基于plc的中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于plc的中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。本文首先介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后采用西門子的S7—200PLC作為主控制單元，利用傳統(tǒng)PID控制算法，通過(guò)西門子MM440變頻器控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，保證系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的情況調(diào)整流量，實(shí)現(xiàn)恒溫控制，同時(shí)又可以節(jié)約大量能源。關(guān)鍵詞：PLC；中央空調(diào)；控制DesignofautomaticcontrolsystemforcentralairconditioningsystembasedonPLCAbstractThecentralairconditioningsystemisoneofthenecessarysupportingfacilitiesofmodernlarge-scalebuildings.Theconsumptionofelectricenergyisverylarge,whichaccountsforabout50%ofthetotalenergyconsumption.Thefrozenhostusuallyinthecentralair-conditioningsystemloadcanautomaticallyaccordingtothechangeoftemperatureandloadregulation,refrigerationpumpandcoolingpumpmatchedwiththefrozenhostcanautomaticallyadjusttheload,almostrun100%underloadoperation,resultinginagreatwasteofenergy,butalsoworsentheoperationenvironmentandoperationqualityofCentralairconditioning.Thispaperfirstintroducesthestructureandworkingprincipleofcentralairconditioning,thenuseSIEMENSS7200PLCasthemaincontrolunit,usingthetraditionalPIDcontrolalgorithm,throughtheSIEMENSMM440invertercontrolpumpspeedensuresystemaccordingtotheactualsituationtoadjustloadflow,realizeconstanttemperaturecontrol,butalsocansavealotofenergy.Keywords：PLC;centralairconditioning;control目錄摘要I1緒論11.1課題的研究背景11.2國(guó)內(nèi)外中央空調(diào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀22中央空調(diào)控制的原理42.1中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理42.2中央空調(diào)電機(jī)的軟啟動(dòng)原理及應(yīng)用43中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)63.1變頻器的原理63.2西門子MM440變頻器性能介紹63.2.1主要特征73.2.2控制性能的特點(diǎn)73.3PLC選型73.4人機(jī)界面設(shè)計(jì)83.5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)94控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)124.1PLC的初始設(shè)定124.2PLC主程序流程圖144.3程序設(shè)計(jì)14中央空調(diào)控制系統(tǒng)的I/O分配表144.3.2程序中使用的存儲(chǔ)器及功能16結(jié)論17參考文獻(xiàn)18致謝20附錄PLC軟件源程序221緒論1.1課題的研究背景隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展和人民生活水平的日益提高，中央空調(diào)系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑域，如賓館、酒店、寫字樓、商場(chǎng)、廠房等場(chǎng)所，用于保持整棟大廈溫度恒定。已經(jīng)成為人們生活中的必不可少的工具。目前，全球能源緊張，節(jié)能問(wèn)題自然成為全世界關(guān)注的首要問(wèn)題。從資源總量來(lái)看，雖然我國(guó)屬于資源大國(guó)，但長(zhǎng)期不合理開(kāi)發(fā)及粗放型的利用，使我國(guó)資源正在迅速減少，甚至已經(jīng)枯竭，所以節(jié)能己成為我國(guó)一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。隨著社會(huì)的進(jìn)步開(kāi)展，現(xiàn)代城市化的不斷推進(jìn)，人們對(duì)高品質(zhì)建筑生活環(huán)境的要求也越來(lái)越高，所以中央空調(diào)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在大型和超大型公共建筑中。這雖然滿足了人們對(duì)建筑空間的品質(zhì)要求提供高品質(zhì)的環(huán)境空間的品質(zhì)要求，但也大大增加了用電能耗。在建筑能耗中，一些西方興旺國(guó)家中央空調(diào)能耗占總能耗的60%-70%，而我國(guó)建筑總能耗中，中央空調(diào)能耗也到達(dá)50%-60%。