
自动化监控组态软件的设
计毕业论文
第1章 绪论
1.1 本课题研究意义
随着我国经济的逐步增长,商业发展也正在加快,商业广场对环境的要求也
越来越高,对于空调的需求越来越大,专业的空调系统更是成为了商业广场不可
缺少的重要部分。
我国是一个幅员辽阔的国家,地理、气候条件极为复杂,拥有多样的气候类
型。这就必须要求我们的空调系统具有多样性的特点。如何根据不同的气候特征
选择合适的空调形式,如何在系统设计中充分考虑不同气候的影响及商业广场环
境的要求,这是我们在发展中央空调时应当考虑的问题。
但是在实现中央空调控制的同时,我们引入了组态系统,iFIX软件便是目前
比较领先的一款组态软件,在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加
深的环境下,iFIX是世界领先的工业自动化软件解决方案,提供了生产操作的过
程可视化、数据采集和数据监控。iFIX可以帮助您精确地监视、控制生产过程,
并优化生产设备和企业资源管理。它能够对生产事件快速反应,减少原材料消耗,
提高生产率,从而加快产品对市场的反应速度,提高用户收益。由于运用了直观
的图形工具,iFIX的用户可以快速上手,简单快捷地为他们的生产过程创建高性
能的过程窗口。
1.2 ifix发展概况
IFIX是全球最领先的HMI/SCADA自动化监控组态软件,已有超过300,000
套以上的软件在全球运行。世界上许多最成功的制造商都依靠 GE Fanuc的iFIX
软件来全面监控和分布管理全厂围的生产数据。在包括商业,冶金、电力、石油
化工、制药、生物技术、包装、食品饮料、石油天然气等各种工业应用当中,iFIX
独树一帜地集强大功能、安全性、通用性和易用性于一身,使之成为任何生产环
境下全面的HMI/SCADA解决方案。 利用iFIX各种领先的专利技术,可以帮助企
.专业.专注.
业制定出更快、更有效的商业及生产决策,以使企业具有更强的竞争力。
1.3 设计容
商场空调系统是一种普便可见的空调系统,属于商业空调的畴,主要作用是
为消费者或商场设备的可靠运行提供环境温度、湿度、洁净度保障的空调设备。
如为保障电气控制室设备正常运行而使用的恒温恒湿空调机、商场中超市食品使
用的低温单元式空调机等等。商用空调与家用空调或工业空调在很多方面存在不
同。工业空调属于工艺性空调畴,家用空调或民用空调属于舒适性空调的畴。工
业空调的设计是以实现大面积恒温为主要目的,室人员的舒适性是很重要的。
本次设计的生产车间空调系统无具体要求,所以该系统为普通的生产车间空
调系统,其包括新风、回风、排风的调节,使用冷热水盘管并通过温度、湿度、
压力传感器来保证生产车间的各项指标要求,利用压差开关、防冻开关来保护空
调系统的安全,最后用送风机来完成送风。
整个设计过程利用Excel CARE软件编程,编程容包括:设备图表、控制策略、
逻辑开关及时间程序。
通过以上步骤,设计出完整的生产车间空调系统,使该系统能够更加节能且
满足工业生产车间的需求。
1.4 空调系统及工业空调系统
1.4.1 空调系统
空调系统是指用人为的方法处理室空气的温度、湿度、洁净度和气流速度的
系统。可使某些场所获得具有一定温度、湿度和空气质量的空气,以满足使用者
及生产过程的要求和改善劳动卫生和室气候条件。
空调系统中典型的空气处理设备包括风机盘管(FCU,Fan Coil Unit)、新风
机组(FAU,Frensh Air Handle Unit)和空调机组(AHU,Air Handling Unit),
它们的容量是根据空调房间设计负荷选择的。但在空调的实际运行中,由于房间
受到部和外部的干扰量不断的变化,而使室热湿负荷不断变化,因此空气处理设
备的自动控制系统需要对有关调节机构进行调节,以适应空调负荷的变化,满足
生产和生活对空气参数(温度、湿度、压力及洁净度等)的要求。
空调系统按空气处理设备的情况可以分为以下几种类型:
.专业.专注.
1. 集中式空调系统:集中式空调系统是指在同一空气处理器对空气进行过
滤、冷却(或加热)、去湿(或加湿)等处理,然后进行输送和分配的空调系统。
集中式空调系统的特点是空气处理设备和风机等集中布置在空调机房,对空气进
行集中处理,通过风管系统送至空调场所。其处理空气量大,运行可靠,便于管
理和维修,但机房占地面积较大。集中式空调系统需配有集中的冷源和热源,即
冷冻站和热交换站。
2. 半集中式空调系统:半集中式空调系统又称为混合式空调系统,它首先将
空调房间需要的新鲜空气进行集中处理,然后由风管系统送入房间,与空调房间
的空气处理装置如诱导器或风机盘管处理的回风混合后再送入空调区域或房间
中,从而使各空调区域或房间可根据各自的要求,获得较为理想的空气调节效果。
这种系统适用于空调房间多,且各房间空气参数要求不同的建筑物中。
集中式空调系统和半集中式空调系统也可称为中央空调系统。
3. 分散式空调系统:分散式空调系统又称为局部式空调系统或独立式空调系
统。它的特点是将空气处理设备分散放置在各空调房间。常见的分体式空调器、
柜机等都属于此类。
1.4.2 工业空调系统
工业空调的耗电功率一般都较大,从几十kW到几千kW不等,一般用3N~ 380V
50Hz电源。工业空调一般按每天24小时、全年运行设计,使用在寿命在15年以
上。因此,工业空调的主要组成部件如压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器、风
机、电机、电气元件等,均采用性能和可靠性较高的知名品牌的产品。
在制造工艺方面,工业空调一般采用全钢钣金结构加面板静电喷涂烤漆处理。
具有较高的防腐耐久性。工业空调在出厂前均须做性能测试,确保达到设计要求。
运到用户方,还要经历安装、调试等过程,调试成功后,机组才正式投入运行。
空调机组日常操作为:
1. 空调机控制器的操作为当气温高,室需要降温时,开机后由温度传感器测
量温度后,经过一定的延时启动加热装置,此属正常现象,延时机组进入“加热”
运行状态。
2. 空调机底盆的清洗由工作人员定期清洗,清洗频率为每天清洗一次底盆,
以保证送出的风清爽、干净。
3. 当气温较低(冬季)或湿度较高(春季、阴雨天气)时,会由控制策略中
PID自动调节温度和湿度,直接将适宜空气送入室。
4. 启停风机按“启停”按钮即可。
工业空调机使用注意事项为:
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1. 设立专人管理、专人操作;
2. 水源长期保持干净;
3. 不任意频密开关空调机;
4. 尽量采用制冷状态,可保持空气干净;
5. 不任意频繁转换环保空调机的工作状态;
6. 每天应清洗环保空调机底盆;
7. 每隔一个星期,清洗环保空调机隔尘网一次 ( 视乎外界环境污染情况),
可保持机组的效率;每隔一个季度要清洗蒸发器一次;
8. 冬季如果长时间停机,请关闭水源并将底盆的水排出及清洗干净,以免产
生异味及蚊虫滋生。
空调机组的使用及日常维护需要供应方和使用方共同维护,空调机组才能保
证运行正常。
.专业.专注.
