【基于三菱PLC的客车空调控制系统9500字（论文）】

基于三菱PLC的客车空调控制系统目录TOC\o"1-3"\h\u25136摘要 摘要随着人民生活水平的提高和客车工业的发展，客车空调作为提高客车舒适程度的外部因素，大多数的客人都会选择带空调的客车乘坐。客车内部的空调可以对车内的温度、湿度、空气中的味道有较大的改善，客车内部的空调可以通过调速的方式让客人感觉到非常的舒适，不管外部的天气状况是严寒还是酷热，在车内的乘客都能调节到令自己舒服的状态。客车空调系统虽然对乘客有较大的帮助，但是相应的建造中也是较为复杂一些，在以往的技术方面难以实现。本论文使用控制理论的方式对客车空调温度调节系统进行分析。最后，在选择三菱FX2N系列的PLC硬件和软件完成整个设计。为了达到输入输出的目的，使用FX2N对操作系统硬件设计，同时对系统中主要操作程序进行设计。关键词：客车空调；三菱PLC；控制系统第一章绪论1.1客车空调控制系统的研究现状及发展1.1.1客车空调控制系统的发展客车空调在1970年代采用小型微机集中控制，直到1984年，哈特福德市第一建筑采用微机分布式控制系统，标志着智能建筑时代的开始。分散控制系统简称局部控制系统，需要将设备放到每一个房间，技术成熟且其特点是采用DDC控制（直接数字控制）。主控制器又称为调节器，主要的辨别方式是在于变频器本身的信号值和提前设定的值相对比，相比后的数值相差较大时会自动启动，这样的一种技术手段投入金额较低，使用起来也非常的方便，数值的设定也非常的简单。因此，广泛应用于空调，而且使用的是PLC、PID控制。可是PID控制也存在一定的缺点，比如不能实时对当前数值进行检测调试，再一个它永久不可能调理到位，永久和检测值有一个差值。但是经过研究和技术的不断发展，发现PID控制也的确是一种很好的控制理论，在模似信号调理系统中得到了广泛的利用。总之，基于PLC的客车空调控制系统是客车空调控制的一大发展方向和扩展加深内容。1.1.2客车空调变流量控制的发展影响客车空调变流量控制发展的主要问题是冷水系统，使用冷水实现降温的方式虽然能够初步解决问题，但是还是需要不断完善。虽然完善的过程中也出现各种难以解决的问题，但是这个问题随着时间也会慢慢解决，最终确定为不考虑负载固定冷冻水循环的方法，这种方法的后果不仅造成能源的浪费，也导致了冷冻水系统、回水温差操作。从1990年开始，随着计算机和电子技术的快速发展，变流技术也在快速发展。变流技术的成熟和国外变流技术的应用，已成为空调行业的一个标准。客车空调控制系统的控制方法是利用多回路PID控制。各种类型的PID控制器参数物理意义明确，易于调整，因而获得广泛应用，PID控制器被大多数的企业都融入是因为PID控制器可以仅仅依靠系统输出反馈控制输入。目前，客车空调控制方法为双开/关控制、PID控制、实施控制法和模糊控制等办法。PID算法是各种DDC控制系统的核心，是客车空调工程和设备通常使用的方法，该控制方法在稳定的条件下，可以获得更好的控制效果。1.2客车空调系统简介大部分的空调系统都有调节的对象、空气处理、冷气分配、冷（热）源设备及自动控制部分组成。客车空调系统在公共建筑或独立住宅建筑中很常见。空气调节的对象：不同房间的使用功能不同，对不同人群的使用效果需要设定。空气处理设备：对当前所处环境的温度进行升温、降温和恒温处理，对湿度进行简单处理。空气输送和分配设备：由引入室外新风、输送处理过的空气通风管、各类送风口和通风机等组成。冷（热）源设备：为空调系统提供必要的冷量和热量。自动控制部分：保证各个运行参数的偏差在空调精度范围内的各种仪器设备、控制调节器、秩序控制器。1.3客车空调各结构的作用1.3.1冷冻机组冷冻机组就是空调系统的冷源，就是向空气处理装置提供冷量的装置。