基于PLC的中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計電氣自動化專業(yè)

1、 基于PLC的中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著人們生活質(zhì)量的普遍提高以及科學技術(shù)的不斷進步，中央空調(diào)也逐漸進入了人們的視野，成為人們生活中重要的一部分，同時它所消耗的能量也引起了社會的關(guān)注，中央空調(diào)的節(jié)能問題成為了人們期待解決的關(guān)鍵問題。中央空調(diào)采用的變頻技術(shù)從一定程度上極大地減少了能量的損耗，采用變頻調(diào)速后，一方面成功的實現(xiàn)了電動機的軟啟動，在另一方面也減弱了振動和磨損，增長了電動機的壽命。中央空調(diào)水泵變頻技術(shù)是中央空調(diào)節(jié)能降耗的一個有效途徑，而且也得到國家政策的支持，代表了今后空調(diào)行業(yè)節(jié)能技改的方向。這次所做的方案主要就是通過西門子S7-200系列的CPU226 作為控制元件來研

2、究并且設(shè)計中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該設(shè)計論文將會敘述變頻器和可編程控制器的工作原理，完成變頻器、可編程控制器等的選型和參數(shù)設(shè)置，重點完成PLC硬件電路圖和程序設(shè)計。中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性十分可觀，將會具有很好的前景和開闊的市場。該論文有圖43幅，表1個，參考文獻31篇。關(guān)鍵詞：中央空調(diào) 變頻調(diào)速 可編程控制器Central Air conditionings Water Pump Frequency Control of Motor Speed Control System Design Based on PLCAbstractWith the continuous pro

3、gress in science and technology and improvement of the quality of life, the central air conditioning has gradually entered the people's vision, which has become an important part of peoples life . At the same time ,the energy it consumes also caused concern in the community.The energy saving pro

4、blem of central air-conditioning has become the key problem that people expect to solve .Central air-conditioning system which is based on variable frequency technology in a certain extent greatly can reduce energy consumption., It adopts speed-adjusted system through frequency conversion ,which on

5、the one hand brings the success of the motor soft start,and on the other hand which also reduce the vibration and abrasion and prolongs the life of the motor. Central air-conditioning pump variable frequency technology is an effective way to save energy.Moreover，it has get the support of national po

6、licy and it has been on behalf of the future direction of energy-saving air-conditioning industry technical.This graduation design is mainly designed by Siemens S7-200 cpu226 which is used to control element for the research and design of central air conditioning water pump frequency control of moto

7、r speed control system. The design in this thesis will explains the principle ,model selection and parameter design of the converter and the programmable controller.The design will focus on the completion of PLC hardware circuit diagram and program design.The economy of the central air conditioning

8、water pump frequency conversion speed control system is very considerable which will have a very good prospect and open market.Key Words: Central Air Conditioning Variable Frequency Speed Control Programmable ControllerVI目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1緒論11.1設(shè)計中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)的意義11.2 變頻調(diào)速技術(shù)的簡單介紹11.3 本文的主要工作21.4 本

9、章小結(jié)32 中央空調(diào)系統(tǒng)方案42.1中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成42.2中央空調(diào)變頻控制系統(tǒng)的PID構(gòu)架42.3總體設(shè)計方案的確定52.4 本章小結(jié)63 設(shè)計中相關(guān)器件型號的選擇73.1可編程控制器型號的選擇73.2 I/O模塊型號的選擇103.3 溫度變送器型號的選擇113.4 變頻器的型號的選擇123.5 本章小結(jié)134 硬件部分設(shè)計144.1硬件系統(tǒng)的簡述144.2 PLC控制電路的模塊設(shè)計144.3 主電路模塊164.4熱電阻與EM231硬件連接圖174.5溫測模塊和水泵調(diào)節(jié)模塊174.6 本章小結(jié)185 系統(tǒng)軟件的梯形圖設(shè)計195.1 主程序設(shè)計195.2 PID控制的設(shè)計及實現(xiàn)255.3 A/

