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第14章 建筑设备及其自动化的基础知识(6)

在蓄冰系统中,制冷机有两种运行工况(蓄冰运行及空调供冷运行)。在蓄冰工况时,同一制冷机的制冷效率将下降,如当出水温度由5℃变为-5℃时,离心压缩机和活塞压缩机的制冷量约下降至65%,螺杆压缩机制冷量约下降至70%。蓄冰系统中通常采用螺杆式制冷机组(它适用于中温中压冷媒,可防止蒸发器真空度过高)。

2.6.6制冷机的性能系数

从热力学角度说,制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。按补偿能量的形式(或驱动方式),将前面所提及的制冷方法归为两大类:以机械能或电能为补偿的和以热能为补偿的。

前者如蒸气压缩式、热电式制冷机等;后者如吸收、蒸气喷射、吸附式制冷机等。

需要关心的是能量转换的经济性,即花费一定的补偿能,可以收到多少制冷效果(制冷量)。对于机械或电驱动方式的制冷机引入制冷系数ε来衡量;对于热能驱动方式的制冷机,引入热力系数ξ来衡量。

ε=Qo/W

ξ=Qo/Qg

式中Qo——制冷机的制冷量,J;W——输入制冷机的机械功,J;Qg——驱动热源向制冷机输入的热量,J。

国外习惯上将制冷系数ε和热力系数ξ统称为制冷机的性能系数(Coefficient of Performance,COP)。

由上述可知,COP标志着制冷单位冷(热)量所需消耗的能量,是针对空调设备节能的评价指标。COP指数更适应评价实际运行变化中的制冷空调设备。

2.7自动调节原理

在建筑设备监控系统中不仅仅对设备与环境参数进行监测,而且根据大楼的运行管理要求,对机电系统的很多方面实施了自动控制,这些自动控制的手段和方法,再结合控制对象本身,就构成了建筑设备监控系统的自动调节系统。

2.7.1自动调节系统的基本概念

由调节设备和调节对象构成的具有自动调节功能的系统,称为自动调节系统。自动调节系统由测量元件(变送器)、控制器、执行机构和调节对象组成。自动调节系统的任务是控制某些物理量按照指定规律变化。为此,采用负反馈构成闭环控制系统。测量元件对被控对象的被控参数进行测量,反馈给控制器;控制器将反馈信号与给定值进行比较,如有偏差,控制器就产生控制信息,驱动执行机构工作,直至被控制参数值满足预定要求为止。

1.测量值p

通过仪表实际采集到的现场工艺参数值,如新风机组送风温度。

2.给定值r

要求保持的工艺参数值叫做给定值,如新风机组送风温度设定值。

3.偏差e

给定值与测量值之差叫做偏差,即偏差=给定值-测量值,给定值大于测量值时为正偏差,给定值小于测量值时为负偏差。如新风机组送风温度设定值为25℃,新风机组实测送风温度为28℃,偏差为25℃-28℃=-3℃。

4.被调量x

自动调节的目标参数,如新风机组送风温度。

5.调节量m

为实现被调量达到设定值的过程调节参数,如为使新风机组送风温度达到设定值对盘管冷水流量进行调节,盘管冷水流量即为调节量。

6.反馈

将输出量的一部分或全部,通过一定的网络(称为反馈网络),反送回输入回路的方法叫做反馈。反馈结果使输出量增大的称为正反馈,使输出量减小的称为负反馈。自动调节系统通常采用负反馈。

