【基于三菱PLC的客车空调温度控制系统设计9400字（论文）】

基于三菱PLC的客车空调温度控制系统设计摘要随着我国经济发展和社会的不断进步，交通工具也越来越便利，但随之而来的却是日益严峻的环境污染、能源枯竭、道路拥塞等问题，这些问题给人类生活和社会可持续发展敲响了警钟。因此各国政府大力呼吁可持续发展举措，提倡人们出行尽量选择公交客车、地铁等交通工具，从而缓解交通堵塞、尾气排放等问题。纯电动客车作为新能源汽车的代表，是实现可持续发展与环保的重要突破口。空调作为客车车厢环境的主要调节工具，如何使空调在达到人体舒适度的同时降低能源的消耗就成了一个目前急需解决的问题。本次设计是利用zigbee技术连接传感器与三菱FX2N型号PLC采用PID控制指令设计了客车空调温度控制系统。该设计论文将会叙述变频器和可编程控制器的工作原理，完成变频器、可编程控制器等的选型和参数设置，重点完成PLC硬件电路图和程序设计。将所设计的硬件模块以及软件算法进行功能测试，证明该空调控制系统在实际应用中的可行性。关键词：客车空调；变频调速；可编程控制器目录TOC\o"1-3"\h\u72371引言 1113572整体硬件系统设计 2239622.1PLC的选择 2129982.2模拟量模块 241712.3主电路接线 4229292.4传感器的选型 4116352.4.1传感器的选择 4253722.4.2温湿度传感器 5114902.4.3人体红外传感器 5213122.4.4网关选择 6187592.5硬件连接设计 738992.5.1PLC连接 7232822.5.2传感器互联方式 976842.5.3CC2430芯片 1095623软件系统设计 1351593.1程序流程图 1356343.2PID控制 15203793.3编程软件GXwork2以及梯形图 17101125结论 222866参考文献 23汽车空调系统有非独立式与独立式。空调所需的能量由为汽车提供驱动的发动机与电机来供应是非独立式空调系统；独立式是指空调所需的能量和驱动汽车的能量由不同的发动机或电机供给。对于电动客车来说，由于驱动能量来源于车载的动力电池储存的电能，空调系统的应用工况与环境工况变化关联密切，基于舒适性及经济性考虑，通常采用独立式空调系统。电动客车的空调和传统燃油车的完全不同，它的电动空调系统所使用消耗的能量均由车载的动力电池来提供，空调系统的效率严重影响电动客车的工作运行性能。由于存在低温环境工况下空调系统将产生制热量不足，系统效率地下等问题。现在普遍采用的方案是热泵空调系统、辅助加热空调系统及热电空调系统。目前，电动客车的厂商将研究大容量电池技术作为解决续驶里程的工作重点，同时，对电动客车辅助系统进行优化，提高辅助系统的效率也是一个十分重要研究方向。电动客车空调系统是汽车上耗能最大的辅助系统，消耗的能量约占汽车辅助系统功耗的60%-70%，其工作效率的高低很大程度上影响了电动客车的续驶里程。同时，空调系统的工作效率也极大地影响着乘客的乘坐舒适性。因此，开发适用于电动客车的高效节能空调系统对于电动汽车的市场推广具有非常重要的现实意义。本文设计主要是通过变频器和PLC技术来使得客车空调达到节约能量的效果,其中着重利用了闭环控制的PID运算。通过温度传感器来把温度信号经过变送器和A/D转换模块转换后传送到PLC可编程控制器中进行处理，然后通过可编程控制器以及变频器来适当地改变频率从而改变电机的速度。2.1PLC的选择FX系列PLC拥有高级的功能逻辑选件，处理速度很快。本文中选择FX2N系列PLC作为设计硬件，FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；分析控制系统，确定设备种类，确定的输入和输出点数和种类。经分析，系统共使用了12路数字量输入，8路数字量输出，2路模拟量输入，没有使用模拟量输出。系统为小型自动化控制。三菱FX2N系列小型PLC，使用简单，安装维护容易，选择其中的FX2N-48MR001，交流电源，含24路数字量输入，24路数字量输出，可以满足12路数字量输入，8路数字量输出的使用需要。