10、D和D/A轉(zhuǎn)換模塊程序335.4中斷服務(wù)程序345.5本章小結(jié)36附錄1 電路圖38附錄2 梯形圖39附錄3 指令語句51附錄4 器件單64參考文獻65致 謝671緒論1.1設(shè)計中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)的意義變頻調(diào)速在減少中央空調(diào)能耗達到節(jié)能的目的方面有著重要的作用，另一方面，它在我國提倡的的可持續(xù)發(fā)展上也做出了巨大的貢獻 BG1002姚一鳴畢業(yè)設(shè)計D.大學生論文聯(lián)合比對庫,2014.4。在正常的情況下，中央空調(diào)系統(tǒng)的送風量都是維持恒定不變的，而且，已經(jīng)安裝了空調(diào)的房間里面的濕度和透氣性會直接決定該房間的送風量。不過，這種傳統(tǒng)的改變方式十分的消耗能量，現(xiàn)實意義存在一定的缺陷。現(xiàn)在經(jīng)過改進后，當空調(diào)

11、的負荷減少時，系統(tǒng)將會通過頻率的變換來調(diào)節(jié)風溫度也就是調(diào)節(jié)再熱量從而保持室內(nèi)溫度是恒定的1基于PLC的中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計-百度文庫J/OL.互聯(lián)網(wǎng)文檔資源,2012-9-22.。簡單來說，變頻空調(diào)就是在一般空調(diào)的基礎(chǔ)上增進了變頻器也就是變頻系統(tǒng)。變頻器就是用來控制和調(diào)整壓縮機電機轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，讓它處于最佳的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，從而能夠達到提高能效比（比常規(guī)的空調(diào)能夠節(jié)能20%30%）的目的。1.2 變頻調(diào)速技術(shù)的簡單介紹眾所周知，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)里面最主要的就是變頻器了。變頻器通常由功率主電路、控制電路和顯示及控制面板構(gòu)成 顧婧弘.西門子PLC組網(wǎng)的研究與實現(xiàn)D.見：內(nèi)蒙古科技大學碩士論文，

12、2014-6-6.。一般情況下，我們習慣性根據(jù)變換的方式來劃分變頻器的種類，具體如下：（1）交-交變頻器交-交變頻器是將輸入的交流電轉(zhuǎn)換成頻率能夠改變的目標交流電，該類變頻器相比其他種類的變頻器略去了中間的間接環(huán)節(jié)，所以效率十分的高12。（2）交-直-交變頻器交-直-交變頻器是先將工頻交流電整流成直流電，再將直流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以調(diào)節(jié)和控制的交流電，其又被稱為間接式變頻器。雖然這種變頻器多了一個中間直流環(huán)節(jié)，但是這種變頻器在進行逆變過程的時候與其他類變頻器相比相當容易控制，所以，在某些方面，交-直-交變頻器存在著明顯的優(yōu)勢 黃邢華.中央空調(diào)的PLC變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計論文D.大學生

13、論文聯(lián)合比對庫，2014.。 顧名思義，變頻器便是變頻，不過，由于異步電機的磁極對數(shù)不同的時候，其在同樣的頻率下的速度也是不一樣的，也就是說調(diào)節(jié)的變化范圍也是不盡相同的，因此基于這種情況我們可以同時完成變頻和變極調(diào)速，這樣便能夠很大程度上提高它運行的效率14?；谵D(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系公式，即： （1-1）式中：-轉(zhuǎn)速； -頻率； -電機磁極對數(shù)； -轉(zhuǎn)差率2。通過式(1-1)我們可以知道：在其他參數(shù)恒定不變的情況下，轉(zhuǎn)速和極對數(shù)是成反比的關(guān)系；在其他參數(shù)恒定不變的情況下，轉(zhuǎn)速和頻率呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系；在其他參數(shù)恒定不變的情況下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率呈現(xiàn)斜率為負值的線性關(guān)系。如果先使得電機在50Hz的狀態(tài)下運

