畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-S7-200模塊式空調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目 錄 摘要 . I Abstract . II 1 PLC 及模塊式空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 . 1 1.1 可編程序控制器的硬件基礎(chǔ) . 1 1.2 可編程序控制器的軟件基礎(chǔ) . 1 1.3 可編程控制器的選擇 . 1 1.4 模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的功能要求 . 1 1.5 模塊式空調(diào)的結(jié)構(gòu) . 3 1.6 模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的工作原理 . 6 2 硬件系統(tǒng)配置 . 7 2.1 PLC 選型 . 7 2.2 PLC 的 I/O 資源配置 . 8 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 10 3.1 總體流程設(shè)計(jì) . 10 3.2 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì) . 12 4 結(jié)論 . 17 參考文獻(xiàn) . 18 致謝 . 19 I 摘 要 由于智能建筑的迅猛發(fā)展，并且已成為 21 世紀(jì)建筑行業(yè)的發(fā)展主流，而空調(diào)系統(tǒng)則是此類(lèi)建筑中自動(dòng)化方面的一個(gè)重要組成部分，因此在各個(gè)行業(yè)、部門(mén)中得到了廣泛的應(yīng)用， PLC 以其體積小、成本低和功能專(zhuān)一等特點(diǎn)在工業(yè)控制方面的應(yīng)用已日趨明顯，并在發(fā)電、化工、電子等行業(yè)的電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的控制，可以確保大廈內(nèi)中央空調(diào)系統(tǒng)處于高效、節(jié)能、最佳運(yùn)行狀態(tài)。本課題采用西門(mén)子 SIMATIC S7-200 系列 PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)該中央空調(diào)模型的控制。該 PLC 控制系統(tǒng)使該空調(diào)系統(tǒng)按照一定的邏輯順序?qū)崿F(xiàn)啟?？刂?，包括冷源（壓縮式制冷系統(tǒng)）的監(jiān)控、冷凍水系統(tǒng)的監(jiān)控、冷卻水系統(tǒng)的監(jiān)控。 關(guān)鍵詞 ： PLC； 中央空調(diào) ；控制 II ABSTRACT Because of the rapid development of intelligent building, and has become the 21st century building industry development, and air conditioning system mainstream is such building automation, therefore an important part in all industries, departments in a wide range of applications, PLC with its small size, low cost and functional single-minded in industrial control characteristics such as applications are becoming clear, and in power generation, chemical, electronic industries of electrical control, has been widely used. Use PLC to control the central air conditioning system of building, can ensure that the central air conditioning system in high efficiency, energy saving, optimal operating status. This subject adopts Siemens SIMATIC S7-200 PLC on this series of central air conditioning model control. The PLC control system makes the air conditioning system according to certain logical sequence realize start-stop control, including cold source (compression type refrigeration system) monitoring and chilled water system monitoring, of the cooling water system for monitoring. Keywords: PLC; Air conditioning; control 1 1 PLC 及模塊式空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.1 可編程序控制器的硬件基礎(chǔ) 可編程序控制器是用來(lái)執(zhí)行具體的控制，具體的工藝要求和具體的工作環(huán)境決定了可編程序控制器的選擇具體的 I/O 模塊和系統(tǒng)配置。 