要提供冷量就必须制冷，要实现制冷就必须有冷源。冷源有两类：一类是天然冷源，如冷或深井水；另一类是人工冷源，即利用机械设备，以消耗能量为代价，实现热量按人的需要进行转移的目标。冷却水可以循环使用，大量节省了水资源，且采用冷却塔处理、循环。1.3.2冷却水循环系统和冷冻水循环系统一般的空调客车中的系统有两种选择方式：冷却系统循环和水系统循环，，均来自冷源设备。通过水泵增压后，向各空气处理设备和空调末端装置输送冷冻水，再通过水冷式散热设备，组成水系统的循环回路。1.3.3风机盘管空调系统风机盘管系统中的风机盘管组，简称风机盘管，是指将风机盘管、过滤器等部件组装成一体的空调设备，属于客车空调系统的末端装置。风机盘管的特点为：(1)运行灵活，可自行调节各房间负荷，节能效果好。(2)仅需新风系统，风管截面积较小，容易布置。(3)难于满足温度、湿度、洁净度的严格要求。(4)线路布置比较复杂，水系统非常容易出现问题，对于维修也是比较的麻烦。1)盘管，盘管一般采用紫铜管肋片式，有二排、三排等类型。2)风机，风机的使用包含离心式和贯流式两种。3)空气过滤器，在仪器的下方一般放置空气过滤器，使用的材料一般选择塑料、金属编织物、纤维织物等制作。4)风机电动机，风机电动机主要使用单相电进行电压支持，可实现风量调节。第二章空调变流量控制的原理2.1制冷原理空调制冷原理主要依靠压缩机实现，压缩机就是整个制冷系统中的主要部件。其作用是：在制冷系统中建立压力差，迫使制冷剂在系统中循环，起着压缩和输送制冷剂达到连续制冷的目的[6]。压缩机具有能适应较广的制冷量要求、单位能耗较少、热效率高、技术成熟、零件加工容易、对材料要求较低等优点。例如，1公斤的水，在绝对压力为0.00087兆帕，饱和温度是5度，气化需要吸收热量2488.7千焦；1公斤的氨气，在标准大气压力0.10133兆帕，气化需要吸收的热量1369.59千焦，温度可以到达零下33.33度。因此，只要建立一个低压条件，通过使用液体气化是可以访问到所需的温度。根据这一原则，气化过程吸收含有热量的冷冻水、冷却水温度降低(通常减少到7摄氏度，从而逐步完成制冷。2.2客车空调变流量控制的原理及特点2.2.1客车空调系统变流量系统的特点客车空调目前应用较多，相比传统的冷却系统非常的方便，但是客车空调系统长时间都处于运行状态，这一点对于资源也是一种浪费，而传统的冷却系统却无法满足现状。随着社会的发展，通过流量的技术融入到客车空调系统中。通过对客车空调系统的构造和运行方式分析，然后再分析出变流量的原则，从而把两者融入到一个系统中，融入的过程中会发生一些问题，但是也还是有非常好的应用前景。1.客车空调变流量节能原理客车空调的节能主要依靠行为节能，手动开启或者关闭空调，或者对空调的温度调控，尽可能的跳到节能省电的状态，从而提高空调设备效率有效节能；在创建的过程中保存本身的能量，简答理解为减少能量的使用，例如，在建筑的过程中使用到隔离信号和隔音的方法也能够产生一定的作用，同时还能够减少能源的损失，减少能量的浪费也是较好的节能措施。2.变流量在客车空调系统中的应用根据客车空调的运行方式和工作原理可以看出，系统使用时提温或者降温的过程都是通过流量物质的，流量物质是对于能量的传输，其中主要传输提温或者降温时的能量，从较为长远的角度来讲，客车空调的控制就是对流量物质的能量使用。在系统运行的过程中，保证安全和稳定的情况下才能正常实现变流量，能够实时对当前的温度调控，实现最高最低的温度，同时通过管控流量物质的大小才能实现对能量的控制，不会产生过程的资源浪费；也能够在不同气温下对当前的温度调节，时刻监控当前主机给出的温度。从而实现节能提高了效率。2.2.2客车空调变流量控制的实现方式温度式液位调节阀在制冷系统中用于控制满液式蒸发器、气液分离器等容器中的液位。