基于PLC的中央空调控制系统的设计.docx
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基于PLC的中央空调控制系统的设计
青岛黄海学院
本科毕业设计（论文）
中文题目：
基于PLC的中央空调控制系统的设计
英文题目：
DesignoftheCentralAirConditioning
ControlSystemBasedonPLC
学院：
机电工程学院
专业班级：
机械设计制造及其自动化3班
学生姓名：
崔康康
学号：
1201111111
指导教师：
宋娟
职称：
副教授
二○一六年六月
毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本人签名：
日期：
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解青岛黄海学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，允许被查阅和借阅；学校可以公布全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该毕业设计（论文）。
保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。
本人签名：
导师签名：
日期：
摘要
中央空调现已广泛的应用在各大商场、办公大厦等场所中，传统控制系统中在控制较适宜的温度的同时，却消耗了大量的能量。
如今，人们越来越重视中央空调的舒适性和节能性，该设计研究了基于PLC的中央空调控制系统，为舒适的生活工作环境及有效节能提供了技术条件。
该设计介绍了中央空调的结构和工作原理，变流量控制的原理，PID控制的原理，利用变频器、PLC、温度传感器等器件的有机结合，构成自动控制系统，自动调节水泵的输出流量达到节能目的。
该系统采用西门子的S7-200PLC作为主控制单元，通过西门子MM440变频器控制水泵运转速度，保证系统根据实际负荷的情况调整流量，实现恒温控制，同时又可以节约大量能源。
关键词：
PLC；中央空调；PID
Abstract
Centralairconditioninghasbeenwidelyusedinmajorshoppingmalls,officebuildingsandotherplaces,whileinthecontrolofthesuitabletemperatureofthetraditionalcontrolsystem,consumesalargeamountofenergy.Now,peoplepaymoreandmoreattentiontothecentralairconditioningcomfortandenergyefficiency,thedesignofthecentralairconditioningcontrolsystembasedonPLC.Providetechnicalconditionsforcomfortablelivingandworkingenvironmentandeffectiveenergysaving.Thisdesignintroducesthestructureandworkingprincipleofcentralairconditioning,variableflowcontrolprinciple,theprincipleofPIDcontrolbyfrequencyconverter,PLC,organiccombinationoftemperaturesensors,automaticcontrolsystem,automaticallyadjustthepumpoutputflowtoachievethepurposeofenergysavingthesystemadoptsSIEMENSS7-200PLCasthemaincontrolunit,throughtheSIEMENSMM440invertercontrolpumpspeedensuresystemunderthecircumstancestoadjusttheflowoftheactualload,Toachieveconstanttemperaturecontrol,butalsocansavealotofenergy.
Keywords:
PLC;CentralAirConditioning;PID
第一章绪论
1.1中央空调控制系统的研究现状及发展
1.1.1中央空调控制系统的发展
