PLC的空调控制系统

PLC的空调控制系统摘要：中央空调是一个完整的复杂系统，设备仅仅是系统组成中的一个部件，仅是依靠部件节能，系统不设法降低能耗，最终的节能目的也是无法实现的。因此，中央空调的智能控制系统在节能方面起到了关键的作用。本文针对中央空调要求系统稳定运行且能达到节能的控制要求，设计了自动与手动两种不同的控制方式，在系统正常运行的情况下，自动控制是控制系统的主要控制模式，系统运行在该模式时，系统根据200PLC中所编写的控制程序，以回水温度为输入量来调节循环水泵转速以达到控制冷水机组的加机与减机，从而实现房间内温度满足人们舒适度要求的前提下兼顾节能的目的。关键词：控制系统；中央空调；PLC

目录前言 31PLC的结构及工作原理 31.1PLC的基本结构 31.2PLC的工作原理 42中央空调控制系统的总体设计 62.1系统总体设计方案 62.2系统设计原则及步骤 73中央空调控制系统的具体设计与分析 83.1系统硬件选型介绍 83.3.1PLC硬件及软件介绍 83.1.2变频器选型介绍 113.2控制柜回路设计 123.3程序设计 133.3.1主程序设计 133.3.2初始化及模糊PID控制子程序 143.3.3电机变频和工频控制程序 15结语 17参考文献 18前言随着我国经济的迅猛发展以及人民生活质量的显著提高，我国建筑的数量以及规模都取得了飞速的发展，尤其是近几十年，智能建筑飞速发展，大量的新型建筑都采用中央空调来为房间内提供一个舒适的环境或是用来满足工艺要求。但是中央空调的高耗能在资源日益紧张的今天也是一个不容忽视的问题，中央空调高耗能的情况以及如何提高能源的利用率也是国内外学者研究的重要课题，这直接关系到国家的可持续发展。1PLC的结构及工作原理在近代，微电子技术、计算机通信技术的发展以及工业控制自动化的进步的同时，相应的控制要求也越来越高。PLC不再仅仅只是实现开关量、顺序、逻辑上的控制，同时还拥有了模拟量控制、强大的过程控制功能和远程通讯能力。PLC以嵌入式的CPU作为核心，再配有输入输出以及通信等模块，因此应用于工业控制的各个领域。小型PLC在结构上普遍是一体化，主要应用于简单的自动化控制；大中型PLC普遍是模块化，在拥有了小型PLC的功能之外，同时增强了数据处理以及网络通讯的能力，能够组成大规模复杂程度较高的控制系统。PLC由于它的可靠性、稳定性、编程简单等优点在现代的自动化领域得到了广泛的推广应用。1.1PLC的基本结构PLC与计算机从硬件的组成上看有一定的相似之处，包括CPU、存储器、输入输出接口以及电源等组成部分。它的结构图如图1所示：（1）CPU：这是PLC的核心部分，控制着程序的接收处理以及存储，由微处理器以及控制接口电路等组成。PLC所拥有的功能是由与它自身所配置的微处理器的位数决定的，PLC的功能越强大，选用的CPU的位数就越高。CPU具有更强大的运算能力，处理速度。（2）存储器：包括系统存储器和用户存储器，前者是存储厂家编写的系统程序，这些程序是为了实现PLC的功能而存在的，用户无法直接改写；后者又包含程序存储器和数据存储器，分别用于保存用户编写的应用程序和程序运行时产生的数据，用户程序可以根据现场的要求做出更改达到控制要求。（3）输入输出接口：I/O接口用于PLC跟外界进行通信，实际的控制过程中所产生的信号是各式各样的，信号的电平大小也各不相同，PLC所处理的信号是有一定标准的，所以输入模块将这些来自现场的信号转换为CPU所能处理的标准信号。输入接口是CPU与现场设备之间的纽带，起着传递信号的作用。（4）电源：PLC一般都会内部配置性能稳定、抗干扰能力较好的开关稳压电源的电源模块，这个电源为PLC的CPU和存储器等提供所需的电流。其电源部件稳压良好，对外部电源要求不高，允许外部电压波动范围为+10%~-15%。小型PLC一般没有抓用的电源部件，大型PLC会配备专用的电源模块。图1PLC基本结构图1.2PLC的工作原理PLC在工作方式上跟计算机有着较多的不同之处，PLC工作方式不同于计算机的中断等待方式，其采用的在系统软件作用下的循环扫描的工作方式。