工作原理是：感温包设置在需要控制的液面高度处，电热器安装在感温包内，通电后对感温包加热。当容器的液位上升至接触到感温包时，感温包中的热量会散发，压力随之下降，带动阀针开度变小或完全关闭。反之，如感温包处于制冷剂蒸汽中时，感温包的热量较难散发，压力会升高，使阀开度变大，系统供液量增加。最初设定的温度经过温度反馈调节，并在变频器的作用和电机影响下作用于冷却泵，最终通过量管和用户反馈给温度系统，依次循环调节，如图1所示。图1冷冻水变流量控制系统变频调速技术的产生主要在于电机的转速和电源的大小，保持电源的大小一直，当电机的转速越高时，电动机工作率才会更高。变频器主要使用的是直流电，通过对经过的直流电进行电子转换，对微电脑端技术达成适配，然后作用于新产品中。1.基频以下调速电动机的铁芯需要充分利用起来，此时需要使用到电动机的转矩，使用恒磁通的方式控制转矩，在φm的数值一定情况下，频率f1降低到达fm，降低的过程中电压也需要降低Eg，这种方式表现在电动机频率和恒值。然而，这种方式下对于电动势的控制非常的艰难，电动势较高的情况下，定子电阻和漏磁感将会下降，而认为定子相电压Us=Eg，则得Eg/f1=常值，这是恒压频比的控制方式，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”。与定子电压降补偿的恒压频是通过b线控制，a线代表无补偿，因此控制图如图2所示。图2恒压频比控制特征2.基频以上调速超过基频数值调整时，频率从fm向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压Um，只能保持Us=Um不变，这将使磁通与频率成反比地下降，使得异步电动机工作在弱磁状态。把异步电动机基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，即是其变频调速的控制特性，如图3所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。根据动力研究学，在超过基频后，转速越来越高，所附带的磁性也会随之减少，然后转矩将会变低，这种现象从理论上可以理解为“恒功率调速”。图3电动机恒功率调速特性交流变频调速技术是多门技术集成的高新技术企业。调速性能好并且节能效果明显，不仅可以减少损耗、避免浪费资源也降低了成本，从而帮助企业和公司获取更大的利润，从而吸引更多的客户，同时也刺激国内外研究人员开发新的技术。2.3电机的软启动原理及应用2.3.1软启动设备介绍电压由零慢慢增加到额定电压，所以没有冲击载荷，不受其他零件的冲击感。这样的方式称之为软启动。软启动大多数应用于电机中，通过开启和关闭变频器来实现电动机的启动、停止和其他的功能。软启动的实现主要靠电源、电动机和晶闸管在一定的运行状态下精准控制电路来实现。在运行的过程中晶闸管收到触发脉冲使得电动机在不同电压的变化二改变，从而实现各种功能。软启动和变频器是两种概念的零件，变频器的主要作用在于调节速度的不同，在电压一定的情况下通过改变频率的方式使变频器达到目的；软启动的目的是在于辅助功能，也是一种对压力的调控器，在电动机发动的过程中，频率也不会发生变化只改变电压。在功能上来说，变频器能够完美具备软启动的所有功能，因此在价格上变频器的价格会较高，同时变频器的内部结构也会更复杂。软启动主要是在于电源和电机的作用上，控制两者内部的晶闸管的导通角，然后使电机的电压逐渐上升到预定值，到达对应的数值后，电机处于全电压状态下，软启动开始工作电动机的转矩也会增加，转速将会提高。变频器通过改变频率来完成电动机的工作。软起动器完成其余的泵开启、停止操作，变频器可以使泵运行时平衡旋转和平滑切换。