另外增加一块FX2N-4AD模拟量输入模块，含4路模拟量输入，可以满足2路模拟量输入的使用需要。FX2N系列三菱PLC采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字或模拟量输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。FX2N与之前的三菱fx-fx所列系列产品基本相比其自动指令定位和状态控制指令功能大大向上得到了明显改善和大幅提高,基本指令性能也大大得到提升,CPU的指令处理速度已经基本达到了0.065us/基本数据指令,内置了具有一个宽度高达64k的超级盘和大容量的cram数据存储器,大幅提高了内部软硬件和相关元素的存储数目,强化了基本指令的存储作用和处理功能,提供了一套系列多达209条特别适合于人机应用的基本指令,包括与日本三菱通用变频器直接进行人机通信的基本指令,crc移动计算机的指令,产生随机数据的指令等等,因此它已经逐渐成为近两年各行各业的热门和创新宠。2.2模拟量模块在本文中我们选用的三菱FX2N-4DA有4个输出通道。提供了12位高精度分辨率的数字输入。转换速度为2.1ms/4通道，使用的通道数变化不会改变转换速度。输出的形式可为电压，也可为电流。其选择取决于接线不同。电压输出时，两个模拟输出通道输出信号为0～10VDC，0～5VDC；电流输出时为4～20mADC。分辨率为2.5mV（0～10VDC）和4uA（4～20mA）。数字到模拟的转换特性可进行调整。本模块需占用8个I/O点。可编程控制器基本单元与FX2N-4DA之间的数据通讯也是由FROM/TO指令来执行的。读写操作是对FX2N-4DA的缓冲寄存器BFM进行操作的，缓冲器区由32个16位的寄存器组成，编号为BFM﹟0～﹟31。PLC的基本单元通过对模拟量输出模块中的缓冲寄存器BFM进行通信联络。PLC的基本单元采用FROM/TO(读/写)指令对特殊功能模块的BFM进行功能设定及数据交换。FX2N-4DA模拟量输出模块的数据缓冲寄存器BFM#0~BFM#31的设置内容说明如下（1）对BFM#0采用4位16进制数，设置模拟量输出模块1--4通道输出信号的类型。缓冲寄存器BFM#0的设置如下图所示。假如设置为H2110，表示输出通道1设置为-10V--+10V电压输出；通道2和通道3设置为：+4mA~+20mA电流输出；通道4设置为0~+20mA电流输出，如图2-1图2-1FX2N-4DA模拟量模块设置（2）由BFM#1--BFM#4分别设置1~4通道数据缓冲寄存器，它们的初始值为零。（3）BFM#5为数据输出保持缓冲寄存器，可以设置为保留数据或复位到零点值。当BFM#5被设置为H0000，PLC从运行到停止时，其运行过程中的数据被保留。若BFM#5被设置为H0011，则CH3和CH4为保持，CH1和CH2为复位到偏移（4）BFM#8和BFM#9为零点和增益值的调整功能设定。当设置为允许调整零点和增益值时，可通过指令TO将要调整的数据写入到BFM#I0~BFM#17中。（5）BFM#10--BFM#17为零点和增益值的设定值(调整值)。设置值的单位是mV或μA。（6）BFM#20为初始化设定，被设置为1时，FX2N-4DA输出模块的全部设置变为默认值。（7）BFM#21用于用户I/O特性的允许调整设定。可以将用户的I/O特性设置为“被禁止”或“被保留”。若将用户的I/O特性设置为被保留，则用户的I/O特性允许调整。（8）BFM#29错误状态显示缓冲寄存器。当特殊功能模块产生错误时，利用FROM指令可以读出错误信息。（9）BFM#30中存放的是特殊功能模块的识别码，FX2N-4DA的识别码为K3020，可以在用户传送数据前，利用识别码确认此功能模块。2.3主电路接线主电路如图2-2所示。图2-2主接线电路图R1是一种电加热器，主要用于电加热的控制实现，系统需要温度升高时启动。起启动线圈为KM1。起保护熔断器为FR1，有效避免了长时间加热造成线路过载的情况。同理，A1与R1的作用原理相同，A1为制冷器。KM2是制冷器启动的继电器线圈。起保护熔断器为FR1，有效避免了长时间开启造成线路过载的情况。