基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计

基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计摘要本文针对中央空调的节能问题，对中央空调水泵变频调速系统进行分析及设计。利用可编程控制器、模拟量扩展模块、变频器、温度传感器等代替传统再热量调节系统，实现中央空调水泵的变频调速。通过对空调出口温度进行检测，变频系统实时调节中央空调水泵转速，到达节能目的。采用变频技术控制中央空调水泵，是当前空调系统节能改造的有效途径。关键词：中央空调，变频调速技术，可编程控制器PLC，PID目录1绪论11.1中央空调变频调速的意义11.2变频调速技术介绍11.3本文的主要工作32系统原理分析及方案设计52.1中央空调结构原理52.2变频调速系统工作原理72.3空调变频控制系统的构架82.4总体设计方案确实定93系统硬件设计113.1可编程控制器的选型113.1.1可编程控制器概述113.1.2可编程控制器的选型123.2模拟量I/O模块及传感器选型143.2.1模拟量输入模块选型〔A/D〕143.2.2模拟量输出模块选型〔D/A〕173.2.3温度传感器选型183.3变频器的选型及参数设置203.3.1变频器的选型203.3.1变频器的参数设置213.4总体电路图234系统软件设计254.1内存变量分配254.2控制系统程序设计274.2.1主程序设计274.2.2PID控制的设计及实现314.2.3冷却水系统循环控制及PID调节程序334.2.4冷冻水系统循环控制及PID调节程序374.2.5传送冷却水和冷冻水PID参数子程序38中断效劳程序405系统调试445.1初始化程序调试445.2冷却水、冷冻水系统PID调节程序调试47参考文献54致谢55附录1完整程序56附录2系统总体电路图661绪论1.1中央空调变频调速的意义随着空调应用的日益普及，其能耗在社会总能耗中所占的比例越来越高。减少空调系统的能耗对全社会的节能，促进国民经济的持续开展具有重大意义。常规中央空调系统的送风量是根据空调房间的最大热、湿负荷确定，且保持不变。空调负荷减少时，通过调节送风温度〔调节再热量〕来维持室温。这种方法不仅浪费了热量而且浪费制冷机组相当的冷量。在变风量空调系统中，可根据房间温湿度参数的变化，通过变频调速装置调节风机的转速，改变送风量〔应大于最小送风量〕，送风温度保持不变。显然变风量空调系统可充分利用最大送风温差，节约再热量和与之相应的冷量，减少风机的功率消耗，提高空调系统的运行经济性[1]。在夏季室内负荷下降时，先减少送风量，当送风量减至最小送风量时可利用末端再热装置适应室内冷负荷的减少。当再热量缺乏以补偿室内负荷变化时，系统由夏季工况转至冬季运行工况，系统开始送热风。为节省能量，可先进行定风量变风温的调节方法，当供热负荷继续增加时，再改为变风量调节方法。1.2变频调速技术介绍变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有开展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继开展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。〔1〕变频器按变换环节分①交-交变频器把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的一半以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。②交-直-交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节容易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一种。〔2〕变频器按电压的调制方式分①PAM〔脉幅调制〕变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几乎己经不采用了。②PWM〔脉宽调制〕变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制〔SPWM〕方式。〔3〕变频器按直流环节的储能方式分①电流型直流环节的贮能元件是电感线圈。②电压型直流环节的贮能元件是电容器。变频器的功用是将频率固定〔通常为工频50Hz〕的交流电〔三相的或单相的〕变换成频率连续可调〔多数为0～400Hz〕的三相〔或单相〕交流电[2]。由上式可知道：当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调。又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以，当连续可调时，也连续可调。由于磁极对数不同的异步电动机，在相同频率时的转速是不同的。所以，即使频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的，因此采用变频和变极调速相结合的方法，可以大大提高变频器的工作效率。由于转速与频率成正比，即：=〔1-1〕式中：-转速；-频率；-电机磁极对数；-转差率。假设将电机的运行频率由原来的50Hz下调到40Hz时，电机的实际转速n，降为额定转速的80%,即，由于电机的额定功率，因此，电机运行在40Hz时的实际功率为：〔1-2〕那么节电率为：〔1-3〕由此可见，假设风机和水泵的电机运行在40Hz时，理论上，电机实际消耗的功率只有额定功率的一半左右，此时，理论上节电率为48.8%，交流变频调速的节电效果相当显著，经济效益十分可观。中央空调系统采用变频调速技术，电机可在很宽的范围内平滑调速,可将所有节流阀去掉,使管道畅通，可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速,从而改变水的流量，到达制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，到达节能目的。