基于PLC的中央空调控制系统设计最新论文设计.docx
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优秀论文
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哈尔滨理工大学
毕 业 设 计
题 目：
基于PLC的中央空调控制系统设计院、 系：
自动化学院自动化系
系主任：
2012年06月25日
I
II
哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书
III
基于PLC的中央空调控制系统设计
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；RS-485
PLCBasedCentralAirConditioningControlSystemDesign
Abstract
Centralairconditioningwidelyusedinmajorshoppingmalls,officebuildingsandotherplaces,thetraditionalcontrolsysteminthecontrolofsuitabletemperatureatthesametime,itconsumesalotofenergy.nowadays,peoplepaymoreandmoreattentiontocentralairconditioningcomfortandenergyefficiency,thispaperfocusesontheresearchofcentralairconditioningrefrigerationpumpunitcontrolsystem,forcomfortablelivingandworkingenvironmentandeffectiveenergy-savingprovidetechnicalconditions.
Thispaperintroducesthestructureandworkingprincipleofcentralairconditioning, summarizes the traditional central air-conditioning systemshortcomings,namelyrefrigerationpump,coolingpumpcannotselfregulationinlong-termload,fullloadoperation,causinggreatwasteofenergy,alongwiththefrequencyconversiontechnologyismaturewitheachpassingday,theuseoffrequencyconverter,PLC,digitaltoanalogconversionmodule,temperaturesensorsandotherdevicestheorganiccombinationofform,thermoelectricclosed-loopautomaticcontrolsystem,automaticallyadjustthepumpoutputflowtoachievethepurposeofenergysaving.ThesystemadoptsSiemensS7-200PLCasthemaincontrolunit,byusingthetraditionalPIDcontrolalgorithm,throughtheMM440Siemensinvertercontrolpumpspeed,ensurethesystemaccordingtotheactualloadadjustingflow,toachieveconstanttemperaturecontrol,butalsocansavealotofenergy.
Throughthetheoreticalanalysisonthecentralairconditioning,provedtoa
backwatertemperaturebasedonthevariableflowcontrolreliability.Thefrequencyconversioncontrolsystemwasdesigned,inordertorealizethetemperaturesignalremotetransmissionbasedonUSSprotocol,thedesignofRS-485buscommunicationnetwork.SiemensTD200textdisplayisrealizedthroughtheman-machineinterfacedesign,finallyusingtheMCGSconfigurationsoftwareforsystemconfigurationdesignandresearch.
KeywordsCentralairconditioning；PLC；frequencyconverter；PID；RS-485
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2中央空调控制的研究现状及发展 2
1.2.1中央空调控制系统的发展 2
1.2.2中央空调变流量控制的发展 3
1.3本研究课题的主要工作 4
第2章中央空调变流量控制的原理 5
2.1中央空调系统的结构和原理 5
2.1.1概述 5
2.1.2制冷原理 5
2.1.3中央空调系统的构成 5
2.2中央空调变流量控制的原理及特点 5
2.2.1变流量空调系统概述 5
2.2.2中央空调变流量控制的实现方式 7
2.2.3中央空调系统变流量系统的特点 9
2.3电机的软启动原理及应用 10
2.3.1软启动设备介绍 10
2.3.2软启动器的应用场合 10
2.3.3软启动器与变频器之间的区别对比 10
2.4PID控制的设计 11
2.4.1PID控制原理 11
2.4.2PID控制器的参数整定 12
2.4.3PID的反馈逻辑 12
2.4.4P、I、D参数调整原则 13
2.4.5对空调系统的PID变频控制 13
2.4.6实现设定值的自动调节 13
