【基于PLC的中央集成空调控制系统的设计8400字（论文）】

基于PLC的中央集成空调控制系统的设计摘要能源对现如今社会的进步起着举足轻重的意义，拥有大量的能源资源储备是推动经济社会可持续发展的坚实后盾。现在科技水平发展的愈来愈快，在过去一个多世纪里，尤其是上世纪的60年代，世界对能源的消费越来越快，而其中的煤、石油等不可再生能源更是被大面积的消耗，以至于现在爆发了能源危机和严峻的环境污染问题。随这时间的推移，工业化水平与教育程度的不断提高，能源消耗与环境污染愈发严重，环保型产品就显得尤为重要，必是今后道路的风向标。论文基于PLC来控制中央集成空调节能系统，计划节省出百分之二十五的电量，以及大幅度减少排出的温室气体。在这次节能改造中所采用的包括冷水机组、变频器技术、PLC编程技术、以及温度传感器的应用，并通过循环泵频率控制末端空调的温度，来整体降低空调负荷。西门子的S7-200SMARTPLC是这个系统的主要控制器,通过应用PID控制算法与ABB变频器来控制水泵运转速度，实现了根据实际情况来进行宏观调控,既保证了用户的体验也可以能源上的节约。关键词：中央空调；PLC；PID算法；变频器技术目录7114第1章引言 I第1章引言能源对现如今社会的进步起着举足轻重的意义，拥有大量的能源资源储备是推动经济社会可持续发展的坚实后盾。现在科技水平发展的愈来愈快，在过去一个多世纪里，尤其是上世纪的60年代，世界对能源的消费越来越快，而其中的煤、石油等不可再生能源更是被大面积的消耗，以至于现在爆发了能源危机和严峻的环境污染问题。现如今一个国家拥有多少的资源就决定了它在世界上的话语权有多大，因此世界上的各个国家都已发觉到节约能源以及寻找利用可再生能源的重要战略意义"。就现在而言我们国家对石油的消费已经超过了国内生产总值的增长速度，可能到2020年，我国的石油使用总量将会达到惊人的6万万吨左右，而再过十年左右，我国的石油资源八成都会依赖于进口，由此可见我国对不可再生能源的需求日益增多但我国的能源供应与储备却越来越难以满足国家需要。现在能源与环境问题是摆在全世界人民面前的一道严峻的难题，现在所建造在大型建筑中的中央空调都会存在着大功率不节能问题，虽然它满足了人们对于想要达到的温度的要求，但是它所带来的高消耗是我们不可忽视的浪费。因此我们需要让这些本不应该浪费的能量在别的功能上发光发热。实现节能环保与可持续发展。第2章系统方案设计2.1中央空调概述单冷型管路系统与热泵型管路系统是两种不一样的系统模式，但它们都是生活中常见的系统。作为只能夏天进行作业的单冷型管路系统比较简单，为什么这么说呢，因为它只可以降温。并且在它进行制冷工作的时候同时会产生热量；而多了一个电动四通阀的系统运行就不是那么的简单了，它的功能就很全面，不再那么单一了，它可以进行循环调节，可以在比较复杂的环境下运行。这就是两者不一样的地方了。希望在今后的发展中，可以研发出更加全面高效的系统，来进行更加复杂的环境下运行。2.2中央空调结构这次的设计组成有六种关键设备。在下文我们会一一的进行介绍，一定要确切的搞清楚它们的作用。我们提到的工作系统并非像传统的方式，而是需要媒介的。我们的媒介就是我们的循环系统，依靠这样的方法把冷量提供给空调设备。冷水机组的主要工作原理:制冷剂将会进入蒸发器中被蒸发并且吸取载冷剂当中的热能以此来制冷，直到温度降低到我们既定的要求时，满足要求的时候，制冷剂就会由开始的常温下的液态形式而变化为所谓的湿蒸汽。接着压缩机就开始了它的工作，并把制作完成的气体送入了冷凝器。高温高压的气体在冷凝器里面经过转化就变成了液体，想要被运输进蒸发器里面所有一道工序不可缺少，就是要通过节流阀门的降压。在完成降压之后，这一个流程还没有完全结束，还需要压缩机进行运作，这样就可以进行下一个往复工作的运作了。想要成为系统的末端设备输送所需要的冷源，就必须要经过降温等一系列的过程。冷却塔这个时候就会进行它的功能，使用外部流通的冷空气来降温。2.