采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。这种系统可由多台水泵电机组成，其中只有一台水泵处于变频调速状态，就可以到达节能目的。这种系统最大程度地节约了设备。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制。1.3本文的主要工作中央空调系统通常分为冷冻水和冷却水两个系统。现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。〔1〕冷冻水泵系统的闭环控制该方案在保证最末端设备冷冻水流量供应的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。〔2〕冷却水系统的闭环控制该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，在保证中中央空调机组正常工作的前提下，到达节能增效的目的。控制原理说明如下：PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，那么说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能。由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，那么说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。通过温度传感器PT100将温度信号经过变送器和A/D转换模块传送到PLC中进行处理，然后由PLC将控制信号送至变频器中，变频器根据控制信号做出相应的频率调整，实现对水泵电机转速的控制。主要工作有：温度检测局部设计；选择变频器；设计主电路；选择PLC器件并选择扩展模块；I/O口的分配及输入输出接口电路的设计；报警等接口设计；编制设计PLC程序；系统仿真。2系统原理分析及方案设计2.1中央空调结构原理中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管或管线连接多个末端的方式来控制不同的房间以到达室内空气调节目的的空调。一般酒店，大型商场用的是风管试的中央空调，它的原理是主机通过通往各个空间区域的通风管道将处理后的冷热空气输送到位。它的优点是本钱低、操控简便、噪音低，最主要的缺点是：各个区域〔房间〕控温不准确。中央空调的工作原理与家用一样，都是利用冷媒〔运输热量的媒质叫冷媒〕的物理原理把室内的热量带到室外去到达制冷的效果。中央空调工作原理如图2-1所示。图2-1中央空调工作原理中央空调系统主要由冷冻主机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统、风机和冷却塔等组成。〔1〕冷冻主机也叫致冷装置，是中央空调的致冷源，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行内部热交换，降温为冷冻水。〔2〕冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回到冷冻机组。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。〔3〕冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水。〔4〕风机盘管系统。安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水盘管冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换。〔5〕风机。用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水〞带回的热量散发到大气中去。〔6〕冷却塔。冷冻主机在致冷过程中，必然会释放热量，使机组发热。冷却水塔用于为冷冻主机提供“冷却水〞。冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。工作原理：冷冻主机是中央空调的致冷源，从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。冷却水塔为冷冻主机提供冷却水，冷却水经管道盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。空调系统中的控制对象多属于热工对象，从控制的角度分析具有以下特点：〔1〕多干扰性。例如：通过窗户进入的太阳辐射热是时间的函数，也受气象条件的影响；室外空气温度通过围护结构对室温产生的影响；为了换气所采用的新风，其温度变化对室温有直接的影响；室内人员的变动，照明、机电设备的启停，均会干扰变动时控制的难度以及能源浪费的问题。〔2〕多工况性。空调系统中对空气的处理过程具有很强的季节性，一年中，至少要分为冬季，过渡季和夏季。另外在同一天中，夜晚和白天的空气工况也不完全相同，因此，空调对空气的处理过程也具有多变性。多工况性的特点就决定了空调的运行不能设定在某一不变的参数下，而这就要求空调的控制系统必须要灵活的动作来适应变化的工况。在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计系数。根据计算中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占夏季酒店总用电的25%—30%，冷却塔的用电占8%—10%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统以及冷却塔的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成局部。