2.4PID控制的设计随着现代社会的发展，PID控制越来越影响着人们的生活。PID控制的优点如下：1.在大多数的企业或者起亚行业中也能够使用；2.构建方式简单易了，能够使用较为简单的软件实现控制。根据这些优势，PID控制越来越受人们的欢迎。人们需要测量和控制温度，很长一段时间，相关的研究人员针对温度研究器进行开发，从而出现了PID温度调节器。2.4.1PID控制原理PID通过对三个参数的控制实现对温度的控制，对于一个控制系统，合理设置这三个参数才可以达到更好的控制效果。图4PID控制系统原理图如图4所示，PID控制器各部分在控制中的调节规律及作用的简单介绍如下：1.比例增益P比例增益P用于改变误差来设置信号放大系数的不同；2.积分时间I通过比例增益P放大不同信号的积分时间增加(或减少)，以减缓变化的步伐，防止振动；3.微分时间D微分时间D是提前调整动作，缩短时间，调整动态误差。2.4.2PID的反馈逻辑及参数调整原则反馈逻辑指反馈信号被感应到就可以实现输出。寒冷的冬天，如果返回水温很低，反馈信号减少，表明室温较低，要求提高逆变器的输出频率和电机转速[12]。由此可见，相同的偏置温度低，反馈信号减少，但逆变器的频率是向相反的方向变化，这是逻辑的引入反馈的原因。PID参数调整是结合实际工作情况，改变一个或同时改变多个参数来实现最佳的调节，从而会降低损坏时间，带来更多的经济效益。第三章客车空调控制系统的硬件设计3.1变频器的原理基于PLC的客车空调控制系统硬件包含变频器、PLC、温度变送器和人机界面。各个硬件都可以实现各自的功能。各部分功能如下：1.变频器：调整速度，从而减小电流；2.PLC：PLC作为控制中心，整个系统由PLC控制，PLC控制器根据温度传感器和内存控制器，根据室内温度，换热控制速度，来控制变频器的效率，电机转速调整，调节水分含量，节约能源的目的；3.温度变送器：使用的零件由热电偶和热电阻作为测试温度的零件，根据测温零件取得的温度数据传输到变送器模块，然后再经过线性校正、电压电流转换、运算放大、恒流及反向保护和安全处理后，才能使温度以4～20mA电流方式显示出来。4.人机界面：人机界面又称用户界面或使用者界面，人和计算机之间的信息交换接口，也是计算机系统的关键核心的一部分。变频器的使用中主要是变频技术和微电子功能起作用，根据电机的频率和工作方式变化产生的交流电动机的电力实现控制。然后通过变频器性能实现所有的功能，故采用西门子MM440变频器。3.2FX2N系列PLC的指令系统简介3.2.1FX2N系列PLC的指令可分为两大类PLC中使用最多的编码是逻辑指令，也是通用的编程语言，用于开关量I/O的控制系统的梯形图程序设计，共二十条。掌握了它们就相当于了解了PLC的使用规则，能够实现整个控制系统的研发。特殊功能指令：共87条，可用于编制特殊程序，如高速I/O处理、数据传输、计数器的特殊用法、算术运算和模拟量控制等。3.2.2FX2N系列PLC的基本逻辑指令又分为四大类作用于触点的指令：LD/LDI、AND/ANI、OR/ORI等。作用于线圈的指令：OUT。数据处理指令：如S/R、RST、SFT、MC/MCR、PLS、SFT、CJP/EJP等。独立使用的指令：如ANB、ORB、END等。3.2.3FX2N的编程元件FX的产品是主要针对内部元件的编程，在选择这款机型下能够较为方便的编程，能够连接继电器、定时器、计数器等工具，但是主要的功能还是和真实元件有区别，统称为“继电器”。在对继电器进行编写时，需要注意线圈的电压、功耗、电磁等是否出现问题；在数量上没有太多的限制，但是机器还是有一定的损耗问题。在下发不同的命令后，得到相应的指令，同时可以对当前的工作状态进行保存。