14、行，之后通過改變頻率把頻率變成10Hz，那么電機運行時的轉(zhuǎn)速n將會改變，它會降為額定轉(zhuǎn)速也就是原來轉(zhuǎn)速的20%,即： （1-2） （1-3）因此，電機運行在20Hz時的實際功率為： （1-4）則節(jié)約電能的差率為： （1-5）根據(jù)上面公式的計算結(jié)果我們可以知道，如果電機能夠以10Hz的頻率運行工作，在理論上，電機消耗的功率僅僅占在以50Hz運行時的0.8%左右12，此時，理論上的節(jié)約電能的差率將會高達99.2%，不過，實際上由于環(huán)境等客觀因素節(jié)約電能的差率會比理論值稍微低一點?？傮w來看，交流變頻調(diào)速能夠幫助人們省很大部分的電量，也有很可觀的經(jīng)濟效益。1.3 本文的主要工作本次畢業(yè)設(shè)計主要是通過變

15、頻器和PLC技術(shù)來使得中央空調(diào)達到節(jié)約能量的效果,其中著重利用了閉環(huán)控制的PID運算。系統(tǒng)方案采用測量模塊和溫度傳感器對冷凍水泵和冷凍水泵的水溫進行測量以便進行溫差的計算。如果計算出來的溫度小于0，表示室內(nèi)的溫度比較低，則應該根據(jù)計算結(jié)果適當?shù)販p小頻率來升高溫度中央空調(diào)系統(tǒng)_別墅低源熱泵空調(diào)EB/OL.互聯(lián)網(wǎng)文檔資源，2011-5-10.。如果計算出來的溫度差大于0，則應該根據(jù)計算結(jié)果適當?shù)卦龃箢l率從而增大轉(zhuǎn)速來降溫 深圳市四方電氣技術(shù)有限公司.中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造-方案應用J/OL.中國工控網(wǎng)，2009-4-8.。綜上所述，本次設(shè)計主要通過溫度傳感器PT100來把溫度信號經(jīng)過變送器和A/

16、D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后傳送到PLC可編程控制器中進行處理，然后通過可編程控制器以及變頻器來適當?shù)馗淖冾l率從而改變電機的速度1。1.4 本章小結(jié)本章節(jié)主要重點介紹了中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速的意義，并從變頻器的分類方面介紹了變頻調(diào)速技術(shù)，另外，本章節(jié)還明確了本次設(shè)計方案的主要工作，即通過冷卻水泵、冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制利用PID運算完成系統(tǒng)的變頻調(diào)速。2 中央空調(diào)系統(tǒng)方案2.1中央空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成具體的中央空調(diào)的組成框圖如圖2-1所示。 圖2-1 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成從圖2-1中我們可以很直觀的看到，該構(gòu)成圖主要是由兩個閉環(huán)的循環(huán)系統(tǒng)組成的，左邊部分是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，而右邊部分是冷卻塔循環(huán)系統(tǒng)，另外，者兩個循環(huán)系

17、統(tǒng)主要是由冷卻電機和冷凍電機作用的，這兩個電機在PLC的控制下通過變頻器的作用不斷的改變頻率從而來維持房間內(nèi)的溫度，系統(tǒng)中溫度的檢測主要是通過熱電阻來檢測。2.2中央空調(diào)變頻控制系統(tǒng)的PID構(gòu)架鑒于在現(xiàn)實生活中，在整個空間系統(tǒng)里，用戶的數(shù)量并不會維持不變，這就導致我們計算的理論壓差值會和現(xiàn)實情況下的值有差距，因此，中央空調(diào)變頻系統(tǒng)需要在原來循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加PID調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)的原理方框圖具體如圖2-2所示。圖2-2 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理圖根據(jù)圖2-2可知，該調(diào)節(jié)方式是一個實現(xiàn)負反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。差壓實測值經(jīng)過PID和設(shè)定值比較得出差壓值，差壓值通過負反饋經(jīng)由變送器又反饋給系統(tǒng)并和原來的差壓實測值