中央空調(diào)系統(tǒng)能源消耗在辦公樓、酒店、醫(yī)院、商場(chǎng)的中占總能耗的比例分別為48%、46%、30%、40%而且呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，占據(jù)了大局部的能源消耗，所以我們必須把中央空調(diào)節(jié)能研究作為重要的著手點(diǎn)，從而到達(dá)節(jié)能降耗的目的。當(dāng)前很多國(guó)家已開(kāi)始制定節(jié)能的行動(dòng)，把建筑是否節(jié)能作為評(píng)價(jià)建筑是否合格的重要內(nèi)容以及考察建筑物質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，因此，積極開(kāi)發(fā)新能源及高科技節(jié)能控制技術(shù)的合理應(yīng)用是節(jié)約能源，減少空調(diào)能耗的最主要途徑，這對(duì)節(jié)約能源，維護(hù)良好的生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)自然資源的可持續(xù)的開(kāi)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)有著重要意義。隨著季節(jié)的變化，戶外氣候和環(huán)境條件，太陽(yáng)光照強(qiáng)度的變化，以及人員流量的變動(dòng)，實(shí)際使用中空調(diào)負(fù)載的也會(huì)不斷變化。在傳統(tǒng)運(yùn)行模式下，中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)組已擁有比較健全的能能量調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)負(fù)荷的變化，系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整制冷機(jī)組的運(yùn)行功率，以到達(dá)節(jié)能的目的。但當(dāng)前大多數(shù)中央空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中還是運(yùn)用對(duì)水菜臺(tái)數(shù)的加減控制來(lái)完成對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)，使得系統(tǒng)的功率消耗能耗不能根據(jù)建筑物內(nèi)實(shí)際冷量需求來(lái)對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)，更達(dá)不到使得制冷量與實(shí)際需求量在變化中的最優(yōu)匹配以及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而使剩余揚(yáng)程消散在空調(diào)末端的控制閥門上，造成能量的浪費(fèi)。同時(shí)在空調(diào)局部負(fù)荷時(shí)，雖然空調(diào)末端提供的冷量可以實(shí)現(xiàn)以實(shí)際需求冷量輸出，但冷凍水系統(tǒng)中冷凍水粟的輸出功率卻沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的減少，即仍是全功率運(yùn)行。而大多數(shù)中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷水主機(jī)、冷凍水栗以及風(fēng)機(jī)的量程范圍都是根據(jù)全年最大的空調(diào)負(fù)載進(jìn)行設(shè)置的，也就是說(shuō)，一年大多數(shù)時(shí)間，水菜流量量程比正常所需要大一些，導(dǎo)致?lián)P程偏高，從而出現(xiàn)我們常見(jiàn)的中央空調(diào)水系統(tǒng)的小溫差大流量的情況，這時(shí)冷凍水粟一般都是每年保持定流量運(yùn)行，使得冷凍水系統(tǒng)中大多數(shù)的功率消耗都是無(wú)效的。根據(jù)現(xiàn)在不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)現(xiàn)存建筑中已經(jīng)安裝中央空調(diào)系統(tǒng)的有約7萬(wàn)棟，如果全部均釆用節(jié)能自控技術(shù)，估計(jì)可以節(jié)約用電量500億千瓦。1.2國(guó)內(nèi)外中央空調(diào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀中央空調(diào)在世界上已經(jīng)有幾百年歷史了，在中國(guó)也有20多年的應(yīng)用時(shí)間，由于對(duì)于能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與節(jié)能減排都已成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)，大量學(xué)者也做出了相應(yīng)的研究工作。由于隨著季節(jié)變動(dòng)，中央空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化較大，因此大型空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能包含多個(gè)方面：如低負(fù)荷率條件下的冷水機(jī)組進(jìn)行壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)可以有效的提高制冷壓縮機(jī)性能和能效比。