1.1.1 可編程序控制器的接口模塊 接口模塊負(fù)責(zé)把外部設(shè)備的信息轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠接收的信號(hào)，同時(shí)把 CPU發(fā)送到外部設(shè)備的信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的電平。接口模塊不僅能起到轉(zhuǎn)換電平的作用，還可以起到 外部設(shè)備的電信號(hào)與 CPU 的隔離作用，同時(shí)也可以起到抗干擾和濾波等作用 1。 1.1.2 可編程序控制器的配置 PLC 的配置可分為三種：基本配置、近程擴(kuò)展配置和遠(yuǎn)程擴(kuò)展配置 1。 1.2 可編程序控制器的軟件基礎(chǔ) 可編程序控制器的軟件分為兩大部分，系統(tǒng)監(jiān)控程序和用戶程序。 系統(tǒng)監(jiān)控程序是由可編程序控制器的制造者編制的，用于控制可編程序控制器本身的運(yùn)行。另一部分為用戶程序。它是由可編程序控制器的使用者編制的，用于控制被控裝置的運(yùn)行。 1.3 可編程控制器的選擇 CPU226 本機(jī)集成了 24 點(diǎn)輸入 16 點(diǎn)輸 出共有 40 個(gè)數(shù)字量 I/O。可連接個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 78 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 10 路模擬量 I/O 點(diǎn)。 CPU222 有6K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存貯空間， 4 個(gè)獨(dú)立的 30KH高速計(jì)數(shù)器，路獨(dú)立的 20KH高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。它還配置了個(gè) RS-485 通訊編程口，具有 PPI 通訊、 MPI 通訊和自由方式通訊能力。 CPU226 具有擴(kuò)展能力、適應(yīng)性更廣泛的小型控制器。能夠滿足自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)的需要 2。 1.4 模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的功能要求 3 某中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示，冷卻水系統(tǒng)包括冷卻塔、冷卻泵 。制冷設(shè)備包括冷水機(jī)組和冷凍水泵，各類(lèi)管道即為圖 2 中的連線。在冷水機(jī)組中，主要由壓縮機(jī)、冷凝機(jī)和蒸發(fā)機(jī)三個(gè)設(shè)備構(gòu)成。該空調(diào)系統(tǒng)的主要作用是制冷，其中中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過(guò)程示意圖如圖 2 所示，可簡(jiǎn)單表述為：首先冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，然后冷凍水泵啟動(dòng)，接著啟動(dòng)冷卻水泵，最后啟動(dòng)冷卻機(jī)組，將制冷劑 2 壓縮成液體，進(jìn)入冷凝器轉(zhuǎn)變成液體，散發(fā)出熱量，通過(guò)冷卻水對(duì)冷水機(jī)組降溫，液態(tài)制冷進(jìn)入蒸發(fā)機(jī)后吸收熱量變成氣態(tài)又返回到壓縮機(jī)中，同時(shí)將冷凍水熱量吸收走，完成了對(duì)冷凍水的降溫，然后通過(guò)冷凍水泵進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)盤(pán)管吸收空氣中的熱量，達(dá)到降低 室內(nèi)溫度的目的。 圖 1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 啟動(dòng)后，各個(gè)設(shè)備按照順序依次啟動(dòng)，在回水端設(shè)有溫度傳感器檢測(cè)溫度，以判斷室內(nèi)的溫度是否達(dá)到了設(shè)定的要求，然后可通過(guò)變頻器控制冷凍水泵電機(jī)的速度，決定是加快冷凍水的流動(dòng)還是減慢它的流動(dòng)；當(dāng)停止系統(tǒng)時(shí)，仍然需要按順序依次停止設(shè)備，否則會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成損壞，尤其可能會(huì)使冷水機(jī)組部分故障。 圖 2 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過(guò)程 示意圖 啟動(dòng) 停止 冷卻塔風(fēng)機(jī)啟動(dòng) 冷凍水泵 啟動(dòng) 冷卻水泵啟動(dòng) 冷水機(jī)組啟動(dòng) 冷水機(jī)組停止 冷凍水泵停止 冷卻水泵停止 冷水風(fēng)機(jī)停止 溫度 傳感器 冷卻水系統(tǒng) 泵 制冷設(shè)備 傳感器 系統(tǒng) 室內(nèi) 泵 冷凍水系統(tǒng) 3 采用 PLC 來(lái)控制中央空調(diào)系統(tǒng)，可以完成以下功能。 （ 1）檢測(cè)用戶房間的溫度。 （ 2）控制功能。例如，控制中央空調(diào)系統(tǒng)的手動(dòng) /自動(dòng)工作方式、啟動(dòng)與停止、控制冷水機(jī)組的啟動(dòng)與停止、控制冷卻風(fēng)機(jī)、冷卻水泵的啟動(dòng)和停止、控制冷凍水泵的啟動(dòng)和停止、控制冷卻水和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、控制用戶房間的溫度。 1.5 模塊式空調(diào)的結(jié)構(gòu) 空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)制冷 /制熱傳送介質(zhì)的不同可分為全空氣系統(tǒng)和空氣 -水系統(tǒng)。 全空氣系統(tǒng)是指空調(diào)進(jìn)行制冷和制熱全部是由送風(fēng)空氣來(lái)承擔(dān)，根據(jù)回風(fēng)方式可以分為一次回風(fēng)式和兩次回風(fēng)式空調(diào)系統(tǒng)。 空氣 -水 系統(tǒng)是指?jìng)鬟f熱或冷的介質(zhì)分別由空氣和水構(gòu)成，此系統(tǒng)包括兩個(gè)子系統(tǒng)：風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)。風(fēng)系統(tǒng)的工作原理與全空氣系統(tǒng)相同，但它僅輸送新風(fēng)：而水系統(tǒng)則是將冷凍水或熱水從空調(diào)房輸送到室內(nèi)裝置中，通過(guò)散熱設(shè)備對(duì)室內(nèi)進(jìn)行這冷或加熱 4。 常用的空調(diào)根據(jù)系統(tǒng)的組合情況分為整體式和分體式兩種，整體式空調(diào)將空氣處理設(shè)備、制冷設(shè)備和電氣控制系統(tǒng)都安裝在一個(gè)整體框架中，構(gòu)成一個(gè)整體式的設(shè)備；分體式空調(diào)則是將空氣處理設(shè)備和制冷系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，空氣處理設(shè)備置于室內(nèi)成為室內(nèi)機(jī)，制冷系統(tǒng)則基本上全部設(shè)置在室外機(jī)中。所以室內(nèi)機(jī)主要包括蒸 發(fā)器、風(fēng)機(jī)、空氣過(guò)濾器等，室外機(jī)由壓縮機(jī)、冷凝器、機(jī)殼等組成。兩個(gè)部分一般采用兩根紫銅管連接，便于進(jìn)行制冷的循環(huán)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的空調(diào)系統(tǒng)。 1.5.1 空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)主要功能是完成對(duì)冷量和熱量的輸送，主要包括送風(fēng) /回風(fēng)結(jié)構(gòu)、風(fēng)管系統(tǒng)和風(fēng)機(jī) 5。 （ 1）送風(fēng) /回風(fēng)系統(tǒng)?？照{(diào)常用的送風(fēng)方式，主要有側(cè)送風(fēng)、孔板送風(fēng)、條縫送風(fēng)等幾種形式。對(duì)于要求室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍小的控制系統(tǒng)多采用前兩種和散流器送風(fēng)模式，除此之外，又出現(xiàn)了一個(gè)新型的送風(fēng)方式 置換送風(fēng)?？照{(diào)的回風(fēng)方式包括上回風(fēng)、下回風(fēng)和走 廊回風(fēng)三種方式。上回風(fēng)方式的回風(fēng)口一般位于房間的頂部，可以與照明燈具合為一體，也可以將整個(gè)頂棚作為一個(gè)大的回風(fēng)靜壓箱，使回風(fēng)輸送到空調(diào)箱或風(fēng)管內(nèi)；下回風(fēng)的回風(fēng)口一般置于房間的下部或地板附近，當(dāng)采用孔板送風(fēng)或散流器送風(fēng)式，采用下回風(fēng)方式；走廊回風(fēng)方式一般應(yīng)用于走廊的多房間場(chǎng)合，回風(fēng)口置于走廊的底部。 （ 2）風(fēng)管系統(tǒng)。風(fēng)管系統(tǒng)是由輸送空氣的管道和風(fēng)管附件構(gòu)成，風(fēng)管附件主要有各種調(diào)節(jié)活門(mén)、閘板、導(dǎo)流葉片和防御隔柵等。調(diào)節(jié)活門(mén)主要用于調(diào)節(jié)風(fēng)量 4 的大小和風(fēng)量的分配；閘板的作用是切斷風(fēng)源，其氣密性要強(qiáng)于調(diào)解或門(mén)；導(dǎo)流葉片 是減少?gòu)澒芴帨u流的產(chǎn)生；防御隔柵主要安置于進(jìn) /出風(fēng)口上，是為了防止雨雪的侵蝕。 風(fēng)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要有以下幾個(gè)原則。 1）考慮制作管道的材料消耗。 2）管道所占的空間。 3）風(fēng)機(jī)所需的功率。 4）管道內(nèi)的風(fēng)速產(chǎn)生的噪聲不超過(guò)規(guī)定值。 在設(shè)計(jì)風(fēng)管系統(tǒng)時(shí)，一般按照以下幾個(gè)步驟。 1）確定送風(fēng)口、回風(fēng)口的形式、位置、數(shù)量等。 2）確定風(fēng)機(jī)和其他空調(diào)設(shè)備的位置，合理規(guī)劃，設(shè)計(jì)出布局合理的送風(fēng)、回風(fēng)管線。 