低温送风冰蓄冷空调自控系统设计与远程集散监控研发
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摘 要
低温送风冰蓄冷空调系统是利用冰蓄冷系统，提供比常规空调系统要低得多
的冷冻水，采取比常规低得多的送风温度以减小送风量节省风管管径、节约建筑
空间。冰蓄冷空调系统利用水的相变蓄冷转移白天的用电负荷“移峰填谷”，有利
于电力资源的优化配置使电力资源的使用更加均衡有序。
由于增加了一次载冷剂（乙二醇水溶液载冷剂）的循环流动，运行工况多、相
关设备配置也多，对冰蓄冷及低温送风系统的自动化监控系统的要求相对要高。
冰蓄冷空调系统白天放冷夜晚蓄冷的运行理念，在很大程度上决定了空调系统必
须运用相关控制技术提高其运行自动化程度，才能使该系统高效、安全、可靠地
运行。
本文首先设计了一个以大温差空气处理箱和自制的末端诱导送风装置为核心
的低温送风系统。经过空气动力学理论分析的末端诱导送风装置可以实现 20%～
50%的诱导空气量调节范围。在此基础上，详细地分析了低温送风冰蓄冷空调系统
的工艺流程、运行策略，并针对工艺流程的控制需求，遵循工控系统的设计原则
和开发流程开发了一套监控系统。
该自控系统可以分为两个部分：空调系统的现场运行自动控制系统和上位机
的远程组态监控系统。 主要针对系统的结构和工艺流程选择相关合适的硬件控制
设备，硬件设计主要包括上位机、PLC 控制器、执行器、传感器及相关配件；又
根据不同的硬件设备进行了相配套的软件设计，其中主要是 PLC 的梯形图程序编
写和上位机远程组态监控程序以及可扩展的独立数据采集系统程序的编写。上位
机的远程监控组态系统可以实现低温送风冰蓄冷空调系统的流程监控、故障报警
输出以及运行曲线趋势显示等功能。最后研究了基于以太网和现场总线相结合的
远程控制系统的实现原理。
论文中设计的低温送风系统以及末端诱导装置投入实际运行过程中达到了设
计要求，上位机远程监控系统的设计也基本符合设计要求，提高了系统运行的可
操作性和稳定性。
关键词：低温送风 诱导箱 可编程控制器 远程监控 现场总线 组态
ABSTRACT
Ice storage system can provide much more lower chilled water than conventional
air-conditioning system, so cold air distribution system can use this kind of character.
Cold air distribution system can save the air supply duct diameter and construction
space. Ice storage system using phase change heat storage of water can transfer the peak
electricity load of the daytime. It is conducive to the optimal allocation of power
resources so that the power resources of our country are to be more balanced and
orderly used.
With the addition of circular flow of refrigerant, cold air distribution combined with
ice storage system has a lot of device configurations, and its demands on the automated
monitoring system are relatively more and high. The regular pattern of cold air
distribution combined with ice system is to release cold during the day and accumulate
cold during the night. This regular pattern determines that we should use high control
technology to enhance the level of operation automation and make sure the system
efficient, safe, and reliable operation.
This paper designed a large temperature difference air handling box and made the end
of the induction air supply unit as the core of cold air distribution system. After the
aerodynamic theory analysis, the end induction air supply device can achieve 20% to
50% of the induced air volume control range. This paper has detailedly analyzed the
process, operation strategy of this cold air distribution combined with ice storage system,
and followed the design principles and development process to develop an industrial
control system.
This industrial control system is divided into two major parts, the system of
automatic control systems and field operations for remote PC monitoring system
configuration. In this paper, a distributed control system has been designed to meet the
requirements of operation and experimental for the ice storage system. There is a brief
description of the basic structure and control requirements of ice storage system. The
implementation of control strategy and the design of hardware and software were
introduced. PLC and HMI-friendly touch screen are used as a platform for on-site
control and data acquisition. Software used in this control system is mainly relative
programming software and configuration software. Control results show that the
designed control system is stable, reliable and high control accuracy. Through the MPI
protocol and RS-232C serial communications, touch screen can communicate with PLC
accurately and also can monitor and control the ice storage system state in a real time.