根据异步电动机原理〔2-1〕式中：n-转速；f-频率；p-电机磁极对数；s-转差率。由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。以前的冷却塔是人为的根据冷却水温度选择冷却塔开启的台数，非常容易造成能源的浪费现象，现在根据冷却水的温度，由温度传感器传送信号至PLC，由PLC经计算后对冷却水泵依次开启，以到达节能效果。2.2变频调速系统工作原理PLC是变频调速控制系统的关键部件。其作用是协调各机组与变频器之间的电气连接，通过接触器与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。PLC软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。该系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。水泵机组都可运转在工频以下和变频以下两种状态。这由系统根据实际需要进行切换控制。可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块，A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器的升速过程及降速过程。温度检测装置将状态送A/D,A/D有多个数字量〔x0,x1,x2,x3…〕输人PLC,进行控制热负荷从小至大之间的变化，首先对PLC进行设定上限x1、下限x0。刚开始工作热交换量为零。x0、x1处于关断状态。PLC控制下，KM3接通，1号泵接入变频器电源，同时启动升速程序，按D/A模块输出电压的设定曲线升速,从而使1号泵进行软启动。1号泵转速逐渐增大，热交换量也逐渐增加。假设到达设定的下限x0时，那么1号泵在该频率下稳定运行；假设频率增至50Hz时还未到达下限x0，那么PLC发出指令KM3释放，KM2闭合，1号泵由工频电网直接供电，全速运转，同时D/A输出为0。PLC指令KM5闭合，2号泵接入变频调速状态，并由PLC控制按设定曲线升速。假设升到50Hz频率下还未到达设定下限x0，那么2号泵切换为工频，3号泵为变频调速,继续下去,直到热交换量到达下限x0，电机稳定运行于此状态下。如果热交换量超过上限x1，设定下调时，接入变频器的第n个水泵，其输出频率降低，假设降至0Hz时，还未到达上限x1，那么第n个水泵停，同时D/A置5V，第n-1个水泵切换变频状态，并按设定曲线降低直至达其设定上限x1，水泵稳定运行于此状态下。需注意，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，各接触器间互锁和动作时间要设置好。该控制系统,在任何状态下,只需一台水泵电机处于调速状态,其它电机可根据需要处于工频状态或停机状态,就可实现热交换从零至最大的控制过程。冷却水、冷冻水系统可分别用一台PLC控制器和一台变频调速器来控制。2.3空调变频控制系统的构架空调变频控制系统，依据水泵变频曲线和系统曲线计算出最正确运行模式后，使n台水泵在最正确频率下运行。随着用户量的不断变化,实际差压值会经常偏离设定值。为了彻底消除该水泵系统的剩余扬程，空调变频系统将作进一步的PID调节。控制原理方框图如图2-2所示。图2-2系统的控制原理图系统将差压变送器的实时反应值与目标设定值比拟,其差值被送入PLC的内部PID调节器，经过运算,输出频率信号对水泵进行调速，以到达消除差压动态偏差的目的。其算法为：〔2-2〕式中-调节器的输出；-比例时间常数；-差压设定值()与差压实测值()之差；-差压积分时间常数；-差压微分时间常数。以上所有算法，将在西门子的PLCS7-200上实现。2.4总体设计方案确实定对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变送器和A/D转换模块反应给PLC进行处理，再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速，从而对温度进行控制。目前，对冷却水系统和冷冻水系统分别进行调速的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量。冷冻水系统也是如此。在冷冻水和冷却水的回水管道上安装温度传感器，只检测回水温度，然后经过PLC的处理对变频器实行控制。这样可确保中央空调机组正常工作的前提下到达节能增效的目的。温度传感器可采用PT100热电阻；A/D转换模块；PLC；D/A转换模块都选用西门子公司的产品，变频器采用三菱公司的变频器。系统的结构图如图2-3所示。图2-3系统结构图3系统硬件设计3.1可编程控制器的选型可编程控制器概述可编程控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。可编程控制器是用于工业现场的电控制器，它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。可编程控制器通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。如果说初期开展起来的可编程控制器主要是以它的高可靠性、灵活性和小型化来代替传统的继电——接触控制，那么当今的可编程控制器那么吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，得到了更新的开展。从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化；从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，可编程控制器均承当着主要角色[4]。〔1〕可编程控制器的硬件组成。