中央空调在1970年代采用小型微机集中控制，直到1984年，哈特福德市第一建筑采用微机分布式控制系统，标志着智能建筑时代的开始[1]。
分散式控制系统又称局部空调系统，就是将空气处理设备分散在空调房间内，技术成熟且其特点是采用DDC控制（直接数字控制）。
主控制器又称为调节器，它的作用是将变频器发出的信号与设定值比较后得到偏差，进行综合放大并按一定的规律发出控制信号，又因为控制简单实用、成本低且技术成熟，并易于实现参数调整，因此，广泛应用于空调，而且使用的是PLC、PID控制。
可是PID控制也存在一定的缺点，比如控制滞后，由于它不可能和检测到的信号同步调理，再一个它永久不可能调理到位，永久和检测值有一个差值。
但是经过研究和技术的不断发展，发现PID控制也的确是一种很好的控制理论，在模似信号调理系统中得到了广泛的利用。
总之，基于PLC的中央空调控制系统是中央空调控制的一大发展方向和扩展加深内容。
1.1.2中央空调变流量控制的发展
影响中央空调变流量控制发展的主要问题是冷水系统，冷水系统设计经历了大约六、七十年的发展，仍在持续改进。
在发展和完善的过程中总是不断遇到新问题，变流技术随着变频技术的发展和成熟也在日趋成熟，最终确定为不考虑负载固定冷冻水循环的方法，这种方法的后果不仅造成能源的浪费，也导致了冷冻水系统、回水温差操作。
从1990年开始，随着计算机和电子技术的快速发展，变流技术也在快速发展。
变流技术的成熟和国外变流技术的应用，已成为空调行业的一个标准。
中央空调控制系统的控制方法是利用多回路PID控制[2]。
各种类型的PID控制器参数物理意义明确，易于调整，因而获得广泛应用，PID控制器能够在控制领域的广泛应用是因为PID控制器可以仅仅依靠系统输出反馈控制输入。
目前，中央空调控制方法为双开/关控制、PID控制、最优控制和模糊控制等方法[3]。
PID算法是各种DDC控制系统的核心，是中央空调工程和设备通常使用的方法，该控制方法在稳定的条件下，可以获得更好的控制效果。
1.2中央空调系统简介
一般的空调系统由空气调节的对象、空气处理设备、空气输送设备、空气分配设备、冷（热）源设备及自动控制部分组成[4]。
中央空调系统在公共建筑或独立住宅建筑中很常见。
空气调节的对象：
指各类建筑物中不同功能和作用的房间、空间以及人（群）等。
空气处理设备：
是完成对空气进行降温、加热、加湿和除湿以及过滤等处理过程所采用设备的组合。
空气输送和分配设备：
由引入室外新风、输送处理过的空气通风管、各类送风口和通风机等组成。
冷（热）源设备：
为空调系统提供必要的冷量和热量。
自动控制部分：
保证各个运行参数的偏差在空调精度范围内的各种敏感元件、调节器、执行机构和调节机构等。
1.3中央空调原理图及各结构的作用
中央空调系统主要由以下几部分组成，如图1所示。
图1中央空调结构原理图
1.冷冻机组
冷冻机组就是空调系统的冷源，就是向空气处理装置提供冷量的装置。
要提供冷量就必须制冷，要实现制冷就必须有冷源。
冷源有两类：
一类是天然冷源，如冷或深井水；另一类是人工冷源，即利用机械设备，以消耗能量为代价，实现热量按人的需要进行转移的目标。
冷却水可以循环使用，大量节省了水资源，且采用冷却塔处理、循环。
2.冷却水循环系统和冷冻水循环系统
中央空调工程中的水循环系统包括：
冷却水循环系统和冷冻水循环系统，均来自冷源设备。
通过水泵增压后，向各空气处理设备和空调末端装置输送冷冻水，再通过水冷式散热设备，组成水系统的循环回路。
3.风机盘管空调系统
风机盘管系统中的风机盘管组，简称风机盘管，是指将风机盘管、过滤器等部件组装成一体的空调设备，属于中央空调系统的末端装置[5]。
风机盘管的特点为：
（1）运行灵活，可自行调节各房间负荷，节能效果好。
（2）仅需新风系统，风管截面积较小，容易布置。
（3）难于满足温度、湿度、洁净度的严格要求。
（4）管线布置较复杂，水系统易漏水，维护管理较繁琐。
风机盘管组主要是由风机、电动机、盘管、空气过滤器、凝水盘和箱体组成，还配有室温自动调节装置。
（1）盘管
盘管一般采用紫铜管肋片式，有二排、三排等类型。
（2）风机
风机一般采用离心式和贯流式两种形式。
（3）空气过滤器
空气过滤器常设在机组下部或侧部，采用粗孔泡沫塑料、金属编织物、纤维织物等制作。
（4）风机电动机
风机电动机一般采用单相电容运转式电动机，可实现风量调节。
第二章空调变流量控制的原理
2.1制冷原理
空调制冷原理主要依靠压缩机实现，压缩机就是整个制冷系统中的主要部件。
其作用是：
在制冷系统中建立压力差，迫使制冷剂在系统中循环，起着压缩和输送制冷剂达到连续制冷的目的[6]。
压缩机具有能适应较广的制冷量要求、单位能耗较少、热效率高、技术成熟、零件加工容易、对材料要求较低等优点。
