變頻技術(shù)控制中央空調(diào)水泵實例完成自己2

1、 目 錄目 錄1摘要:3一、中央空調(diào)變頻調(diào)速的意義5（一） plc控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理6（二） 中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)原理7（三） 空調(diào)變頻控制系統(tǒng)9（四）總體設(shè)計方案10二、 電路設(shè)計10（一）溫度設(shè)計101.檢測元件選取102. 模擬量輸入模塊選?。╝/d）113. 模擬量輸出模塊選?。╠/a）13（二） 變頻器的選擇14（三） plc的選擇16三、硬件電路設(shè)計17（一）plc 控制下水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)18（二）輸入輸出點地址分配18四、 plc控制中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計19（一） plc編程軟件20（二）主程序設(shè)計201.冷凍水系統(tǒng)循環(huán)控制及pid調(diào)節(jié)程序242. 傳送冷卻水和冷凍水

2、pid參數(shù)子程序253. 中斷服務(wù)程序27結(jié) 論30參 考 文 獻(xiàn)33基于plc與變頻器模擬量方式閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 變頻技術(shù)控制中央空調(diào)水泵王英全摘要:隨著我國各行業(yè)不斷地發(fā)展，能源問題在我國日漸突出，而且近期內(nèi)無法根本解決，節(jié)能工作相當(dāng)艱巨。在現(xiàn)代工廠企業(yè)、辦公大樓、商廈、酒店等環(huán)境中，中央空調(diào)系統(tǒng)是不可缺少的，它雖然能給人們提供一個舒適的環(huán)境，但是耗電量也相當(dāng)大。因此，在人們?nèi)找嬷匾暛h(huán)保與節(jié)能的今天，中央空調(diào)的節(jié)能問題這是人們所期待要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。中央空調(diào)系統(tǒng)除主機(jī)的耗能。冷凍、冷卻水泵是第二大耗能設(shè)備，由于冷凍泵、冷卻泵的配置是按夏季最大流量來確定的，而實際使用中由于氣候情況，客觀流量

3、活動內(nèi)容等各種因素的變化，所需負(fù)荷的不斷變化。因此為使中央空調(diào)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，需要按工況變化對冷凍、冷卻泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就需要有較好的自動控制模塊。本文主要簡單闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)自動化控制和節(jié)能設(shè)計，并介紹了交流電動機(jī)變頻調(diào)速的特點及節(jié)能原理，還介紹了西門子s7-200應(yīng)用，pid在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對系統(tǒng)的主回路和控制回路的硬件部分進(jìn)行了介紹。采用變頻器調(diào)節(jié)中央空調(diào)的轉(zhuǎn)速，使其高效運行，達(dá)到節(jié)能的目的。采用模塊化設(shè)計，cpu主模塊是采用cpu226，模擬量擴(kuò)展模塊采用em231，通過軟件設(shè)計完成中央空調(diào)所需的參數(shù)設(shè)置和控制要求，系統(tǒng)軟件由主程序、初始化程序、模擬量檢測程序組成，通過調(diào)用子程

4、序來完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、模擬量檢測等功能。關(guān)鍵詞： 中央空調(diào); 變頻調(diào)速技術(shù); plc; pid前 言現(xiàn)代工廠企業(yè)、辦公大樓、商廈、酒店等環(huán)境，中央空調(diào)系統(tǒng)是不可缺少的。并且中央空調(diào)的耗電量是很大，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)與plc自動控制系統(tǒng)可以大幅度節(jié)約電能和提高系統(tǒng)的自動化程度, 并使系統(tǒng)具有運行可靠、結(jié)構(gòu)簡化、維護(hù)維修方便等優(yōu)點?？照{(diào)冷凍泵變頻節(jié)能,在現(xiàn)如今是一個令人感興趣的課題，很多專業(yè)人士對此進(jìn)行了研究。利用在一定條件下水泵的流量q、揚程h、功率n與轉(zhuǎn)速n間的關(guān)系式(稱為相似定律或比例定律) （1）空調(diào)水泵的耗電量與轉(zhuǎn)速或流量的三次方成正比,，只要降低泵的轉(zhuǎn)速就能以三次方的規(guī)律降低耗電量。隨

5、著人民生活水平的提高，對空調(diào)的需求越來越大，中央空調(diào)以其高精度的恒溫控制，大面積集中調(diào)節(jié)，為人們提供宜人的生產(chǎn)和生活環(huán)境。但中央空調(diào)系統(tǒng)耗能很大, 其電能和熱能的消耗量占整個建筑能耗量的40%左右，而在我國目前的建筑設(shè)計中很少注重節(jié)能觀念，忽視設(shè)備運行費用和能源消耗，造成能源的巨大浪費，如何解決空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能問題，已成為當(dāng)務(wù)之急。一、中央空調(diào)變頻調(diào)速的意義 隨著空調(diào)應(yīng)用的日益普及，其能耗在社會總能耗中所占的比例越來越高。減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗對全社會的節(jié)能，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量是根據(jù)空調(diào)房間的最大熱、濕負(fù)荷確定，且保持不變?？照{(diào)負(fù)荷減少時，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度來

