中央空调系统构成及原理

1、2.1.中央空调水系统构成及原理中央空调循环水系统构成如图2一1所示:空调水系统主要是由制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等组成的一个系统。该系统的工作原理是制冷剂在制冷机组的蒸发器中汽化吸收冷冻水的热量，从而使载冷剂一冷冻水的温度降低，然后，在蒸发器内被汽化的制冷剂经制冷机组的压缩机时被压缩成高压高温的气体，当高温高压的制冷剂流经冷凝器时被来自冷却塔的冷却水冷却变成低温高压的气体，低温高压的制冷剂通过膨胀阀后重新变成了低温低压的液体，而后再在蒸发器内气化，完成一次循环。通过不断的循环，载冷剂不断地输送冷量到空气处理单元，同时，制冷机组产生的热量不断的被冷却水所带走，在流经冷却塔时散发到空气中，冷却塔上装有风机，对流经冷却塔的水进行降温。中央空调制热时，冷却水系统停止运行，空调机组直接对冷冻水进行加热，目前主要有电加热和燃气燃烧加热。经过加热后的水通过管道流至各个房间，风机把进风口吸进的凉空气通过热管加热在通过出风口排出，此时一吹出的便是热风，达到了制热的目的。同时变冷的水流进机组，再一次被加热，然后采暖泵迫使热水再一次流入房间管道，如此形成循环。实际中央空调应用中，由于其冷冻水和热

2、水用一套水循环管道，所以在设计水泵时，有些设计只有两种水循环系统，即冷却水循环和冷冻水循环，此时水泵也就只有冷冻水泵和冷却水泵，夏季两种水泵均工作，而到了冬季，关闭冷却水泵，只有冷冻水泵工作。但是由于夏季的制冷量很大，所以冷冻水的流量同时也很大，因此冷冻水泵的功率设计比较大，是按最大制冷量加余量而设计。冬季时，制热量相对较小，不需要很大的制热量，自然需要的热水循环量也就较小，如果还用冷冻水泵就会造成很大的浪费。因此有些中央空调设计时，会单独设计一个热水循环系统，它通过节流阀连接到冷冻水管道上，夏季时，关闭节流阀，使冷冻水使用循环管道，冬季时，关闭冷冻水的节流阀，打开热水节流阀，使热水使用循环管道。这样的话，热水的水泵功率就可以根据制热量加余量来设计，不会造成很大的浪费。考虑到第二种现象在目前的中央空调应用中比较常见，因此本水系统控制系统针对第二种情况设计。对于冷冻/热水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，回水温度取决于大厦的热负荷。现采用蒸发器的出水管和回水管路上装有检测其温度的变送器，通过冷冻水的温差控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。参考目前中央空调机组设计和运行

3、的实际情况，冷冻温差为5一7时最为合理。冬季的时候，由于进水温度低，出水温度高，所以温差为负值。对于冷却水系统，由于低温冷却水(冷凝器进水)温度取决于环境温度与冷却塔的工况，只需控制高温冷却水(冷凝器出水)的温度，即可控制温差。采用在冷却水出水管安装温度变送器，通过控制冷凝器出水温度，便可使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化，参考目前中央空调机组设计和运行的实际情况，冷却水出水温度为37左右时最为合理。中央空调机组在设计时，对于冷冻和冷却水的流量有一个最小值，即机组在运行时，流量不能小于这个值，这是因为如果流量过小，可能会发生机组冻管，损坏中央空调机组。因此，我们在根据温度和温差对水泵转速进行调节时，必须要保证空调机组正常运行所需要的最小流量。如果我们要检测冷冻水和冷却水的流量，应该安装流量传感器，但是流量传感器一般采用法兰安装，串接在水管上，安装复杂并且价格昂贵。考虑到水的流量和其压力有一定的线性关系，在实际检测流量中，一般安装压力传感器，通过测量压力值来计算出流量值。压力传感器安装方便，一般为螺纹安装，并且价格适中。控制策略如图2一2所示:控制计算机根据温度和温差反馈，结合温度