2.4.7PID控制器设计及实现 13
2.5本章小结 15
第3章中央空调控制系统的硬件设计 16
3.1变频器的原理 16
3.2西门子MM440变频器性能介绍 16
3.2.1主要特征 17
3.2.2控制性能的特点 17
3.2.3保护功能 17
3.2.4变频器运行的环境条件 17
3.2.5使用变频器设计系统时需注意的问题 18
3.3PLC选型 18
3.3.1PLC简介 18
3.3.2PLC控制功能的选择 18
3.3.3西门子S7-200PLC介绍 20
3.3.4模拟量IO模块的种类 20
3.3.5EM231技术指标 21
3.3.6EM232技术指标 21
3.3.7EM231RTD接线及注意事项 21
3.4PT100温度传感器 21
3.5PT100温度变送器 22
3.6人机界面设计 22
3.7系统硬件设计 23
3.8本章小结 25
第4章控制系统软件设计 26
4.1设备间通讯 26
4.1.1RS-485介绍 26
4.1.2USS协议 26
4.2PLC的初始设定 27
4.3PLC主程序流程图 29
4.4PLC编程软件 30
4.5程序设计 30
4.5.1中央空调控制系统的IO分配表 30
4.5.2程序中使用的存储器及功能 31
4.6中央空调控制系统的MCGS组态 32
4.6.1MCGS组态软件简介 32
4.6.2MCGS6.2通用版介绍 32
4.6.4系统脚本程序编写 34
4.6.5组态运行界面 35
4.7本章小结 36
结论 37
致谢 38
参考文献 39
附录C 40
1.1课题背景
第1章绪论
随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，为了保证温度恒定，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，例如酒店、宾馆、办公大厦、商场、工厂厂房等场所。
随着时间的推移，人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了。
舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求，希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度。
统计数字显示，传统的中央空调控制系统耗电量极大，且存在巨大的能源浪费。
中央空调系统普遍存在着30％以上的无效能耗，有些中央空调系统的无效能耗甚至可以高达50％以上。
采用新技术降低系统能耗成为当务之急。
因为能源是发展国民经济的重要因素，我国近年来能源短缺的现实，节能减排才是重中之重。
建设节能型社会，促进经济可持续发展，是实现全面建设小康社会宏伟目标，构建和谐社会的重要基础保障[1]。
在传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔风机系统、风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的，且留有充足余量。
不管在什么时间，负荷的多少，各电机都长期处在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节的功能，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。
有个例子可以很好的说明这些，中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵，一年四季长期在固定的最大流量下工作，但由于季节、昼夜和用户负荷的变化，在绝大部分时间内，空调的实际热负载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比，一年中负载率在50％以下的小时数约占全部运行时间的60%以上。
一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～5℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1～3℃，即在低温差、大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失，严重浪费了水泵运行的输送能量。
也就是说，中央空调系统存在着至少30％以上的节能空间。
这至少30%的节能空间来源于很多方面：
第一，负荷估算值偏大，系统消耗能量大大增加，现在的新型制冷主机可以根据负载的变化自动加载、卸载，而水泵的流量却不能随制冷主机而调节，必然存在很大的能量浪费；除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的，系统并不能做出相应的调节，许多环节上都留有节能空间。
第二，空调主机选型容量加大，在冷负荷估算值加大后，空调主机制冷量也相应的加大。
第三，水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，冷冻水系统和冷却水系统中消耗了水泵较大的输送能量。
在传统的运行方式下，只要启动水泵，就会在工频满负荷状态下运行。
第四，起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响。
起动电流通常为额定值的5倍左右，电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触
点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。
为此，如果能通过冷冻水供回水温度、压差，冷却水泵的流量等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起停，使空调系统高效、节能运行，将产生非常明显的经济效果。
另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频器调速，采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高调节和控制的精度，从而方便地实现恒温空调系统[2]。