6、維持室溫。這種方法不僅浪費了熱量而且浪費制冷機(jī)組相當(dāng)?shù)睦淞?。在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，可根據(jù)房間溫濕度參數(shù)的變化，通過變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變送風(fēng)量，送風(fēng)溫度保持不變。顯然變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可充分利用最大送風(fēng)溫差，節(jié)約再熱量和與之相應(yīng)的冷量，減少風(fēng)機(jī)的功率消耗，提高空調(diào)系統(tǒng)的運行經(jīng)濟(jì)性。在夏季室內(nèi)負(fù)荷下降時，先減少送風(fēng)量，當(dāng)送風(fēng)量減至最小送風(fēng)量時可利用末端再熱裝置適應(yīng)室內(nèi)冷負(fù)荷的減少。當(dāng)再熱量不足以補償室內(nèi)負(fù)荷變化時，系統(tǒng)由夏季工況轉(zhuǎn)至冬季運行工況，系統(tǒng)開始送熱風(fēng)。為節(jié)省能量，可先進(jìn)行定風(fēng)量變風(fēng)溫的調(diào)節(jié)方法，當(dāng)供熱負(fù)荷繼續(xù)增加時，再改為變風(fēng)量調(diào)節(jié)方法。變頻調(diào)速技術(shù)簡紹變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和

7、高精度等特點，是運用最廣、最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從50年代提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型、脈寬調(diào)制型等各種變頻器。（1）變頻器按變換環(huán)節(jié)分1）交-交變頻器把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的一半以下，故它主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。2）交-直-交變頻器先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)容易控制，因此，在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善變頻后電動機(jī)的特性等方面，都具有明顯的優(yōu)勢。目

8、前迅速地普及應(yīng)用的主要是這一種。（2）變頻器按電壓的調(diào)制方式分1）pam（脈幅調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過改變直流電壓的大小來進(jìn)行調(diào)制。在中小容量變頻器中，這種方式幾乎己經(jīng)不采用了。2）pwm（脈寬調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比來進(jìn)行調(diào)制。目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調(diào)制（spwm）方式。（3）變頻器按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分1）電流型直流環(huán)節(jié)的貯能元件是電感線圈。2）電壓型直流環(huán)節(jié)的貯能元件是電容器。變頻器的功用是將頻率固定（通常為工頻50hz）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續(xù)可調(diào)（多數(shù)為0400hz）的三相（或單相）交流電。由上式可知道：當(dāng)頻率

9、連續(xù)可調(diào)時，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。又因為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是比同步轉(zhuǎn)速略低一些，所以，當(dāng)連續(xù)可調(diào)時，n也連續(xù)可調(diào)。由于磁極對數(shù)p不同的異步電動機(jī)，在相同頻率時的轉(zhuǎn)速是不同的。所以，即使頻率的調(diào)節(jié)范圍相同，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍也是各異的，因此采用變頻和變極調(diào)速相結(jié)合的方法，可以大大提高變頻器的工作效率。由于轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，即： （1.1）式中：n為轉(zhuǎn)速； f為頻率；p為電機(jī)磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。（一） plc控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理plc是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。作用是連接各機(jī)組與變頻器之間的電氣，。plc的輸入信號有機(jī)組選擇信號、運行方式選擇信號、冷卻塔和主機(jī)開/關(guān)信號、冷凍

10、泵和冷卻泵的起/停信號等。輸入信號經(jīng)程序運算，發(fā)出相應(yīng)的動作信號，經(jīng)繼電器及相應(yīng)的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，以及聲、光報警器件的動作。plc軟件程序設(shè)計采用梯形圖語言編程，直觀易懂。該系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機(jī)組及溫度檢測裝置組成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。水泵機(jī)組都可運轉(zhuǎn)在工頻以下和變頻以下兩種狀態(tài)。根據(jù)實際需要進(jìn)行切換控制。可編程控制器用i/o擴(kuò)展接口分別接入a/d和d/a模塊，a/d模塊通過plc將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，d/a模塊將plc輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量，以控制變頻器的升降速過程。溫度檢測裝置將狀態(tài)送a/d,a/d有多個數(shù)字量輸人plc,進(jìn)行