第2章 空调系统控制
2.1 空调系统组成
空调系统通常包括进风部分、空气过滤部分、空气的热湿处理部分、空气的
输送和分配部分以及冷热源部分。
1. 进风部分是根据人对空气新鲜度的生理要求,空调系统必须有一部分空气
从室外进来,称为新风。空气的新风口和风管等组成了进风部分。
2. 空气过滤部分由进风部分取入的新风,必须先经过一次预过滤,以除去颗
粒较大的尘埃。一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。根据过
滤的效率不同,可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。
3. 空气的热湿处理部分是把空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理和过
程组合在一起,统称为空调系统的热湿处理部分。热湿处理设备主要有直接接触
式和表面式两大类型。
(1)直接接触式:与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触,一
般是将其喷淋到被处理的空气中。喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及
使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。
(2)表面式:与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触,热湿交换式通
过处理设备的表面进行的。表面式换热器属于这一类。
4. 空气的输送和分配部分是将空气的输送和分配是将调节好的空气均匀地
输入和分配到房间,保证合适的温度场和速度场。它由风机和不同形式的管道组
成。根据用途和要求的不同,有的系统只采用一台送风机,称为“单风机”系统;
有的系统采用一台送风机和一台回风机,则称“双风机”系统。本次设计采用的
是“单风机”系统。
5. 冷热源部分是为了保证空调系统具有加温和冷却的能力,空调系统必须具
备冷热源。冷热源分为自然冷热源和人工冷热源两种。
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2.2 空调系统基本设备
2.2.1 风机盘管控制
风机盘管(FCU)为半集中式空调系统中的末端设备,由空气的加热/冷却盘
管和风机组成。其控制通常包括风机转速控制和室温度控制两部分,即可以通过
控制盘管水量、气流旁通、风机转速或三者的结合来控制室温度。风机盘管属于
单回路模拟仪表控制系统,多采用电气式温度控制器。其传感器与控制器组装成
一个整体,可应用在客房、写字楼、公寓等场合。风机盘管控制系统一般不进入
集散控制系统。近年来,有些产品有通信功能,可与集散控制系统的中央站通信。
采用风机盘管的空调系统属于半集中式空调系统,风机盘管分散在各个空调
房间处理空气。主要用于风机盘管加新风机组的系统形式应用十分广泛。
风机盘管由加热/冷却盘管和风机组成。风机盘管的控制包括对风机的控制和
对水侧电动阀的控制,根据工程的不同有不同的控制做法,目的都是达到对室温
度的调节。
本次设计的生产车间空调系统属于特殊空调系统,由于工业生产的要求比较
特殊,所以不能运用一般民用建筑所采用的控制简单可靠但精度不高的位式控制,
而采用PID控制方式,利用比例-积分-微分调节来完成风机盘管电动阀的控制。
2.2.2 新风阀与回风阀控制
新风电动阀、回风电动阀是运用比例调节来控制的。通常为保证空调的节能,
新风与回风比例设为三比七,在空调机组安装以后,根据实际情况进行细微调试,
确定新风与回风的阀开度。由于经常转动电动阀会影响其寿命,所以当第一次调
试后应尽量减少对电动阀开度的改变。
2.2.3 过滤网状态显示与报警
在过滤网两侧装设压差开关,监视过滤网的畅通情况。当风机运行时,如果
过滤网干净,滤网前后压差小于设定值;反之,如果过滤网积灰增加,滤网前后
的压差变大,当超过设定值时,压差开关就会动作。这个动作的开关信号通过一
路DI通道输入现场控制器,控制器发出报警,提醒工作人员清洗。
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2.2.4 防冻保护控制
防冻保护的作用是防止冬季盘管冻裂,这在北方地区是十分必要的。防冻开
关的控制是通过在整个新风机组的前端的温度传感器(AI)对新风温度与设定值
的比较来控制的,如果温度的测试值小于设定值,则防冻开关动作,并停止风机
转动,关闭风阀,使整个机组停止工作,从而达到保护机组防止其冻裂的效果;
如果温度测试值超过设定值,新风机组可以正常运作。
2.2.5 温湿度的检测及控制
新风机组的入口、出口及回风处均设有温湿度变送器,接至现场控制器的AI
输入通道上,分别对空气的干球温度和相对湿度进行监测,以便更好的控制冷热
水的阀开度,从而保证送风温度。混合风温湿度实测值与设定值比较,将其差值
通过PID运算,输出模拟的0-10V信号,对冷/热水阀开度进行调节,同时控制加
湿阀的开度,从而维持送风温湿度的设定值。其中,冬季工况式热水阀与新风温
度成正比,夏季工况时冷水阀与新风温度成正比,温度控制曲线如图2-1所示。
本次设计所用的温度传感器是霍尼韦尔公司生产的T7411风管式温度传感器,它
适用于通风空调系统,能用于排风、回风和送风等空气温度的测量,它的测量围
是-20—+80℃。而所用的湿度传感器是H7011A风管式湿度传感器,它是一个电容
式相对湿度的风管式传感器,它的湿度测量围在5-95%R.H.之间。
100%
热水阀 冷水阀
新风的温度
0 冬季温度设定值 夏季温度设定值
图2-1 温度控制曲线图
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第3章 CARE软件
3.1 CARE软件概述
一个暖通空调(HVAC)控制系统一般有控制器和设备组成,控制器可以是EXCEL
5000系列的控制器,设备按类型分为空调系统、冷冻水系统和热水系统。
常用控制系统是一个被控的机械设备系统。例如一个设备可以是温湿度控制
器、锅炉、冷冻机、也可以由锅炉、加热器、水泵、传感器和其他装置组成的变