PLC在启动后，PLC会按照存储在存储器中的工程师所编写的程序从第一条指令顺序执行，执行到结束符时开始转到程序的开始，周而复始的对程序进行扫描。PLC的扫描周期大致可概括为输入刷新阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。其工作过程如图4-3所示：图2PLC工作过程示意图（1）输入刷新阶段：PLC将从现场得到的数据信息通过输入接口保存到存储器相应的单元当中。输入信号按照外部是否受压以“0”或“1”的方式保存在输入映像寄存器区（I区），这个过程称为输入刷新阶段。一旦进入输入刷新阶段后，本个扫描周期还未执行完成，外部的状态点的变化不会引起输入映像寄存器区中状态的变化。（2）程序执行阶段：PLC会将用户采用梯形图语言所编写的程序从上到下、从左往右，按照顺序执行的方式进行扫描。在扫描的过程当中会对数据信息按照程序进行相应的逻辑运算或算术运算，将得到的结果暂存在相应的存储单元当中。PLC与继电器电路有着根本的不同，体现在PLC按照顺序执行的方式对程序进行扫描，逻辑运算的结果会对后面的逻辑运算有影响，但是此处下方的逻辑运算得到的结果必须等到下一个周期才会对上方的状态有影响。而且不会像继电器电路那样会产生电磁干扰，两个相互之间没有关系的操作在整个用户程序中的位置是无关紧要的。（3）输出刷新阶段：在这个阶段PLC会将程序执行的处理结果输送到输出锁存器当中，通过输出电路转化为相应的电压或电流信号输出到外部的执行元件，完成相应的操作。PLC在完成这个阶段之后，CPU会自动进入下一个扫描周期。2中央空调控制系统的总体设计2.1系统总体设计方案从中央空调冷冻水系统的发展来看，它的控制方式主要有以下三种控制方式：第一，继电器控制系统，但是继电器自身所具有的缺陷致使控制系统的故障率相对较高，整个系统的复杂性也较高，且存在着能耗较高等显著的缺陷，因此已经被逐渐淘汰；第二，DDC（直接数字控制）它是采用微型处理器实现其逻辑控制功能，其最大的特点就是从参数采集、数据传输一直到控制等各个环节都是通过数字控制实现的，但是因为DDC自身存在着抗干扰能力有限的问题限制了其应用范围。第三，PLC控制系统，相对于前面两种方式而言，它运行稳定可靠，维护容易，具有极好的抗干扰能力等优点决定了它在控制系统中的广泛应用。目前，中央空调水系统循环水泵采用的是自耦变压器降压启动的方式，这种方式是在电机启动时借助于自耦变压器以降低启动电压，启动后再将自耦变压器和电机分离，随后电机满负荷工频工作，这样的工作方式不仅能耗大而且严重缩短了电机的寿命，不能实现自动控制的目的，只能通过人工观察和经验判断来控制运行水泵的加减，人力成本和劳动复杂度都提高而且不能保证系统运行的可靠性。因此，在能源紧张、国家大力提倡节能减排的背景下，中央空调水系统采用变频技术有巨大的经济和社会效益。本文中我们保留了系统自耦变压器降压启动的方式，在这个基础之上，我们探究利用变频技术来实现调节循环水泵转速、加减机的时机以及运行的数目，以达到提高中央空调水系统能源利用效率和保证系统稳定运行的目的。为实现自动控制：首先，我们使用PLC（可编程逻辑控制器）作为核心的变频控制柜，从而我们就可以用PLC和变频器实现对水系统进行控制；再次，在水循环系统回水处添加温度传感器对回水温度进行采样作为反馈信号；最后，采用模糊PID控制策略对中央空调系统进行变频智能控制。在本文中我们将PLC选作循环水系统的CPU，它起了总体控制的功能，中央空调水系统中将通过安装在出回水管道口的温度传感器得到的出水和回水的温度转换完成后输入到PLC中，它将得到的信号跟设定值进行比较，将得到的结果进行相应的模糊PID运算，处理完成后将最后的结果传送到变频器中，其将得到的信号按照相应的程序来改变输入的电源频率达到调整水泵转速的目的。变频器调速电流信号和输出的频率信号都必须经过A/D转换模块进行转换。2.2系统设计原则及步骤基于PLC的系统或设备装置普遍应用于环境相对比较恶劣的、被控对象相对比较复杂的现场，系统的总体设计一般遵循以下几个原则：（1）能够满足控制要求。