4、和温差设定，并考虑空调机组的最小流量，给出冷冻水泵和冷却水泵电机的最佳控制量，控制其转速，达到最佳节能效果。2.3.控制系统的整体方案中央空调水系统控制系统的总体框图如图2一3所示。系统工作过程为:控制计算机通过将SRM控制节点和信号采集节点上传的电机转速、温度、压力以及工频机启停信息与工作人员在控制计算机上设定的控制量相比较，经过优化处理后，得到最佳的控制量，通过以N网络，下传给各个节点，各节点接收到这些指令后，对自身的运行状态和运行参数进行调节，达到最佳的节能效果。中父空调水系统是一个复杂的大惯性环节，水循环周期长，可以达到20一30分钟。实际应用中，空调中央机组和水泵的现场安装距离很近，一般机组在而水泵集中安装在楼下，机组操作控制室在机组的同一层的附近。现场电力布线复杂，有很多的强电走线。机组运行后，一台水泵发生故障不应该影响到其它水泵，应立即从水系统中切除。同时我们在增加或者减少对一台水泵的控制时，应该方便快捷，不应该影响到整体水系统和其它水泵。这些实际情况决定了我们在设计现场网络通信时要重点考虑的几个问题:(1)因为是大惯性环节，所以信息传输速率不需要很快。(2)因为现场强电

5、走线多，所以现场通信可靠性要高，抗干扰能力要强。(3)因为安装距离短，所以现场通信的信息传输距离不需要很远。(4)水泵发生故障不能影响其它水泵，因此现场网络通信控制各电机的节点不能相互影响。考虑到最终产品成本等因素，并结合上面几个因素，比较表中的几种现场总线方式，最终CAN总线最符合做控制系统的现场通信。CAN总线是B。SCh公司在1986年为解决汽车中众多的测量元件与执行器之间的数据交换而开发的一种现场总线。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其高性能、高可靠性及其独特的设计，CAN越来越受到人们的重视，其应用范围也不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械及传感器等领域发展，并被公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线局域网采用了工50/051模型的七层结构中的物理层和数据链路层，具有较高的可靠性、实时性和灵活性。同时由于采用的JS011898标准中只定义了物理层和数据链路层，本身并不完整，这样就需要用户在CAN协议的基础上自行开发自己的高层应用协议，这也是CAN网络协议相对于其他现场总线网络协议更为灵活之处。2.网络拓扑选择网络拓扑指网络中

6、节点的互连结构行使，主要有星型、总线型、树型、环型、网型几种。在水系统控制系统的网络拓扑选择时，结合控制系统自身特点主要要考虑的因素有:硬件布线容易、工作可靠性高、增加和减少站点方便、数据速率不需要很快和距离不需要很远。结合各种拓扑结构的特点，选用总线型拓扑最为总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，所有站点通过相应硬件接口接至这个公共信道上，任何一个站点发送的信息，所有其它站都能收到。信息按组发送，达到各站点后，经地址识别后，符合的站点将信息复制下来。总线拓扑的优点是所需电缆长度短，布线容易。总线仅仅是一个传输信道，没有任何处理功能，从硬件的角度看，它属于无源器件，工作可靠性高，增加和减少站点都很方便。缺点是系统范围受到限制(由于数据速率和传输距离的相互制约关系)。故障的检测需要在各站点进行，比较困难。2.3.2.网络节点组成整个控制系统中的硬件有控制计算机，各个SRM控制系统，温度和压力传感器。同时我们还需要采集温度和压力等信号。综合考虑，可以将一台SRM控制系统做为一个网络节点，信号采集部分做为一个节点，每个节点有自己的地址，所有节点都连接在以N，急线上。系统工作过程中，各个SRM控

7、制节点和信号采集节点之间不需要通信，所有节点均直接和控制计算机通信，因为我们采用的是总线型拓扑结构，任何一个节点发送的信息其它连接在总线上的节点都可以收到，实现广播式收发。为了达到这个目的，控制计算机也做为一个节点连接在总线上，并且自身没有地址，可以接收其它每个节点的信息。各节点的具体设计如下:1.控制计算机由于该控制系统在整个制冷或者制热周期除了设备检修外的其它时间内都将长期可靠地运行，因此该控制系统的控制计算机应采用可靠性高，稳定性好的工业控制计算机。它的主要功能是接收SRM控制节点和信号采集节点上传的数据，根据所接收到的数据和用户设定的信息经过系统优化后给出最佳的控制量，通过cAN网络发送到各个SRM控制节点。同时控制计算机需要有友好的人机界面，实时的显示各种信息，并将信息存入到数据库以备工作人员查询。在网络连接上，因为计算机没有现成的CAN接口，所以采用PC工非智能CAN适配卡连接计算机和CAN总线。一端为PCI插槽，一端为CAN总线接口。关于它的功能和用法将在第五章详细介绍。2.SRM控制节点SRM控制节点做在SRM控制器上，每个节点有一个属于自己的唯一地址。主要负责本电机转