同样的，M1、M2、M3分别为是导风板电机，风机电机、吸气栅电机用于打开或者关闭设备。通过物理方式，协助有效调节室内的温度。2.4传感器的选型2.4.1传感器的选择传感器是信息系统的源头，通过传感器来感受物质世界是信息时代的一大标志。传感器的定义是指能够感受被测量并按照一定规律转化为可输出信号的装置。由传感器的定义可知，传感器的基本功能是信号检测和信号变换，一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路组成。敏感元件是能感受或响应被测量的部分，转换元件是将敏感元件感受到的被测量转换成电信号的部分，信号调理电路是将传感器输出的微弱电信号转换成易于处理的有用信号。2.4.2温湿度传感器温湿度传感器渗透在生产生活的各个部分，它能收集温湿度信号并转换成与其成线性关系的电流或者电压信号输出。它体积小，性能稳定，在本文中的作用是实时收集室内温度信息，通过选用的网关将数据传输给上位机，为后面的控制环节提供数据。因为价格便宜，并且在市面上通用易获得，本文选择了Aqara集成温湿度传感器作为系统部件，如图2-3。图2-3Aqara温湿度传感器Aqara温湿度传感器，基本参数如表2-1表2-1Aqara温湿度传感器，基本参数产品型号WSDCGQ01LM产品尺寸36×36×11.5mm无线类型Zigbee电池规格CR2032温度监测范围和精度-20°C~+60°C，±0.3°C湿度监测范围和精度0~100RH(无冷凝)，±3%2.4.3人体红外传感器本控制系统主要设计涉及了两到一个人体红外温度传感器,因此在系统设计工作过程中它还需要额外分别添加一个a/d和一个d/a电压转换控制模块,当对温度传感器的模拟信号进行输入时,将一个模拟量转换成一个相应的模拟数字温度测量,来对其变化进行一个相应的文字数据处理;PLC;而在信号输出时,又因为需要将一个相应数字模拟量及其变化的值转换成成为一个模拟量的值,才至于可以直接获得某些电路相应的输入电压控制信号,并由其分别驱动不同的电路执行控制单元开始工作。这里我们分别选择了集四位模拟送出输入和四位模拟量控制输出两个大部分功能为主于一身的两款三菱FX2N-4DA芯片作为一个模拟量送出输入控制模块,它分别可以同时提供12位的图像分辨率控制精度和2路8位模拟量控制输入(dc0-10v或一路ac4-20ma)的输入通道和1路8位模拟量控制输出的输入通道(dc0-10v或一路dc0-5v)。又由于采用FX2N-4DA模块使其具有良好的性价比,因而被广泛地用于应用在各种电子装置当中。在本论文中它的作用是收集人进入室内或者离开室内的信号，通过选用的网关将反馈信号传输给上位机，为控制环节提供信号。因为价格便宜，市面上通用，易获得易操作，所以本文选用小米人体传感器，基本参数如表2-2。表2-2小米人体传感器基本参数产品型号MOCOIR01产品尺寸48×53.2mm无线类型Zigbee工作电压DC3V(CR123A电池)发射频率2.4Ghz工作温度-10°C~+55°C低电压预警有探测范围8m探测角度90°安装高度2.2m2.4.4网关选择本论文还需要选择一个网关作为连接设备和传输无线数据的桥梁，因为价格便宜，市面上通用，易获得易操作，所以本文选用小米智能多模网关，基本参数如表2-3表2-3小米智能多模网关基本参数产品型号ZNDMWG03LM产品尺寸Φ90×25mm额定输入5V1A工作温度-5°C~+50°C工作湿度0%~95%RH,无冷凝支持系统Android5.0或iOS12.0及以上版本2.5硬件连接设计2.5.1PLC连接（1）连接端布置FX2N-48MR型PLC基本单元由AC220V的市电供电，电源输入连接端位于PLC基本单元的左上方，输入端子的L、N和接地端都连接到三相电的对应火线、零线、地线。开关量输入连接端位于PLC的上部；开关量输出连接端位于PLC下部，输出公共连接端为“COM1”等，不同的输出公共端相互独立。DC24V电源输出的24V端标记为“24+”、0V端标记为“COM”。