3）進(jìn)行必要的風(fēng)管系統(tǒng)的阻力計(jì)算。 4）選擇適當(dāng)容量的風(fēng)機(jī)、繪制工程圖。 除了以上幾個(gè)方面，還需考慮檢測(cè)、調(diào)試、 以及減少阻力等方面的問(wèn)題。 （ 3）風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)中輸送空氣的主要設(shè)備，常采用的風(fēng)機(jī)有離心式、軸流式和貫流式三種。貫流式風(fēng)機(jī)目前僅用于某些固定的空調(diào)機(jī)組設(shè)備中，例如，風(fēng)機(jī)盤(pán)管、風(fēng)幕等，而在工程大量使用的是離心式和軸流式風(fēng)機(jī)。 風(fēng)機(jī)的選擇一般可以按照以下步驟進(jìn)行。 1）充分了解每種風(fēng)機(jī)的用途、特點(diǎn)及其適用范圍。 2）確定最大風(fēng)量和最高壓頭。 3）根據(jù)實(shí)際條件選擇風(fēng)機(jī)類(lèi)型、考慮實(shí)際的工程環(huán)境，如多塵、耐腐蝕、高位條件等。 4）確定風(fēng)機(jī)類(lèi)型后，選用適當(dāng)容量的風(fēng)機(jī)型號(hào)，留出必要的裕量。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和設(shè)計(jì)思想， 選定風(fēng)機(jī)的安裝形式。 1.5.2 空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)中，主要包括冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、水管系統(tǒng)和水泵。 （ 1）冷凍水系統(tǒng)。在空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水系統(tǒng)的功能就是利用水作為介質(zhì)，將冷 /熱源的能量輸送和分配到各房間或目的地。冷凍水系統(tǒng)主要包括冷源設(shè)備、水泵、過(guò)濾器和閥門(mén)等，在大型復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)中還有分水器和集水器等。此時(shí)，通常把分水器、集水器和冷源設(shè)備連接的一側(cè)環(huán)路叫冷源側(cè)，把分水器、集水器和空調(diào)器連接的一側(cè)環(huán)路叫空調(diào)側(cè)。 （ 2）冷卻水系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)主要包括冷卻塔及其相關(guān)設(shè)備，其功能是利用水作為 介質(zhì)，對(duì)冷 /熱源進(jìn)行降溫處理。冷卻塔的作用就是將冷卻水在塔內(nèi)利 5 用水的自然蒸發(fā)冷卻降溫，為了充分利用資源，降低運(yùn)行成本，一般采用循環(huán)系統(tǒng)重復(fù)利用冷卻水，定期更換冷卻水以保證水質(zhì)能滿足空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)要求。 （ 3）水管系統(tǒng)。水管系統(tǒng)既包括冷卻水系統(tǒng)中的管線系統(tǒng)，也包括冷卻水系統(tǒng)的管線系統(tǒng)，主要由水、煤氣輸送鋼管和無(wú)縫鋼管組成。煤氣輸送鋼管用碳素軟鋼制造，俗稱熟鐵鋼，可分為鍍鋅管和不鍍鋅管兩種。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際的實(shí)際需求選擇不同厚度的管壁；無(wú)縫鋼用普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、普通低合金鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼制造，能承受加大范 圍的壓力，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選配。 （ 4）水泵的選擇。水泵是空調(diào)系統(tǒng)中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，通過(guò)水泵的工作，可以控制水系統(tǒng)中的水的流量大小，以間接達(dá)到控制室內(nèi)溫度、濕度及清潔度等空氣指標(biāo)?？照{(diào)系統(tǒng)中常用的水泵為離心式水泵，就一般的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用轉(zhuǎn)速在 30 120r/s 范圍內(nèi)的離心水泵比較合適，這類(lèi)型水泵已經(jīng)基本滿足空套系統(tǒng)中水的流量和壓力的變化要求 6。 1.5.3 空調(diào)系統(tǒng)的冷 /熱源 空調(diào)系統(tǒng)中其主要作用的就是冷 /熱源，正是由于冷 /熱源的工作才能控制室內(nèi)的溫度、濕度等空氣條件，使之按照人們的設(shè)定值變化 。冷 /熱源可分為常規(guī)冷 /熱源和天然冷 /熱源 7。 （ 1）常規(guī)冷 /熱源。目前，在空調(diào)系統(tǒng)中，制冷設(shè)備使用的最多的就是利用“液體企劃制冷法”原理制造的設(shè)備，主要包括電驅(qū)動(dòng)的蒸汽壓縮式和熱驅(qū)動(dòng)的吸收式兩種方式。