11、控制熱負(fù)荷從小至大之間的變化，首先對plc進(jìn)行設(shè)定上限、下限。剛開始工作熱交換量為零。、處于關(guān)斷狀態(tài)。plc控制下，接通，1號泵接入變頻器電源，同時啟動升速程序，按d/a模塊輸出電壓的設(shè)定曲線升速,從而使1號泵進(jìn)行軟啟動。1號泵轉(zhuǎn)速逐漸增大，熱交換量也逐漸增加。若達(dá)到設(shè)定的下限時，則1號泵在該頻率下穩(wěn)定運行；若頻率增至50hz時還未達(dá)到下限，則plc發(fā)出指令釋放，閉合，1號泵由工頻電網(wǎng)直接供電，全速運轉(zhuǎn)，同時d/a輸出為0。plc指令閉合，2號泵接入變頻調(diào)速狀態(tài)，并由plc控制按設(shè)定曲線升速。若升到50hz頻率下還未達(dá)到設(shè)定下限，則2號泵切換為工頻，3號泵為變頻調(diào)速, 繼續(xù)下去, 直到熱交換量

12、達(dá)到下限，電機(jī)穩(wěn)定運行于此狀態(tài)下。如果熱交換量超過上限，設(shè)定下調(diào)時，接入變頻器的第n個水泵，其輸出頻率降低，若降至0hz時，還未達(dá)到上限，則第n個水泵停，同時d/a置5v，第n-1個水泵切換變頻狀態(tài)，并按設(shè)定曲線降低直至達(dá)其設(shè)定上限，水泵穩(wěn)定運行于此狀態(tài)下。該控制系統(tǒng), 在任何狀態(tài)下, 只需一臺水泵電機(jī)處于調(diào)速狀態(tài), 其它電機(jī)可根據(jù)需要處于工頻狀態(tài)或停機(jī)狀態(tài), 就可實現(xiàn)熱交換從零至最大的控制過程。冷卻水、冷凍水系統(tǒng)可分別用一臺plc控制器和一臺變頻調(diào)速器來控制。（二） 中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)原理 一般酒店，大型商場用的是風(fēng)管試的中央空調(diào)，原理是主機(jī)通過通往各個通風(fēng)管道將處理后的冷熱空氣輸送到位。它的優(yōu)

13、點是成本低、操控簡便、噪音低，最主要的缺點是：各個區(qū)域（房間）控溫不準(zhǔn)確。中央空調(diào)的工作原理與家用一樣，都是利用運輸熱量的媒質(zhì)的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達(dá)到制冷的效果。中央空調(diào)工作原理如圖1.1所示。圖1.1 中央空調(diào)工作原理中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍主機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)和冷卻塔等組成。工作原理：冷凍主機(jī)是中央空調(diào)的致冷源，從冷凍主機(jī)流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過各房間的盤管，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。冷卻水塔為冷凍主機(jī)提供冷卻水，冷卻水經(jīng)管道盤旋流過冷凍主機(jī)后，將帶走冷凍主機(jī)所產(chǎn)生的熱量，使冷凍主機(jī)降溫。在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，冷

14、凍泵、冷卻泵的裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%20%余量作為設(shè)計系數(shù)。根據(jù)計算中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占夏季酒店總用電的25%30%，冷卻塔的用電占8%10%。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及冷卻塔的能量自動控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動控制的重要組成部分。根據(jù)異步電動機(jī)原理 （1.4）式中：n為轉(zhuǎn)速；f為頻率；p為電機(jī)磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。由上式可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法，改變頻率、改變電機(jī)磁極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高。因此改變頻率而改變轉(zhuǎn)速的方法最方便有效。以前的冷卻塔是人為的根據(jù)冷卻水溫度選擇冷卻

15、塔開啟的臺數(shù)，非常容易造成能源的浪費現(xiàn)象，現(xiàn)在根據(jù)冷卻水的溫度，由溫度傳感器傳送信號至plc，由plc經(jīng)計算后對冷卻水泵依次開啟，以達(dá)到節(jié)能效果。（三） 空調(diào)變頻控制系統(tǒng) 空調(diào)變頻控制系統(tǒng)，依據(jù)水泵變頻曲線和系統(tǒng)曲線計算出最佳運行模式后，使n臺水泵在最佳頻率下運行。隨著用戶量的不斷變化,實際差壓值會經(jīng)常偏離設(shè)定值。為了徹底消除該水泵系統(tǒng)的剩余揚程，空調(diào)變頻系統(tǒng)將作進(jìn)一步的pid調(diào)節(jié)?？刂圃矸娇驁D如圖1.2所示。圖1.2 系統(tǒng)的控制原理圖系統(tǒng)將差壓變送器的實時反饋值與目標(biāo)設(shè)定值比較,其差值被送入plc的內(nèi)部pid調(diào)節(jié)器，經(jīng)過運算,輸出頻率信號對水泵進(jìn)行調(diào)速，以達(dá)到消除差壓動態(tài)偏差的目的。（四）

