PLC的中央空调控制系统.docx

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PLC的中央空调控制系统

PLC设计与调试

课程设计报告内容

课程设计报告内容、格式各专业根据专业不同统一规范，经教研室主任审核、主

管院长审批备案。

注：

1.课程设计任务书和指导书在课程设计前发给学生，设计任务书放置在设计报告封面后和正文目录前。

2.为了节省纸张，保护环境，便于保管实习报告，统一采用A4纸，实习报告建议双面打印（正文采用宋体五号字）或手写。

12/13学年第二学期

PLC应用技术课程设计任务书

指导教师：

蔡长青张卓班级：

自动化1141、2班地点：

PLC512教室

课程设计题目：

基于PLC控制的中央空调系统

一、课程设计目的

本课程设计的目的在于培养学生运用已学的PLC控制技术的基础知识和基本理论，加以综合运用，进行PLC控制系统设计的初等训练，掌握用PLC进行系统控制设计的原则、设计内容和设计步骤，为从事PLC相关的毕业设计或今后的工作需要打下良好的基础。

二、课程设计内容（包括技术指标）

1、控制面板介绍

空调的控制面板如上图所示，使用时，按动启动按钮，根据使用者的需求从左到右依次选择工作模块。

（1）制冷制热模块的选择是根据人的操作决定，同时可以选择吹风，定时模式，温度比较是PLC中自动进行的。

（2）当室内温度达到设定温度值时，通过PLC自动控制，室内风机停止，当室内温度重新超出设定温度值时，室内风机自动启动。

（3）启动定时器时，当定时时间到，室内外风机停止工作。

（4）通过变频器控制风机转速，达到变频控制目的，实现最优控制。

2、中央空调系统工作过程

首先启动冷（热）水泵，当通水管道充满水后，延时启动压缩电机，实现初步节能与安全。

此时中央空调启动，可以实现单独房间的控制。

打开房间1开关，室内风机先启动，通过定时器延时控制一段时间，启动室外风机，自动进行温度比较，启动定时器，定时时间到，室内外风机关闭。

打开房间2开关，室内风机先启动，通过定时器延时控制一段时间，启动室外风机，自动进行温度比较，启动定时器，定时时间到，室内外风机关闭。

打开房间3开关，室内风机先启动，通过定时器延时控制一段时间，启动室外风机，自动进行温度比较，启动定时器，定时时间到，室内外风机关闭。

注：

不同房间单独独立控制不受外部干扰。

3、交流电机正反转控制

交流电机由变频器来控制转速，转速分为四级：

1200r/min，800r/min，600r/min，400r/min。

4、传感器

温度传感器：

用于室内温度的高低

编码器：

用于检测电机的转速

三、课程设计原则

1、尽可能地满足被控对象的控制要求；

2、在满足控制的前提下，力求使控制系统简单、经济；

3、保证控制系统安全可靠；

4、考虑到被控对象的改进，在选择PLC的I/O数量时，应适当留有余量。

四、课程设计步骤

1、对控制系统任务和要求作深入的调查研究，明确控制任务；

2、选择和确定用户I/O设备

根据传统控制线路，确定出PLC改造所需的各种输入/输出设备，即各种按钮、开关、继电器和接触器等。

3、确定系统整体设计方案，选择PLC型号

确定系统整体设计方案十分重要，要在全面了解控制要求的基础上确定电气控制方案。

根据所选用的电器或元件的类型和数量，计算所需PLC的输入/输出点数，选择合适的点数。

由于本设计中只涉及到开关量，因此在选择PLC型号时，只需考虑I/O点数，并有一定的余量（10%~15%）选择小型PLC。

4、控制系统的硬件设计

（1）主电路的设计；

（2）确定出输入、输出信号，画出PLC的I/O接线图。

5、控制系统的软件设计

（1）首先分别设计出全自动洗衣机各部分的控制软件梯形图；

（2）整体控制软件梯形图设计。

6、联机调试；

7、撰写设计说明书。

五、时间安排

时间

内容

备注

第15周周一

集中讲解课程设计要求，分配设计题目，明确任务和具体安排

周二

调研、查阅资料、给出设计方案

周三

检查设计方案，

周四

调整设计方案

周五

上机调试

第16周周一

上机调试

周二

上机调试

周三

写课程设计报告

周四

老师对报告进行初步检查

周五

答辩

六、基本要求

（一）课程设计报告

1．控制流程图一张（A4）（手绘）

2．控制系统硬件设计图一张；（A4）（手绘）

3．控制系统软件梯形图一张；（A4）（手绘）

4．设计说明书一份，包括以下内容

1）写出设计计划和基本步骤。

2）写出控制要求并画出设计流程图。

3）画出I/O分配表和I/O接线图。

4）画出具体设计的梯形图，并加以注释。

5）写出调试过程和结果。

6）写课程设计小结。

（二）成绩评定标准

对学生进行全面考核，重点考核设计图纸、说明书质量；独立思考、独立工作能力，综合运用知识的能力；平时的工作态度及表现；答辩情况。