例如，1公斤的水，在绝对压力为0.00087兆帕，饱和温度是5度，气化需要吸收热量2488.7千焦；1公斤的氨气，在标准大气压力0.10133兆帕，气化需要吸收的热量1369.59千焦，温度可以到达零下33.33度。
因此，只要建立一个低压条件，通过使用液体气化是可以访问到所需的温度。
根据这一原则，气化过程吸收含有热量的冷冻水、冷却水温度降低（通常减少到7摄氏度），从而逐步完成制冷。
2.2中央空调变流量控制的原理及特点
2.2.1中央空调系统变流量系统的特点
中央空调是现代建筑的主要耗能设施，传统的中央空调系统长期运行在定流量的状态，不能随着实际的要求来供冷，造成了相当大的浪费，定流量已经不能满足实际的需要。
随着科学技术的发展，变流量技术在中央空调系统中得到了应用。
通过分析中央空调系统的结构和运行原理，结合变流量的工作原理，提出中央空调变流量智能控制系统，从而说明变流量在中央空调系统中的应用是高效节能的，有很好的应用前景。
1.中央空调变流量节能原理
中央空调的节能主要依靠行为节能，即尽可能少地使用空调，或适度降低空调舒适性标准，如控制室内温度或使用时间，从而提高空调设备效率有效节能；在建筑中保持能量，即减少有用的冷热量的无谓流失，如建筑设计和隔热设计等方法也可有效节能；利用先进的控制方法提高能源的利用效率，减少能量的浪费也是较好的节能措施。
2.变流量在中央空调系统中的应用
从中央空调的运行和节能原理很明显地看出，整个系统对大厦的供冷（热）都是通过流体物质来传输的，也就是说，流体物质是系统能量传输的载体，其中主要的载体是水（分别是冷却水和冷冻水），但从广义上来说，系统的节能应该把制冷机组的流体物质也列为变流量控制的对象。
变流量的工作原理是在保证系统安全稳定运行的前提下，实时响应系统末端负荷变化，按照末端温度的要求，动态改变空调管道中的水流量，空调的末端要多少就给多少，不会造成浪费；同时根据制冷主机的制冷变化或天气等其他原因引起的温度变化，实时跟踪空调主机发热量的变化。
从而实现节能提高了效率。
2.2.2中央空调变流量控制的实现方式
温度式液位调节阀在制冷系统中用于控制满液式蒸发器、气液分离器等容器中的液位[7]。
工作原理是：
感温包设置在需要控制的液面高度处，电热器安装在感温包内，通电后对感温包加热。
当容器的液位上升至接触到感温包时，感温包中的热量会散发，压力随之下降，带动阀针开度变小或完全关闭。
反之，如感温包处于制冷剂蒸汽中时，感温包的热量较难散发，压力会升高，使阀开度变大，系统供液量增加。
最初设定的温度经过温度反馈调节，并在变频器的作用和电机影响下作用于冷却泵，最终通过量管和用户反馈给温度系统，依次循环调节，如图2所示。
图2冷冻水变流量控制系统
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的[8]。
变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，集电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
电机的转速为：
（2.1）
式2.1中：
——为同步转速，单位为r/min；
——为电源频率，单位为Hz；
——为磁极对数。
根据转速与频率、磁极对数和转差率的关系也可由下式给出：
（2.2）
式2.2中：
——电动机实际转速；
——异步电动机的转差率。
由式（2.2）可知，改变频率
，转差率
都可改变异步电动机的转速。
增加磁通或者减少磁通量不是浪费就是导致较大的励磁电流。
所以，改变频率实现转速的控制是比较适合的选择。
电动势的有效值为：
（2.3）
式2.3中：
——感应电动势的有效值；
——定子频率，单位为Hz；
——定子每相绕组串联匝数；
——基波绕组系数；
——每极气隙磁通量。
由式2.3知只要控制好
和
，便可以控制磁通不变。
需要考虑基频以下和基频以上两种情况：
1.基频以下调速
为了充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下采用恒磁通控制方式，要保持
不变，当频率
从额定值
向下调节时，必须同时降低电动势
，即采用电动势频率比为恒值的控制方式。
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降，而认为定子相电压
，则得
常值，这是恒压频比的控制方式，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”。
与定子电压降补偿的恒压频比控制特性是
线，无补偿的是
线，恒压频比控制特性如图3所示。
图3恒压频比控制特性
2.基频以上调速