The remote PC monitoring system can achieve the function of monitoring the cold air
distribution combined with ice storage system, fault alarm output and the run curve
trend display. Finally, principles based on the combination of Ethernet and Fieldbus
Remote Control System has been studied.
In the process of the actual operation of this cold air distribution combined with ice
storage and the end induction air supply device has met the design requirements. PC
remote monitoring system is also designed to basically meet the design requirements
and improve the operability of the system operation and stability.
Keywords: Cold air distribution, End induction air supply device, PLC,
Remote control, Fieldbus, Configuration.
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 引言 ..................................................................................................................1
§1.2 课题的研究背景与意义 ..................................................................................2
§1.3 低温送风冰蓄冷空调系统的发展历史及现状 ..............................................2
§1.3.1 低温送风冰蓄冷空调技术在国外的发展和应用 .................................2
§1.3.2 低温送风冰蓄冷空调技术在国内的发展和应用 .................................3
§1.4 现代制冷空调控制技术的发展及意义 ...........................................................4
§1.5 本课题的研究内容 ..........................................................................................5
§1.5.1 低温送风冰蓄冷空调系统及其运行监控系统的设计 .........................5
§1.5.2 自动控制系统的设计与实现 .................................................................5
第二章 低温送风冰蓄冷空调工艺流程及运行策略 .....................................................6
§2.1 低温送风冰蓄冷空调冷源系统工艺流程 ......................................................6
§2.1.1 30%乙二醇溶液循环系统 ...................................................................... 7
§2.1.2 冷却水循环水系统 .................................................................................8
§2.1.3 低温送风侧冷冻水循环水系统 .............................................................8
§2.1.4 低温送风空调系统 ..................................................................................8
§2.1.4.1 低温送风空调系统的设计技术要求 ................................................8
§2.1.4.2 本实验台的低温送风空调系统的设计 ............................................9
§2.2 低温送风冰蓄冷空调系统的运行策略 ........................................................12
§2.2.1 双工况制冷机组蓄冰运行模式 .........................................................13
§2.2.2 融冰单独供冷运行模式 .....................................................................13
§2.2.3 双工况制冷机组单独供冷运行模式 .................................................13
§2.2.4 双工况制冷机组与融冰联合供冷运行模式 .....................................13
§2.2.5 空调末端低温送风系统运行策略 .......................................................13
§2.3 低温送风冰蓄冷空调自控系统的特点 ........................................................14
§2.3.1 系统的控制对象 ...................................................................................15
§2.3.2 系统的控制方式 ...................................................................................15
§2.4 本章小结 ........................................................................................................16
第三章 低温送风冰蓄冷空调自控系统的硬件设计 ...................................................17
§3.1 低温送风冰蓄冷空调系统自控方案设计 .....................................................17
§3.1.1 控制系统的控制要求与功能 ...............................................................17
§3.1.2 自动控制系统方案设计与框图 ...........................................................17
§3.2 低温送风冰蓄冷空调系统控制硬件单元的组成及设计 ............................19
§3.2.1 PLC、人机界面及数据采集硬件配置 ................................................ 21
§3.2.2 控制硬件的电气配置与接线设计 ........................................................25
§3.3 本章小结 ........................................................................................................30
第四章 低温送风冰蓄冷空调自控系统的软件设计 ...................................................32
§4.1 低温送风冰蓄冷空调系统的程序设计 ..................................................32