一般的状态下，X表达的是继电器，Y表达的是输出继电器，M表达的是辅助继电器，SPM表达的是专用辅助继电器，T表达的是定时器，C表达的是计数器，S表达的是状态继电器，D表达的是数据寄存器，MOV表达的是传输等。输入继电器（X）PLC主动发起请求，接收端口有的所有信息，然后针对接收回来的信息传入继电器X中，通过使用广电隔离的方法使所有的信息进行分类给予不同的编号，PLC的外部信息接收主要依靠线圈的接收和转发。在PLC的内部有对应开关两种方式，开关的总次数不计入数据总结中。输入电路的总体时间不超过10ms。所有的单元都采用进制的方式，表现为：X000～X007，X010～X017，X020～X027。一般都表现与机器的显示上。输出继电器（Y）PLC还需要向外输出，输出的信息主要由继电器的线圈控制，继电器的外表相应的端口和PLC对应的端口相互连接，通过关闭开启的方式达到数据的传输和传入。在使用的过程中，输出继电器的开启和关闭的次数不计入数据统计中。输出电路的时间是一致的，不会发生改变:Y000～Y007，Y010～Y017，Y020～Y027。一般都表现与机器的下端。辅助继电器（M）PLC中不单单只有一个继电器，还有其他的继电器也是工作状态，连接的方式和住继电器的方式也相同，使用的范围只包含内部编程。在使用的过程中，输出继电器的开启和关闭的次数不计入数据统计中。外部的编程无法进入到内部，外部的数据接收只能通过继电器工作的方式。如图4-1所展示，他的作用只在于自动检测。在FX2N中大多数都是使用M0～M499，能实现很多的辅助继电器使用。辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器，如掉电继电器、保持继电器等，在这里就不一一介绍了。第四章客车空调控制系统的软件设计4.1设备间通讯4.1.1USS协议USS通信由主站发出，USS对于下方的端口进行访问，下方的端口需要给出回应，但是需要满足回应的条件：能够接受到正确的信息；从USS通信中拿到地址；USS协议的特殊点：能够支持多方面上网（支持RS-485）；主站能当方面进行访问；一个主站可以支持32个连接；日志格式较为统一，数据存储能力强；功能强大，成本较低；因此，可以使用USS协议进行RS-485串行通讯并完成USS通讯，还需要对MM440进行初始参数设置。P0003=3，应答变频器获取所有的数据；P0971=1，MM440得到的数据传入EEPROM；P2010[2]=6，变频器的USS波特率确定为9600；P2011[0]=11，变频器的通讯地址选择范围是0~31。USS通信是由S7-200和驱动装置配合的关键，因此相关参数一定要正确设置。4.2PLC主程序流程图PLC主程序流程图如图5所示。图5PLC主程序设计流程图4.3PLC编程软件PLC控制程序采用三菱公司提供的STEP7-micro/win32V4.0编程。系统使用梯形图来完成系统软件的设计。因为梯形图语言是PLC广泛应用能够自己对数据进行处理和存储。可编程序控制器PLC的发展趋势有高集成度、高速度、易使用、小体积、大容量、高性能方向，因此，很容易被通用电气工程设计、操作和维护人员接受。PLC是一种以继电器为中心，同时融入现代化技术和现代自动化功能、网络功能和数据处理的相关技术进行实现完全的自动化，是现代工业控制的重要支柱。可编程序控制器PLC不单单被中国接受，根据了解在国外也有很多的企业在使用，例如矿业、石油、钢铁、制造业、不仅包扩了企业，在人们的生活中能能够时常见到。第七步编程软件，不仅可以很方便的梯子和语句形式离线编程，编制的适配器电缆直接下载到PLC内存实现和调试，也可以在线监控每个输入和输出的状态故障情况，非常方便。