冷冻水和冷却水的工作原理如下:这个系统中没有载冷的东西是不行的，缺少了它这个系统就不能正常的运作起来，他就是冷媒水，其专业名字称作冷冻水。它的作用就是运输中央空调系统中的冷量。然后就在空调设备末端吸收热量，在通过水泵的发动下，吸收了热量而因此提高了温度的冷冻水就会被输送到冷水机组的蒸发器中，在经过了制冷主机所属的蒸发器作用之后，这个时候冷冻水的温度将会降低，然后运用冷冻水泵的功能把降低温度后的冷冻水不间断的运输给末端设备，到此这个系统中冷量传送就算是完成了。冷却水的功能是为制冷主机供给冷源，而当冷却水进入冷凝器时，这个时候冷却水汲取了很多的热量之后提高了温度，在通过冷却水泵作用把它运输到冷却塔等待接下来的操作。旁通管就是一个特殊通道，它可以让流体不经过通常方式而采取它的运输道进行传输。它的顶上摆放其旁通阀门。需要旁通阀门打开的情况就是出水温度不正常，而判断的条件就是温度传感器感应其温度低于正常值。这个时候低温的冷却水就会直接进入冷水机组。整个过程里面的冷冻水和冷却水大部分是经由循环水泵发出的能量来进行一遍一遍的作业的。冷却塔的安装是有一定的要求的，它不能随随便便就建造在一个地方。要考虑到冷却塔本身的重量，以及预安装的位置是否可以承受的了日后安装完成后所带来的压力。考虑完地理位置后，同时也要考虑所必备的外界条件。在安装过程中，塔应该放在水平的位置上，防止因为地面的凹凸不平所导致底盘被损害。底盘安装时还应该检查其是否干净干燥没有变形。最后塔的安装一定要地势开阔的地方，保证空气的流通性好。最好是安装在楼顶，因为这样带来的干扰就会比较小。高温气体在进入冷却塔后会被吸收掉多余的热量，而所吸收的热量会被散发在室外的空气中，进行自然的冷却。图1.1空调系统的工作原理通过图1.1我们能够发现，里面的空气通过冷冻水减少热量过后，再把热量减少的冷冻水排放到户外进行自然降温。2.3中央空调的控制原理我们在每个办公室都配备了独立自主的温度控制器，使之自由控制想要的温度，以便于大家可以在令人舒适的温度下工作。通过对比实际与预期的温度，来作为判断的基础，通过PID来操控冷冻泵的转速，使之达到合适的温度，这就是温度闭环反馈系统。如图1.2所示，这里面的每一步都十分的关键，一定要认真完成，绝对不能够带着误差去进行作业。在相应的地方还应该设置报警器，用来提醒我们发生故障的位置所在。图1.2中央空调控制原理2.4系统硬件设计在这次的节能改造中，我们采取3台冷水机组作为主机，6台水泵，在里面选取3台冷冻水的水泵作为备用水泵。冷冻水的出水温度是可以进行监测的，它的监控范围在上下7度。超过设定值就会由冷冻机进行调节。2.4.1主电路设计图1.3是系统主回路示意图本次的操作模式分为本地与远程。通过控制SA来切换不同的模式远程模式是通过PLC及变频器下发命令进行控制。手动模式是通过开关的闭合来控制电机的工作状态。2.4.2PLC控制电路设计图1.4是PLC的外部接线图我们可以通过S7200SMART来对变频器进行控制，以此来控制电机的运转。除此之外，CPU可以通过直流的方式进行供电，也可以通过交流的方式进行供电。其中用于通讯的就是RS-485.图1.3中央空调控制系统电路图图1.4中央空调控制系统PLC外部连接图第3章PLC控制系统硬件选型本章内容主要对一些硬件的内容进行介绍，因为这些都是我们这个设计中比较重要的部分。把这些硬件的选型敲定下来，那我们这个设计的基础也就被打牢了。可编程控制器也就是我们常说的PLC它早在上世纪60年代就被开发出来了，研究它的目的就是为了取代继电器。随这研究的不断深入，它在继电器的优点上进一步的发展。不仅仅是作为原来的代替品，去完成任务的。发展到现在，它的功能已经不再局限于原来的目标，而是变成了具有各种功能的集大成者。现在不仅仅是小到方面在用，更大的层次也在使用[4]。3.1西门子S7—200smart介绍在本次节能设计中采用S7

200

SMART

CPU。而S7

-

200