风量系统(VAV)。基于机械物理原理,每种装置都有其输入或输出。
控制器和设备通过它们的输入或输出连接,设备与控制器的连接方式按使用
的总线类型分C-Bus或LON-Bus,设备通过运行在控制器中的应用程序控制(控
制策略、逻辑开关、时间程序等)。例如传感器温度值变化,执行器驱动调节阀到
适当的位置来补偿温度偏差。
CARE控制系统模型为一个暖通空调控制系统在CARE中由一个“控制器-控制
点-设备连接图”模型来实现。
图3-1控制器设备连接图
控制器是由CARE应用程序提供控制的一种智能化处理的能力,在控制器中可
以存储程序和数据点的控制信息。控制器与数据点交换信息,控制器接受数据点
(输入点)状态信息,经CPU处理,输出对数据点(输出点)的控制信息。
设备原理图是将设备的连接由一个表示设备的安装和布局情况的图表描绘
的。
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图3-2 设备原理图
数据点在图表的底部,箭头表示装备控制点的输入输出。箭头包括颜色代码、
方向(向下是输入,向上是输出)和一些表示额外信息的特殊符号。设备图表可
以选择不显示元件符号,只用三角形箭头来表示控制点。
表3-1 数据点示意表
点类型 颜色 三角形方向图形 图形
数字量输入 绿色 向下
模拟量输入 红色 向下
数字量输出 蓝色 向上
模拟量输出 紫色 向上
Flex 点 浅蓝 向上
CARE中通过是否和设备的输入输出点连接来区分物理点(硬件点)和软件点
(虚拟点)。软件点用来做为软件程序计算处理的结果。
控制点按照一定的标准来分类,按点类型分模拟量和数字量等,按地址分
(OaTemp表示室外空气温度)。在EXCEL 5000系统中,每个点都对应唯一的用户
地址。
通过在设备图表中加控制策略、逻辑开关和时间程序来控制装置。在控制过
程中,控制器和设备通过运行在控制器中的程序运算处理来交换数据,控制点数
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据交换根据相关的控制逻辑等来执行。控制器和依附的设备的相关信息被保存在
工程中。
控制器和设备使用公用的通讯协议连接到一个通讯总线上,能够互相通讯。
CARE支持其设计者霍尼维尔的C-Bus(本地LON-Bus)、开放式的LON-Bus
(LonWorks)和第三方的总线类型如Meter-Bus。
在CARE中,除总线类型外,设备在总线上的物理分布通过网络结构来表示,
如下图3-3所示。
图3-3 工程系统图
控制程序由CARE提供的4个主要应用程序来设计控制程序,它们分别是设备
图表、控制策略、逻辑开关和时间程序。
设备图表是将实际的装置在CARE中用一个图表来表示,可以显示装置在设备
的位置和分布顺序。
控制策略是在设备图表创建后进行编写的,它是一种能使控制器智能化的管
理操纵系统。控制策略定义了一个基于触发条件、数学计算和时间日程表等的控
制回路。控制策略可以基于模拟量和开关量。CARE软件提供了标准的控制算法如
比例-积分-微分调节(PID)、取最小值、取最大值、取平均值和排序等。
逻辑开关是除了控制策略,对于开关量的控制如开关状态要在图表中编写的
逻辑开关。是基于逻辑或、逻辑与和逻辑与非的逻辑表。比如,开关逻辑可以定
义回风机在送风机启动一段时间后启动。
时间程序是利用设置时间来控制设备的开关,使之与其使用时间相符。定义
一个每日时间表(如周日、周末、节假日)并分配给周时间表。
输入/输出的连接是根据使用的硬件和总线类型,利用CARE软件,为设备与
控制器提供的两种连接方式,即输入与输出。
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端子分配(C-Bus)的意义是,如果控制器和设备已经连接在C-Bus上,控制
器会有IP或者分布式I/O模块,那么装置的输出/输入相应的控制点将会自动的
分配到控制器终端,可以在控制器终端看到并可以重新布局。
图3-4 端子分配图
绑定(开放式LON-Bus)是如果一个LON控制器和其他的第三方LON装置连
接到一个开放式的LON-Bus上,控制器既不使用IP也不用I/O模块。相反地,装
置输入/输出对应的控制点是没有赋值的,那么需要通过拖、拽没赋值的点到LON
装置的点位(称为网络变量NVs)。这个连接各个LON装置的过程称做绑定。
图3-5 LON控制器示意图
下载应用程序到控制器是在设备上完成原理图、控制策略、逻辑开关和时间
程序的编辑后,应用程序文件可以编译成控制器可识别的格式,然后这个文件可
以下载到控制器并开始调试控制器。
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3.2 CARE软件特性
CARE软件提供一种图形化编程工具,来方便的编写能下载到EXCAL5000控制
器的程序。CARE包括以下几个主要的容:
1. C-Bus和LON-Bus网络;
2. 原理图;
3. 控制策略;
4. 逻辑开关;
5. 点属性;
6. 点映射文件(可选);
7. 时间程序;
8. 文档管理。
支持的控制器和装置包括:
1. Excel 10/50/80/100/500/600控制器;
2.Excel Smart 控制器;
3. Smart I/O模块;
4. 分布式I/O模块;
5. OPS控制器;
6. Excel IRC;
7. Excel Elink可兼容LON协议和其他霍尼韦尔的LON装置的线性阀门执行
器M7410G;
8. 第三方的LON装置。
Excel 10 应用软件是使用一个Excel 10区域管理控制器作为C-Bus连接的
EXCEL 5000与E-Bus连接的Excel 10控制器。为了实现C-Bus和E-Bus之间的
点映射,Excel 10区域管理控制器应具有除没有硬件点外的Excel 100的所有功
能。Excel 10应用软件包括使用VAV1(标准变风量系统)的Q7750A1xxx(1000
系列)和包括Q7750A2xxx区域管理器的2000系列,它使用VAV2和FCU式的通讯
控制器。
OPS控制器(开放式点位服务器),也称为OLink控制器,在CARE中能象Excel
500控制器一样定义。外部总线系统信息比如来自M-Bus的信息,能够通过子系