在基频以上调速时，频率从
向上升高，但定子电压
却不可能超过额定电压
，只能保持
不变，这将使磁通与频率成反比地下降，使得异步电动机工作在弱磁状态。
把异步电动机基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，即是其变频调速的控制特性，如图4所示。
如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。
按照电力拖动原理，在基频以上，转速升高时磁通恒减小，转矩也随着降低，基本上属于“恒功率调速”。
图4电动机恒功率调速特性
在中央空调的水循环系统中，冷却泵、冷冻泵和水泵是主要的制冷设备。
水泵以不同的速度运行的话，水泵的流量Q、扬程H、轴功率P与转速n会有一定的关系，既为：
（2.4）
从公式2.4可看出，通过改变频率来改变电机转速与传统方法相比具有以下优点：
1.软启动可以降低启动电流对电网的冲击；
2.调速范围广可实现无级平滑调速；
3.能做到与直流调速方法相同的效果。
交流变频调速技术是多门技术集成的高新技术企业。
调速性能好并且节能效果明显，不仅可以减少损耗、避免浪费资源也降低了成本，为企业和公司带来更多的利润，从而吸引更多的客户，同时也刺激国内外研究人员开发新的技术[9]。
2.3电机的软启动原理及应用
2.3.1软启动设备介绍
电压由零慢慢增加到额定电压，所以没有冲击载荷，不受冲击转矩平滑启动。
这就是软启动。
电机的软启动可以通过软启动器或者变频器来实现。
软启动器是一种集电机软起动、软停车、多种保护功能于一体的新颖的电机控制装置。
它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联的晶闸管及其控制电路。
运用不同的方法触发脉冲，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。
软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。
变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。
变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。
电动机软起动器是运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至启动结束，赋予电机全电压，即为软启动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。
变频器通过改变频率来完成电动机的工作。
软起动器完成其余的泵开启、停止操作，变频器可以使泵运行时平衡旋转和平滑切换。
2.4PID控制的设计
随着现代社会的发展，PID控制越来越影响着人们的生活[10]。
PID控制的优点如下：
1.适应性强，可以广泛的应用于各种行业；
2.算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现[11]。
因为以上优点，PID控制越来越受人们的欢迎。
人们需要测量和控制温度，很长一段时间，国内外科技工作者对温度控制器进行了研究开发，从而出现了PID温度调节器。
2.4.1PID控制原理
PID通过对三个参数的控制实现对温度的控制，对于一个控制系统，合理设置这三个参数才可以达到更好的控制效果。
图5PID控制系统原理图
如图5所示，PID控制器各部分在控制中的调节规律及作用的简单介绍如下：
1.比例增益P
比例增益P用于改变误差来设置信号放大系数的不同；
2.积分时间I
通过比例增益P放大不同信号的积分时间增加（或减少），以减缓变化的步伐，防止振动；
3.微分时间D
微分时间D是提前调整动作，缩短时间，调整动态误差。
2.4.2PID的反馈逻辑及参数调整原则
反馈逻辑指反馈信号被感应到就可以实现输出。
寒冷的冬天，如果返回水温很低，反馈信号减少，表明室温较低，要求提高逆变器的输出频率和电机转速[12]。
由此可见，相同的偏置温度低，反馈信号减少，但逆变器的频率是向相反的方向变化，这是逻辑的引入反馈的原因。
PID参数调整是结合实际工作情况，改变一个或同时改变多个参数来实现最佳的调节，从而会降低损坏时间，带来更多的经济效益。
第三章中央空调控制系统的硬件设计
3.1变频器的原理
基于PLC的中央空调控制系统硬件包含变频器、PLC、温度变送器和人机界面。
各个硬件都可以实现各自的功能。
各部分功能如下：
1.变频器：
为了调速，并降低启动电流；
2.PLC：
PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心，PLC控制器通过温度传感器和内存控制器，根据室内温度，换热控制速度，来控制变频器的频率，控制电机转速，调节水分含量，节约能源的目的；
3.温度变送器：
采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测温元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、电压电流转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的4～20mA电流信号输出[13]；
4.人机界面：
人机界面又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。
变频器原理是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
通过对变频器性能及实现的功能的对比，故采用西门子MM440变频器。
3.2西门子MM440变频器
西门子MM440变频器运行的环境条件：
1.变频器要求的环境温度都是0～40度，这个温度比较适合变频器正常运行；
2.空气的相对湿度≤95%，无凝露；
3.不允许变频器经常受到撞击，也不允许把变频器装在过多遭受震动的位置；
4.不允许把变频器装在距离电磁辐射源较近的位置。
3.3PLC选型
3.3.1PLC简介
PLC控制系统，既可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的[14]。
它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、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用[15]。
同时，PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
3.3.2PLC控制功能的选择
PLC控制功能的选择包括运算控制功能、通信编程功能、诊断功能和处理速度等特性。
1.运算控制功能
可编程逻辑控制器包括逻辑运算功能，定时和计数功能，还包括数据转换、比较操作函数和更复杂的算术与代数操作功能，数据传输，可以实现可编程序逻辑控制器、PID算法和其他先进计算函数的仿真。
控制功能包括：
PID控制、前馈补偿控制[16]。
2.通信编程功能
大中型可编程序逻辑控制器系统应该支持多种现场总线和标准通信协议（TCP/IP等），通信协议应符合ISO/IEEE沟通，应该是一个开放的通信网络。
PLC通信总线包括接口设备和电缆，应符合国际标准总线通信，通信距离应根据实际需求来设定，编程包括离线编程和在线编程两种方式。
3.诊断功能
可诊断出问题所在，并较快解决。
4.处理速度
目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4ms。
理论联系实际的同时，也为便于今后对系统的进一步改造或者提升，所以需要留出一定的I/O口以做扩展使用。
故选用的是西门子S7-200PLC作为主控制器，其主机型号为CPU226。
3.4系统电路连接
系统主电路连接示意图如图6所示。
图6系统主电路连接示意图
使用西门子S7-200PLC系统，CPU模型为226。
PLC集成通信端口的RS-485通信电缆，并设置TD200文本显示器，用于显示系统的工作状态和报警信息，MM440变频器可以与PLC串行通信，通过控制传感器来确定冷冻泵的工作频率。
假设该系统应用在100平米的公寓，其空调系统的设备如下：
1.冷冻机主机2台；
2.冷冻水水泵6台，3用3备用，冷冻水水泵功率22千瓦。
则中央空调控制系统的环境参数如表1所示。
表1中央空调控制系统的环境参数
季节
舒适度等级
温度（℃）
相对湿度（%）
风速（m/s）
冬季
Ⅰ
22~24
30~60
≤0.2
Ⅱ
18~21
60
≤0.2
夏季
Ⅰ
24~26
40~70
≤0.25
Ⅱ
27~28
40~70
≤0.25
第四章中央空调控制系统的软件设计
4.1设备间通讯
4.1.1USS协议
S7-200与西门子MicroMaster系列变频器（如MM440、MM420、MM430以及MM3系列、新的变频器SINAMICSG110）之间使用USS通信协议进行通信。
通过STEP7-Micro/WIN32V3.2以上版本指令库中的USS指令库，可以对读写驱动程序参数进行设置，实现S7-200与变频器间的通信。
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