16、總體設(shè)計方案對中央空調(diào)冷卻水和冷凍水回水溫度進(jìn)行檢測，然后將檢測溫度信號經(jīng)變頻器和a/d轉(zhuǎn)換模塊反饋給plc進(jìn)行處理，再由plc輸出通過變頻器控制冷卻泵和冷凍泵轉(zhuǎn)速，從而對溫度進(jìn)行控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1.3所示。圖1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖二、 電路設(shè)計（一）溫度設(shè)計溫度是表征物體或系統(tǒng)的冷熱程度的物理量。溫度是最常見的工業(yè)測控參數(shù)，人們經(jīng)常會遇到溫度和溫度檢測與控制的問題。1.檢測元件選取溫度檢測的主要方法根據(jù)敏感元件和被測介質(zhì)接觸與否，可以分成接觸式與非接觸式兩大類。接觸式檢測方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測儀表； 非接觸式檢測方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，

17、對物體的溫度進(jìn)行檢測，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的測溫敏感元件。熱敏電阻有正溫度系數(shù)（ptc）、負(fù)溫度系數(shù)（ntc）和臨界溫度系數(shù)（ctr）三種。溫度特性曲線如圖2.1所示。正溫度系數(shù)（plc）負(fù)溫度系數(shù)（ntc）臨界溫度系（ctr）12020004080160溫度（）電阻（）圖2.1 各種熱敏電阻特性溫度檢測用的主要是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，ptc和ctr熱敏電阻則利用在特定溫度下電阻值急劇變化的特性構(gòu)成溫度開關(guān)器件。2. 模擬量輸入模塊選?。╝/d）模擬量的輸入在過程控制中的應(yīng)用很廣泛，常用的溫度、壓力、速度、流量、堿度、位移等的工業(yè)檢測都是

18、對應(yīng)電壓、電流的大小模擬量，再通過一定的運算后控制生產(chǎn)過程達(dá)到一定的目的。模擬量輸入的電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量輸入信號按iec標(biāo)準(zhǔn)為420ma電流信號或05v、-10v10v，010v的直流電壓信號。模擬量輸入模塊的基本功能就是將輸入plc的外部模擬量轉(zhuǎn)換為plc所需的數(shù)字量，以供給主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。em231熱電阻模塊可以通過dip開關(guān)來選擇熱電阻的類型，接線方式，測量單位和開路故障方向。連接到同一個擴(kuò)展模塊上的熱電阻必須是相同類型的。改變dip開關(guān)后必須將plc斷電后再通電，新的設(shè)置才能起作用。(1)模擬量輸入端的接線方式： 模擬量是通過帶屏蔽的雙絞線把信號輸入

19、每個信道，將第一路測量信號接入em231的a+和a-端；將第二路測量信號介入em231的b+和b-端。(2)硬件連接圖如圖2.2所示。ra a+ a- rb b+ b- rc c+ c- rd d+ d-aiw0 aiw2 aiw4 aiw6em231m l+ g24vr1 變送器變送器r2dc 24v熱敏電阻圖2.2 熱電阻與em231硬件連接圖(3) a/d轉(zhuǎn)換的輸入/輸出關(guān)系曲線如圖2.3所示。+32000+5v+20ma+4ma+32000圖a輸入0到5v電壓圖b輸入+4ma到+20ma電流圖2.3 a/d轉(zhuǎn)換的輸入/輸出關(guān)系曲線3. 模擬量輸出模塊選?。╠/a）模擬量輸出模塊是將中央

20、處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成420ma的電流輸出信號或010v，05v的直流電壓輸出信號，以提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量輸出模塊選用西門子公司的em232模塊。數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換器（dac）的12位讀數(shù)，其輸出數(shù)據(jù)格式是左端對齊的，最高有效位：0表示是正值數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)在裝載到dac寄存器之前，4個連續(xù)的0是被裁斷的，這些位不影響輸出信號值。d/a轉(zhuǎn)換模塊輸入/輸出關(guān)系如圖2.4所示。+32000-32000+10v-10v圖a輸出-10v到+10v電壓+32000+20ma+4ma圖b 輸出+4ma到20ma電流圖2.4 d/a轉(zhuǎn)換模塊輸入/輸出關(guān)系（1） 模擬量輸出端的接線方式：經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換后，

21、模擬量通過雙絞線把信號輸出，如果是輸出電壓信號，則將雙絞線接到信道的m0，v0端；如果輸出的是電流信號，那么應(yīng)先將雙絞線接到信道的m0和i0端。（2） 接線方式如圖2.5所示。m0 i0 v0 m1 i1 v1em232m l+ g24v dc變頻器變頻器圖2.5 em232端子接線圖（二） 變頻器的選擇常規(guī)設(shè)計的交流電動機(jī)，通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。此時，軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率都可以達(dá)到額定值。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率是變化的，電機(jī)的實際輸出也會變化。由于變頻器有一定的通用性，因此在與不同拖動場合的電機(jī)配合時，需要選配相應(yīng)的變頻器。在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)的情況下，變頻器的容