18、再次進行PID的調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)的基本算法是： （2-2） 式中：-調(diào)節(jié)器的輸出； -比例時間常數(shù)； -差壓設(shè)定值()和差壓實測值()的差； -差壓積分時間常數(shù)； -差壓微分時間常數(shù)2。另外，這個調(diào)節(jié)的算法將會在S7-200型號CPU226中進行。2.3總體設(shè)計方案的確定這次設(shè)計整體上將會通過PLC來實現(xiàn)變頻的功能。由于設(shè)計是以PLC為基礎(chǔ)的，所以設(shè)計中的大部分操作都會在PLC中完成。不過，要想完成整個設(shè)計方案，方案中還必須對數(shù)模轉(zhuǎn)換、溫測以及變頻等功能進行設(shè)計并實現(xiàn)。整個設(shè)計相輔相成，缺一不可。設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖具體如圖2-3中所示。圖2-3 設(shè)計結(jié)構(gòu)圖2.4 本章小結(jié)本章節(jié)主要對中央系統(tǒng)的構(gòu)成和中央

19、空調(diào)變頻控制系統(tǒng)的構(gòu)架進行了闡述，尤其是變頻控制系統(tǒng)中的PID運算，并根據(jù)這兩個方面確定了總體的設(shè)計方案，即通過對冷凍泵和冷卻泵的溫度進行檢測和溫差進行運算，最終根據(jù)運算結(jié)果調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)水泵。3 設(shè)計中相關(guān)器件型號的選擇3.1可編程控制器型號的選擇3.1.1可編程控制器的介紹可編程控制器，英文翻譯表示為“Programmable Logic Controller”，簡稱PLC2辦公樓中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造方案-百度文庫J/OL.互聯(lián)網(wǎng)文檔資源，2012-6-19.。可編程控制器是一種來源于繼電器控制技術(shù)的以IT技術(shù)為核心的通用自動控制裝置，一般用在工業(yè)現(xiàn)場1。通過對內(nèi)存中的程序進行掃描從而

20、實現(xiàn)把從輸入電路的過程中得到的信息轉(zhuǎn)換成我們所需要的有用的信息的過程，可編程控制器可以根據(jù)輸出電路的具體情況來控制負載4?？删幊炭刂破髟趧倓傞_始發(fā)展的時候，就因為它的可靠、靈活和體積小的特點為人們所接受，并常常被人們用來取代繼電器的操作。隨著人們對可編程控制器的不斷研究和創(chuàng)新，可編程控制器成功的在微電子技術(shù)和IT技術(shù)的基礎(chǔ)上融入了單片機的自動化特點，這意味著可編程控制器邁出了跨越性的一步2。（1） PLC的硬件組成部分 構(gòu)成PLC的硬件部分主要是中央處理單元也就是人們通常所稱的CPU模塊、存儲器、輸入/輸出（I/O）電路、電源以及編程器等幾個部分2，具體如圖3-1所示。圖3-1 PLC的結(jié)構(gòu)框

21、圖 從圖3-1中可以看到，中央處理單元處于整個結(jié)構(gòu)的中心，是整個框圖中最重要的部分，另外，CPU與其他部分相輔相成，供電正常的情況下，CPU起控制的作用，輸入電路和輸出電路則在CPU的控制下輸入信號和輸出信號，同時，CPU由根據(jù)編程器以及內(nèi)存中編程的信息對系統(tǒng)進行調(diào)試并儲存起來。（2）PLC的工作原理PLC常用的工作方式是循環(huán)掃描在給可編程控制器輸入程序的時候，用戶存儲器將會協(xié)助其來儲存輸入的程序，而且因為它的CPU根本沒有辦法同時執(zhí)行幾個甚至是多個的操作，所以它的操作時分時的，也就是說在它每一個時刻只執(zhí)行一個操作2。CPU掃描程序的速度特別地快以至于人們下意識認為它們是同時進行的。這就是CP

22、U對程序的掃描，即按照分時原則和順序執(zhí)行程序的各種操作的過程。執(zhí)行掃描的時間即完成系統(tǒng)自檢管理、輸入、執(zhí)行用戶程序、輸出和通訊階段的時間就被稱為掃描周期。PLC基本的功能PLC有著各種各樣的指令語句，用戶可以根據(jù)自己所需要的情況來對不同的語句進行定義，而且PLC的接口也是多種多樣的，因此，它具有以下的基本功能4：(a) 進行邏輯處理的功能；(b) 對數(shù)據(jù)進行運算的功能；(c) 能夠正確設(shè)置定時的功能；(d) 能夠高速運行的功能；(e) 調(diào)用中斷處理的功能，也就是PLC能夠?qū)崿F(xiàn)不同類型的內(nèi)外中斷；(f) 存儲程序和數(shù)據(jù)的功能；(g) 自我檢測和自我診斷的功能。也就是說，可編程控制器幾乎可以做到所