（2）基本单元与FX2N-4AD模拟量输入模块的连接PLC基本单元的DC24V电源输出给特殊功能模块FX2N-4AD供电，即连接基本单元左上角的“24+”与FX2N-4AD的“24+”、基本单元的“COM”与FX2N-4AD的“24-”，如图2-4图2-4PLC输入输出连接图（3）PLC输入和输出分配表PLC输入和输出分配如表2-4，2-5，所示。表2-4数字量输入分配表名称PLC地址外部编号启动X0SB1停止X1SB2手动启动加热X2SB3手动启动制冷X3SB4手动开导风板X4SB5手动关导风板X5SB6手动开风机X6SB7手动开吸气栅X7SB8手动关吸气栅X8SB9手动停止加热X9SB10手动停止制冷X10SB11关闭风机X11SB12系统故障X12FR1表2-5数字量输出分配表名称PLC地址外部编号启动加热Y0KM1启动制冷Y1KM2自动运行指示Y2HL1导风板开Y3KM3导风板关Y4KM4风机开Y5KM5吸气栅打开Y6KM6吸气栅关闭Y7KM7故障指示灯Y8HL22.5.2传感器互联方式（1）zigbee拓扑网络设计采用的技术是一种高速、短传输时间、低损耗功率的无线载波传感器拓扑网络,它通常具有包括星型、树形、网状等多种类型拓扑网络结构。传统的网络树状式面向互联网的网络传送数据路径一般是固定的,如果某根网络节点叶子损坏了,由于这个网络数据传送的固定路径不能及时对其进行网络自动化的处理调整,会给网络后续通过叶子和根节点的相关信息传送数据以及传递过程造成严重影响。为大大限度提升了网络控制管理系统的网络可靠性和系统网络安全性,采用新型网状拓扑网络架构作为本次系统测试的网络拓扑基础架构。如图2-5图2-5Zigbee网络拓扑构建图（2）温度传感器控制元件。由于信号传感器的每个结点只是与信号协调器互相连接彼此之间通过一种进行点对点的无线连接通信方式用来进行一种无线通讯,因此在需要处理一个编译器的程序中必须根据需要为其结点配置一个进行点对点的无线通讯。感应器接口模块函数cc2530通过一个名为感光数据传输器的接口函数来直观地直接获取有关光照和辐射强度的相关信息,然后通过直接调用一个数据发送器的函数将它作为一个串流发送方式向感光协调器模块发送有关光照和辐射强度的相关数据。（3）过程协调器控制模块。协调器与基于传感器的视频控制处理模块之间连接是一种可以采用视频直播的连接形式。当所有的无线控制信号被系统接收时,调用它在处理室内温度控制信息时的函数,提取计算出室内温度的水平高低及室内空气成本的相关数据,利用它的cc2530模块可以进行实时的数据发送。（4）zigbee入网的流程节点入网时,可以选择在该区域内信号最强的母节点加入移动端互联网,成功的加入后,会得到一个网络ip,并通过这个网络ip直接进行数据信息的接收和传输。网络的拓扑关系与ip都会保存下来,而且它们都是分别在各自的flash中。选择一个合适的id后,设备上层就会要求mac层对于物理层和mac层的Phycurrentchannel,Macpanid等PID的特点做出适当的配置<br>如图2-6为zigbee入网的流程图。(8)图2-6Zigbee入网流程图2.5.3CC2430芯片ZigBee通信模块采用CC2430通信芯片，如图2-7。CC2430芯片是一款真正意义上的ZigBee片上系统解决方案，它包含了一个高性能2.4GHzDSSS射频收发核心和一颗高效的8051处理器，能支持2.4GHzIEEE802.15.4和ZigBee协议栈。CC2430集成了RF射频模块、8051处理器、8KBSRAM、32K/64K/128K闪存，还包含模数转换器、定时器模块、看门狗定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺，最大工作电流消耗为27mA，休眠模式下仅有0.9μA的电流消耗，因此在实际应用中使用电池供电即可维持数月之久。图2-7CC2430集成芯片内部结构3.1程序流程图根据功能分析对软件设计的要求，软件模块设计部分分为三个部分，分别是数据采集模块、控制模块、故障报警模块。采集模块目的是由PLC的一个气体模拟量进行输入,该采集模块目的是为了根据采集需要气体的实际温度、湿度等振动强度,存储于一个相应或对应的一个PLC模拟数据存储寄存器中,以为了便于气体组态王理器通过与带有PLC的各种无线通讯方式进行数据显示和自动选择所采集需要的气体设置硬件参数。