常用的制冷設(shè)備為制冷系統(tǒng)機(jī)組，該設(shè)備就是將制冷系統(tǒng)中的全部或部分設(shè)備在工作組裝在工作組裝成一個(gè)整體，該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，使用靈活，管理方便，而且質(zhì)量可靠，安裝簡(jiǎn)便，能大大縮短施工周期，加快施工進(jìn)度。 制冷機(jī)組按冷卻介質(zhì)的種類(lèi)可分為空氣冷卻和水冷卻兩種形式；按壓縮機(jī)種類(lèi)可分為活塞式、螺桿式、離心式等壓縮 式冷水機(jī)組或熱泵機(jī)組。制冷機(jī)組的冷量選擇與制冷壓縮機(jī)不同，制冷壓縮機(jī)是根據(jù)其內(nèi)在參數(shù)運(yùn)行的，即通過(guò)冷凝器和冷卻介質(zhì)和被冷卻介質(zhì)的溫度或流量進(jìn)行選擇。 （ 2）天然冷 /熱源。天然冷 /熱源主要包括蒸發(fā)冷卻、室外空氣供冷和太陽(yáng)能供熱等幾個(gè)方面。蒸發(fā)冷卻是利用物理過(guò)程完成熱量的交換過(guò)程，誰(shuí)在空氣中具有蒸發(fā)能力，在自然條件下，水與空氣進(jìn)行熱量交換，使空氣的溫度降低，增加室內(nèi)濕度；室外空氣供冷是將室外的空氣直接用于室內(nèi)降溫的方法，主要包括兩種方式：一種方式是當(dāng)室內(nèi)外溫度差滿足一定條件時(shí)，可以采用機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)的原理， 利用空氣流通帶走室內(nèi)多余的熱量，另一種方式是利用白天和夜晚的溫差，保持室內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)；太陽(yáng)能供熱是指利用太陽(yáng)的能量進(jìn)行加熱的技術(shù)。利用太陽(yáng)能供熱分為直接供熱和間接供熱兩種方式，直接供熱時(shí)通過(guò) 6 太陽(yáng)光的直射，直接加熱室內(nèi)的各種物件和空氣，這個(gè)過(guò)程是不可控的，間接供熱系統(tǒng)則將太陽(yáng)能的采集和利用分開(kāi)，這就需要一種中間物質(zhì)先將太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，這種物質(zhì)需要能夠長(zhǎng)時(shí)間的保存熱能，以便在需要的時(shí)候釋放出來(lái)，滿足室內(nèi)加熱的需求。 1.6 模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的工作原理 采用模塊化的控制系統(tǒng)，其控制模塊可以自由組合，適應(yīng) 不同的工作條件，以滿足不同的系統(tǒng)運(yùn)行要求。某空調(diào)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)的功能是將溫度、濕度等空氣條件穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，采用模塊化控制，能調(diào)節(jié)大范圍內(nèi)的溫度變化，快速達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的總體工作原理框圖如圖 3 所示。 接通電源后，通過(guò)按下控制面板上的啟動(dòng)按鈕，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作，冷卻水模塊、冷凍水模塊，以及制冷模塊按照設(shè)定順序依次啟動(dòng)，控制器模塊按照輸入的設(shè)定值控制制冷模塊的工作情況，同時(shí)反饋模塊將采集的數(shù)據(jù)輸入到控制模塊中，在控制器模塊中將該值與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后，輸出對(duì)應(yīng)的控制 命令，或減少制冷模塊的組數(shù)或者改變制冷模塊的工作狀態(tài) 8。 圖 3 模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的總體工作原理圖 模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示，這個(gè)系統(tǒng)含有兩組制冷系統(tǒng)、兩個(gè)冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)，以及兩套傳感器系統(tǒng)。若系統(tǒng)啟動(dòng)后，一組制冷系統(tǒng)先以變頻方式工作，若滿足設(shè)定值的要求，則另外一組制冷系統(tǒng)就作為備份系統(tǒng)；當(dāng)?shù)谝唤M制冷系統(tǒng)在工頻狀態(tài)下仍無(wú)法滿足控制要求，則變頻啟動(dòng)第二組制冷系統(tǒng)；若無(wú)法達(dá)到控制要求，就逐漸增加頻率直至兩組 制冷系統(tǒng)全部運(yùn)行在工頻情況下。 控制面板 控制器 模塊 制冷模塊 冷凍水 模塊 反饋模塊 冷卻水 模塊 7 圖 4 模塊式空調(diào)控制系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)圖 2 硬件系統(tǒng)配置 2.1 PLC 選型 根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求 ,從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面考慮，選擇西門(mén)子S7-200 系列 PLC 作為此中央空調(diào)控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。