可编程控制器的硬件局部由中央处理器单元〔CPU模块〕、存储器、输入/输出〔I/O〕模块、电源模块、通信模块、编程器等局部组成。如图3-1所示。〔2〕可编程控制器的工作原理①可编程控制器是以顺序扫描的方式工作的。用户程序通过编程器输入并存放在可编程控制器的用户存储器中。当可编程控制器运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好似是同时完成的。这种按分时原那么，顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描。执行一次扫描的时间成为扫描周期。②可编程控制器的工作过程。可编程控制器是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作的，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。图3-1可编程控制器的硬件结构框图③可编程控制器的根本功能可编程控制器有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下根本的功能：a〕逻辑处理功能；b〕数据运算功能；c〕准确定时功能；d〕高速技术功能；e〕中断处理〔可以实现各种内外中断〕功能；f〕程序与数据存储功能；g〕自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，可编程控制器几乎也都可以做到。丰富的功能为可编程控制器的广泛应用提供了可能。同时，也为自动化行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。3.1.2可编程控制器的选型在可编程控制器系统设计时，确定控制方案之后，下一步工作就是可编程控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程控制器和设计相应的控制系统。〔1〕输入输出〔I/O〕点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程控制器的产品特点，对输入输出电数进行圆整。本设计输入点有15个，输出点11个。〔2〕存储器容量的估算程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数〔16位为一个字〕。另外再按此数的25%考虑余量。因此本课题的可编程控制器内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。〔3〕机型的选择目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的可编程控制器产品，使用户眼花缭乱、无所适从。通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O相应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析。并且根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高速技术器，又因为电梯是双向运行的，所以可编程控制器还需具有可逆技术器。综合考虑后，本设计选择SIEMENS公司生产的S7系列的S7-200可编程控制器。S7-200系列PLC的主要特点如下：①采用整体固定I/O型与根本单元加扩展的结构，PLC的CPU、电源、I/0安装于一体，结构紧凑、安装简单。②运算速度快，根本逻辑控制指令每条0.22us，可以实现高速控制。③编程指令、编程元件较丰富，性价比高。④PLC集成有固定点数的告诉计数输入与高速脉冲输出，脉冲频率可以到达20～100kHz。⑤PLC带有RS-485串行通信接口，可以支持无协议通信与点到点通信〔PPI〕、多点通信〔MPI〕、PROFIBUS总线通信。通过扩展模块，S7-200还可以增加如下功能。①通信功能扩展。通过PROFIBUS-DP〔EM227〕、AS-i〔CP243-2〕、调制解调器〔EM241〕、以太网〔CP243-1、CP243-1IT〕等通信模块，PLC可以与工业以太网、现场总线网等不同的网络进行连接，组成PLC网络系统。②特殊功能扩展。通过多通道模拟量I/O模块、各种温度测量模块、定位脉冲模块等，实现现场温度、速度、位置等参数的控制、测量、调节功能。本文选配的SIMATICS7-200PLC主要由CPU226、模拟量输入EM231模块和模拟量输出EM232模块三局部组成。3.2模拟量I/O模块及传感器选型3.2.1模拟量输入模块选型〔A/D〕模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如常用的温度、压力、速度、流量、碱度、位移等的工业检测都是对应电压、电流的大小模拟量，再通过一定的运算(如PID)后控制生产过程到达一定的目的(如恒温等)。模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量输入信号按IEC标准为4～20mA电流信号或0～5V、-10V～10V，0～10V的直流电压信号。模拟量输入模块的根本功能就是将输入PLC的外部模拟量转换为PLC所需的数字量，以供应主控模块进行数据处理和控制。模拟量输入模块可以直接与热电偶，铂电阻等温度检测元件相连，接受采自温度传感器的信号，温度控制模块实际上就相当于变送器和A/D转换器。将生产现场的温度信号值传送给PLC，经过PLC处理后，通过模拟量输出模块输出。这样就可以实现温度的自动控制。EM231热电阻模块可以通过DIP开关来选择热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必须将PLC断电后再通电，新的设置才能起作用[4]。EM231的主要参数，见表3-1。表3-1EM231主要参数耗电量自+5VDC〔自I/O总线〕