4.4程序设计4.4.1客车空调控制系统的I/O分配表客车空调控制系统在实现的过程中包含15个输入端和10个输出端，系统的主要分配如表1所示。表1I/O分配表名称地址编号说明输入信号I0.0驱动装置的启动/停止控制I0.1停车信号2,封锁主回路输出，自由停车I0.2停车信号3，快速停车I0.3故障确认I0.4电机运转方向控制I1.0USS通讯和PPI通讯转换I1.1读/写操作开始按钮SAI0.5手动/自动切换按钮SB1I0.6手动模式1#冷冻泵开启按钮SB2I0.7手动模式1#冷冻泵终止按钮SB2I0.7手动模式1#冷冻泵终止按钮SB3I1.2手动模式2#冷冻泵开启按钮SB4I1.3手动模式2#冷冻泵终止按钮SB5I1.4手动模式3#冷冻泵开启按钮SB6I1.5手动模式3#冷冻泵终止按钮AIW0客户室内温度调控输出信号Q0.0运行方式回复Q0.1指示运转方向Q0.2驱动装置禁止状态指示Q0.3故障指示位KM2Q0.41#冷冻泵变频开关接触器及指示灯KM1Q0.51#冷冻泵工频开关接触器及指示灯KM4Q0.62#冷冻泵变频开关接触器及指示灯KM3Q0.72#冷冻泵工频开关接触器及指示灯KM6Q1.13#冷冻泵变频开关接触器及指示灯KM5Q1.23#冷冻泵工频开关接触器及指示灯AIW0客户车内温度调控4.4.2程序中使用的存储器及功能系统中用到的存储器地址及功能见表2。表2存储器及功能地址功能VD108传感器返回的电压数据VD104室内压力对应值VD300工作状态的泵号VD301工作状态中的数量T33关闭变频脉冲信号时间T34开启变频脉冲信号时间T37增加工频泵的时间控制T38减少工频泵的时间控制T39产生下一台泵变频启动信号的时间控制M0.0/M0.1最开始状态T39下一台启动的时间M0.0/M0.1最开始状态M0.3/M0.4读写机制，功能切换M1.0/M1.1读写机制控制M2.0/M2.5工频开启脉冲/当前泵工频启动脉冲M2.1/M2.6变频开启脉冲/下一台泵变频运行脉冲M2.4/M3.0关闭泵脉冲/泵工频/变频转换控制M3.1/M3.2泵工频/变频控制方向4.4.3PLC初始程序网络1：运行开始或I1.0由关到开是清楚标志位，以及参数读写控制位。网络2：运行开始或I1.0由关到开时，初始化PORT0为USS通讯，如图6所示。图6初始程序段a网络3：当I1.0由关到开时，PORT0恢复为PPI通讯，如图7所示。图7初始程序段b网络4：控制功能块，通过PLC的输入和输出可以控制和诊断工作，如图8所示。图8初始程序段c网络5：当I1.1由关到开时启动读参数指令。网络6：读取驱动器中的参数R0068(输出电流)，如图9所示。图9初始程序段d网络7：读写操作轮替功能，由于在同一时间USS网络上读参数或写参数只能有一种操作，因此有必要设置读写操作的轮替功能，当读参数完成时M0.3被置位1一个扫描周期，从而M1.0复位为0，读参数操作被屏蔽，同时M1.1被置位，开始写参数操作，如图10所示。图10初始程序段e网络8：向驱动器中写参数：P1082=50.0，如图11所示。图11初始程序段f网络9：读写操作轮替，功能同网络7，如图12所示。图12初始程序段g第五章结论本文主要是研究了基于PLC和变频器的客车空调控制系统，一般描述包括:1.发展研究现状和工作原理；2.拟结合传统的PID控制达到一个相对稳定的温度控制系统；3.实现客车空调控制的基本控制；4.经过最后的软件及组态设计，使系统完整。在设计中，我学到了很多关于PLC，变频器，温度变送器的知识，这使我更深刻地意识到应用程序的能力，PLC和变频器在客车空调控制系统中的重要作用。实现了较多功能，不仅方便使用还能节约能源，但仍有不足之处，我会继续深入的学习和研究。参考文献[1]赵浩.基于三菱PLC的