22、量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機(jī)功率大于當(dāng)前該電動機(jī)的功率。按連續(xù)恒負(fù)載運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量(kva)的計算式計算： （2.3） （2.4） （2.5）式中：負(fù)載所要求的電動機(jī)的軸輸出功率，單位為w；電動機(jī)的效率(通常約0.85)； cos電動機(jī)的功率因數(shù)(通常約0.75)；電動機(jī)電壓，單位為v； 電動機(jī)電流，單位為a；k 電流波形的修正系數(shù)，對pwm方式，取k =1.05；變頻器的額定容量； 變頻器的額定電流6。本文選擇了三菱fr-a540變頻器。本系統(tǒng)所用的單臺水泵功率為2.2kw。三菱fr-a540變頻器的容量為0.4kw7.5kw。由于本

23、系統(tǒng)采用的是一臺變頻器只為一臺電機(jī)提供電源，即一臺變頻器對應(yīng)一臺水泵，所以三菱fr-a540的功率以足夠勝任。并且三菱fr-a540變頻器性能可靠，價格低廉，市場占有分額大，便于購買。所以選擇三菱fr-a540作為本系統(tǒng)的變頻器。系統(tǒng)所用的單臺水泵功率為2.2kw。三菱fr-a540變頻器的容量為0.4kw7.5kw。由于系統(tǒng)采用的是一臺變頻器只為一臺電機(jī)提供電源，即一臺變頻器對應(yīng)一臺水泵，所以三菱fr-a540的功率以足夠勝任。并且三菱fr-a540變頻器性能可靠，價格低廉，市場占有分額大，便于購買。所以選擇三菱fr-a540作為本系統(tǒng)的變頻器。三菱fr-a540變頻器調(diào)制方式為pwm調(diào)制，

24、控制方式為v/f控制，具有轉(zhuǎn)矩提升，點動，制動與上位機(jī)通訊等功能。變頻器端子分布圖如圖2.6所示。直流24v輸出正轉(zhuǎn)啟動反轉(zhuǎn)啟動啟動自保持高速中速低速點動模式第2加/減速時間輸出停止復(fù)位電流輸入選擇瞬時掉電再啟動輸入公共端頻率設(shè)定信號電流輸入報警輸出運行頻率到達(dá)瞬時停電過負(fù)載頻率檢測集電極開路輸出公共端模擬量信號輸出指示儀表 r u s v t wpcstfstr astop brh crm runrl sujog ipfrt olmrs fures seaucs fmsd sd10e am4 5圖2.6 變頻器端子分布圖在本系統(tǒng)中，plc通過d/a轉(zhuǎn)換模塊將控制量通過“2”引腳（既電壓輸入）

25、引入。（三） plc的選擇空調(diào)變頻控制系統(tǒng)選配的simatic s7-200 plc主要由cpu226模(24di/16do)、模擬量輸入em231模塊(4ai)和模擬量輸出em232模塊(2ao)三部分組成。cpu模塊采集輸入信號，通過執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。輸入和輸出模塊，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和cpu模塊的橋梁。 s7-200系列plc介紹：s7-200系列plc功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)。s7-200系列plc具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內(nèi)置豐富的集成功能、實時特性，強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。s7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論是在獨立

26、運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。所以它具有極高的性價比。s7-200系列可以根據(jù)對象的不同，可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊.并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。s7-200plc的工作原理，plc的循環(huán)掃描工作過程：各種plc都采用掃描工作方式，具體工作過程大同小異。siemenss7-200plc的工作過程：plc上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)工作過程。一次循環(huán)過程可歸納為公共處理、程序執(zhí)行、掃描周期計算處理、i/o刷新和外設(shè)端口服務(wù)五個工作階段，一次循環(huán)所用的時間稱為一個工作周期(或掃描周期)，其長短與用戶程序的長短以及plc機(jī)本身性能有關(guān)，其數(shù)量級為毫秒級，典型值為幾十

27、毫秒。plc的循環(huán)掃描工作方式也為plc提供了一條死循環(huán)自診斷功能。plc內(nèi)部設(shè)置了一個監(jiān)視定時器wdt，其定時時間可由用戶設(shè)置為大于用戶程序的掃描周期。plc在每個掃描周期的公共處理階段將監(jiān)視定時器復(fù)位。正常情況下，監(jiān)視定時器不會動作，如果由于cpu內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)，那么，掃描周期將超過監(jiān)視定時器的定時時間。這時，監(jiān)視定時器動作，運行停止，以示用戶。三、 硬件電路設(shè)計硬件電路主要實現(xiàn)：信號采集，控制信號輸出，水泵控制，故障報警等功能。其原理框圖如圖3.1所示。圖3.1 硬件電路原理框圖（一） plc 控制下水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由變頻器、plc 控制器、水泵、數(shù)量調(diào)節(jié)器、主接