自L+

L+电压范围，2级或DC传感器供电87mA

60mA

20.4至28.8VDCLED指示灯24VDC电源供电良好ON=无错，OFF=无24VDC电源，SF：ON=模块故障，闪烁=输入信号错误,OFF=无错模拟量输入特性现场至逻辑

现场至24VDC

24V到逻辑500VAC

500VAC

500VAC共模输入范围〔输入通道至输入通道〕120VAC共模抑制>120dB120VAC输入类型无隔离差分输入输入范围RTD类型(选一种)Pt-100Ω，200Ω，500Ω，PT-1000Ω-10000ΩCu-9.035ΩNi-10Ω，120Ω，1000ΩR-150Ω，300Ω，600Ω输入分辨率温度

电阻0.1℃15位加符号位模块更新时间：所有通道405ms连线长度〔最大〕100米至传感器线回路电阻〔最大〕最大为20Ω数据字格式电压：-32000至+32000最大输入电压30VDCEM231的配置区有3个设定开关，用于模拟量输入范围〔量程〕、分辨率、类型等的选择，设定开关的作用如表3-2所示。表3-2EM231设定开关表输入类型与范围分辨率开关设定SW1SW2SW3单极性，0～10V电压输入2.5mV●╳●单极性，0～5V电压输入1.25mV●●╳单极性，0～20mA电流输入5uA●●╳双极性，0～±5V电压输入2.5mV╳╳●双极性，0～±2.5V电压输入1.25mV╳●╳●-设定开关ON；╳-设定开关OFF由于本设计采用的A/D转换模块，EM231输入类型为单极性，0～5V电压输入。所以选择分辨率为1.25mV，SW1、SW2、SW3分别为ON、ON、OFF的设定。模拟量输入端的接线方式：模拟量是通过带屏蔽的双绞线把信号输入每个信道，将第一路测量信号接入EM231的A+和A-端；将第二路测量信号介入EM231的B+和B-端。EM231需要外部提供DC24V电源，电源从L+、M端输入。硬件连接图如图3-2所示。图3-2热电阻与EM231硬件连接图A/D转换的输入/输出关系曲线如图3-3所示。图3-3A/D转换的输入/输出关系曲线3.2.2模拟量输出模块选型〔D/A〕模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号(如4095等)转换成4～20mA的电流输出信号或0～10V，0～5V的直流电压输出信号，以提供应执行机构。模拟量输出模块选用西门子公司的EM232模块。其主要参数指标见表3-3：表3-3EM232模块的主要参数模拟量输出特性模拟量输出点数2隔离(现场侧到逻辑线路)无信号范围电压输出