§4.1.1 不同工况的运行控制及低温送风温度控制过程程序设计 ................33
§4.1.3 数据采集及处理程序设计 ...................................................................37
§4.2 上位机组态监控系统设计 ............................................................................39
§4.2.1 组态监控方式概述 ...............................................................................40
§4.2.2 组态过程及配置 ...................................................................................41
§4.2.3 利用组态王实现的组态监控系统 .......................................................41
§4.3 本章小结 ........................................................................................................44
第五章 现场通信网络和总线技术应用 .......................................................................45
§5.1 串行通信方法 ................................................................................................46
§5.2 通信网络的设计与实现 ................................................................................47
§5.2.1 PLC 和PID 分别与执行器之间的通信 ...............................................47
§5.2.2 PLC 与上位机 PC 之间的通信 ............................................................ 47
§5.2.3 数据采集仪与上位机 PC 之间的通信 ................................................47
§5.2.4 组态软件与下位机之间的通信 ...........................................................48
§5.3 现场总线技术及数据传输技术理论 ............................................................48
§5.3.1 现场总线技术的定义和以太网的特点 ...............................................48
§5.3.2 现场总线技术和以太网的整合 ...........................................................49
第六章 结论与展望 .......................................................................................................51
§6.1 系统运行的成本分析 .....................................................................................51
§6.2 全文工作总结 ................................................................................................51
参考文献 .........................................................................................................................53
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55
一、论文 .................................................................................................................55
二、专利 .................................................................................................................55
三、科研项目 .........................................................................................................55
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
国民经济的发展伴随而来的是我国电力资源的紧张，尖峰电力负荷时段的全
国电力总需求量的增长高于可提供的用电量的增长，带来了一系列的发电用煤量
增加、电力移峰困难、供电不平衡等问题[1,2]。经济的发展，工业生产用电的快速
增长无疑会导致电力资源的紧张，而电网结构的变化和用电分时段不平衡、用电
峰谷相差悬殊更是加速了电力资源紧张的直接因素，我国用于空调的总能耗占国
民经济发展总能耗的 20%~30%，甚至在某些城市空调系统高峰耗电量占城市用电
总量高达 40%，而空调冷热源系统能耗占整个空调系统能耗的 2/3 左右。近年来城
市商业用电和生活用电快速增长，其中空调制冷电力能耗显著增加，调查表明在
空调制冷负荷需求较小的月份（春、秋季）电力资源的供给基本满足国民经济各
行业发展的需求，城市暖通空调用电使电力需求峰谷差增大。
在我国大力号召节能减排降耗的情况下，用电用户需求侧管理（DSM）就迎
来了挑战，必须寻找平衡电力需求峰谷的技术和用电方式。冰蓄冷技术作为蓄冷
空调技术的核心部分，具有蓄冷密度大、蓄冷效率高、最大限量对用户侧电力削
峰填谷等特点。美国等一些发达国家已经将冰蓄冷空调技术作为平衡峰谷电力需
求的重要手段，并预计其空调采用蓄冷技术达到 90%以上。我国目前也开始通过
相关政策鼓励移峰填谷，对平衡峰谷电力起到了积极有力的推动作用。而低温送
风系统与冰蓄冷相结合更能充分发挥冰蓄冷技术供水温度相对低的优势，操作起
来既节能又便于运行管理。
随着计算机技术与控制技术、通讯技术和相关电气自动化技术的迅速发展，
中央空调的控制技术也随着迅速地发展[2]。从单片机、小型的采集控制卡发展到大、
中、小带扩展的可编程控制器（PLC）、人机操作界面等，控制模块化配置集成技
术使系统的稳定性和可靠性得到了提高。对蓄冷空调的运行过程进行控制有利于
蓄冷和释冷过程的稳定、各设备运行控制集中便捷、减少人工操作的失误提高运
行可靠性。本文就是围绕蓄冷和低温送风相结合的空调控制设计与研究开展的。
网络技术的发展促进了测控向网络化方向发展，目前的各种测控用的仪表仪器已
有能力在网络上传送数据，而且越来越多的系统开始采用标准化的网络结构。在
这些网络化的测控系统中，各个节点支路相互独立并专注于其主要工作，节点支
路之间通过网络传递信息，若某一节点支路出现故障，系统可以照样运行，极大
地提高测控系统的可靠性。通过网络可以实现测量数据的远程共享，大大地缩短
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摘要低温送风冰蓄冷空调系统是利用冰蓄冷系统，提供比常规空调系统要低得多的冷冻水，采取比常规低得多的送风温度以减小送风量节省风管管径、节约建筑空间。冰蓄冷空调系统利用水的相变蓄冷转移白天的用电负荷“移峰填谷”，有利于电力资源的优化配置使电力资源的使用更加均衡有序。由于增加了一次载冷剂（乙二醇水溶液载冷剂）的循环流动，运行工况多、相关设备配置也多，对冰蓄冷及低温送风系统的自动化监控系统的要求相对要高。冰蓄冷空调系统白天放冷夜晚蓄冷的运行理念，在很大程度上决定了空调系统必须运用相关控制技术提高其运行自动化程度，才能使该系统高效、安全、可靠地运行。本文首先设计了一个以大温差空气处理箱和自制的末端诱导送...
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