由于壓縮機(jī)低速限制，低負(fù)荷條件下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)頻繁啟停，壓縮機(jī)變頻運(yùn)行調(diào)節(jié)范圍窄，壓縮機(jī)性能和效率顯著下降，動(dòng)態(tài)切換策略是一個(gè)級(jí)聯(lián)的整合控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)直觀的切換策略以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)調(diào)整壓縮機(jī)啟停閾值以及電子膨脹閥的開(kāi)度，理論分析說(shuō)明，當(dāng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的輸出矩陣選擇正確，可以有效地提高壓縮能效比?？照{(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷與濕負(fù)荷的解藕獨(dú)立控制在一定程度上能夠降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。國(guó)外學(xué)者T.T.Chow等人通過(guò)使用遺傳算法的方式對(duì)吸收式冷機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行了建模預(yù)測(cè)分析，并從全局角度出發(fā)提出了全局節(jié)能最優(yōu)化參數(shù)方案；WangY等人從工程實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)冷盤管進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和分析；Ahmedo通過(guò)分析冷凍水流量中現(xiàn)場(chǎng)控制器的分布于參數(shù)，給出了詳盡的冷凍水控制方案和在實(shí)際工程中的實(shí)施應(yīng)用；LuL等人在分析實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)理想的節(jié)能潛力的根底上，為空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供理論，指導(dǎo)建立了冷卻和除濕獨(dú)立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，據(jù)理想獨(dú)立除濕系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)之間的差異，例如熱處理方法，換熱溫差和能源動(dòng)力運(yùn)輸?shù)??？照{(diào)末端設(shè)備的熱惰性是變風(fēng)量運(yùn)行控制調(diào)節(jié)品質(zhì)不高的關(guān)鍵原因，一種通過(guò)提高送風(fēng)溫度的魯棒預(yù)測(cè)控制策略被應(yīng)用于空氣處理機(jī)組的控制，控制策略使用不確定時(shí)滯系統(tǒng)增益，加上時(shí)間延遲模型來(lái)描述各種天氣條件下的空氣處理過(guò)程的時(shí)間延遲和系統(tǒng)增益的不確定性，基于LMI的魯棒模型預(yù)測(cè)控制算法被應(yīng)用于設(shè)計(jì)空氣處理機(jī)組魯棒控制器同傳統(tǒng)的PID控制相比，可以保證良好的魯棒性，對(duì)于各種氣候條件都具有良好的適應(yīng)性，但根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，基于魯棒控制的控制策略與傳統(tǒng)控制策略相比，其調(diào)節(jié)品質(zhì)改善并不顯著。天花板輻射冷卻面板、風(fēng)機(jī)盤管與100％新風(fēng)量的混合運(yùn)行模式可以得到顯著的節(jié)能減排效果，比傳統(tǒng)的VAV控制系統(tǒng)節(jié)能率高大約17.3%，但系統(tǒng)前期投資也更大，需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。2中央空調(diào)控制的原理2.1中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理中央空調(diào)系統(tǒng)是一種大型的對(duì)建筑物進(jìn)行集中空氣調(diào)節(jié)并進(jìn)行管理的設(shè)備，一般由空氣處理設(shè)備、送〔回〕風(fēng)機(jī)、送〔回〕風(fēng)通道、空氣分配裝置及冷、熱源等組成。根據(jù)需要，它們能組成不同形式的系統(tǒng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)從建筑物的用途和性質(zhì)，熱濕負(fù)荷特點(diǎn)、空調(diào)機(jī)房面積和位置、初投資和運(yùn)行維修費(fèi)用等許多方面去考慮，選擇合理的空調(diào)系統(tǒng)。氣態(tài)制冷工質(zhì)〔如氟利昂〕經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體后進(jìn)入冷凝器，與水〔空氣〕進(jìn)行等壓熱交換，變成低溫高壓液態(tài)。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)枯燥過(guò)濾器去除水份、雜質(zhì)，進(jìn)入膨脹閥節(jié)流減壓，成為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，在蒸發(fā)器內(nèi)氣化。液體氣化過(guò)程要吸收氣化潛熱，而且液體壓力不同，其飽和溫度〔沸點(diǎn)〕也不同，壓力越低，飽和溫度越低。例如，1kg的水，在絕對(duì)壓力為0.00087MPa，飽和溫度為5℃，氣化時(shí)需要吸收2488.7KJ熱量；1kg的氨，在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力〔0.10133MPa〕下，氣化時(shí)需要吸收1369.59KJ熱量，溫度可抵達(dá)-33.33℃。因此，只要?jiǎng)?chuàng)造一定的低壓條件，就可以利用液體的氣化獲取所要求的低溫。依此原理，氣化過(guò)程吸取冷凍水的熱量，使冷凍水溫度降低〔一般降為7℃〕。制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸取熱量，溫度升高變成過(guò)熱蒸氣，進(jìn)入壓縮機(jī)重復(fù)循環(huán)過(guò)程。2.2中央空調(diào)電機(jī)的軟啟動(dòng)原理及應(yīng)用電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機(jī)啟動(dòng)的全過(guò)程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑的啟動(dòng)運(yùn)行。這就是軟啟動(dòng)。電機(jī)的軟啟動(dòng)可以通過(guò)軟啟動(dòng)器或者變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟起動(dòng)器是一種集軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國(guó)外稱為Soft