23、有普通小型計算機能實現(xiàn)的功能。功能的多樣性使得可編程控制器被廣泛應用增加里可能性。同時，可編程控制器的普及也成功地把自動化行業(yè)帶入了一個可以進行遠程控制、進行信息化通訊和智能操作控制的時代2。3.1.2 PLC型號的確定PLC的工程設(shè)計的選型是很重要的，安排和設(shè)計相關(guān)的控制系統(tǒng)需要選擇性能較高的可編程控制器。具體型號的確定將會根據(jù)以下幾個方面：（1）輸入輸出口點數(shù)的預估本次設(shè)計的PLC的CPU226需要的輸入點有6個，需要的輸出點有10個。出于需要預留一定的可擴展余量的考慮，我們估算時往往會把余量的十分之一到五分之一的量也計入估算的范圍內(nèi)4，盡管如此，我們?nèi)匀恍枰獙浪愕狞c數(shù)進行園整，以防止出

24、現(xiàn)特殊情況。（2）內(nèi)存大小的預估其實，在設(shè)計階段，我們根本無法估計需要多大容量的存儲器，畢竟我們無法準確得知所設(shè)計的程序的大小，只有調(diào)試完程序，我們才會知道程序的大小，進而才能估算出需要多大容量的PLC。不過目前還沒有指定的公式來對它進行估算。通常情況下，我們選擇按照以下的方式來估算： （3-1）式中：N-內(nèi)存的大小； k-系數(shù)，取值范圍是0.10.2； -可擴展的余量； -輸入輸出的的點數(shù)。（3）型號的確定現(xiàn)在，不管是國內(nèi)還是國外的市場上到處都是不同類型不同特點的可編程控制器，這就需要我們擦亮眼睛從自己課題設(shè)計的具體角度出發(fā)來選擇PLC的機型。出于對設(shè)計整體的考慮，本次方案最終確定使用西門子

25、公司研發(fā)制造的S7-200系列的CPU226的可編程控制器。S7-200的PLC的具體特征和優(yōu)勢如下：(a) 極高的可靠性；(b) 極豐富的指令集；(c) 易于掌握；(d) 便捷的操作；(e) 豐富的內(nèi)置集成功能；(f) 實時特性；(g) 強勁的通訊能力；(h) 豐富的擴展模塊。CPU226本機的具體特點和優(yōu)勢表現(xiàn)為：它的集成的I/O點數(shù)很多，足夠分配使用，它有24個輸入以及16個輸出2，2個輸入/1個輸出一共3個模擬量I/O點，它能夠連接7個擴展模塊，數(shù)字量I/O點最大能夠擴展到248路或模擬量I/O點最大能夠擴展到35路。CPU226本機的程序和數(shù)據(jù)存儲空間是13K字節(jié)，它具有能獨立達到3

26、0KHz高速計數(shù)器6個、具有100KHz的高速脈沖輸出2個和RS-485通訊/編程口2個，另外它還具備PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊的能力。除了這些，本機還在之前的基礎(chǔ)上新增加了很多種不同的功能，比如模擬量I/O內(nèi)置、位控特性等等。總的來說，它是一款具有控制能力很強大的新型CPU。3.2 I/O模塊型號的選擇3.2.1 A/D模塊輸入型號的選擇生活中存在各種各樣的模擬量，這也在某種程度上促進了模擬量在控制過程的應用。A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入的信號并不是直接輸入的，而是要經(jīng)過傳感器的作用后改變的電平信號2。輸入的電平信號必須符合IEC的標準，它既可以是電流信號也可以是電壓信號，只要在標準