空调节能的目的是有效利用能源，以最小的能耗创造出一个适合人居住、工作的室内环境。
空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗，提高能源利用率，对减少温室气体排放，减轻环境污染，实现人类社会的可持续发展。
1.2中央空调控制的研究现状及发展
1.2.1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。
1.2.2中央空调变流量控制的发展
空调水系统最重要的目的是为空调系统的各末端装置提供能量的交换，如何在满足这个要求的前提下尽可能的节能，是首先需要解决的问题。
冷水系统的设计已经历了大约六、七十年的发展，并仍在不断地完善。
在这个发展和完善的过程中总是不断的遇到新问题，如：
冷水温差过小、水系统阻力损失过大、管网水力不平衡等问题，这些问题的不断解决最终推动了变流量技术的发展。
变流量空调技术的发展，与控制技术和水泵变频技术的发展是紧密相联的，可以说变流量技术是随着变频技术的出现才逐渐发展起来的[4]。
这种技术在美国得到了广泛的研究和应用。
在变频技术和数字控制技术出现之前，通常不考虑负荷的变化，冷冻水泵以固定的流量输运冷冻水到环路中。
这种做法的后果不仅造成了能耗的浪费，还导致冷冻水系统的供、回水低温差运行。
从九十年代术期开始，随着计算机及电子技术的高速发展，变流量技术也得到深入的发展。
水泵、变频驱动器、控制器等设备性能的提高大大满足了水系统控制的要求。
随着变流量技术的成熟，在国外应用变流量技术开始成为暖通行业的标准。
在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行管理控制方法，具体控制方法上，基本上采用多个回路的PID控制[5]。
各种类型的PID控制器因其参数物
理意义明确、易于调整，并且具有一定的鲁棒性，因而得到了广泛的应用。
PID控制器之所以能够在过程控制领域获得广泛地应用，是因为在实际的应用中PID控制器的设计可只借助于系统输出等反馈信息进行控制，从而减少了控制系统对对象模型的依赖性。
目前，中央空调控制方法有双位ONOFF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。
1.3本研究课题的主要工作
本文在分析和综合了PID控制的特点、发展趋势以及中央空调控制任务的基础上，对中央空调冷冻水机组采用传统PID控制，对基于USS通信协议的RS-485总线设计的控制系统进行了研究，并进行了组态设计，最终设计了中央空调变频节能控制系统。
研究工作的具体内容如下：
1、对空调系统变频控制进行了理论分析。
2、对变频控制系统进行设计，以实现工频变频切换功能。
3、设计了基于RS-485网络的控制系统。
可将采集的出回水温度等数据信号通过网络送到主控系统，实现远距离传送。
4、文中对冷冻水机组的控制系统进行了硬件和软件的设计，采用西门子
TD200文本显示屏作为人机界面，西门子S7-200PLC作为主控制器，用一台变频器结合工频供电的方式，灵活的驱动冷冻水机组的三台水泵。
第2章中央空调变流量控制的原理
2.1中央空调系统的结构和原理
2.1.1概述
空调即空气调节器，挂式空调是一种用于给空间区域提供处理空气温度变化的机组。
它的功能是对该房间或区域内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。
中央空调系统是一种大型的对建筑物进行集中空气调节并进行管理的设备，一般由空气处理设备、送（回）风机、送（回）风通道、空气分配装置及冷、热源等组成。
根据需要，它们能组成不同形式的系统。
在工程实际中，应从建筑物的用途和性质，热湿负荷特点、空调机房面积和位置、初投资和运行维修费用等许多方面去考虑，选择合理的空调系统。
2.1.2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）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，在蒸发器内气化。
液体气化过程要吸收气化潜热，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℃，气化时需要吸收2488.7KJ热量；1kg的氨，在1个标准大气压力（0.10133MPa）下，气化时需要吸收1369.59KJ热量，温度可抵达-33.33℃。
因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的气化获取所要求的低温。
依此原理，气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。
2.1.3中央空调系统的构成
中央空调系统包括空调主机，风机盘管系统、水系统及相应的控制系统。
空调主机由压缩机、蒸发器和冷凝器组成，风机盘管系统为房间内的末端，水系统出冷冻水循环系统、冷却水循环系统组成[7]。
典型的中央空调系统的结构如图2-1所示,冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。
因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制是中央空调控制系统的重要组成部分。
2.2中央空调变流量控制的原理及特点
2.2.1变流量空调系统概述
早前，国内的中央空调系统，基本上都采用传统的定流量控制方式。
也就是说，只要启动空调主机，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在50Hz工频状态下运行。
定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持恒定，当负荷发生变化时，通过改变供水或回水温度来满足要求。
定流量供水方式最主要的优点是系统简
单，不需要复杂的自控设备。
但这种控制方式存在以下问题：
（1）中央空调系统是一个多参量、非线性、时变性的复杂系统，由于末端负荷的频繁波动，必然造成系统的运行参量偏离空调主
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