Starter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。變頻器〔Variable-frequencyDrive，VFD〕是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流〔交流變直流〕、濾波、逆變〔直流變交流〕、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。通過(guò)改變電源的頻率來(lái)到達(dá)改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而到達(dá)節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。軟起動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時(shí)改變頻率；軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓并沒(méi)有改變頻率。變頻器具備所有軟起動(dòng)器功能，但它的價(jià)格比軟起動(dòng)器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。軟啟動(dòng)器是通過(guò)星三角轉(zhuǎn)換來(lái)降低啟動(dòng)電流；而變頻器是通過(guò)改變頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的，能降低能耗。變頻器也有軟啟動(dòng)功能，是通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)。軟啟動(dòng)器只能通過(guò)晶閘管調(diào)壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車，但不具備調(diào)速功能。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電機(jī)控制調(diào)速裝置。通過(guò)變頻控制電機(jī)運(yùn)行，是真正的高效調(diào)速方式，效率很高。變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)真正的軟啟動(dòng)、軟停止和高效調(diào)速。兩者可以配合使用，大中型供水設(shè)備中，常由變頻器帶動(dòng)一臺(tái)泵變速運(yùn)行，由一臺(tái)軟啟動(dòng)器完成其余各泵開(kāi)、停操作，變頻泵可定時(shí)輪換使各泵運(yùn)行時(shí)間均衡，運(yùn)行中變頻與工頻可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。3中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1變頻器的原理主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換局部，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三局部構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器〞，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路〞，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器〞。整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓〔電流〕。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。3.2西門子MM440變頻器性能介紹MICROMASTER440全新一代用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管〔IGBT〕作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調(diào)制技術(shù)，可使電動(dòng)機(jī)低噪聲運(yùn)行。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)創(chuàng)新的BiCo〔內(nèi)部功能互聯(lián)〕功能有無(wú)可比較的靈活性[15]。其具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動(dòng)裝置。由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。既可用于單獨(dú)傳動(dòng)系統(tǒng)，也可集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中。變頻器適用于各種變速驅(qū)動(dòng)裝置。由于它具有高度的靈活性因而可以在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。