28、觸等組成自動閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖3.2 系統(tǒng)工作于兩種狀態(tài)下的主回路系統(tǒng)工作于工頻和變頻兩種狀態(tài)下的主回路。系統(tǒng)開始工作時，首先將數(shù)顯調(diào)節(jié)器根據(jù)所需室溫設(shè)置好上、下限溫度x2、x1，將其與plc控制相連。按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始啟動，此時熱負(fù)荷為最大，plc 發(fā)出指令使1號水泵軟啟動并工作在變頻狀下，其過程為：km1 吸合，延時t0 秒后km吸合，啟動升速程序，按擬好的升速曲線控制變頻器運行，頻率逐漸上升直至設(shè)定值并穩(wěn)定地工作在變頻狀態(tài)。（二）輸入輸出點地址分配表4 輸入輸出地址分配表模塊號輸入端子號輸出端子號地址號信號名稱說明cpu2261i0.01號啟動按鈕2i0.11號停止按鈕3i0.22號啟

29、動按鈕4i0.32號停止按鈕5i0.43號啟動按鈕6i0.53號停止按鈕7i0.6緊急停車按鈕8i0.7總啟動按鈕9i1.0控制溫度+1按鈕10i1.1控制溫度-1按鈕11i1.21號電機(jī)故障按鈕12i1.32號電機(jī)故障按鈕1q0.0變頻器給電繼電器2q0.11號泵工頻啟動繼電器3q0.21號泵變頻運行繼電器4q0.32號泵工頻啟動繼電器5q0.42號泵變頻運行繼電器6q0.53號泵工頻啟動繼電器7q0.63號泵變頻運行繼電器8q0.72號變頻器給電繼電器9q1.0冷凍泵變頻運行em2311aiw01號熱敏電阻pt1002aiw22號熱敏電阻pt100em2321aqw01號變頻器電壓2aqw

30、22號變頻器電壓四、 plc控制中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件由初始化程序、主程序和中斷服務(wù)程序三部分組成。主程序主要對存儲區(qū)標(biāo)志位、緩沖區(qū)、定時器和pid調(diào)節(jié)器進(jìn)行初始化。子程序由pid調(diào)節(jié)子程序和尋找最佳工作模式子程序組成。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機(jī)組及溫度檢測裝置組成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。每臺電機(jī)都可以運轉(zhuǎn)在工頻和變頻兩種狀態(tài)下，這由plc系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行切換控制。可編程控制器用i/o擴(kuò)展板接口分別接入a/d和d/a從模塊。a/d模塊通過plc將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，d/a模塊將plc輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量，以控制變頻器升速過程及降速過程

31、。需要注意的是，在水泵進(jìn)行工頻和變頻電網(wǎng)的切換過程盡可能快，各接觸器間互鎖和動作時間要設(shè)置好。系統(tǒng)是利用電壓信號控制變頻器，進(jìn)而控制水泵轉(zhuǎn)速和溫度?？刂瞥绦虿捎胮id控制算法控制輸出電壓。其中子程序sbr-0為1號變頻器的電壓控制參數(shù)；sbr-1為2號變頻器的電壓控制參數(shù)。主程序obi分別調(diào)用sbr-0，sbr-1子程序塊傳送pid控制參數(shù)。定時中斷0為每10毫秒中斷一次，進(jìn)入int-0。中斷服務(wù)程序int-0對2個變頻器分別控制。（一） plc編程軟件該軟件的simatic指令集包含三種語言，即語句表(stl)語言、梯形圖(lad)語言、功能塊圖(fwd)語言。plc控制程序由一個主程序、若

32、干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機(jī)上完成，編譯后通過pc/ppi電纜把程序下載到plc，控制任務(wù)的完成，是通過在run模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。s7-200的編程語言是step7，它是用于s7系列plc進(jìn)行編程、調(diào)試的全新軟件，不僅可以非常方便的使用梯形圖和語句表等形式進(jìn)行離線編程，經(jīng)過編譯后通過轉(zhuǎn)接電纜直接下載入plc的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運行時，還可以在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點的通斷狀況，給調(diào)試工作也帶來極大的方便。step7軟件的一個特點是調(diào)試功能很強(qiáng)大，不僅能在線讀取數(shù)據(jù)，而且能在線修改過程數(shù)據(jù)，對于調(diào)試大型復(fù)雜控制程序非常有效。（二）主程序設(shè)計在本系統(tǒng)中，