统点位与CARE点位的简单映射集成到一起。
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第4章 HONEYWELL控制器及选择
4.1 控制器
控制器的定义是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电
阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。
4.1.1 Excel 500控制器
Excel 500是一个可自由编程监控系统,专门用于楼宇管理的控制器。它采
用最新的直接数字控制(DDC)技术,其模块化设计,尤其适用于中型建筑,如学
校、酒店、办公楼、商场和医院等。
Excel 500除了在供暖、通风及空调(HVAC)控制方面的应用外,在能源管
理上也有广泛的应用,包括优化启/停,夜间净化,最大负荷需求。一条系统总线
最多可连接四台中央站。
Excel 500控制器具备一个LonWorks总线接口,可以容许众多Honeywell以
及其他第三方生产的控制器和设备能过互通使用。最多可有512个LonWorks网络
变量可以被映射成数据点。
该系统可将调制解调器或者ISDN终端适配器连接到公共网上并进行通讯,连
接到西门子M20终端设备上可实现900 MHz GSM网络无线通讯。
模块化设计使系统易于扩展,从而满足建筑物扩建的需要。数据点的用户地
址和一般的语言描述都存储在控制器,因此,通过操作界面就可以实现本地查看
而不需要中央PC机。
每个Excel 500控制系统最多有5个机箱及16个输入/输出模块,它包括128
个物理点和256个虚拟点(C-BUS总线通讯),其部插入式I/O模块和经LonWorks
总线分布式I/O模块可一起使用,拥有易于控制并带有6行显示的LCD。可通过
GSM进行无线通信,且系统可利用Honeywell的CARE编程工具进行编程并下载到
Flash EPROM中。它的增强控制器功能包括报警、趋势和全局性播送滞后、网络
时间同步和固化软件,可经调制解调器和C-BUS总线下载。
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表4-1 Excel 500系统的模块
模块 类型描述
XC5010C
XC5210C 大容量RAM型Excel 500
XP502 电源模块
XF521A/526 模拟输入模块
XF522A/527 模拟输出模块
XF523A 数字输入模块
XF524A/529 数字输出模块
XF525A 三位输出模块(浮动控制)
计算机模块用于Excel 500(分布3式I/O模块需要);
UL916和UL864核准
Excel 500系统是Excel 5000控制器系列的一部分,该系统可自由编程并能
作为独立控制器使用,也可以经C-BUS总线(9.6千波特至76.8千波特)作为一
个最多接有30台控制器的网络的一部分,Excel 500系统通过机箱插入的I/O模
块或二线LonWorks总线连接Honeywell分布式I/O模块或Smart I/O模块实现能
源管理和控制功能。
Excel 500的机箱有四个插槽用于模块的插入(见表4-1)。该主设备由CPU
模块(XC5010C CPU),电源模块(XP502)和两个附加的I/O模块以及通信模块组
成。另外,最多有四个Excel 500机箱(没有CPU和电源模块)能串行连接,为
附加模块提供插槽。一个Excel 500系统最多连接16个I/O模块(箱插入的模块
和分布式模块数量总和),不可超过128个输入输出点。每一系统相同型号的模块
最多十块。另外,Excel 500能够与任何LonWorks产品进行通信。最多可有 512
LonWorks NV可以被映射成数据点。
Excel 500程序的三个来源分别是:
1.该控制器具备永久存储在EPROM中的多种标准功能程序,用户可以从中选
择应用。用户程序是汇集而成,不需要在编制更多程序。
2. 对于标准的HAVC技术应用,可在Windows环境下利用Honeywell的CARE
编程工具按照需要自由编写。
3.利用图形化的设计示意图表、仪器和控制策略,可以自动生成用户程序。
表4-2 模块功能
型号 类型 数量
XLF521 模拟输入模块 8路输入(AI1-AI8)
XLF522 模拟输出模块 8路输出(AO1-AO8)
XLF523 数字输入模块 12路输入(DI1-DI12)
XLF524 数字输出模块 6路隔离转换开关
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XFL521、522、523和524模块是数字量和模拟量I/O模块,在一座楼宇中,
安装在带有策略性的位置。作为EX-CEL5000系统的组成部分,这些模块把传感器
信号转换为输出信号,提供给操作执行器。每个I/O模块插在基准端子块上面,
而端子块经过置Echelon Lon母线可以与CPU进行通讯。端子块带有弹簧端子,
很方便地同现场中各种传感器和执行器进行连接。
I/O模块可以从系统中拆除而不会影响其他模块的动作。这种模块和端子块
安装在DIN导轨上,极为方便。
4.1.2 Excel SmartI/O模块
Excel Smart I/O模块为可联合的LonMark装置,并且能够因此而用于所有
开放式LonWorks环境。它们具备与各种软件配置的数字和模拟输入输出口并适合
安装于整个建筑的任何战略位置。这些模块能够将从传感器上通过物理方式输入
的信号转换成网络变量并可将网络变量转换成物理输出信号传送给工作的执行
器。这些输入和输出(通过Honeywell的LonWork的Windows插件程序进行灵活
配置)的不同混合使得Excel Smart I/O能够完美地适应大围智能分布式应用。
可以从Excel Smart I/O产品的十种具备不同分类并用于连接大围类型的传
感器和执行器的万用输入、数字输入、模拟输出和继电器输出中进行选择。所有
模块输入和输出都有最大40Vdc和24Vac的过压保护。附随每个模拟输入/输出的
额外电源输出接线端也可用于对现场设备的24Vac供电。