SMARTCPU产品西门子新研发的新型产品,它相比较于以往的CPU有了很多的升级。其主要性能如下：1)适应性强，我们为用户提供了更多的选择，可以在不同的场合使用不同类型的CPU。具体型号如下图所示。除此之外，CPU同时也更新了60个I/O点，可以胜任各种环境的要求。2)添加模块，我们为新产品中添加了俩种模式，分别是扩展模块与信号板。这俩种都有不同的功能。3)全新芯片，在新产品中全新的高速芯片,它处理命令所用的时间仅要0.15μs,这样的高效率可以更快的完成我们所下达的指令。4)辅助记忆，在SMART中我们可以把每个指令的含义添加到注释内，方便我们日后的维护，就算是别人也可以很清楚的知道程序的内容。5）操作方便，在编程界面它做到了把工具栏一一归类，就算是刚入门的用户也可以很轻松的找到自己所需的指令[14]。3.1.1PLC的工作原理程序运行分为三个阶段，而这三个不同的阶段则组成了一个完整的扫描周期。这三个阶段分别是取样、执行方案、运行阶段。取样阶段。依流程进行全方面的顺序读取，输入端储存输入端数据，上面流程进行后，写入数据库，然后重新输入。二，用户方案的执行情况。按照所记录的数据顺序排列用户程序的指令，并执行每个指令。在操作和处理过程中，所得到的答案会重新写入输出登记册，随着程序的执行，输出登记册的所有内容都会发生变化。三，运行阶段。全部的指令在执行结束的时候，输出被调整，输出记录被发送到输出记录中，接收器、晶体管或晶体管会显示最终结果。图1.5可编程控制器与其他设备的连接3.2温度传感器选型简单来所温度传感器就相当于温度计，不过它却是本次设计不可或缺的一部分。我们可以读取传感器发送来的数据来进行自我的判断，实现可以控制不同的环境采取不同的方案。这样就满足节能方案的重要一部分。在本次计划中，我们要采取相对应型号来输送及时有效的数据。PT100就可以非常好的完成这个任务，它是一种精度比较高的传感器，在一些极端的环境它都可以发挥作用。PT100温度传感器同时可以用来进行信号的相互转换。PT100在很多地方都用的上，好比工业，医疗等需要高度精准的温度设备。传感器发出的信号会温度的变化而变化，它的对应关系可以参考下表。其中0度的时候阻值为100Ω[5]。PT100温度—电阻表，如表1.1所示。T—R关系图如图1.6所示。表1.1PT100温度与相应阻值对应表温度/℃-50-40-30-20-100102030电阻/Ω80.3184.2788.2292.1696.09100.00103.90107.79111.67温度/℃405060708090100110120电阻/Ω115.54119.40123.24127.08130.90134.71138.51142.29146.07温度/℃130140150160170180190200电阻/Ω149.83153.58157.33161.05164.77168.48172.17175.86图1.6PT100T—R关系图3.3人机界面选型人机界面的缩写是HMI，全称是HumanMachineInterface。其功能就是用来控制和监视机器，生活中常见的HMI有ATM机。如果没有HMI，就很难拥有良好的自动化流程。它通常会以屏幕的形式出现，有点像计算机屏幕，不过对比其他屏幕，它们都是触摸屏。可包括温度，压力，工艺步骤等信息，同时也可以显示一些比较精确的数据，使我们可以很方便的查看所需要的信息。对于维护人员，许多HMI还可以连接PLC程序到它的显示屏上进行通讯，可以在屏幕上很方便的操作。以此来进行故障排除，这样就可以节省出许多宝贵的时间。它的面板功能十分丰富，我们在使用屏幕上可以书写很多功能，可以方便我们对所需要内容的控制。控制面板上我们可以把所需要的控制按键编辑在其中，它的具体性就体现出来了。具体功能PLC上的程序可以在其中体现出来。也可以进行屏幕系统的保护程序，同时也可以校准其中模块的位置。我们也可以面板进行密码保护，防止其他无关人员的误触所带来的麻烦。也控制针对其中内容做出具体的声音反馈系统，进而方便我们操作。3.4变频器选型3.4.1变频器介绍我们的交流变频器有时被称为变速传动（VSD），或变频传动（VFD）。