33、plc程序設(shè)計的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。圖4.1 初始化程序流程 梯形圖程序en movbin outen atchintevnt10int010eni/設(shè)置定時中斷/plc上電首次掃描脈沖/設(shè)置定時中斷0的時間間隔為10ms/開中斷sm0.1i0.7 i0.6 q2.1 q0.0q0.0/i0.7為總啟動/i0.6為總停止q2.1i0.6q2.2q0.4r1q0.2r1q0.6r1/當(dāng)冷卻水回水溫度超過37則自動停止運行。/冷凍水溫度低于27則自動停止運行。sm34i0.0 i0.1 i

34、1.2 q0.1q0.1/冷卻泵1號電機(jī)啟動/停止（工頻）/若1號電機(jī)故障，則停止。q0.2r1i0.1i1.2i0.2 i0.3 i1.3 q0.3q0.3q0.4r1i0.3i1.3/冷卻泵2號電機(jī)啟動/停止（工頻）/若2號電機(jī)故障，則停止。i0.4 i0.5 q2.0 q0.5q0.5/冷卻泵3號電機(jī)啟動/停止（工頻）/若3號電機(jī)故障，則停止。i1.4i0.5sm0.4q1.0q0.6r1q2.0q2.0i0.7q0.5c0/首次啟動，3號電機(jī)工頻運行10分鐘后停止。en cturpv10c0圖4.2 初始化程序梯形圖1.冷凍水系統(tǒng)循環(huán)控制及pid調(diào)節(jié)程序冷凍水系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組

35、成，從冷水機(jī)組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在個房間內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)熱量，從而使房間內(nèi)的溫度下降。圖4.7 冷凍水泵的閉環(huán)控制框圖 2. 傳送冷卻水和冷凍水pid參數(shù)子程序q0.7i0.7q0.7q0.2q1.0i0.0q1.0i0.2sbr-1callarvd36vd40en mov-win outvw418aqw2arq2.2vd36vd40q2.2/總啟動按下，2號變頻器給電。/1號，2號冷卻泵啟動后，冷凍泵啟動。/調(diào)冷凍泵pid控制子程序sbr-1/若vd36冷凍泵過程變量大于vd40設(shè)定值。/vw418冷凍泵pid輸出送aqw2控制冷凍泵變頻器。/若vd36冷凍泵過

36、程變量小于vd40設(shè)定值，則系統(tǒng)停止運行。圖4.8 冷凍水系統(tǒng)pid調(diào)節(jié)程序梯形圖圖4.9 傳送冷卻水和冷凍水pid參數(shù)梯形圖en mov-rin out0.07vd4en mov-rin out0.01vd12en mov-rin out0.1vd16en mov-rin out3.0vd20en mov-rin out0.0vd24en mov-rin out0.05vd40en mov-rin out0.01vd48en mov-rin out0.1vd52en mov-rin out3.0vd56en mov-rin out0.0vd60sm0.0/冷卻泵設(shè)定值送vd4/冷卻泵增益送v

37、d12/冷卻泵采樣時間送vd16/冷卻泵積分時間送vd20/冷卻泵微分時間送vd24/冷凍泵設(shè)定值送vd40/冷凍泵增益送vd48/冷凍泵采樣時間送vd52/冷凍泵積分時間送vd56/冷凍泵微分時間送vd60sm0.0sbr：13. 中斷服務(wù)程序圖4.10 中斷服務(wù)程序流程圖sm0.0int：0en mov-win outac0aiw0en di-rin outac0ac0/冷卻泵pid算法/冷卻泵測量溫度送ac0/轉(zhuǎn)換成實數(shù)sm0.0en mov-rin outac0vd0en div-rin1 in2 outvd032000.0vd0en pidtbl loopvb00en mov-rin

38、 outvd8ac0en mul-rin1 in2 out16000.0ac0ac0en roundin outac0ac0en di-iin outac0ac0en mov-win outac0vw416/冷卻水過程變量送vd0/轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)值/vb0：冷卻泵pid表/冷卻泵pid輸出值送ac0/轉(zhuǎn)換為控制值/轉(zhuǎn)換為雙整數(shù) /雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)/轉(zhuǎn)換為冷卻泵變頻器控制電壓值vw416圖4.11 冷卻泵水溫控制pid算法梯形圖sm0.0en mov-win outaiw2ac0en di-rin outac0ac0en mov-rin outac0vd36en div-rin1 in2 outvd

39、3632000.0vd36en pidtbl loopvb361en mov-rin outvd44ac0en mul-rin1 in2 out16000.0ac0ac0en roundin outac0ac0en di-iin outac0ac0en mov-win outac0vw418reti/冷凍泵檢測溫度送ac0/雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)/冷凍泵過程變量送vd36/轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)值/vb36：冷凍泵pid表/冷凍泵pid輸出值送ac0/轉(zhuǎn)換成控制值/轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)/雙整數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)/轉(zhuǎn)換成冷凍泵控制電壓值送vw418/冷凍泵pid輸出/中斷服務(wù)程序結(jié)束圖4.12 冷凍泵水溫控制pid算法梯形圖 結(jié)