此外,单独的输入和输出可以通过Honeywell的LonMaker Windows软件插件
进行灵活的配置。因此,四个快速数字输入都可以用于来自干接点或集电极开路
的静态输入或者频率达20Hz的累计信号,而万用输入可用于来自特定型号的传感
器的模拟信号(取决于类型)或者用于变压输入或慢速数字输入(最大频率等于
0.25Hz)。
XFC 2D05和2D06以及XFC3D04、3D05和3D06都配备有六个三位手动超驰开
关。通过使用Honeywell的软件插件,这些开关都可以通过配置,超驰控制继电
器或模拟输出。这些模块还具有是个LED指示灯显示这些个别的他们各自的输入/
输出状态。
XFC 2D05和2D06以及3D05和3D06(长形机箱)都配备有一个使它们的电压
控制在230Vac(+10%/-15%),后备功耗(为所有输出关闭,所有输入开放,所有
LED指示灯除了电源LED指示灯以外都熄灭)小于10VA的变压器;所有其它型号
(短形机箱)都需要24Vac(±20%);在这种情况下,后备功耗小于5VA。
所有模块都配置有一个电源LED指示灯以及一个LonWorks服务按钮和相应的
服务指示灯。所有模块都配套附有匹配的接线端保护盖和旋转标签夹持器。
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4.1.3 Excel 50控制器
Excel 50控制器设有通信能力可作为房间或区域控制器而集成到霍尼韦尔
EXCEL 5000系统或开放式LonWorks网络上与Excel 10控制器或第三方产品进行
通信。该产品还可以作为独立的控制器使用。典型的应用区域包括供暖系统、区
域供暖系统以及饭店、商店、办公室和小型的政府机构大楼的空调设备。
依照LonMark互操作性指南V3.0,Excel 50支持标准的LonMark网络变量。
它可提供22个整体的输入输出并支持对等网络通信;因此,如果遇到大型应用场
合,不同的控制器可衔接和访问。系统固化软件存储在位于应用模块(插入控制
器机壳的独立模块)的EPROM或Flash EPROM。通过下载Flash EPROM可轻松升
级操作系统。
Excel 50可作为一个可配置的控制器,备有适用于每组应用的不同应用程序
模块。在此情况下,利用Lizard程序选择器可选择专用程序然后通过人机界面或
外部接口将该程序最为类型代码输入。LonMark NV的个数(通常为60)是有所选
的程序所判定的;也可作为自由编程的控制器,具有利用霍尼韦尔CARE编程工具
编写的程序模块以及最多达46个LonMark NV。
Excel 50的输入/输出分别包括八个模拟输入通道,四个数字输入通道,四
个模拟输出通道和六个数字输入通道,所有输入和输出都受到24Vac至35Vdc之
间的过电压保护,数字输出由可更换的熔断器进行短路保护。
4.2 模块选择
本次设计的模块选择为Excel 500控制器,它具有模拟量输入通道八路、模
拟量输出通道八路、数字量输入通道12路和数字量输出通道六路。而本空调系统
的物理点类型分别为模拟量输入六个、模拟量输出五个、数字量输入五个以及数
字量输出一个,其中模拟量输入信号分别为新风的温度传感器、新风的湿度传感
器、回风的温度传感器、回风的湿度传感器、送风的温度传感器和送风的湿度传
感器;模拟量输出信号分别为新风阀、回风阀、热水阀、冷水阀及加湿阀;数字
量输入信号分别为压差开关、防冻开关、风机压力开关、风机故障开关和风机状
态开关;数字输出信号为风机的启停。
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第5章 设备原理图
5.1 绘制目的及原理图定义
设备原理图定义了设备中使用的装置以及它们之间的连接方式,为一个工程
设计和修改设备原理图。
原理图是将诸如锅炉、加热器、水泵等片段的适当组合,片段由传感器、状
态点、阀门及水泵等装置组成。为了达到控制效果,每个片段要有必要数量的点
用来控制。
在原理图的工作区,可以加入或插入片段、删除片段以及修改系统自动生成
的点的类型和用户地址。CARE库中预先定义好的片段叫做宏,也可以更方便的使
用宏来快速添加片段到原理图,或者保存创建的片段作为一个宏,以便在以后方
便地从库中调出使用。
5.2 原理图区域
5.2.1 原理图区域
原理图区域为在菜单栏下,显示所选择的所有片段的区域。原理图由风机、
传感器、风阀等片段(装置)构成。
在原理图的底部三角箭头表示数据点,它们以颜色和三角形方向来区分点的
类型( 向上为输入,向下为输出),并且用一个符号表示额外的信息,物理点的具
体描述如下表5-1所示。
表5-1 物理点示意表
颜色 三角箭头方向 符号 点类型
绿色 向下 - 数字量输入
红色 向下 0 模拟量输入
蓝色 向上 - 数字量输出
紫色 向上 0 模拟量输出
硬件点类型的定义为连接到控制器的设备的实际点,输入信号到控制器或控
制器输出指令信号到装置。
CARE中定义了四种基本的硬件点,如果点的类型和实际装置的类型不匹配,
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必须修改点类型或点属性参数,4种基本点类型图标如下图5-1所示。
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开关量输入(DI)
开关量输出(DO)
模拟量输入(AI)
模拟量输出(AO)
图5-1 基本点图标示意图
。
双击三角符号,可以查看该点的类型及用户地址。点击一次,三角符号变黑
色,表示选中该点,来修改点的用户地址及属性。
一个控制所包含的硬件点有一个上限的,比如Excel 500 最多128个,Excel
100 最多36个,Excel 80 最多24个等。
Flex 点代表一个或多个硬件点,这种点可以通过操作终端来操作或显示关联
的硬件点以及它们的数值。Flex点类型包括Pul_2、 Multistage和
DO_Feedback_DI三种。
加入、插入或删除片段的目的是通过这个步骤来创建或修改一个设备原理图。
通常按照从左到右的原则来安排片段顺序。比如一个热水系统,先加入一个锅炉,
然后是热水循环泵,其次是泵的故障信号和手自动信号。根据设计方案选择合适
.专业.专注.