控制计算模块主要是通过对用户采集后数据存储的一个数据值在寄存器文件中的数据值和一个来自上位机上的用户所自行设定的数据值之间进行自行比控。按照设定好的控制方案来控制元件进行相应的数据执行。故障并联报警处理模块通常会把所有这些可能同时发生的硬件故障都进行并联了处理起来。本文选择的算法是一种把各个点的环境参数都直接控制在一定的精度范围内用来进行环境控制的模拟算法。对于每个需要环境参数的自动控制而言,自动控制的工作方式都可以是大体相同,即是把每个环境参数的指定实时区间值和当前用户所在的需要自行设置的实时区间的值进行自动比较,若在一定的实时区间外,则数据会被返回触发发送给用户相应的需要执行控制元件,直到如PLC等被采集后所得到的环境实时参数值会被返回触发给当时用户所在的需要自行设置的指定区间内,停止后再执行其他元件的控制工作。对于每一个新的执行系统元件,都会根据每个执行系统元件的实际运动速度状态实时进行速度反馈和通过PLC进入输出的速度比较分析来准确判定这个新的执行系统元件本身是否已经能够正常有效地执行工作,或者它们本身是否已经能够完全达到整个执行系统元件的工作可靠性和速度控制性的要求。以测定温度的实际控制上限系统模型为此举例,初始化后系统可以自动比较实际的测定温度和测量温度的控制上限、下界的差值,当任何一个温度传感器所需要采集的实际测量温度远远需要小于其所测量的实际温度下界上限时,PLC系统会自动控制使用加热器的设备、制冷设备、导风板等控制装置,这些温度传感器利用执行某一重要部件的控制动作的机会可以导致实际温度均匀地向下上升,当实际的测量温度远远需要大于其所测量的实际温度控制上限时,PLC系统会自动控制使用加热装置、制冷器等装置、循环风,这些由感器执行某一零件的控制动作可以导致实际温度均匀地向上下降,从而可以导致实际测量温度的值返回至测量温度控制下限和测量上界之间的一定区间。控制流程如图3-2所示。图3-2软件逻辑流程图如图3-3流程图所示,当检测到有人进入房子，系统会先收集室内温度信息然后及时完成空调温度自调整。如使用者需要短期离开室内办事儿，但这时因检测到人离开变成室外状态从而关闭了空调，这就会对使用者造成困扰。所以，在此构建一个延时程序假如具体设计中完善这个问题，当检测到人离开时，先将状态位短暂停留15分钟，在此期间如果人回到室内就继续维持状态。如逾期未归，中断程序随后一处，状态位清0，此时由系统控制关闭空调。这种设计大大提高了系统人性化和灵活度。图3-3延时关闭程序流程图3.2PID控制PID控制在自动控制的发展过程中是汗青上最为悠长、生命力最为顽强的基本控制方法。PID控制方式存在着被用户需要的特性，具体如下：（1）它的算法相对比较容易，用户很容易就能通过简单的硬件和软件的方式来实现；（2）它具有很强的适应能力，各种行业都需要用到。正是因为PID的这两个优势，PID控制至今在控制方式中仍然是比较受欢迎的方式之一。温度在日常的生活中是一个虽然平常却又很重要的物理量，人们在很多方面都会利用到温度这个模拟量，这就要求我们对温度的测量以及控制需要掌握的十分娴熟，很长的一段时间以来，无论是国内还是国外的为科技奋斗的工作人员都对温度进行了不断地研究并制造出了许多不同种类的控制温度的器件，比如生活中很普及的性能比较完善的PID调节器以及智能化控制的PID调节器等等。普通规范下的PID控制系统的简单的原理框图如图5-14所示，该部分的系统主要是由比例环节、积分环节、微分环节和被控对象构成的的闭环控制系统组成的。图3-4常规PID控制框图3.3编程软件GXwork2以及梯形图图3-5赋值模拟量输入输出模块梯形图图3-6自动运行程序梯形图图3-7开启后人体感应以及停止程序梯形图图3-8温度偏差计算程序梯形图图3-9PID程序设置梯形图然而本文设计的系统还有许多不足之处，例如：硬件部分连接方式繁琐，软件的一些功能不能全面实现，组态界面的设计还可以优化。与实际市场上存在的温控系统还有很大差距。如今，物联网温控系统设计正朝向高智能化，近人性化，小型化的方向推进。更实用的人机交互界面和产品功能也是物