而我们的变频器安装于电源和电机之间，电源中的电力进入变频器进而变频器调节供应给电机的电力。1）在变频器中，输入的电能通过整流器，整流器将输入的电转化为直流电。2)直流电进入变频器内部的电容，这是为了平滑电压波形，之后电力流入逆变器，在逆变器的作用下变为交流电，供应电机。这样就可以根据实际情况调节所需要的频率和电压3.4.2变频调速原理在中央空调发展的初期，一开始的系统中所包含的的内容非常的单一，不可以进行一些速度的控制，它的频率都是一成不变的，也就导致了它的耗电非常的高，能源的利用上非常的不到位。而且常常都会导致用了很多的电，还是不能够很好的对房间温度进行很好的输送，这就是没有变频调速带来的弊端。以高运行方式却不能带来高回报的收益，这样的控制方式一定是不完善的。所以我们要进行改变，根据实际情况来控制电机的使用频率，杜绝使用大功率却做着小功率都可以完成的任务。在不需要它工作的时候，我们可以把它关机，因为长时间的运行也会对我们控制的东西带来一些危害，这样会导致他的使用时间变短，从而带来的其他费用是不需要的。有时候天气的变化也是控制温度的一个要素，要根据当时环境做出相对应的变化，达到使用情况与使用能源成正比的关系。3.4.3变频器的选择变频器是整个过程不可或缺的一部分，它的地位不言而喻。所以我们要非常细致的挑选变频器，不可以不考虑实际情况。变频器的选择原则是：1）根据负载特性选择变频器。2）我们在如何选择变频器的时候，必然要注意防变频器的护等级是否与现场的状况相吻合。此次设计中采取了ABB公司的ACS510作为主要的控制变频器。ABBACS510变频器和普通的变频器比起来，它适合用在各种工业领域方面，适合各种负载。为什么要选择ABB变频器1）在PIC应用上得到增强，能够随时切换更多的泵；SPFC循环在软启动的功能下可以根据顺序来调节每个泵；超越模式更适合应用在紧急状态下的任何场合；2）作业时不会其他东西，且利用率非常高；它还会根据实际情况进行最优的改变；安装工人也可以更加轻松的安装；同时它的占地面积也很小，不会影响其他元件的安装。3）使用的时候更环保，并且还能提供高智能的人性化。改传动具有更多功能，以适应更广的需求。3.5PLC与变频器的通讯3.5.1RS-485介绍仪表盘在上个年代因单片机而发展起来，它的一个重要组成部分就是可以进行联网以此来进行通讯。最开始的是RS232接口，但它开始实现的功能十分有限，不足以满足我们需求，所以很快就被我们的RS485来代替。以RS485可以很高效的解决我们所需要的要求。3.5.2USS协议软件与S7—200smart间的通讯S7200SMART可编程控制器与西门子系列的变频器之间使用的是USS通信协议，在STEP7中可以很方便的完成通信控制实际驱动器和读取写入驱动器参数[8]。USS通信是以主站为起点一直不间断的循环访问各个从站，从站根据收到的信息进行响应。从站做出响应时需要满足的条件：(1)从主站那里接收到的信息没有错误。(2)从站在接收到后主站报文中能够被寻址。不满足上述条件的前提或主站发送的是传播信息，从站就不会做出任何相应。当主站的信息被从站收到后，从站必须在规定的时间内做出响应，不然主站会认为从站那里有问题。第4章PID控制系统4.1PID控制PID控制在我们生活中应用无处不在，小到空调的温度控制、无人机的精准悬停、机器人和机械臂的运动系统，大到飞机和火箭的姿态调整等等。就连人脸跟踪也可以用到PID控制算法。这里就不得不谈到俩种系统开放回路系统与反馈回路系统。开放回路系统也被称之为开环控制（OpenLoop），其特点输出不会反向影响所控制对象的输入。所以开环控制对于一些简单的任务或精确度不高的任务是没有问题的。反馈回路系统也称之为闭环控制（ClosedLoop），PID控制就是比较常见的闭环控制。它的特点是输入不再是一个恒定的输入，会根据输出进行调整。PID控制的优点：原理简单，使用方便。