的片段,注意结合控制要求选择片段中相应的控制点。
如果在设计原理图时经常要用到某些片段及其组件,可以把它保存为宏。宏
是一个指定了组件如传感器、状态点等的片段。当使用时不必像选择一个片段那
样经多次选择而是直接调出。比如将a single-speed supply fan with no volume
control and auxiliary contact status定义为宏,可以方便的命名,在使用时
快速调出加入到原理图中,每个宏都有一个唯一的个性化的名字。
5.2.2 原理图绘制思想
如下图5-2所示为一段新风、回风和排风的风阀及新风检测图,主要功能为
检测新风的温度及湿度,并将检测结果输入到上位机,以便于后面对新风进行处
理。
图中前一部分为新风、回风风阀,为了达到节能的目的,新风与回风有一定
的比例,这个比例通常会设定为新风比回风是三比七,在空调机组安装完成后,
对新风和回风风阀进行调试,设置到合适位置后为了保证风阀的寿命,在之后的
使用中尽量减少风阀的转动。后一部分为温度及湿度传感器,把新风的温、湿度
传感器信号输入到DDC系统控制器,进行回风及新风焓值计算,按新风和回风焓
值比例来控制回风阀的开度,也是为了更好的达到节能的效果。
图5-2 新风、回风和排风风阀及新风检测图
下图5-3表示的是两个安全开关,第一个开关是一个压差开关,它的作用是
过滤新风,在过滤网两侧装设压差开关,监视过滤网的畅通情况。当风机运行时,
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如果过滤网干净,滤网前后压差小于设定值;反之,如果过滤网积灰增加,滤网
前后的压差变大,当超过设定值时,压差开关就会闭合。这个闭合的开关信号通
过一路DI输入现场控制器,控制器发出报警,提醒工作人员清洗。
第二个开关是一个防冻开关,防冻保护的作用是防止冬季盘管冻裂。防冻开
关的控制是通过在整个新风机组的前端的温度传感器(AI)对新风温度与设定值
的比较来控制的,如果温度的测试值小于设定值,则防冻开关开启,并停止风机
转动,关闭风阀,使整个机组停止工作,从而达到保护机组防止其冻裂的效果;
如果温度测试值超过设定值,新风机组可以正常运作。
图5-3 安全开关原理图
下图5-4表示的是一组加热、制冷和加湿装置,这套装置是保证新风的温度
湿度的装置,温湿度的控制是通过整个新风机组前端的温湿度传感器来控制的,
系统通过前端温湿度传感器的测量值通过PID调节控制加热、制冷和加湿的阀门
开度。
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图5-4 加热、制冷、加湿调节控制图
下图5-5为一组送风及检测装置,图中前一部分为一个送风风机。风机的作
用是通过对室外空气的处理,可以保证室空气常换常新,清新自然。该风机有五
个物理点,其中一个为数字量输出点,三个为数字量输入点。数字量输出点的功
能是控制风机的启停,三个数字量输入点的功能分别是故障的检测、风机压力差
信号和风机的状态。后面一部分是温度、湿度传感器,通过这组传感器来监控通
过送风风机送出的风的各项指标,将检测信号传送到DDC控制器,使室温湿度及
风速都达到最适合的状态。
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图5-5 送风及检测装置图
下图5-6所示为回风检测装置图,图中温度、湿度传感器是为了检测回风的
各项数值,通过检测的数值来了解室温度,从而调节加热、制冷或加湿阀的开度,
达到节能减排的作用。
图5-6 回风检测装置图
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下图5-7是上面各部分的合成,也是此次设计的整体设备原理图,接下来通
过该图来设计控制策略、开关逻辑和时间程序,从而完成整个系统的设计。
图5-7 整体设备原理图
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第6章 控制策略设计
6.1 CARE软件控制策略
设备的控制策略是设计环境监视、调整设备运行的控制回路,使控制器具有
一定的智能化来控制环境参数在一个舒适的水平。 例如当房间温度低于希望的温
度设定时,系统通过编好的控制策略如PID调节来调节冷水或热水阀门的开度,
维持温度在设定值。
控制回路由一套“控制图标”组成,这些控制图标提供了预先编好的功能和
算法,用以实现期望的控制目的。系统提供的控制图标中包括PID调节功能,最
大、最小值功能等。
每个设备可以有不止一个控制回路。每个控制器最多有128个控制图标,即
控制器下所有的设备中使用的控制图标不能超过128个。每个控制器最多可以有
40个PID控制图标,即该控制器下所有的设备中使用的PID控制不能超过40个。
控制图标提供了软件预先编好的功能和算法,如下表6-1所示。利用这些标
准的控制功能可以在设备原理图基础上快速建立控制策略。每个控制图标都有一
个I/O对话框来定义输入和输出(可以是硬件点、软件点或是其它的控制图标的
I/O),有些控制图标还有部参数设置对话框,用来定义实现控制图标功能所需的
参数。
表6-1 控制图标功能表
控制图标功能名图标名功能描述
加法ADD两个以上的模拟点输入求和
减法DIF两个以上的模拟点输入求差
PIDPIDPID控制器
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选通开关SWI根据一个数字量,选通不同的控制回路
数据传递IDT将值从一个控制图标传递到其它图标或点
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6.2 控制策略设计
此次设计的生产车间空调系统是一个无特殊要求的空调系统,主要设计其的
加热、制冷和加湿的比例调节,通过PID调节及一些联动设计出车间空调系统的
控制策略。
下图6-1为一个加热、制冷控制策略图,这组回路用到的图标有PID调节图
标、数据传递图标、选通开关图标和减法图标。因为加热和制冷的PID调节输入
均为温度传感器所测量到的温度,所以运用数据传递图标将一个传感器温度分别
传递到加热部分的PID图标和制冷部分的PID图标。由于阀的开度是由给定值与
测量值的差值控制的,给定值由下面的伪点也就是部软件店进行控制。但是在制
冷方面,如果只利用一个PID图标控制阀开度,那么就与正常的逻辑是反的,所
以要加一个减法图标,把PID图标的Y与它的X2相连,在X1处设定为100,达
到100与PID的Y相减作为最后的阀开度,而加热控制可以用PID图标直接控制。
考虑到加热和制冷的联动问题,要考虑空调机组的状态,所以还要运用选通开关
来与压差开关联动,保证空调机组过滤网未堵塞,与防冻开关联动以保证送风温