7.调节对象

自动调节系统所控制的生产工艺设备称为调节对象,如新风机组。

8.调节对象特性

调节对象本身具有的对特定参数的响应特性。典型调节对象特性有:比例特性、积分特性、一阶惯性特性等。

2.7.2自动调节系统的基本调节规律

1.位式调节

当测量值超过设定点后对被控设备的通断控制,常用两位式与三位式控制。

(1)两位式控制

被控对象只有两种状态:或高于设定的参数,或低于此参数。如空调机组的低温保护控制。

(2)三位式控制

被控对象有三种状态:中间状态、高于设定的高参数值、低于设定的低参数值。如高、低水箱水位控制。

2.负反馈闭环调节

开环调节:根据被测参数进行自动调节,但无调节结果的修正,如无二氧化碳传感器的新风门开度控制。

负反馈闭环调节:根据被调量与给定值的偏差进行自动调节,调节结果返回至调节对象输入端,使偏差逐步减小直至消除,如空调机组回风温度自动调节。

3.闭环调节的基本调节规律

闭环调节系统中最常用、成熟的调节规律为PID调节规律,即比例(P)、积分(I)、微分(D)调节规律。

比例调节(P):输出与偏差成比例,为有差调节。

积分调节(I):输出与偏差的累积值成比例,为无差调节。

微分调节(D):输出与偏差的变化趋势成比例。

4.闭环调节的主要性能要求

稳定性:整个自动调节系统要稳定,不允许振荡与发散。

响应时间:调节速度尽可能快,满足系统响应要求。

超调量:最大超调量不能超过安全允许值。

2.7.3自动调节系统的参数整定

自动调节系统若想满足调节系统的主要性能要求,在现场投入正常使用,必须首先进行调节系统的参数整定,即设定比例、积分、微分调节系数,使自动调节系统能够安全稳定地运行。

在工业生产中,自动调节系统的P、I、D等参数整定值需经严格的调节对象特性实验后再进行理论推导才能得出。在建筑设备监控系统中,控制规律比较简单,系统性质决定对自动调节的过程无需严格要求。因此,在实际工程中多采用经验法或试凑法,对于一个自动调节回路,先设定一些基本参数,再根据调节效果进行修改,直到满足该回路的自动调节功能要求。

各参数对自动调节系统的影响如下。

(1)比例调节系数(P)的作用

P越大,调节作用越强,在相同偏差下输出值越大。P太小,调节时间长;P太大,引起系统振荡甚至发散。

(2)积分调节(I)的作用

I越小,调节作用越强,偏差的累积值调节作用越强。I太大,误差消除调节时间长;I太小,引起系统超调量大,甚至振荡和发散。

(3)微分调节(D)的作用

D越大,调节作用越强,初始调节作用越强。D太小,调节时间长;D太大,引起系统振荡和发散。

2.8计算机控制技术、计算机网络技术和现代通信技术

当前,在智能建筑的建筑设备自动控制系统主要有集散控制系统和现场总线控制系统。

这两种广泛应用的楼宇自控系统是基于计算机控制技术、计算机网络技术和现代通信技术而发展起来的。智能建筑也正是计算机技术、自动控制技术、通信技术和建筑设计相结合的产物,是这些多种类的高新技术的结晶。

2.8.1计算机控制技术

1.计算机控制系统的组成

由于计算机的输入和输出信号都是数字信号,因而系统中必须有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器,以及将数字信号转换为模拟信号的D/A转换器。

计算机控制系统包括硬件和软件两部分。

(1)硬件部分

硬件主要包括主机、外围设备、过程输入/输出设备、人机联系设备和通信设备等。

①主机。由中央处理机和内存储器组成。主机是计算机控制系统的核心。它根据过程输入设备送来的反映生产过程的实时信息,按照内存储器中预先存入的控制算法,自动地进行信息处理与运算,及时地选定相应的控制策略,并且通过过程输出设备立即向生产过程发送控制命令。

②外围设备。常用外围设备按其功能可分为输入设备、输出设备和存储器。输入设备用来输入程序、数据或操作命令,如键盘终端。输出设备如打印机、绘图机、显示器等,以字符、曲线、表格、画面等形式来反映生产过程工况和控制信息。存储器有磁盘、磁带等,兼有输入和输出两种功能,用来存放程序和数据,作为内存储器的后备存储设备。

③过程输入输出设备。计算机与生产之间的信息传递是通过过程输入输出设备进行的,它在两者之间起到纽带和桥梁的作用。过程输入设备包括模拟量输入通道和开关量输入通道,模拟量输入通道先把模拟量信号(如温度、压力、流量等)转换成数字信号再输入,开关量输入通道直接输入开关量信号或数字量信号。过程输出设备包括模拟量输出通道和开关量输出通道,模拟量输出通道把数字信号转换成模拟信号后再输出,开关量输出通道直接输出开关量信号或数字量信号。过程输入输出设备必须经过自动化仪表才能和生产过程(或被控对象)发生联系,这些仪表有信号测量变送单元(检测仪表)和信号驱动单元(执行器)等。