此中央空調(diào)系統(tǒng)總共有15 個(gè)數(shù)字輸入， 10 個(gè)數(shù)字量輸出，共需要 25 個(gè)數(shù)字量 I/O， 4 個(gè)模擬量輸入，根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)，以及程序容量和控制的要求，選擇 CPU 226 作為該控制系統(tǒng)的主機(jī) 9。 在這個(gè)控制系統(tǒng)中，主 PLC 單元的 I/O 能足夠滿足數(shù)字輸入 /輸出控制的需求，但是由于需要采集模擬量，所以僅靠 PLC 的基本單元式無(wú)法完成控制功能的，因此需要擴(kuò)展模擬量輸入 /輸出模塊。 在西門(mén)子 S7-200 系列 PLC 中有專(zhuān)門(mén)的模擬量輸入 /輸出擴(kuò)展模塊 EM235，因此選用 EM235 模塊進(jìn)行模擬量輸入的擴(kuò)展。 EM235 擴(kuò)展模塊具有以下特性。 （ 1）具有 4 路模擬量差分輸入， 1 路模擬量輸出。 （ 2）輸入范圍，單極性電壓為 0 +5V， 0 +10V；雙極性電壓為 -2.5 +2.5，-5 +5V。 （ 3）電流為 0 20mA。 （ 4）輸入阻抗大于等于 10M 冷 卻 水泵 冷 卻 水泵 冷水機(jī)組 2 冷卻機(jī)組 1 冷 凍 水泵 1 冷 凍 水泵 2 室內(nèi) 冷卻風(fēng)機(jī) 1 冷卻風(fēng)機(jī) 2 回水 回水 8 （ 5）具有 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。 （ 6）數(shù)據(jù)字格式，單極性時(shí)為 -32000 +32000，雙極性時(shí)為 0 +32000。 （ 7）最大輸入電壓為 30V DC。 （ 8）最大輸入電流為 32mA。 （ 9）輸出穩(wěn)定時(shí)間，電壓輸出最小為 5000，電流輸出最大為 500。 （ 10）輸出分辨率，電壓位為 12 位，電流為 11 位。 （ 11）功耗為 2W。 （ 12）輸出驅(qū)動(dòng)能力，電壓輸出最小為 5000，電流輸出最大為 500。 EM235 與 PLC 主機(jī)連接時(shí)，不需要進(jìn)行特殊設(shè)置，只要將擴(kuò)展模塊的排線插入到主機(jī)的擴(kuò)展槽上即可，需要注意的是擴(kuò)展模塊的位置順序決定了 I/O 地址編號(hào)。 2.2 PLC 的 I/O 資源配置 2.2.1 數(shù)字量輸入部分 在這個(gè)控制系統(tǒng)中，輸入量包括急停、手動(dòng) /自動(dòng)、冷卻水系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，冷凍水系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕、冷卻泵和冷凍泵啟動(dòng)按鈕等共 15 個(gè)輸入點(diǎn)，如表 1 所示。 表 1 數(shù)字量輸入地址分配表 輸入地址 輸入設(shè)備 輸入地址 輸入設(shè)備 I0.0 急停按鈕 I1.0 制冷機(jī)組 2 啟動(dòng)按鈕 I0.1 手動(dòng) /自動(dòng)按鈕 I1.1 冷卻泵 1 啟動(dòng)按鈕 I0.2 啟動(dòng)按鈕 I1.2 冷卻泵 2 啟動(dòng)按鈕 I0.3 冷卻水風(fēng)機(jī) 1 啟動(dòng)按鈕 I1.3 冷卻水風(fēng)機(jī) 1 加速按鈕 I0.4 冷卻水風(fēng)機(jī) 2 啟動(dòng)按鈕 I1.4 冷卻水風(fēng)機(jī) 2 減速按鈕 I0.5 冷凍泵 1 啟動(dòng)按鈕 I1.5 冷凍泵 1 加速按鈕 I0.6 冷凍泵 2 啟動(dòng)按鈕 I1.6 冷凍泵 2 減速按鈕 I0.7 制冷機(jī)組 1 啟動(dòng)按鈕 2.2.2 模擬量輸入部分 由于需要輸入四個(gè)溫度傳感器所采集的數(shù)據(jù)，因此擴(kuò)展了一個(gè)模擬量輸入 /輸出模塊，具體 I/O 分配如表 2 所示。 表 2 模擬量輸入地址分配表 輸入地址 輸入設(shè)備 輸入地址 輸入設(shè)備 AIW0 溫度傳感器 1 AIW4 溫度傳感器 3 AIW2 溫度傳感器 2 AIW6 溫度傳感器 4 9 2.2.3 數(shù)字量輸出部分 該控制系統(tǒng)的輸出主要集中在對(duì)各類(lèi)泵的控制，共 10 個(gè)輸出點(diǎn)，其分配情況如表 3 表 3 數(shù)字量輸出地址分配表 輸出地址 輸出設(shè)備 輸出地址 輸出設(shè)備 Q0.0 冷卻水風(fēng)機(jī) 1 連接到工頻 Q0.5 冷卻水風(fēng)機(jī) 2連接到變頻器 1 Q0.1 冷卻水風(fēng)機(jī) 2 連接到工頻 Q0.6 冷凍泵 1 連接到變頻器 2 Q0.2 冷凍泵 1 連接到工頻 Q0.7 冷凍泵 2 連接到變頻器 2 Q0.3 冷凍泵 2 連接到工頻 Q1.0 制冷機(jī)組 1 線圈 Q0.4 冷卻水風(fēng)機(jī) 1 連接到變頻器 1 Q1.1 制冷機(jī)組 2 線圈 根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求和 I/O 分配表以及圖 5，設(shè)計(jì)出模塊式空調(diào)系統(tǒng)的硬件連接圖。 