度不会导致导管冻裂等问题,与风机压力开关联动来确保风机为堵塞,与风机故
障开关联动来确保风机未发生故障。选通开关的输入分别是XD1、X2和X3,它的
输出为Y,XDI与需要联动的设备物理点相连,用X2连接其他图标表示当XD1为
开启可以联动,X3输入0表示当XD1为0时不能联动Y正常与阀的物理点相连,
但当有几个选通开关时,Y需要与下一个要联动的图标的X2连接。当上述条件均
符合时,加热或制冷阀开始动作。
下图6-2为加湿控制策略图,加湿阀的控制与上图加热控制基本相同。同样
利用PID调节,需要与压差开关、防冻开关、风机压力开关和风机故障开关进行
联动。当条件满足时,PID对加湿装置进行调节。
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图6-1 加热制冷控制策略图
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图6-2加湿控制策略图
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第7章 开关逻辑的设计
7.1 CARE软件开关逻辑
开关逻辑为实现点的数字逻辑(布尔)控制提供一个易于使用的Excel逻辑
表的方法,减少了到现场开关设备的硬件接线。开关表规定了Excel控制器相关
的输出点,决定开关状态以及输入条件。若开关条件满足,控制器就把经过编程
的信号传给输出点。对单段的一个控制器来说,可以有多个开关逻辑表并行工作
(“或”功能)。异或表防止软件给一个输出点传送超过一个“真”条件。也可以
设定一个开或关的时间延迟,例如在送风机启动30秒后,开关逻辑启动回风机。
开关逻辑必须基于一个已经建好的设备原理图之上。
开关逻辑比控制策略有更高的优先级。当开关逻辑进行控制的时候,控制策
略则不能使用。只有当开关逻辑释放了这个点后,控制策略才起作用。开关逻辑
通常和控制策略结合使用。
7.2 开关逻辑的设计
开关表包括行和列,每一行代表一个点或者一个输出情况,包括用户地址、
值和切换状态。
表中的第一行表示需要的输出结果。如下图7-1的输出结果图,表示满足下
面的开关表条件后延迟2秒启动风机。
图7-1 风机输出结果图
结果行的点必须是一个输出点、虚拟点或标志位点。对于数字点输出,结果
可以是1或0,对应数字量输出的两个状态;对于模拟量输出,结果是一个值。
比如阀门开度可以是0到100的值,如下图7-2的热水阀输出结果图表示满足开
关表时延时两秒后将水阀开到100%。
图7-2 热水阀输出结果图
直接点击输出点的三角符号或者调出一个虚拟点或标志位点,可以创建第一
行。或者从库里里调出保存为宏的开关逻辑表指派到设备上。表中结果行以下的
各行定义了实现输出结果所需的条件。CARE软件规定后继行必须使用与逻辑来实
现结果行命令。只有这些条件都为真时才能给结果行输出命令。
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直接点击输入、输出点的三角符号或者调出一个虚拟点或标志位点,可以在
后继行中加入该点的制约条件,也可以使用数学公式功能。在真值表中的“1”和
“0”有特定的含义。可以在文本编辑器中自己定义0和1对应的状态。通常定义
0为关闭,1为启动。
一个数字点在开关表中占一行,模拟点占两行。模拟点的第一行包括用户地
址和比较符号(如大于等于),第二行包括设定值和死区。最后一列两种点都是开
关状态。一个开关表最多可以包含11个数字量或5个模拟量制约条件。开关表只
能伸展到窗口的最下方。开关表中可以数字点条件和模拟点条件混合使用。
在开关中可以使用或逻辑。或逻辑表示只要有一个条件是真,CARE软件就能
给结果行发出命令。对一个输出结果,最多可以定义10个或逻辑。考虑到工程实
际中,比如多台设备同时启动会对电力提出很高的要求,我们可以设计一些时间
延迟程序,让设备依次启动。延迟程序包括开延迟、关延迟以及周期性延迟。图
7-3、7-4分别为开延迟示意图和关延迟示意图。时间延迟可以加在结果行,也可
以加在条件行中,表示不同的含义。加在结果行中,表示延迟一段时间执行开关
表输出结果。加在条件行中,表示该点要维持设定状态一段时间后该条件才有效。
参考上面例子中对开关表的分析。
图7-3 开延迟示意图
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图7-4 关延迟示意图
下图7-5为该设计的风机开关逻辑,图中第一行为风机的输出结果行,表示
当满足下面条件时,过三十秒钟延迟后开启风机。结果行后都为开关逻辑中的条
件行,该风机启动有两个可能启动的方式。一种为压差开关为1状态、防冻开关
为1状态、风机压力开关为1状态、风机故障报警为1状态且当回风温度检测到
大于等于25摄氏度(偏差为2)时风机启动。另一种为压差开关为1状态、防冻
开关为1状态、风机压力开关为1状态、风机故障报警为1状态且回风温度检测
到小于20摄氏度(偏差为2)时风机仍应启动。
风机开关逻辑考虑到实际应用中的电力要求问题,所以均有设有延迟,与延
迟均为十秒钟,而且下面条件行均满足后,风机经过30秒延迟后开启。
图7-5 风机开关逻辑图
下图7-6为该设计的热水阀开度开关逻辑图,图中第一行为热水阀的输出结
果行,表示当满足下面条件时,过10秒钟延迟后开启热水阀。结果行的条件行分
别表示压差开关为1状态、防冻开关为1状态、风机压力开关为1状态、风机故
障报警为1状态且当回风温度检测到小于等于18摄氏度(偏差为2),并且上述
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条件全部满足时风机启动。热水阀开关逻辑同样有延时,它的与延时为3秒,条
件全部满足后延时10秒钟后将热水阀开度开到100%。
图7-6 热水阀开度开关逻辑图
下图7-7为该设计的冷水阀开度开关逻辑图,图中第一行为冷水阀的输出结
果行,表示当满足下面条件时,过10秒钟延迟后开启冷水阀。结果行的条件行分
别表示压差开关为1状态、防冻开关为1状态、风机压力开关为1状态、风机故
障报警为1状态且当回风温度检测到大于等于34摄氏度(偏差为2),并且上述
条件全部满足时风机启动。热水阀开关逻辑也有延时,它的与延时为3秒,条件
全部满足后延时10秒钟后将冷水阀开度开到100%。
图7-7 冷水阀开度开关逻辑图
下图7-8中a图和b图表示为该设计的加湿阀开度开关逻辑图的两级开关逻
辑,图中第一行为加湿阀的输出结果行。加湿阀设有两级开关逻辑。第一级开关
逻辑为,当压差开关为1状态、防冻开关为1状态、风机压力开关为1状态、风
机故障报警为1状态且回风湿度检测大于等于50%(偏差为2%)时,将加湿阀开
度开到0%,也就是关闭加湿阀。加湿阀的与延时为3秒,条件满足后过10秒钟
加湿阀动作。第二级开关逻辑为,当压差开关为1状态、防冻开关为1状态、风
