的内容。2）程序执

60、行阶段在程序执行阶段，PLC逐条解释和执行程序。若是梯形图程序，则按先上后下、先左后右的顺序进行扫描（执行）。若遇到跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。在顺序执行程序时，所需要的输入状态由输入映像寄存器读出，所需要的其它软元件的状态从元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中。对于每个软元件（输入继电器X除外）来说，元件映像寄存器中所存的内容会随着程序执行的进程而变化。3）输出刷新阶段当所有的用户程序执行完后，集中将元件映像寄存器中的输出元件（即输出继电器）的状态（此状态存放在对应的输出映像寄存器中）转存到输出锁寄存器中，经过输出模块隔离和功率放大，转换成被控设