2）适应性强，鲁棒性强：就算遇到一些严重的问题也不会轻易的崩溃，对极端环境适应性强3）PID算法问世是时间已经很长了，它在各行各业优秀的运作就是我们的保证。图1.7PID控制系统原理图4.2PID参数整定简单来说，PID作为闭环控制单元实现了三个目的：P是实现当前误差闭环控制，I是实现过去一段时间Tn内的累积误差控制，D则是对未来某个时间段Tv内的预测累积误差控制。所以PID三个增益参数都是对时间状态的预测。​4.3对中央空调的PID控制PID控制在对空调系统的控制中还是比较精确的，它所包含的误差值基本上可以忽略不计。PID控制着水泵与电机是非常具体的，可以实现对其实际情况改变而进行改变，保证频率的运行一定是合理的。而两处不一样的温度的差距具有变化是，便可以收到传送来的信号，以进行对两端温度的调节，使之可以达到预期的目标。内部的温度解决完，电机的内循环就趋于正常。我们在进行调节室内的温度，要让它达到用户体验的目标。光有以上还是不完全的，其他的变化也会影响着我们的控制变化，这样带来的变化也是需要调节的。无论外在的变化如何的改变，用户的体验是不能够变差的。这时候我们编写的程序可以为我们很好的解决这个问题[10]。希望以后PID的控制可以对接下来的系统进行更加优良的控制，实现越来越好的目标。第5章PLC程序设计5.1程序流程图根据下图我们可以发现空调启动之后的要求非常严格，每一步都是正常运行的重要依据。图1.8中央空调控制系统程序流程图

5.2中央空调控制系统的I/O分配表下表就是我们程序中的I/O表。表1.2中央空调控制系统的I/O分配表名称地址编号说明输入信号I0.0控制驱动装置启动/停止I0.1停车信号2，自由停车I0.2停车信号3，快速停车I0.3确认故障I0.4控制电机运转方向I1.0转换USS通讯和PPI通讯I1.1开始读/写操作SAI0.5手动/自动切换,SB1I0.6手动启动1#冷冻泵SB2I0.7手动停止1#冷冻泵SB3I1.2手动启动2#冷冻泵SB4I1.3手动停止2#冷冻泵SB5I1.4手动启动3#冷冻泵SB6I1.5手动停止3#冷冻泵AIW0房间内温度传感器输出信号Q0.0运行模式反馈Q0.1运转方向指示Q0.2指示驱动装置禁止状态Q0.3故障指示KM2Q0.51#冷冻泵变频运行接触器及指示灯KM1Q0.41#冷冻泵工频运行接触器及指示灯KM4Q0.72#冷冻泵变频运行接触器及指示灯KM3Q0.62#冷冻泵工频运行接触器及指示灯KM6Q1.23#冷冻泵变频运行接触器及指示灯KM5Q1.13#冷冻泵工频运行接触器及指示灯AQW0输出模拟信号到变频器5.3程序中使用的存储器及其功能说明表1.3存储器及功能地址功能VD108传感器反馈电压VD104压力下限对应的电压值VD106压力上限对应的电压值VD300变频工作泵的泵号VD301工频运行泵的总台数T33产生关断变频脉冲信号的时间控制T34产生启动工频脉冲信号的时间控制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初始化完成标志位M0.3/M0.4读写功能块完成标志位，用于功能块轮替M1.0/M1.1读写功能块控制位M2.0工频启动脉冲M2.1变频启动脉冲M2.4关断当前泵脉冲M2.5当前泵工频启动脉冲M2.6下一台泵变频运行脉冲M3.0泵工频/变频转换控制逻辑M3.1泵工频/变频转换控制逻辑M3.2泵工频/变频转换控制逻辑第6章监控界面设计6.1MCGS组态软件简介简单来说，它就是一种监视软件。可以让我们实现本地与远程控制，方便了我们对数据的操控。它的实用性非常的强，在各行各业都可以实现它的价值。是一种非常优秀的软件，在我们的控制行业是必不可少的。可以在电力，燃气，铁路方面进行数据采集与监视。组态软件的工作效率非常之高，过去要很长时间才可以完成的工作，利用组态在几天内就可以完成。6.2MCGS组态画面图2.1定义变量图2.2组态画面图2.3数据报表图2.4数据报表图2.5数据报表图2.6报警信息浏览结论这次的设计是基于PLC的中