电流输出±10V

0～20mA数据字格式电压

电流-32000～+32000

0～+32000分辨率全量程电压

电流12位

11位数字量到模拟量转换器〔DAC〕的12位读数，其输出数据格式是左端对齐的，最高有效位：0表示是正值数据字，数据在装载到DAC存放器之前，4个连续的0是被裁断的，这些位不影响输出信号值[4]。D/A转换模块输入/输出关系如图3-4所示。图3-4D/A转换模块输入/输出关系〔1〕模拟量输出端的接线方式：经过D/A转换后，模拟量通过双绞线把信号输出，如果是输出电压信号，那么将双绞线接到信道的M0，V0端；如果输出的是电流信号，那么应先将双绞线接到信道的M0和I0端。〔2〕接线方式如图3-5所示。图3-5EM232端子接线图3.2.3温度传感器选型温度检测的主要方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分成接触式与非接触式两大类。接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于导体或半导体电阻值所温度变化的热电阻温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法等。热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。热敏电阻有正温度系数〔PTC〕、负温度系数〔NTC〕和临界温度系数〔CTR〕三种。温度特性曲线如图3-6所示。图3-6各种热敏电阻特性温度检测用的主要是负温度系数热敏电阻，PTC和CTR热敏电阻那么利用在特定温度下电阻值急剧变化的特性构成温度开关器件。负温度系数的热敏电阻主要由单晶以及锰、镍、钴等金属氧化物制成，测温范围为-50到300℃。它可以制成不同的结构形式，有珠状、片状、杆状和薄膜状等，其中珠状和柱状的金属氧化物热敏电阻稳定性较好。热敏电阻的优点是α值大，一般为金属电阻的十几倍，灵敏度很高，而且组织也高，在使用时引线电阻所引起的误差可以忽略。缺点是互换性差，局部产品稳定性不好。但由于它结构简单，热响应快，灵敏度高并且价格廉价，因此在汽车、家电等领域得到大量应用[3]。PT100温度传感器的测量温度范围是：-50℃～450℃。Pt100热电阻隔离变送器：型号：RS3011。该产品是用PT100传感器测量温度的隔离变送器，在工业上主要用于测量-200~+500℃的温度。变送器内有线性化和长线补偿功能，出厂时按照PT100国标分度表校正，完全到达0.2级精度要求。输入、输出和辅助电源之间是完全隔离〔三隔离〕，可以承受2500VDC的隔离耐压。产品采用DIN35国际标准导轨安装方式，体积小、精度高，性能稳定、性价比高，可以广泛应用在石油、化工、电力、仪器仪表和工业控制等行业。主要特性：〔1〕输入：Pt100(-20～+400℃)(范围可选择)〔2〕输出信号：4～20mA/0～5V〔3〕精度等级：0.2级(FSR%)〔4〕内含线性化和长线补偿功能〔5〕隔离耐压：2500VDC(0.5mA,60S)〔6〕DIN35导轨安装〔7〕精度高、性能稳定可靠[3]。因本设计需求，特选择输入温度范围为0～+100℃。3.3变频器的选型及参数设置3.3.1变频器的选型常规设计的交流电动机，通常都是在额定频率、额定电压下工作的。此时，轴上输出转矩、输出功率都可以到达额定值。在变频调速的情况下，供电频率是变化的，电机的实际输出也会变化。由于变频器有一定的通用性，因此在与不同拖动场合的电机配合时，需要选配相应的变频器。在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。按连续恒负载运转时所需的变频器容量(kVA)的计算式计算[6]：〔3-1〕式中：—负载所要求的电动机的轴输出功率，单位为W；—电动机的效率(通常约0.85)；—电动机的功率因数(通常约0.75)；—电流波形的修正系数，对PWM方式，取=1.05；—变频器的额定容量。由于本系统所用的单台水泵功率为2.2kW，取=1.05，=2.2kW，=0.85=0.75，代入公式〔2.3〕得：1.05×2.2/0.85×0.75=3.62kW三菱FR-A540系列变频器的容量为0.4kW～55kW。由于本系统采用的是一台变频器只为一台电机提供电源，即一台变频器对应一台水泵，所以根据计算得出，应选择三菱FR-A540-3.7K-CH的变频器。交流变频调速日益完善，调速方便简单成为电机调速主流。三菱变频器以其高性能，适中的价格应和了中国工控行业的需要，在国内得到了广泛的应用。节能的需要为三菱变频器的应用带来了巨大的契机，三菱变频驱动产品在中国得到了更大的开展。具体参数如下[6]：〔1〕功率：3.7KW〔三相380V，50Hz〕〔2〕电流：9A〔3〕特点：①采用先进磁通矢量控制方式，调速可达1：120〔0.5-50Hz〕。②采用可直接监视并控制主回路的智能驱动回路〔最新开发的ASIC〕，使低速时不均匀旋转得到大幅度的改善。③可拆卸式风扇和接线端子，维护方便。④内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准。三菱FR-A540变频器调制方式为PWM调制，控制方式为V/F控制，具有转矩提升，点动，制动与上位机通讯等功能。3.3.1变频器的参数设置在本系统中，PLC通过D/A转换模块将控制量通过“2〞引脚〔既电压输入〕引入。将频率调整到响应值。要使变频器能够按预定的状态工作，还要对变频器进行参数设定。见表3-4。