8、速信号的采集，同时检测自身电机和控制柜的工作温度，并上传到控制计算机、接收控制计算机传来的数据控制本水泵的运行。在实际应用中，整体控制系统工作在自动状态，即由控制计算机根据反馈信息和用户设定信息得到电机的最佳控制量，控制电机转速，达到最大节能。但是考虑到可靠性问题，如果网络系统发生故障，则各个节点的电机将处在不可控状态，将会影响整个中失空调机组的工作，导致机组停机。为了避免这种情况的发生，SRM控制节点上设置了就地/远程控制，当开关打到就地时，控制节点不受控制计算机控制，由值班员对电机实行直接控制，当开关打到远程时，控制节点受控制计算机控制，不受值班员的直接控制。同时，因为实际中水泵的转向是固定的，所以带动水泵的SRM电机转向也是固定的，在设计正反转时，可以通过跳线来现场调整电机的转向，以避免做成按钮而导致现场值班员误操作。3.信号采集节点信号采集节点主要负责采集循环水系统的信息，包括温度、压力值和工频机启停信息，通过总线上传给控制计算机。实际中，一般中央空调冷冻/热水、冷却水系统各为3台水泵，两用一备，避免一台水泵出现故障，影响中央空调正常运行，同时水泵轮流使用，防止水泵长期运行缩短

9、使用寿命，运行时，两台水泵均工作在额定转速(一台水泵一般不能满足中央空调机组的最小压力要求)。在对这种水系统进行节能改造时，没有必要更换三台水泵为调速SRM电机，只需更换其中两台为调速SRM电机，另外一台仍为不可调速电机即工频机。系统可以工作在一台工频机加一台调速SRM电机的状态下。但是应该控制工频电机的启停以实现整体系统的网络控制，达到水泵房无人职守的目的。这个功能同样由信号采集节点完成，所以除了温度和压力信号外，采集节点还要将工频机的启停信号上传给控制计算机，同时接收控制计算机的信息以控制工频机的启停。电源主要是给信号采集部分和温度、压力传感器供电。压力、温度传感器主要负责测量循环水系统的温度和压力。其中温度有冷冻水进出水温度，冷却水出水温度。压力有冷冻水进水压力、冷却水进出压力。2.3.3.通信协议制定1.帧格式和帧类型选择CAN符合工50/0S工的参考模型，但只规定了物理层和数据链路层的协议。在实际中，即使实现一个非常简单的基于CAN的分布式系统，也会发现仅有物理层和数据链路层的功能是远远不能满足要求的。比如对于传输长度超过8个字节的数据块、带有握手协议的数据传输过程、标识符分配、通过网络管理节点等功能，就不能实现。因此需要在这两层之外附加一层来支持应用过程，称之为“应用层”。CAN总线报文传输帧格式有含有n位标识符的标准帧和含有29标识符的扩展帧。同时，帧的类型有数据帧(将数据从发送器传输到接收器)、远程帧(总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧)、错误帧(任何单元检测到总线错误就发出错误帧)和过载帧(过载帧用在相邻数据帧之间提供附加的延时)。考虑到控制系统的可扩展性和要传输数据，本系统采用扩展帧，帧类型为数据帧。由图2一5所示报文标识符由不同的位场组成。(l)帧起始(SOF):占1位，标志总线终止空闲状态，并使所有站点同步。(2)扩展帧仲裁域:共32位，包括29位辨识码、替代远程请求位(SRR)、扩展信息位(IDE)和远程传输请求位(RTR)，其中n位标识符为基本功，定义了扩展帧的基本优先权。(3)控制域:共6位，除了2个保留位，还有数据长度码(DLC)告知随后的数据域的长度

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