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

1、第I頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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(mén)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(mén)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)

2、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 第 II 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） Design of automatic control system for central air conditioning system based on PLC Abstract The central air conditioning system is one of the necessary supporting facilities of modern large-scale buildings. The consumption of

3、electric energy is very large, which accounts for about 50% of the total energy consumption. The frozen host usually in the central air-conditioning system load can automatically according to the change of temperature and load regulation, refrigeration pump and cooling pump matched with the frozen h

4、ost can automatically adjust the load, almost run 100% under load operation, resulting in a great waste of energy, but also worsen the operation environment and operation quality of Central air conditioning. This paper first introduces the structure and working principle of central air conditioning,

5、 then use SIEMENS S7 200PLC as the main control unit, using the traditional PID control algorithm, through the SIEMENS MM440 inverter control pumpspeed ensure system according to the actual situation to adjust load flow, realize constant temperature control, but also can save a lot of energy. Key wo

6、rds：PLC; central air conditioning; control II 第 III 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文 ） 目錄 摘要 I 1 緒論 1 1.1 課題的研究背景 1 1.2 國(guó)內(nèi)外中央空調(diào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 2 2 中央空調(diào)控制的原理 4 2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理 4 2.2 中央空調(diào)電機(jī)的軟啟動(dòng)原理及應(yīng)用 4 3 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 6 3.1 變頻器的原理 6 3.2 西門(mén)子 MM440 變頻器性能介紹 6 3.2.1 主要特征 7 3.2.2 控制性能的特點(diǎn) 7 3.3PLC 選型 7 3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 8 3.5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

7、9 4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 12 4.1PLC 的初始設(shè)定 12 4.2 PLC 主程序流程圖 14 4.3 程序設(shè)計(jì) 14 4.3.1 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的 I/O 分配表 14 4.3.2 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 22 III 第1頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 1 緒論 1.1 課題的研究背景 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(xiě)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，

8、 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)步發(fā)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，一些西方發(fā)達(dá)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)能耗也達(dá)到 50%-60%。中央空調(diào)系 統(tǒng)能源消耗在辦

9、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)了大部分的能源消耗，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)， 從而達(dá)到節(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)的發(fā)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

10、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， 以達(dá)到節(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(mén)上， 造成能量的浪費(fèi)。 同時(shí)在空調(diào)部分負(fù)荷時(shí)， 雖然空調(diào)末端 第2頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 提供的冷量可以實(shí)現(xiàn)以實(shí)際需求冷量輸出，

11、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

12、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， 理論分析表 明，

13、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。 空調(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； Wang Y 等人 從工程實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)冷盤(pán)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； Lu L 等人在分析實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)理想 的節(jié)能潛力的基礎(chǔ)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

14、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)取?空調(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 第3頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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)

15、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(pán)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。 第4頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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)，

16、 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)干燥過(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

17、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(chē)、 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(chēng)為 Soft Starter。它的

18、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-frequency Drive，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 第5頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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)達(dá)到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)

19、而達(dá)到節(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

20、實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)，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。 第6頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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)頻電源的電力變換部分， 變頻器的主電路 大體上可分為

21、兩類(lèi)： 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。 它由三部分構(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

22、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(mén)子 MM440 變頻器性能介紹 MICROMASTER 440 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(zhuān)用脈寬調(diào)制技術(shù)， 可使

23、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)可比擬的靈活性 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 MICROMASTER 440 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。 第7頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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(chē)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

24、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 （020mA）； 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 ： 010V，020mA 和-10 至+10V 2）ADC2 ：010V，020mA；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

25、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

26、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，避免運(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（ Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類(lèi)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(lèi)型的機(jī) 械或生產(chǎn)過(guò)程。 第8頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文

27、） 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(mén)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。

28、 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(chēng)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(lèi)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)

29、界面（ HMI ）提供了這種透明性 16。 S7-200TD 設(shè)備是一種低成本的人機(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?TD 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 S7-200 CPU 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 SHIF