表3-4变频器参数参数号设定值名称Pr.02%转矩提升Pr.150Hz上限频率Pr.20Hz下限频率Pr.350Hz基底频率Pr.46Hz低速设定Pr.73S加速时间Pr.81S减速时间Pr.97.65A电子过电流保护Pr.130.5Hz启动频率Pr.140适用负荷选择Pr.290加/减速曲线Pr.607智能模式选择Pr.7113适用电机Pr.793操作模式选择Pr.802.2KW电机容量Pr.814电机极数Pr.83380V电机额定电压Pr.8450Hz电机额定频率Pr.951在线自动调整选择Pr.96101自动调整设定/状态3.4总体电路图由于三菱FR-A500系列变频器的输入信号出厂设定为漏型逻辑。而S7-200PLC，CPU226DC/DC/DC的输出均属于源型逻辑。所以需要改变FR-A540变频器控制逻辑，将其改为源型逻辑。在变频器控制回路端子板的反面，把跳线从漏型逻辑位置转移到源型逻辑位置。即将跳线从“SINK〞位置移到“SOURCE〞位置。由于本设计中PLC输出晶体管是由外部电源供电。所以用变频器SD端子作为公共端，以防止漏电流产生的误差。系统总体电路图见附录2。可编程控制器输入输出I/O口分配情况，见表3-5。表3-5输入输出I/O口分配表模块号输入端子号输出端子号地址号信号名称说明CPU2261I0.01号启动按钮2I0.11号停止按钮3I0.22号启动按钮4I0.32号停止按钮5I0.43号启动按钮6I0.53号停止按钮7I0.6紧急停车按钮8I0.7总启动按钮9I1.01号变频器启动按钮10I1.11号变频器停止按钮11I1.21号电机故障热继电器12I1.32号电机故障热继电器13I1.43号电机故障热继电器14I1.52号变频器启动按钮15I1.62号变频器停止按钮1Q0.0变频器给电继电器2Q0.11号泵工频启动继电器3Q0.21号泵变频运行继电器4Q0.32号泵工频启动继电器5Q0.42号泵变频运行继电器6Q0.53号泵工频启动继电器7Q0.63号泵变频运行继电器8Q0.72号变频器给电继电器9Q1.0冷冻泵变频运行继电器10Q1.11号变频器启停数字量11Q1.22号变频器启停数字量EM2311AIW01号热敏电阻PT1002AIW22号热敏电阻PT100EM2321AQW01号变频器电压2AQW22号变频器电压4系统软件设计系统软件由初始化程序、主程序和中断效劳程序三局部组成。主程序主要对存储区标志位、缓冲区、定时器和PID调节器进行初始化。子程序由PID调节子程序和寻找最正确工作模式子程序组成。PLC控制下变频调速系统的工作原理，可编程逻辑控制器PLC是变频调速控制系统的关键部件。其作用是协调各机组与变频器之间的电气连接，通过接触器与变频器的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。PLC软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。通常情况下，变频调速系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。每台电机都可以运转在工频和变频两种状态下，这由PLC系统根据需要进行切换控制。可编程控制器用I/O扩展板接口分别接入A/D和D/A从模块。A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器升速过程及降速过程。需要注意的是，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，各接触器间互锁和动作时间要设置好。本系统是利用电压信号控制变频器，进而控制水泵转速和温度。控制程序采用PID控制算法控制输出电压。其中子程序SBR-0为1号变频器的电压控制参数；SBR-1为2号变频器的电压控制参数。主程序OBI分别调用SBR-0，SBR-1子程序块传送PID控制参数。定时中断0为每10毫秒中断一次，进入INT-0。中断效劳程序INT-0对2个变频器分别控制。4.1内存变量分配内存变量分配如图4-1。表4-1内存变量分配4.2控制系统程序设计4.2.1主程序设计在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号(按钮、继电器)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。PLC程序设计共有四个模块：〔1〕控制按钮模块主要处理各电机和电磁阀的启停控制。〔2〕报警处理模块主要处理变频器的故障报警和报警信息。〔3〕变频器给定模块将处理变频器的工作模式，调用变频器设定模块。〔4〕变频器设定模块，是接受由模拟量输入模块(EM231)接受温度传感器转换而来的信号，与频率给定值进行比拟后再作为输入信号经D/A转换成模拟量给变频器PLC主程序设计，当PLC的主程序开始运行之后，就处于反复的循环执行之中，每一次循环被称为一次扫描：即对主程序的语句逐条扫描执行。主程序主要完成初始化、遥信自处理、通信处理三方面的工作。只有第一次扫描才执行初始化程序，然后进行遥信自处理程序，假设有通信要求，那么进行通信处理，否那么结束主程序，完成一次扫描工作[7]。PLC主程序流程图如图4-1所示。图4-1初始化程序流程图梯形图程序及相应注释，图4-2：图4-2初始化程序梯形图及注释4.2.2PID控制的设计及实现在生产过程自动控制的开展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的根本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多优点。〔1〕算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现；〔2〕适应性强，可以广泛的应用于各种行业。由于其有这些优点，PID控制直到现在仍然是应用最广泛的根本控制方式之一。温度是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对温度进行测量和控制，长期以来，国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如：性能成熟、应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。