40、 論在科技日新月異的今天，積極推廣高新技術(shù)的應(yīng)用，使其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，是我們工程技術(shù)人員應(yīng)盡的社會責(zé)任。對落后的設(shè)備生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)革新，不僅可以提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。對節(jié)能、環(huán)保等社會效益同樣有著重要的意義。本文闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)自動化控制和節(jié)能設(shè)計的基本思路和方法，對交流電動機(jī)變頻調(diào)速的特點簡介，在中央空調(diào)變頻調(diào)速中應(yīng)用了pid算法，對系統(tǒng)的主回路和控制回路的硬件應(yīng)用進(jìn)行分析，完成硬件和軟件的設(shè)計，通過模擬量檢測電路檢測冷凍水和冷卻水的溫度，并經(jīng)過分析處理后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器顯示。顯示器采用與 s7-200 匹配的文本顯示器， 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，plc主模塊及擴(kuò)展

41、模塊的選擇能滿足系統(tǒng)的需要，輸入、輸出點數(shù)留有一定的裕量，以滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的要求。模擬量采集采用pt100和變送器組合，通過em231與plc相連，在可靠性，精度方面都能達(dá)到要求。由于邏輯功能通過軟件實現(xiàn)，從而減少了大量的中間連線，完善了連鎖保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。因此系統(tǒng)具有開放性好、可擴(kuò)充能力強(qiáng)、可靠性高、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的機(jī)會和措施是多方面的。如果能將節(jié)能思想貫穿于中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、選型與運行的始終，將會收到明顯的節(jié)能效果，平均可節(jié)省60%左右的電力，從而帶來巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速但能耗高，能源供應(yīng)又相對不足，故更應(yīng)堅持

42、長期節(jié)能的戰(zhàn)略方針，樹立新的節(jié)能觀念(對“節(jié)能”一詞應(yīng)理解為“合理用能”，不能片面理解為“少用能”)，并加以普及。結(jié)束語經(jīng)過了近兩個月的學(xué)習(xí)和努力，我終于完成了基于plc變頻器模擬量方式閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。從開始接到論文題目到設(shè)計方案的確定，再到論文文章的完成，每走一步對于我來說都是新的嘗試和挑戰(zhàn)。在這段時間里，我學(xué)到了很多知識也有很多感受。通過不斷的查找、學(xué)習(xí)相關(guān)資料，使自己的思路逐漸清晰，課題設(shè)計逐步完善，每一次改進(jìn)都使我收益頗豐。雖然我的設(shè)計不是很成熟，還有很多不足之處，但是我付出了自己的勞動，這是我引以自豪的地方，我相信只有經(jīng)歷過的人才會明白其中的酸甜苦辣。在畢業(yè)設(shè)計期間，無論是確定工

43、作方案、收集資料還是撰寫論文，我都得到了李明老師的全力幫助和耐心指導(dǎo)。李明老師學(xué)識淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、平易近人，是我們學(xué)習(xí)和生活的榜樣，在此我特向李明老師表示最崇高的敬意和由衷的感謝。大學(xué)幾年的生活轉(zhuǎn)眼就要結(jié)束了，這幾年是我人生中最重要的學(xué)習(xí)時間。在大學(xué)的校園里，我不僅學(xué)到了豐富的專業(yè)知識，也學(xué)到了終身受用的學(xué)習(xí)知識和積極的生活態(tài)度，通過對課程的學(xué)習(xí)和與相關(guān)專業(yè)老師的溝通，使我深感機(jī)會難得，獲益非淺。母校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和老師的廣博豐富的知識令我敬佩。各位老師的悉心授課使我對機(jī)電專業(yè)有了更多、更豐富的認(rèn)識，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅實的基礎(chǔ)。另外在設(shè)計過程中還得到了設(shè)計小組成員的大力幫助，在此表示感謝，我將在以后的工作中不斷努力學(xué)習(xí)，在不久的將來成為一名優(yōu)秀的技術(shù)人才。最后再次感謝母校和各位老師對我三年的培養(yǎng)和幫助。致 謝在我膚淺的設(shè)計中行遇到了許多的問題，特別是在溫控和plc的程序設(shè)計這一塊上，由于自己的plc學(xué)習(xí)的不夠深入，在編程上存在很大的問題，在網(wǎng)上查找資料也一般的是三菱的程序，我們學(xué)習(xí)的又是西門子的需要自己轉(zhuǎn)換。在這種情況下不得不又學(xué)習(xí)三菱的，在此我特別要感謝的我們的指導(dǎo)老師李明和08級的同學(xué)們是她們的幫助才的使我在短短的時間內(nèi)完成自己的設(shè)計。同時他