它尤其適合用于吊車和起重系統(tǒng)、立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、食品、飲料和煙草工業(yè)以及包裝工業(yè)的定位系統(tǒng)。3.2.1主要特征易于安裝；易于調(diào)試；牢固的EMC設(shè)計(jì)；可由IT電源供電；對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的；參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保它可對(duì)廣泛的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行配置；電纜連接簡(jiǎn)便；具有多個(gè)繼電器輸出；具有多個(gè)模擬量輸出〔0~20mA〕；6個(gè)帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換可NPN/PNP接線；2個(gè)模擬輸入：1)ADC1：0~10V，0~20mA和-10至+10V2)ADC2：0~10V，0~20mA；2個(gè)模擬輸入可以作為第7和第8個(gè)數(shù)字輸入；BICO技術(shù)；模塊化設(shè)計(jì)，配置非常靈活；開(kāi)關(guān)頻率高〔傳動(dòng)變頻器可到16kHz〕，因而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪音低；內(nèi)部RS485接口〔端口〕；詳細(xì)的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。3.2.2控制性能的特點(diǎn)最新的IGBT技術(shù)；數(shù)字微處理器控制；高質(zhì)量的矢量控制系統(tǒng)；磁通電流控制〔FCC〕改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的控制；線性V/F特性；平方V/F特性；多點(diǎn)v/f特性〔可編程V/F特性〕；力矩控制；捕捉再起動(dòng)；滑差補(bǔ)償；在電源中斷或故障跳閘以后，自動(dòng)再起動(dòng)；可以由用戶定義的自由功能塊，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算的操作；動(dòng)態(tài)緩沖；用于定位控制的減速斜坡函數(shù)曲線；高品質(zhì)的PID控制器〔具有參數(shù)自整定功能〕，可用于一般的過(guò)程控制；可編程的加速/減速斜坡函數(shù)，0秒至650秒；斜坡起始段和結(jié)束段的平滑功能；快速電流限制〔FCL〕功能，防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；快速、可重復(fù)的數(shù)字輸入響應(yīng)時(shí)間；使用兩個(gè)高分辨率的10位二進(jìn)制模擬輸入，實(shí)現(xiàn)速度精調(diào)；復(fù)合制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)控制；4個(gè)跳轉(zhuǎn)頻率。3.3PLC選型可編程邏輯控制器〔ProgrammableLogicController，PLC〕，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。為便于今后系統(tǒng)的改造或者升級(jí)，需要留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展使用。我們選用西門子S7-200PLC作為主控制器，其中主機(jī)型號(hào)：CPU226。S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)極高的可靠性；2)極豐富的指令集；3)易于掌握；4)便捷的操作；5)豐富的內(nèi)置集成功能；6)實(shí)時(shí)特性；7)強(qiáng)勁的通訊能力；8)豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制。3.4人機(jī)界面設(shè)計(jì)人機(jī)界面〔又稱用戶界面或使用者界面〕是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。在工藝過(guò)程日趨復(fù)雜、對(duì)機(jī)器和設(shè)備功能的要求不斷增加的環(huán)境中，獲得最大的透明性對(duì)操作員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。人機(jī)界面〔HMI〕提供了這種透明性[16]。S7-200TD設(shè)備是一種低本錢的人機(jī)界面〔HMI〕，使操作員或用戶能夠與應(yīng)用程序進(jìn)行交互?？梢允褂肨D設(shè)備組態(tài)一組層級(jí)式用戶菜單，從而提供更多應(yīng)用程序交互結(jié)構(gòu)。您也可以組態(tài)TD設(shè)備，使其顯示由S7-200CPU中的特定位使能的報(bào)警或信息。S7-200TD設(shè)備是一個(gè)2行或4行的文本顯示設(shè)備，可以連接到S7-200CPU。TD設(shè)備可用于查看、監(jiān)視和改變屬于您的應(yīng)用程序的過(guò)程變量。我們選用TD200文本顯示屏來(lái)完成中央空調(diào)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。其提供了四個(gè)具有預(yù)定義的置位功能的按鍵，如果使用SHIFT鍵，那么最多可提供八個(gè)置位功能。TD200設(shè)備的組態(tài)需要完成以下操作：1)STEP7-Micro/WIN的文本顯示向?qū)?，?chuàng)作操作員界面和報(bào)警和組態(tài)TD設(shè)備的參數(shù)塊；2)TD參數(shù)中，選擇TD設(shè)備的類型、啟用CPU功能、選擇更新速率、選擇語(yǔ)言和字符集和組態(tài)按鍵；3)屏幕設(shè)置中，創(chuàng)立用戶菜單，定義屏幕；4)報(bào)警設(shè)置中，選擇顯示選項(xiàng)，定義報(bào)警信息；5)語(yǔ)言集設(shè)置中，選擇提示和菜單的語(yǔ)言，選擇字符集；6)翻譯報(bào)警和屏幕，把翻譯后的信息反應(yīng)回報(bào)警和屏幕；7)參數(shù)塊地址設(shè)置中，定義參數(shù)塊的地址，即V存儲(chǔ)區(qū)。