④人机联系设备。操作员与计算机之间的信息交换是通过人机联系设备进行的,如显示器、键盘、专用的操作显示面板或操作显示台等。其作用有三:一是显示生产过程的状态;二是供生产操作人员操作;三是显示操作结果。人机联系设备也称为人机接口,是人与计算机之间联系的界面。

⑤通信设备。用于不同地理位置、不同功能的计算机或设备之间进行信息交换。

(2)软件部分

软件分为系统软件和应用软件两大类。

①系统软件一般包括操作系统、汇编语言、高级算法语言、过程控制语言、数据库通信软件和诊断程序等。

②应用软件一般分为过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印程序和公共服务程序,及控制系统组态、画面生成、报表曲线生成和测试等工具性支持软件。

2.计算机控制系统工作原理

计算机控制系统的控制过程通常可归结为下述两个步骤。

(1)数据采集

对被控参数的瞬时值进行检测,并输出给计算机。

(2)控制

对采集到的表征被控制参数的状态量进行分析,并按已定的控制规律决定控制过程,适时地对接收机构发出控制信号。

对连续量的变化过程进行控制,要求控制系统能够满足实时性要求,即在确定的时间内对输入量进行处理并作出反应。超出这个时间,控制就失去了意义。

3.计算机控制系统的分类

计算机控制系统的构成、控制目的、控制方案和应用特点可分为操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统和集散控制系统等。

(1)操作指导控制系统

其中模拟量输入通道主要由信号变换器、多路切换开关和模数转换器组成,用来采集模拟信号;形状量输入通道主要由光电耦合器和数字量输入单元组成,用来采集开关触点信号。

这是一个开环控制系统,计算机的输出设备与生产过程没有直接联系,控制动作是由操作人员接受计算机的指示去完成的,计算机通过模拟量输入通道和开关量输入通道采集到实时数据以后,根据一定的控制算法(数学模型)计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案,操作人员根据显示器(CRT)或打印机输出的操作指导信息去调节控制仪表,从而实现对生产过程的控制。

(2)直接数字控制系统

计算机通过模拟量输入通道和开关量输入通道采集实时数据,然后按照一定的控制规律进行计算,最后发出控制信号,并通过模拟量输出通道和开关量输出通道直接控制生产过程。所谓直接数字控制是以微处理机为基础,不借助模拟仪表而将系统中的传感器或变送器的输出信号直接输入到微型计算机中,经微机按预先编制的程序计算机处理后直接驱动执行器的控制方式,这种计算机称为直接数字控制器(Direct Digitocl Controller,DDC),简称现场控制器。这也是目前楼宇智能化技术中最常用的控制器。

现场控制器系统中的计算机直接承担着控制任务,因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。为充分发挥计算机的利用率,一台计算机通常要控制几个或几十个回路。因此必须合理设计应用软件,使其正常地完成所有功能。由于工业生产现场环境恶劣、干扰频繁,直接威胁着计算机的可靠运行。因此,必须采取抗干扰措施来提高系统的可靠性,使之能适应各种工业环境。

(3)监督计算机控制系统

它通常采用两级计算机,其中现场控制器用计算机(称为第一级)完成上述直接数字控制功能;监督计算机控制系统用计算机(称为第二级)则根据反映生产过程工况的数据和数学模型进行必要的计算,给现场控制器用计算机提供各种控制信息,比如最佳给定值和最佳控制量等。

现场控制器用计算机与生产过程连接,直接承担控制任务,因而要求可靠性高、抗干扰强,并能独立工作。

监督计算机控制系统使用计算机承担高级控制与管理任务,信息存储量大,计算任务重,一般选用高档微型机或小型机作为监督计算机控制系统用计算机。

(4)集散控制系统

随着计算机技术的发展、工业生产过程规模的扩大、综合控制与管理要求的提高,人们研制出以多台微型机为基础的集散控制系统,它采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则,自下而上分为若干层,分别完成控制、监督和管理的功能。集散控制系统在2.9节中将做详细介绍。

2.8.2计算机网络技术

计算机网络技术与通信技术的结合,是智能大厦的核心技术。涉及通信网络系统、办公自动化系统和建筑设备自动化系统,延伸到大厦的各个楼层及角落。计算机网络系统已成为智能大厦的重要基础设施之一。

1.计算机网络的定义

计算机网络是通过通信设备将地理上分散的多个计算机系统连接起来,按照协议互相通信,达到信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。

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