30、T 鍵，則最多可提供八個(gè)置位功能。 TD200設(shè)備的組態(tài)需要完成以下操作： 1）STEP 7-Micro/WIN 的文本顯示向 導(dǎo)，創(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(lèi)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） 第9頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 屏幕設(shè)置中，創(chuàng)建用戶菜單，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，把翻譯后的信息反饋回報(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)。

31、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 114138 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，制冷主機(jī)會(huì)正常工作； 如入水溫度達(dá)到或接近 7時(shí)，制冷主機(jī)會(huì)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 2224 3060 0.2 1821 60 0.2 夏季 2

32、426 4070 0.25 2728 4070 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(mén)子 S7-200， CPU 型號(hào)為 226。該 PLC 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

33、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(lèi)推。 第 10 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 圖 3-3：EM231、EM232 由 PLC L+ 端口輸出的 24V 電源供電，變頻器的 3、 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 （ 論文 ） 第 11 頁(yè) 圖 3-2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)電路圖 1L 00 01 02 03 04 05 06 07 2L 01 02 M N L+ S7-200 CPU226 串口 1M0

34、001020304050607 2M 00 01 02 03 04 05 L+ PT100 變送器 PT100 變送器 RA A+ A RB B+ B EM231 M L+ M0 V0 EM232 M L+ 24VDC SA SBS1B2 SB3SBS4BS5B6 RS-485 網(wǎng)絡(luò)線纜用于 USS 通訊 圖 3-3 中央空調(diào)控制系統(tǒng)主要設(shè)備的端口連接圖 第 12 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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

35、 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(xiě)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 第 13 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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(xiě)操作輪替功能，

36、 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(xiě)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(xiě)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(xiě)參數(shù)： P1082=50.0。 圖 4-7 初始程序段 g 網(wǎng)絡(luò) 9：讀寫(xiě)操作輪替，功能同網(wǎng)絡(luò) 7 第 14 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 4.2 PLC 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 4-1 I/O 分配表 名稱(chēng) 地

37、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(chē)信號(hào) 2，封鎖主回路輸出， 自由停 車(chē) I0.2 停車(chē)信號(hào) 3，快速停車(chē) I0.3 故障確認(rèn) I0.4 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制 I1.0 USS 通訊和 PPI通訊轉(zhuǎn)換 I1.1 讀/寫(xiě)操作開(kāi)始按鈕 SA I0.5 手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕 SB1 I0.6 手動(dòng)模式 1#冷凍泵啟動(dòng)按鈕 SB2 I0.7 手動(dòng)模式 1#冷凍泵停止按鈕 SB3 I1.2 手動(dòng)模式 2#冷凍泵啟動(dòng)按鈕 SB4 I1.3 手動(dòng)模式 2#冷凍泵停止按鈕 SB5 I1.4 手動(dòng)模式 3#冷凍泵啟動(dòng)按鈕 SB6 I1.5 手動(dòng)模式 3#冷凍泵停止按鈕 AIW

38、0 用戶房間內(nèi)溫度傳感器 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 第 15 頁(yè) 輸出信號(hào) Q0.0 運(yùn)行模式反饋 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 KM2 Q0.4 1#冷凍泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM1 Q0.5 1#冷凍泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM4 Q0.6 2#冷凍泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM3 Q0.7 2#冷凍泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM6 Q1.1 3#冷凍泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM5 Q1.2 3#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 第 16 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 4.3.2 程

39、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 傳感器反饋的電壓值 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)生啟動(dòng)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(xiě)功能塊完成標(biāo)志位， 用于功能塊輪 替 M1.0/M1.1 讀寫(xiě)功能塊控制位 M2.0 工頻啟動(dòng)脈沖 M2.1 變頻啟

40、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 第 17 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 結(jié)論 本論文闡述了基于 PLC 和變頻器對(duì)中央空調(diào)控制的基本原理及過(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)。 （3）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。 （4）經(jīng)過(guò)最

41、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。 第 18 頁(yè) 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文） 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)， 2013. 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)， 2013. 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)， 2013. 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)， 2013. 5 張?chǎng)?. 空調(diào)節(jié)能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

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