机压力开关为1状态、风机故障报警为1状态且回风湿度检测小于等于30%(偏
差为2%)时,将加湿阀开度开到50%。它的与延时仍为3秒,条件满足后过10秒
钟加湿阀动作b。
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a图
b图
图7-8 加湿阀开度开关逻辑图
在实际应用中,风阀通常不与其他设备联动,在设备安装后,将风阀进行调
试,一般应用的比例为新风比回风为三比七,调试后风阀不再变动,但要保证风
阀在风机开启前打开,否则会导致设备导管爆裂,回风导管被吸瘪,后果比较严
重。
第8章 时间程序的设计
8.1 CARE软件时间程序
结合实际使用情况,创建一个时间程序,提高设备使用效率。一个控制器最
多有20个时间程序。时间程序是与开关逻辑、控制策略相结合的,因而为控制器
提供了按时间表做出决策的能力。
时间程序主要分为日程序、周程序、假日程序以及年程序。在建立时间程序
之前必须编辑添加要控制的点。
日程序列出了点、每日点的动作和时间。将日时间应用于一周(周日到周六)
的每一天,可生成系统的周程序,周程序应用于一年的每一周。年程序用一些特
殊的日程序来确定时间周期,考虑当地情况,如地方节日和公众假期。
日程序为所选定的点指定开关时间,设定值以及开关状态。在设置日程序之
前,应该将需要指定时间程序控制的点添加到表里,从表中选择控制点,设置时
间程序。
周程序为指派日程序到一周的每一天,周程序重复执行构成年程序。缺省的
日程序为,如果没有为周程序指派一个日程序,软件将使用缺省的日程序定义周
程序。
假日程序是可以为像劳动节和新年这样的假日安排特殊的日程序,选定的日
程序可以应用与每年的这个假期,假期期间使用假期程序而不是周程序。
年程序指的是用特定的日程序来定义一段时期的程序,可以定义超过一年的
年程序。年程序比周程序有更高的优先级。
8.2 时间程序的设计
时间程序是为了优化空调机组的启停,根据生产车间的生产时间来设定的。
设置正常的工作时间、节假日休息等时间程序。在建立时间程序之前必须编辑添
加要控制的点,我所选择的点为风机的启停开关,即下图8-1中“#”号所标记的
点。
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图8-1 时间程序控制点
日程序的设定参照正常的工作时间为早8时上班工作,晚16时30分停止工
作。由于电力要求的不同,防止延时的发生,所以将风机开启时间按照上班时间
提前十五分钟,同时也可以提前将生产车间温度调节到所需温度。如图8-2为风
机的时间程序。当节假日时,风机不启动。
图8-2 风机启动日程序
周程序也参照正常的工作时间为周一至周五工作,周六周日风机等不启动。
所以周一至周五启动风机的日程序,周六周日启动假日日程序。如下图8-3所示。
图8-3 风机启动周程序
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假日程序为一些节假日的时间设定,因为我国的一些法定假日,所以将新年
及五一假日设定为假日的日程序,也就是不启动风机。年程序也是对一些其他假
日进行时间的设定,这里设定了十月一日至十月七日为假日日程序,不启动风机,
如图8-4所示。
图8-4 风机启动年程序
结 论
经过这段时间的学习和设计,我终于完成了此次的毕业设计——基于CARE编
程生产车间空调系统控制的设计。从开始看到设计容要求到软件的学习,再到毕
业设计的完成,每一步对我来说都是新的尝试与挑战,这也是我在大学期间完成
的最满意的作品。在这段时间里,我学到了很多知识也有很多感受,当然设计过
程中也遇到了许许多多的困难,但通过老师的指导和查看相关的资料及书籍,让
自己头脑中模糊地概念逐渐清晰,使自己非常稚嫩的作品一步一步的完善起来,
每一次改进都是我学习的收获,当看着自己完成了设备原理图时,我就渐渐的得
到了一点点的成就感,但是做到控制策略的部分,我发现了真正的困难,但是通
过在网上找到的一些视频学习和老师指导,是我的思路逐渐清晰,之后的开关逻
辑和时间程序也相对容易了一些,我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘
泉。
经过几周的毕业设计,总体来说是获益匪浅。通过本次毕业设计,所学理论
知识很好的运用到了实际的工程当中,在具体的设计过程中,将所学知识很好的
系统了一遍,体会到了学以致用的乐趣,使自己的实际工程能力得到了很大的提
高。
本次的设计为生产车间空调系统的控制,达到能够通过温度和湿度传感器自
动调节温度、湿度,自动控制压差开关和防冻开关的动作,风机自动启停等,通
过CARE软件中设备原理图、控制策略、开关逻辑和时间程序的编写,完成整个空
调系统控制的设计。
由于实际过程中要运用很多的知识,且做好设计的前提也是能够很好地掌握
软件和熟悉理论知识,而CARE软件是我以前从未接触过的软件,所以熟练的掌握
软件也是一件很困难的事情,所以每天都必须的深刻的了解软件,并巩固知识。
在整个的毕业设计过程中,很好地把理论知识和实践联系了起来,做到了理论与
实际的相结合。
参考文献
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obtain good thermal comfort[M]. Hong Kong:The Hong Kong Polytechnic, 2006
[12] Reg ed Air Systems: UAV Design, Development and Deployment[M]
.专业.专注.
致 谢
本次毕业设计的完成是在我们的指导老师学军老师的细心指导下进行的。在
每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的
选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中,花费老师很多的宝贵时间
和精力,在此向老师表示衷心地感谢。老师严谨的治学态度,开拓进取的精神和
高度的责任心都将使学生受益终生。
还要感谢和我同一班级的同学,是他们在我平时设计中和我一起探讨问题,
并指出我设计上的误区,使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去,没有他
们的帮助我不可能这样顺利地结稿,在此表示深深的谢意。
再次感老师长期以来悉心的指导和在设计过程提供的大量资料、修改意见及
多次的参观和试验的机会,让我对CARE软件及空调系统都有了较全面了解,为日
后的工作和更进一步的学习打下了坚实的基础,也积累了许多宝贵的设计经验。

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