在进行设计之前，我们必须对相关的行业有一定的了解，尤其是具有特殊性行业的特点，这就需要在进行设计之前的必须跟现场的操作及机械设计人员进行密切的交流请教，这样才能克服设计过程中可能会出现的设计漏洞等各种问题，才能提高工作的效率。（2）在达到工艺控制要求的基础之上，力求整个系统结构的简单化、节俭化的原则，尽可能的发挥PLC自身所具有的功能，尽量避免硬件的浪费，进而减少硬件的成本。（3）应用PLC的工厂企业一般会在企业的发展中不断对系统进行大规模的升级改造，这就会使PLC的控制对象数以及控制的复杂度都会增加，在系统设计之初就应该注意到系统的可扩展性，以便后期的扩展改造。（4）系统的安全性以及稳定性是关键，系统不仅能实现功能，还应在复杂的工业环境中能安全稳定有效的工作，尤其是在一些具有特殊性的行业当中，这更是需要优先考虑的问题。采用PLC作为控制器核心的控制系统或设备装置在设计的进程中，必须要考虑到PLC工作特点来进行整体的设计，不能用继电器控制的思路来进行PLC编程等设计，用软件来代替继电器等硬件是最突出的特点。其设计步骤流程图如图4-1所示：图3PLC系统设计步骤3中央空调控制系统的具体设计与分析3.1系统硬件选型介绍3.3.1PLC硬件及软件介绍西门子S7-200系列PLC是西门子公司所生产的一类小型PLC，但是其功能都能达到大中型PLC的水平，因此是PLC当中性价比比较高的一款，在国内工业自动控制领域的占有的份额达到了80%以上，是国内应用最广泛的PLC。STEP7-Micro/WIN编程软件是西门子公司专门为旗下S7-200系列PLC所研发的一款功能极其强大的软件，它是200PLC用户必不可少的研发工具。软件采用了WINDOWS程序界面，这使编程者掌握起来非常容易，编程窗口包括浏览条、指令树、交叉引用窗口、数据块/数据窗口、主菜单条、工具条。各个窗口之间切换非常方便，使用户能够方便的找到所需的数据或是符号及其使用情况，为编程调试提供了方便。与同类型的小型PLC软件相比而言，软件将主程序、子程序及中断程序的编写设定在不同的窗口，而且可以对自己编写的程序编辑程库文件，为编程者编写同类型程序时可以直接调用属于自己的库文件，编辑为自己可以识别的名称，避免了重复工作的必要，同时分窗口的设计使用户在现场调试时能够准确的找到问题所在的子程序并做出更改，这是许多编程软件所不具有的功能。本文的设计采用200PLC中CPU型号最高的CPU226CNAC/DC/继电器型作为控制器，其性能优点主要包括：第一，输入输出点多，扩展能力强，24个输入点、16个输出点，扩展能力为7个I/O模块；第二，输入电源的输入电压85~264VAC，数字量输入为24VDC，数字量的额定输出电压为24VDC或250VAC；第三，具有两个RS-485通讯接口，PPI通讯波特率最高支持187.5kbaud，自由口通讯波特率1.2KBaud至115.2KBaud。本文采用的变频控制柜选用CPU226CNAC/DC/继电器PLC作为控制器，其输入输出点的个数及其相对应的功能如表4.1和表4.2所示，通过表格可以看出，中央空调水系统的输入点个数为19个，输出点的个数为14个，综合上文所述的PLC系统设计原则，以便后期能够进行改造升级要有一定的余量，我们才选择了这个型号的PLC：表1PLC的输入点编号输入点信号输入点1变频器的频率I0.02变频器的运行信号I0.13变频器的故障信号I0.241#泵停车I0.451#泵自动万能转换开关信号I0.561#泵手动万能转换开关信号I0.671#变频输出接触器返回信号I0.782#泵停车I1.192#泵自动万能转换开关信号I1.2102#泵手动万能转换开关信号I1.3112#变频输出接触器返回信号I1.4123#泵停车I1.6133#泵自动万能转换开关信号I1.7143#泵手动万能转换开关信号I2.0153#变频输出接触器返回信号I2.1164#泵停车I2.3174#泵自动万能转换开关信号I2.4184#泵手动万能转换开关信号I2.5194#变频输出接触器返回信号I2.6表2PLC输出点编号输出点信号输出点1变频器运行Q0.02变频器复位Q0.131#泵工频运行Q0.441#泵停车Q0.551#变频运行Q0.662#泵工频运行Q1.072#泵停车Q1.182#泵变频运行Q1.293#泵工频运行Q1.4103#泵停车Q1.5113#泵变频运行Q1.6124#泵工频运行Q2.0134#泵停车Q2.1144#泵变频运行Q2.2由于CPU226CN自身没有模拟量的输入输出点，所以在本文中我们采用了模拟量的输入模块EM231和模拟量输出模块EM232。