最后按平时表现、报告质量、答辩成绩，其权重分别为0.2、0.4、0.4综合评定成绩，分优、良、中、及、不及格五个等级。

组长：

李志萍

副组长：

祁宇晗

组员：

高海风、王勇、冯元胜、邢洋

任务分配

任务一

资料准备

任务二

总体设计

任务三

绘图

任务四

绘制梯形图

任务五

调试

任务六

报告排版

祁宇晗

李志萍

冯元胜

邢洋

王勇

高海风

冯元胜

邢洋

祁宇晗

李志萍

王勇

高海风

祁宇晗

李志萍

冯元胜

邢洋

高海风

冯元胜

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，本文重点研究了中央空调冷冻泵机组控制系统，为舒适的生活工作环境及有效节能提供了技术条件。

本文首先介绍了中央空调的结构和工作原理，总结了传统中央空调的缺点，即冷冻泵、冷却泵不能自我调节负载，长期处于满负荷运行，造成了极大的能源浪费，随着变频技术日趋成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，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，利用传统PID控制算法，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。

通过对中央空调的理论分析，验证了以出回水温差为根据对其进行变流量控制的可靠性。

对变频控制系统进行了设计，为实现温度信号远距离传送，设计了基于USS协议的RS-485总线通讯的网络。

通过西门子TD200文本显示器实现人机界面的设计，最后使用MCGS工控组态软件进行了系统的组态设计研究。

关键词

中央空调；PLC；变频器；PID；

Abstract

Centralairconditioninghasbeenwidelyusedinmajorshoppingmalls,officebuildingsandotherplaces,thetraditionalcontrolsysteminthecontrolofsuitabletemperatureatthesametime,itconsumesalotofenergy.nowadays,peoplepaymoreandmoreattentiontocentralairconditioningcomfortandenergyefficiency,thispaperfocusesontheresearchofcentralairconditioningrefrigerationpumpunitcontrolsystem,forcomfortablelivingandworkingenvironmentandeffectiveenergy-savingprovidetechnicalconditions.

Thispaperintroducesthestructureandworkingprincipleofcentralairconditioning,summarizesthetraditionalcentralair-conditioningsystemshortcomings,namelyrefrigerationpump,coolingpumpcannotselfregulationinlong-termload,fullloadoperation,causinggreatwasteofenergy,alongwiththefrequencyconversiontechnologyismaturewitheachpassingday,theuseoffrequencyconverter,PLC,digitaltoanalogconversionmodule,temperaturesensorsandotherdevicestheorganiccombinationofform,thermoelectricclosed-loopautomaticcontrolsystem,automaticallyadjustthepumpoutputflowtoachievethepurposeofenergysaving.ThesystemadoptsSiemensS7-200PLCasthemaincontrolunit,byusingthetraditionalPIDcontrolalgorithm,throughtheMM440Siemensinvertercontrolpumpspeed,ensurethesystemaccordingtotheactualloadadjustingflow,toachieveconstanttemperaturecontrol,butalsocansavealotofenergy.