圖 5 模塊式空調(diào)系統(tǒng)的硬件連接圖 Q0.0 I0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 I1.6 Q0.6 Q0.7 S7-200 系列 PLC CPU266 Q1.0 Q1.1 RS-485 RS-485 控制面板 觸摸屏 TD200 變頻器 1 變頻器 2 S7-200 系列 PLC EM235 溫度傳感器 1 溫度傳感器 2 溫度傳感器 3 溫度傳感器 4 繼電器 1 繼 電器 2 繼電器 3 繼電器 4 繼電器 5 繼電器 6 繼電器 7 繼電器 8 繼電器 9 繼 電 器10 10 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 總體流程設(shè)計(jì) 根據(jù)模塊式空調(diào)的控制要求，控制過(guò)程分為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式，以下將分別介紹兩種控制模式 10。 3.1.1 手動(dòng)控制模式 手動(dòng)控制模式是指用戶根據(jù)自身的要求，分 別啟動(dòng)和停止各個(gè)模塊：冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、變頻調(diào)速模塊、制冷系統(tǒng)等幾個(gè)系統(tǒng)。 冷卻水系統(tǒng)的工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）按下冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)上電，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。 （ 2）然后按下冷卻泵啟動(dòng)按鈕，水泵開(kāi)始工作。 （ 3）然后通過(guò)按下冷卻風(fēng)機(jī)的加 /減速按鈕，可以控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （ 4）按下停止按鈕，系統(tǒng)停止工作。 冷卻水系統(tǒng)工作流程圖如圖 6 所示。 冷凍水系統(tǒng)的工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）按下冷凍泵啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)上電，水泵工作。 （ 2）然后通過(guò)按下冷凍水泵加 /減速按鈕，可以控制水泵的轉(zhuǎn)速。 （ 3）按下 停水按鈕，系統(tǒng)工作。 冷凍水系統(tǒng)工作流程圖如圖 7 所示。 在空調(diào)運(yùn)行過(guò)程中，需要根據(jù)溫度變化的情況來(lái)控制冷卻風(fēng)機(jī)和冷凍水泵的工作狀態(tài)，所以使用變頻器控制著兩個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。其工作過(guò)程包括以下幾方面 : （ 1）啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)或冷凍水泵使變頻器工作，輸送個(gè)啟動(dòng)頻率給控制設(shè)備。 （ 2）根據(jù)控制面板上按鈕的控制，增加或減少輸出地頻率值。 （ 3）急停按鈕按下后，變頻器的頻率值復(fù)位，即輸出為 0。 變頻器工作流程圖如圖 8 所示。 制冷系統(tǒng)是空調(diào)控制系統(tǒng)的核心部分，主要是對(duì)制冷設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程，由于對(duì)冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行了自適應(yīng) 控制，實(shí)現(xiàn)了保持室內(nèi)空氣條件穩(wěn)定的功能，因此這個(gè)部分的控制過(guò)程比較簡(jiǎn)單，工作過(guò)程主要包括以下兩方面。 （ 1）按下制冷機(jī)組啟動(dòng)按鈕，制冷機(jī)組開(kāi)始工作。 （ 2）急停按鈕按下后，制冷機(jī)組停止工作。 制冷機(jī)組工作流程圖如圖 9 所示。 11 圖 6 冷卻水系統(tǒng)工作流程圖 圖 7 冷凍水系統(tǒng)工作流程圖 開(kāi)始 按下冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)按鈕？ 冷卻 風(fēng)機(jī)啟動(dòng) 按下冷卻泵啟動(dòng)按鈕？ 冷卻泵啟動(dòng) 加速按鈕按下 減 速 按鈕按下 冷 卻 風(fēng)機(jī)加速 冷卻風(fēng)機(jī)減速 急停按鈕按下？ 結(jié)束 開(kāi)始 按下冷卻泵啟動(dòng)按鈕？ 冷凍水泵啟動(dòng) 加 速 按鈕按下 ？ 減 速 按鈕按下 ？ 冷 卻 水泵加速 冷卻水泵減速 急 停 按 鈕按下？ 結(jié)束 Y Y Y Y Y Y Y Y Y N N N N N N N N N N 12 圖 8 變頻器工作流程圖 圖 9 制冷機(jī)組工作流程圖 3.2 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)程序過(guò)程中，會(huì)使用許多寄存器、繼電器、定時(shí)器等軟元件，為了便于變成及修改，在程序編寫(xiě)應(yīng)先列出所用到的軟元件，如表 4 所示 開(kāi)始 按下冷凍水泵冷卻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)按鈕？ 變頻器啟動(dòng) 加速按鈕按下？ 減速按鈕按下？ 所控設(shè)備加速 所控設(shè)備減速 急 停 按 鈕按下？ 變頻器復(fù)位 結(jié)束 開(kāi)始 按下制冷組啟動(dòng)按鈕？ 