EM231具有四路模拟量输入，输入信号可以是电流信号和单极性或双极性的电压信号，分辨率为12位，外部信号过滤后由运算放大电路进行处理，然后由内置的A/D转换部分完成模拟量到数字量的转换，可用于复杂的控制现场。EM232具有两路模拟量输出，输出信号可以是电流信号或是电压信号，分辨率电压为12位，电流为11位，其内部集成了运算放大电路，输出信号可以不用外界放大电路就可以跟外部安装的传感器建立联系，可用于复杂的控制现场。3.1.2变频器选型介绍变频器可以简单的认为是能够使电机电源频率大不和电压大小变化的设备。本文中我们所选用的是西门子的MM440变频器，这是西门子公司最新开发的用于控制三相交流电动机的变频器类别。当负载为恒转矩时，其额定功率范围120KW至200KW，若负载为变转矩时，额定功率可以达到250KW。MM440变频器是由微处理器控制的，应用的是目前技术领先的IGBT作为功率输出器件，其运行可靠，功能多样化。MM440放入脉宽调制的开关频率可选，从而降低了电机的运行噪音。完善的保护功能保护了变频器和电动机。PLC在系统运行时对MM440进行实时控制，PLC和变频器的接线图如图4-4所示，Q0.6为变频器启动信号，其为高电平时变频器启动。输入量在PLC中进行模糊PID运算得到的数字量转化为模拟量，被送往变频器实现对电机的有效控制，将扩展模块EM232的输出与变频器的输入端相连接，进而实现了变频控制得目的。图4PLC变频器连接图3.2控制柜回路设计用第一台泵进行说明，如图4-5所示，万能开关的作用是用作自动和手动切换，将出电信号输送到水泵的先前自耦降压启动控制柜中，回路中PLC输出点Q0.4的常开触点连接的1MQ是自动工频控制继电器，1MQ的常开触点连接到先前的自耦降压启动控制柜中，当Q0.4接通表示需要工频运行时常开触点接通，工频运行。常开触点Q0.6控制中间继电器1ZJ0，从而控制1ZJ0常开触点的通断来控制1KM0，从而实现变频运行。当需要自动停机或闭锁时，常开触点Q0.5接通从而1MT的常闭触点断开，常开触点闭合，信号传输到1#泵的启动柜中，从而使泵停止变频运行。图5变频控制柜控制电气图3.3程序设计3.3.1主程序设计PLC上电后会开始循环扫描，输入刷新完成后会从主程序从左往右从上往下顺序执行程序，每完成上述的过程一次就是一个扫描周期。用户程序应该先进行系统初始化，进行参数的设定等，然后将通过传感器采集到的温度信号与设定值进行比较，得到的偏差和偏差的变化率会在PLC中进行模糊PID运算得到输出量结果，通过所编写的控制程序来决定水泵的工频或是变频运行状态，随后通过输出模块将控制量输出，PLC会重新开始扫描程序并返回到子程序当中，重复如此步骤，其具体流程如图4-6所示：图6主程序流程图3.3.2初始化及模糊PID控制子程序初始化的目的是为了完成给定值的设定，对水泵电机的初始状态、启动的顺序以及在模糊PID控制子程序当中需要用到的一些参数值进行设定，初始化程序一般只会在第一个扫描周期起作用。模糊PID控制子程序的作用主要是将设置在各处传感器所采集的实时数值跟给行值进行比较所产生的偏差以及变化率作为数据，通过规定的模糊控制规则计算出相应的PID参数的变化，重新调整PID各个参数的大小，并计算出相应的控制量，其过程如图7所示：图7模糊PID控制子程序流程图3.3.3电机变频和工频控制程序在中央空调的冷水系统中采用四台水泵，由一台变频器进行控制，系统运行时只有一台泵是工作在变频状态的，所以这种设计即简单又能节约硬件成本。通过对给水和回水温度进行比较来调整四台泵所投入的总功率。在室内负荷较高时，当某台水泵的运