3.5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)假設(shè)該系統(tǒng)應(yīng)用在100平米的公寓，根據(jù)公寓的冷負(fù)荷為114~138瓦/平方米來(lái)算，大體的空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備如下：〔1〕冷凍機(jī)主機(jī)2臺(tái)；〔2〕冷凍水水泵6臺(tái)，3用3備用，冷凍水水泵功率22千瓦；〔3〕制冷主機(jī)的控制根據(jù)自身設(shè)定的冷凍水出口溫度。此主機(jī)的冷凍水出口溫度設(shè)為7℃，在其冷凍水入水溫度高于7℃情況下，制冷主時(shí)機(jī)正常工作；如入水溫度到達(dá)或接近7℃時(shí)，制冷主時(shí)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。表3-1中央空調(diào)控制系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)季節(jié)舒適度等級(jí)溫度〔℃〕相對(duì)濕度〔%〕風(fēng)速〔m/s〕冬季Ⅰ22~2430~60≤0.2Ⅱ18~2160≤0.2夏季Ⅰ24~2640~70≤0.25Ⅱ27~2840~70≤0.25系統(tǒng)主回路示意圖、系統(tǒng)電路圖、主要設(shè)備的端口連接圖如下：圖3-1：系統(tǒng)PLC選用西門子S7-200，CPU型號(hào)為226。該P(yáng)LC上集成了通訊接口可供RS-485線纜通訊，并設(shè)置了TD200文本顯示器，用來(lái)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和報(bào)警信息等。變頻器MM440可通過(guò)串口與PLC通訊。通過(guò)變頻器的控制來(lái)決定冷凍泵的工作頻率和工作臺(tái)數(shù)。圖3-2：該控制系統(tǒng)分手動(dòng)和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式下通過(guò)開(kāi)關(guān)的閉合控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)模式下通過(guò)PLC及變頻器控制，啟動(dòng)時(shí)1#冷凍泵變頻啟動(dòng)，當(dāng)溫度條件不滿足需要增加工頻泵數(shù)量時(shí)，工頻觸點(diǎn)吸合1#冷凍泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，2#冷凍泵待機(jī)等待啟動(dòng)脈沖信號(hào)，當(dāng)溫度條件滿足不需要多臺(tái)冷凍泵工頻運(yùn)行時(shí)，工頻觸點(diǎn)斷開(kāi)減少工頻工作臺(tái)數(shù)，變頻觸點(diǎn)吸合轉(zhuǎn)為變頻運(yùn)行。以此類推。圖3-3：EM231、EM232由PLCL+端口輸出的24V電源供電，變頻器的3、4接口是用于接受模擬量輸入信號(hào)，29、30接口用于通過(guò)RS-485與PLC通訊。圖3-1中央空調(diào)冷凍水循環(huán)控制系統(tǒng)主回路連接示意圖圖3-2中央空調(diào)控制系統(tǒng)電路圖圖3-3中央空調(diào)控制系統(tǒng)主要設(shè)備的端口連接圖4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1PLC的初始設(shè)定要實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的通訊控制，必須對(duì)PLC進(jìn)行編程；通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)PLC對(duì)變頻器的各種運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)的采集。圖4-1初始程序段a網(wǎng)絡(luò)1：運(yùn)行開(kāi)始或I1.0由關(guān)到開(kāi)是清楚標(biāo)志位，以及參數(shù)讀寫控制位。網(wǎng)絡(luò)2：運(yùn)行開(kāi)始或I1.0由關(guān)到開(kāi)時(shí)初始化PORT0為USS通訊。圖4-2初始程序段b網(wǎng)絡(luò)3：當(dāng)I1.0由關(guān)到開(kāi)時(shí)PORT0恢復(fù)為PPI通訊。網(wǎng)絡(luò)4：控制功能塊，通過(guò)PLC的輸入輸出可以控制并診斷驅(qū)動(dòng)器的工作。圖4-3初始程序段c圖4-4初始程序段d網(wǎng)絡(luò)5：當(dāng)I1.1有關(guān)到開(kāi)時(shí)啟動(dòng)讀參數(shù)指令。網(wǎng)絡(luò)6：讀取驅(qū)動(dòng)器中的參數(shù)R0068〔輸出電流〕圖4-5初始程序段e網(wǎng)絡(luò)7：讀寫操作輪替功能，由于在同一時(shí)間USS網(wǎng)絡(luò)上讀參數(shù)或?qū)憛?shù)只能有一種操作，因此有必要設(shè)置讀寫操作的輪替功能，當(dāng)讀參數(shù)完成時(shí)M0.3被置1一個(gè)掃描周期，從而M1.0復(fù)位為0，讀參數(shù)操作被屏蔽，同時(shí)M1.1被置位，開(kāi)始寫參數(shù)操作。圖4-6初始程序段f網(wǎng)絡(luò)8：向驅(qū)動(dòng)器中寫參數(shù)：P1082=50.0。圖4-7初始程序段g網(wǎng)絡(luò)9：讀寫操作輪替，功能同網(wǎng)絡(luò)7。