制冷機(jī)組啟動(dòng) 急停按鈕按下？ 結(jié)束 Y Y Y Y N Y Y N N N N N N N 13 表 4 元件設(shè)置表 編號(hào) 意義 內(nèi)容 備注 M0.0 急停標(biāo)志 On 有效 M0.1 手動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M0.2 自動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M0.3 自動(dòng)過(guò)程啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M0.4 冷卻風(fēng)機(jī) 1 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M0.5 冷卻水泵 1 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M0.6 冷卻水系統(tǒng) 1 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M0.7 冷卻風(fēng)機(jī) 2 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M1.0 冷卻水泵 2 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M1.1 冷卻水系統(tǒng) 2 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M1.2 冷凍水泵 1 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M1.3 冷凍水泵 2 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M1.4 制冷系統(tǒng) 1 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M1.5 制冷系統(tǒng) 2 啟動(dòng)標(biāo)志 On 有效 M1.6 冷卻水溫度高于設(shè)定值 On 有效 M1.7 冷卻水溫度低于設(shè)定值 On 有效 M2.0 冷凍水溫度高于設(shè)定值 On 有效 M2.1 冷凍水溫度低于設(shè)定值 On 有效 M3.0 冷卻水風(fēng)機(jī)切換到工頻標(biāo)志 On 有效 M3.1 冷凍水風(fēng)機(jī)切換到工頻標(biāo)志 On 有效 M3.2 冷卻水風(fēng)機(jī)切換到變頻標(biāo)志 On 有效 M3.3 冷凍水風(fēng)機(jī)切換到變頻標(biāo)志 On 有效 T37 等待冷凍水系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間 10 1s T38 等待制冷系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間 10 1s T39 等待冷凍水系統(tǒng)停止時(shí)間 5 0.5s T40 等待冷卻水系統(tǒng)停止時(shí)間 20 2s VW14 有效誤差值 VW20 變 頻器 1 頻率存儲(chǔ)單元 VW22 變頻器 2 頻率存儲(chǔ)單元 14 3.2.1 冷卻水系統(tǒng) 在自動(dòng)和手動(dòng)狀態(tài)下，冷卻水系統(tǒng)的控制過(guò)程，冷卻水控制系統(tǒng)梯形圖程序如圖 10 所示。 圖 10 冷卻水控制系統(tǒng)梯形圖程序 IN TON PT 100ms M0.1 I0.3 T40 M0.0 M0.4 M0.2 I0.2 M0.4 T40 T40 T40 M0.0 M0.0 M0.0 M1.0 M0.5 M0.7 M1.1 M0.6 M0.2 M0.6 M0.1 M0.7 M1.0 M0.1 M0.4 M0.5 T37 10 M0.1 M0.7 M1.6 M0.2 I0.4 M0.1 M0.5 I0.2 M0.2 I1.1 M0.1 M1.0 M1.6 M0.2 I1.2 15 3.2.2 冷凍水系統(tǒng) 在手動(dòng)自動(dòng)狀態(tài)下，冷凍水系統(tǒng)控制過(guò)程，其梯形圖程序如圖 11 所示。 圖 11 冷凍水控制系統(tǒng)梯形圖程序 3.2.3 制冷設(shè)備 在手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)下，制動(dòng)設(shè)備的控制過(guò)程，制冷控制系統(tǒng)梯形圖如圖 12 所示。 圖 12 制冷控制系統(tǒng)梯形圖程序 M0.1 I0.7 T40 M0.0 M1.4 M0.2 T38 M1.4 M0.1 I1.0 T40 M0.0 M1.5 M0.2 M3.0 M1.5 M0.1 I0.5 T39 M0.0 M1.2 M0.2 T37 M1.2 M0.1 I0.6 T39 M0.0 M1.3 M0.2 M2.0 M1.3 IN TON PT 100ms M0.2 M1.2 T38 10 16 3.2.4 變頻模塊 在控制過(guò)程中，變頻器控制模塊梯形圖如圖 13 所示。 圖 13 變頻器控制模塊梯形圖程序 3.2.5 停止控制 圖 14 停止控制梯形圖程序 IN TON PT 100ms T39 T40 20 IN TON PT 100ms T39 5 I0.0 M0.0 ADD_R EN ENO IN1 OUT IN2 I1.3 M0.1 1 VW20 M3.0 M0.2 VW20 I1.5 M3.1 SUB_R EN ENO IN1