Throughthetheoreticalanalysisonthecentralairconditioning,provedtoabackwatertemperaturebasedonthevariableflowcontrolreliability.Thefrequencyconversioncontrolsystemwasdesigned,inordertorealizethetemperaturesignalremotetransmissionbasedonUSSprotocol,thedesignofRS-485buscommunicationnetwork.SiemensTD200textdisplayisrealizedthroughtheman-machineinterfacedesign,finallyusingtheMCGSconfigurationsoftwareforsystemconfigurationdesignandresearch.

Keywords

Centralairconditioning；PLC；frequencyconverter；PID；

1绪论1

1.1中央空调的制冷原理1

1.2中央空调的制热原理2

1.3中央空调的不同系统3

1.4中央空调控制系统的发展4

2设计方案5

2.1控制系统的比较5

2.2中央空调的主要指标6

2.3检测电路6

2.4电机调速方式选择6

3系统硬件设计7

3.1控制系统组成（PLC）7

3.2传感器7

3.3变频器介绍8

3.4变频器的原理9

3.5中央空调应用变频节能特点9

3.6电动机介绍9

3.8可编程控制器的选择10

3.9可编程控制器的外围接线图11

3.10硬件实际连接示意图11

4系统软件设计12

4.1PLC主程序流程图12

4.2工作方式介绍13

5调试14

5.1现场联机14

6.总结15

致谢16

参考文献17

附录[1]中央空调控制系统电路图18

附录[2]梯形图18

附录[3]元件清单23

1绪论

中央空调系统由冷热源系统和空气调节系统组成。

采用液体汽化制冷的原理为空气调节系统提供所需冷量，用以抵消室内环境的冷负荷；制热系统为空气调节系统提供用以抵消

室内环境热负荷的热量。

制冷系统是中央空调系统至关重要的部分，其采用种类、运行方式、结构形式等直接影响了中央空调系统在运行中的经济性、高效性、合理性。

中央空调软化水设备应用范围：

全自动软水器：

可广泛应用于蒸汽锅炉、热水锅炉、交换器、蒸发冷凝器、空调、直燃机等系统的补给水的软化。

还可用于宾馆、饭店、写字楼、公寓等生活用水的处理及食品、饮料、酿酒、洗衣、印染、化工、医药等行业的软化水处理。

中央空调系统由冷热源系统和空气调节系统组成，制冷系统为空气调节系统提供所需冷量，用以抵消室内环境的冷负荷；制热系统为空气调节系统提供用以抵消室内环境热负荷的热量。

制冷系统是中央空调系统至关重要的部分，其采用种类、运行方式、结构形式等直接影响了中央空调系统在运行中的经济性、高效性、合理性。

1.1中央空调的制冷原理

气态制冷工质（如氟利昂）经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器，与水（空气

风冷式制冷系统（图）

进行等压热交换，变成低温高压液态。

液态工质经干燥过滤器去除水份、杂质，进入膨胀阀节流减压，成为低温低压液态工质，在蒸发器内汽化。

液体汽化过程要吸收汽化潜热，而且液体压力不同，其饱和温度（沸点）也不同，压力越低，饱和温度越低。

例如，1kg的水，在绝对压力为0.00087MPa，饱和温度为5℃，汽化时需要吸收2488.7KJ热量；1kg的氨，在1个标准大气压力（0.10133MPa）下，汽化时需要吸收1369.59KJ热量，温度可抵达-33.33℃。