常规PID控制系统原理框图如图4-3所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图4-3常规PID控制系统原理框图4.2.3冷却水系统循环控制及PID调节程序冷水机组进行热交换，水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，是冷却水温度升高。冷却泵将升了温冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再降了温的冷却水，送回到冷水机组。如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。由于冷却塔的水温是随环境温度而变化的，其单侧水温不能准确地反映冷冻机组产生热量的多少。所以，对于冷却水泵，以进水和回水的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比拟合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；反之那么应该降低转速。目前，在冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而到达在保证中央空调机组正常工作的前提下到达节能增效的目的。具体见图4-4，图4-5，图4-6。图4-4冷却水的闭环控制系统框图现有的控制方式大都先确定一个冷却泵变频器工作的最小工作频率，将其设定下限频率并锁定，变频冷却水泵的频率是取冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节，当进、出水温差大于设定值时，频率无极上调，当进、出水温差小于设定值时，频率无极下调，同时当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，按温差变化来调节频率，进、出水温差越大，变频器的输出频率越高；进、出水温差越小，变频器的输出频率越低。图4-5冷却水PID调节程序流程图图4-6冷却水系统PID调节程序梯形图4.2.4冷冻水系统循环控制及PID调节程序冷冻水系统由冷冻泵及冷冻水管道组成，从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，从而使房间内的温度下降。在保证最末端设备冷冻水流量供应的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。具体见图4-7，图4-8。图4-7冷冻水泵的闭环控制框图图4-8冷冻水系统PID调节程序梯形图4.2.5传送冷却水和冷冻水PID参数子程序冷却水PID子程序为SBR-0，冷冻水PID子程序为SBR-1。详见图4-9，图4-10。图4-9传送冷却水PID参数梯形图图4-10传送冷冻水PID参数梯形图4.2.6中断效劳程序中断效劳程序流程图，冷却泵、冷冻泵水温控制PID算法梯形图见图4-11，图4-12，图4-13。图4-11中断效劳程序流程图图4-12冷却泵水温控制PID算法梯形图图4-13冷冻泵水温控制PID算法梯形图本程序中需要注意的问题：本系统中选用变频器控制电机转速。变频器需要0～5V的控制电压。这个控制电压是由EM232提供的。EM232可以把0～32000的数字量转换成0～10V的电压。为了能控制变频器，PLC送到EM232的最大数字量限制到16000。为了到达这一要求，在PID的输出值送到EM232时，要乘上16000而不是32000，这就可以保证送到变频器的电压不超过5V。5系统调试为检测程序是否正确，方案是否可行，现利用S7-200仿真软件对控制系统程序进行仿真。由于该软件无法仿真PID程序与中断程序，所以局部参数均由手动给定。由于初始化程序和冷却水、冷冻水系统PID调节程序一起调试难免干扰，所以分开调试。其结果不影响程序的正确性。5.1初始化程序调试〔1〕冷却泵3号备用电机通电试运行系统首次启动，为检测3号备用电机运行情况，将其工频运行10分钟后停止。见图5-1，图5-2。图5-1冷却泵3号备用电机工频启动10分钟①按下I0.7，Q0.0、Q0.7得电。1号变频器和2号变频器得电。②按下I0.7，M2.0得电、自锁。③常开触点M2.0闭合，Q0.5得电、自锁。3号电机工频启动。常开触点M2.0闭合，定时器T37通电计时。图5-2冷却泵3号备用电机停止①10min〔600S〕后常开触点T37闭合，M2.4得电，M2.0被复位。②常闭触点M2.4断开，Q0.5失电，3号电机停止。常开触点M2.0断开，定时器T37停止计时。常开触点T37断开。〔2〕1、2号电机启动运行按下I0.0，Q0.1得电，自锁。1号电机工频启动。如图5-3。按下I0.2，Q0.3得电，自锁。2号电机工频启动。如图5-4。图5-3冷却泵1号电机工频启动图5-4冷却泵2号电机工频启动〔3〕冷冻泵启动当1号、2号冷却泵启动后，冷冻泵启动。按下I0.0，I0.2，Q1.0得电，冷冻泵启动。如图5-5。图5-5冷冻泵电机工频启动5.2冷却水、冷冻水系统PID调节程序调试由于S7-200仿真软件无法调用PID程序，中断程序。所以用于反应输入AIW0、AIW2的标准化处理，要用转换公式计算[8]。〔5-1〕式中-标准化数值〔0.0～1.0〕；-32位A/D转换结果；-标准化系数，双极性64000，单极性32000；-偏置值，单极性取0，双极性取0.5。又因本文中EM321的单极性模拟量输入范围选为0～5V，所以有如下关系式：〔5-2〕式中-单极性模拟量输入电压〔0～5V〕。-A/D转换结果；所以，有公式〔5-1〕和〔5