4.2PLC主程序流程圖圖4-8程序設(shè)計(jì)流程圖4.3程序設(shè)計(jì)4.3.1中央空調(diào)控制系統(tǒng)的I/O分配表表4-1I/O分配表名稱地址編號(hào)說(shuō)明輸入信號(hào)I0.0驅(qū)動(dòng)裝置的啟動(dòng)/停止控制I0.1停車信號(hào)2，封鎖主回路輸出，自由停車I0.2停車信號(hào)3，快速停車I0.3故障確認(rèn)I0.4電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制I1.0USS通訊和PPI通訊轉(zhuǎn)換I1.1讀/寫操作開(kāi)始按鈕SAI0.5手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕SB1I0.6手動(dòng)模式1#冷凍泵啟動(dòng)按鈕SB2I0.7手動(dòng)模式1#冷凍泵停止按鈕SB3I1.2手動(dòng)模式2#冷凍泵啟動(dòng)按鈕SB4I1.3手動(dòng)模式2#冷凍泵停止按鈕SB5I1.4手動(dòng)模式3#冷凍泵啟動(dòng)按鈕SB6I1.5手動(dòng)模式3#冷凍泵停止按鈕AIW0用戶房間內(nèi)溫度傳感器輸出信號(hào)Q0.0運(yùn)行模式反應(yīng)Q0.1指示運(yùn)轉(zhuǎn)方向Q0.2驅(qū)動(dòng)裝置禁止?fàn)顟B(tài)指示Q0.3故障指示位KM2Q0.41#冷凍泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1Q0.51#冷凍泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4Q0.62#冷凍泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3Q0.72#冷凍泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6Q1.13#冷凍泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5Q1.23#冷凍泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈AQW0輸出模擬信號(hào)到變頻器4.3.2程序中使用的存儲(chǔ)器及功能表4-2存儲(chǔ)器及功能地址功能VD108傳感器反應(yīng)的電壓值VD104房間內(nèi)壓力下限對(duì)應(yīng)的電壓值VD106房間內(nèi)壓力上限對(duì)應(yīng)的電壓值VD300變頻工作泵的泵號(hào)VD301工頻運(yùn)行泵的總臺(tái)數(shù)T33產(chǎn)生關(guān)斷變頻脈沖信號(hào)的時(shí)間控制T34產(chǎn)生啟開(kāi)工頻脈沖信號(hào)的時(shí)間控制T37增加工頻泵的時(shí)間控制T38減少工頻泵的時(shí)間控制T39產(chǎn)生下一臺(tái)泵變頻啟動(dòng)信號(hào)的時(shí)間控制M0.0/M0.1初始化完成標(biāo)志位M0.3/M0.4讀寫功能塊完成標(biāo)志位，用于功能塊輪替M1.0/M1.1讀寫功能塊控制位M2.0工頻啟動(dòng)脈沖M2.1變頻啟動(dòng)脈沖M2.4關(guān)斷當(dāng)前泵脈沖M2.5當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖M2.6下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行脈沖M3.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制邏輯M3.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制邏輯M3.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制邏輯結(jié)論本論文闡述了基于PLC和變頻器對(duì)中央空調(diào)控制的根本原理及過(guò)程。主要工作如下：〔1〕對(duì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了解，研究了系統(tǒng)的工作過(guò)程和工作原理。〔2〕提出了與傳統(tǒng)PID控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)?！?〕采用PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制的硬件系統(tǒng)，完成對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、穩(wěn)定的最優(yōu)化控制?！?〕經(jīng)過(guò)最后的軟件及組態(tài)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)完整。在設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了許多有關(guān)PLC、變頻器、溫度變送器方面的知識(shí)，這讓我更深入的體會(huì)到PLC和變頻器在中央空調(diào)控制方面的應(yīng)用能力。參考文獻(xiàn)[1]高亮.地源熱泵空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].太原理工大學(xué)，2023.[2]胡肖飛.山西省電力公司中央空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].太原理工大學(xué)，2023.[3]王兵.基于集散控制的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)安大學(xué)，2023.[4]李曉宇.中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2023.[5]張?chǎng)?空調(diào)節(jié)能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設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