因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的汽化获取所要求的低温。

依此原理，汽化过程吸取冷冻水的热量，使冷冻水温度降低（一般降为7℃）。

制冷工质在蒸发器内吸取热量，温度升高变成过热蒸气，进入压缩机重复循环过程。

蒸气压缩式制冷系统主要分为水冷式和风冷式，如图2-1和图-2所示。

压缩机

水冷式制冷系统（图）

制冷压缩机是蒸气压缩式制冷装置的一个重要设备。

制冷压缩机的形式很多，根据工作原理的不同，可分为两大类：

容积式制冷压缩机和离心式制冷压缩机。

常用的压缩机主要有活塞式压缩机、涡旋式、螺杆式以及离心式压缩机，如图2-3所示。

容积式制冷压缩机是靠改变工作腔的容积，将周期性吸入的定量气体压缩。

常用的容积式制冷压缩机有往复活塞式制冷压缩机和回转式制冷压缩机。

离心式制冷压缩机是靠离心力的作用，连续地将所吸入的气体压缩。

这种压缩机的转数高，制冷能力大。

国外空调用氟利昂离心式制冷压缩机的单机制冷量高达30000kw。

1.2中央空调的制热原理

压缩机吸入低压气体经过压缩机压缩变成高温高压气体，高温气体通过换热器把水温提高，同时高温气体会冷凝变成液体。

液体再进入蒸发器进行蒸发，（蒸发器蒸发的同时也要有换热媒体，根据换热的媒体不同机器的型号结构也不同。

常用的有风冷和地源。

）液体经过蒸发器后变成低压低温气体，低温气体再次被压缩机吸入进行压缩。

就这样循环下去，空调侧循环水就变成45-55度左右的热水了。

热水经过管道送到需要采暖的房间，房间安装有风机盘管把热水和空气进行热交换实现制热目的。

1.3中央空调的不同系统

1）水系统工作原理

水冷中央空调包含四大部件，压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器，制冷剂依次在上述四大部件循环，压缩机出来的冷媒（制冷剂）高温高压的气体，流经冷凝器，降温降压，冷凝器通过冷却水系统将热量带到冷却塔排出，冷媒继续流动经过节流装置，成低温低压液体，流经蒸发器，吸热，再经压缩。

在蒸发器的两端接有冷冻水循环系统，制冷剂在此次吸的热量将冷冻水温度降低，使低温的水流到用户端，再经过风机盘管进行热交换，将冷风吹出。

2）风系统工作原理

新风的传输方式采用置换式，而非空调气体的内循环原理和新旧气体混合的不健康做法，户外的新颖空气经过负压方式会自动吸入室内，经过安装在卧室、室厅或起居室窗户上的新风口进入室内时，会自动除尘和过滤。

同时，再由对应的室内管路与数个功用房间内的排风口相连，构成的循环系统将带走室内废气，集中在排风口“呼出”，而排出的废气不再做循环运用，新旧风形良好的循环。

3）盘管系统工作原理

风机盘管空调系统的工作原理，就是借助风机盘管机组不断地循环室内空气，使之通过盘管而被冷却或加热，以保持房间要求的温度和一定的相对湿度。

盘管使用的冷水或热水，由集中冷源和热源供应。

与此同时，由新风空调机房集中处理后的新风，通过专门的新风管道分别送入各空调房间，以满足空调房间的卫生要求。

风机盘管空调系统与集中式系统相比，没有大风道，只有水管和较小的新风管，具有布置和安装方便、占用建筑空间小、单独调节好等优点，广泛用于温、湿度精度要求不高、房间数多、房间较小、需要单独控制的舒适性空调中。

1.4中央空调控制系统的发展

（1）在单室内机的房间空调器方面

变频技术、微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件。

我国自90年代初开始研究空调器的智能控制，现已研制出多种形式的变频空调器或智能空调器，对推进我国空调业的进步作出了贡献。

西安交大朱瑞琪于1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术。

李家朋针对我国房间空调器普遍采用单相压缩机的现状，探索开发出两相变频器，并应用电子膨胀阀进行变流量控制，利用16位微机并引进模糊概念提高空调器的控制功能，为变频空调器国产化作出了大胆的探索。

李家朋在空调器舒适性和节能运行的控制中，提出了用表征房间热负荷大小的“热容C”和表征房间漏热程度的“热阻R”进行模糊辩识的方法。

研究表明，用此方法研制的模糊控制空调器会按季节、气温、漏热情况等条件，自动地选择合适的工作模式，保证了空调环境的舒适度和制冷系统的节能要求。

（2）在多室内机的房间空调器（一机多挂系统）方面

由于多室内机空调器的节能和舒适性控制，涉及到必须对系统中的工质循环量和进入各室内机的工质流量加以严格精确地控制问题，它不仅与系统的控制有关，同时也与系统的设计有着密切的关系。

在这方面，目前国内主要是在研制一拖二和一拖三空调器，根据其结构形式和运转特点可分为如下四种方式。

1）一台定速压缩机对应一台室内机的多制冷系统。

这种机型在控制上难度最小，但结构复杂、体积大、成本高，不能体现一机多挂系统的价格优势和节能优势。

2）单台定速压缩机多台室内机间歇供冷（热）系统。

由于制冷工质按时间交替分配给各室内机，所以根本不能满足室内环境的舒适性要求。

3）单台定速压缩机多台室内机同时供冷（热）系统。

这种系统采用定速压缩机，降低了空调器成本，并能减少压缩机的启停次数，较好地实现房间的舒适性控制。

但并不能从本质上解决压缩机的起停损失和对电网的冲击，不能提高空调器的能效比和季节性能比。

4）单台变频压缩机多台室内机同时供冷（热）系统。

通过采用电子膨胀阀调节进入各室内机的工质流量，使之满足各室内的冷（热）负荷要求，改变压缩机的运转频率调节制冷系统所需要的工质循环量，并采用软硬件相结合的方式调节室内外风扇转速、四通阀、室内机的风向调节板等可控部件，实现室内环境的高舒适性和系统的节能控制。

随着智能建筑在中国的飞速发展，楼宇自动控制技术和装置也得到快速的发展。

对于楼宇自动控制而言，在确保建筑内舒适和安全的办公环境的同时，还要实现高效节能目的。

因此诞生了综合现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术和现代图形显示技术的集散型控制系统。

集散型中央空调监控系统在我国的智能建筑中得到广泛应用，其自动监视、测量、控制和管理功能是相当优越的，自动化程度高，节约了大量的劳动力和运行费用[3]。

20世纪90年代未至21世纪初，我国在中央空调系统的控制领域，同时推出两项节能技术和产品：

中央空调变频调速控制节能系统和中央空调变流量控制节能系统。

将这两项技术相结合，在集散型中央空调监控系统的基础上，增加PLC和变频技术，并且与智能控制方法相结合，将原有的定流量系统改为变流量控制系统，从而使中央空调的各泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化，就能够在保证负荷需求的前提下，实现中央空调系统的最大节能。

国内还有一些科研机构和企业的科研团体，也都开展了智能空调器的研制工作，其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的研究，其研究成果还未见公开发表。

智能型空调器是一个综合技术的聚合体，开发难度较大，现在的样机或产品在控制模式上、控制系统的稳定性和鲁棒性方面相比国际先进技术还存在很大的差距，有待于进一步的研究和提高。

目前，中央空调控制方法有双位ON／OFF控制、PID控制、最优控制、模糊控制等方法。

以PID算法为核心的各种DDC控制系统是目前中央空调工程和设备较普遍的使用方法，这种控制方法在工况较稳定的情况下，可以得到较好的控制效果。

2设计方案

2.1控制系统的比较

（1）PLC系统的特点

1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。

对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。

2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。

3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。

（2）单片机系统的特点：

1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。

2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。

3）功能单一知识具有使用中所需要的功能。

但是，它结构简单，处理速度快。

2.2中央空调的主要指标

（1）定时设计：

根据实际情况，采用定时器方便控制。

（2）模式设计：

根据实际情况，分为制冷、吹风和供暖，可以相互配合控制。

（3）调速设计：

采用变频调速。

（4）手动环节：

手动停机，手动定时。

2.3检测电路

（1）温度检测：

用于检测当前模式下室内温度高低。

（2）转速检测：

用于检测电机转速是否达标。

2.4电机调速方式选择

三相交流电机的调速方式大致分为以下几种：

调压调速、调电枢电阻调速、调磁通调速，变频调速。

在洗衣机发展过程中，对于速度的调整又有以下几种常见的调速方法：

皮带调速、离合器调速、变频调速。

在现场，调压调速、调磁通调速都是有一定缺陷的。

而皮带调速和离合器调速都是有