27、范圍內(nèi)即可。輸入的模擬量信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后提供給主控模塊以處理數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)，這是模擬量輸入模塊的最基本功能4。在本次設(shè)計中，方案需要把該模塊和溫測模塊連接，設(shè)計要求將溫度測試模塊檢測到的溫度模擬量信號通過A/D模塊轉(zhuǎn)換后變成可以進行控制的數(shù)字量信號。因此，本次設(shè)計最終確定該模塊使用西門子公司的EM231模塊。具體來說，結(jié)合本次設(shè)計的具體要求，方案確定EM231選擇單極性020mA的電流輸入類型，它的分辨率為5uA，開關(guān)SW1開啟，開關(guān)SW2開啟，而開關(guān)SW3將關(guān)閉。A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號和電流信號的輸入/輸出關(guān)系的坐標圖具體如圖3-2所示。 圖3-2 A/D轉(zhuǎn)換電壓信號和電流信號的輸入/輸出關(guān)系圖

28、3.2.2 D/A模塊輸出型號的選擇D/A轉(zhuǎn)換模塊是模擬量信號輸出的模塊，該模塊主要是把數(shù)字量的信號轉(zhuǎn)換成模擬量的信號。該模塊是用來和冷卻電機以及冷凍電機的變頻器相連的，在通入直流電24V后可以進行溫度檢測。結(jié)合本次設(shè)計，方案最終選擇西門子公司的EM232模塊。EM232模塊可以一次性完成幾個操作，速率很高。 D/A模塊的輸入/輸出的具體關(guān)系如圖3-3所示。 圖3-3 D/A轉(zhuǎn)換模塊電壓、電流的輸入/輸出關(guān)系從圖3-3中，我們可以看出來，無論是電壓關(guān)系還是電流關(guān)系，D/A模塊都呈現(xiàn)一個線性關(guān)系，不過，也存在一些不同，電壓關(guān)系是正比例關(guān)系，而電流關(guān)系則是有一個初值，而且盡管電流隨直線變化，但它的

29、值仍然都大于初始值+4mA。3.3 溫度變送器型號的選擇一般情況下，我們都會選擇主要元件構(gòu)成是熱電阻的溫度變送器。熱敏電阻的材質(zhì)通常為半導體或者是金屬氧化物。由于每個熱敏電阻存在不同的特性，熱面電阻又被分為三種不同的情況：隨著溫度的升高阻值降低的負溫度系數(shù)（又被稱為NTC）、隨著溫度升高阻值降低但是存在臨界狀態(tài)的臨界溫度系數(shù)（又被稱為CTR）、隨著溫度的升高阻值也增大的正溫度系數(shù)（又被稱為PTC） 上海大學，王兆義，楊新志.小型可編程控制器實用技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2006. 23-28.。NTC、CTR和PTC的溫度和阻值的變化關(guān)系曲線如圖3-4所示: 圖3-4 3種系數(shù)的阻值和溫度

30、的關(guān)系PTC和CTR類型的熱敏電阻通常會被用來構(gòu)成溫度器件，這些器件往往在特定的溫度下電阻值需要急劇變化，但是，NTC適合的范圍相對比較寬，而PTC類型的熱敏電阻對溫度比較敏感，運用范圍窄。通過對比，本次設(shè)計方案選用PTC下的體積小而且精度高的PT100溫度變送器，型號：RS3011。其中Pt100熱電阻的測量溫度范圍是：-50450。PT100溫度變送器的主要特性：（1）輸入溫度：-20+400 (本次設(shè)計選擇0+50的范圍）；（2）輸出的電流信號范圍：電流420mA；（3）精度的等級：達到0.2級，精度很高；（4）內(nèi)含線性化和長線補償功能12；（5）隔離耐壓：2500VDC(0.5mA,6

31、0S)12；（6）DIN35導軌安裝9；（7）性能非常地穩(wěn)定可靠9。3.4 變頻器的型號的選擇通常時候，我們都是根據(jù)需要變頻的電機的容量的大小來進行變頻器的選擇的，當頻率發(fā)生改變的時候，該變頻的電機的速度也會發(fā)生變化 梁金榮.論文D.大學生論文聯(lián)合對比庫，2013.。除此之外，在選擇變頻器的型號時，我們還需要把變頻器正常運行時額定電流值放在考慮范圍內(nèi)，需要確保該值高于電機的額定值。變頻器的選擇視具體情況而定 邢小杰.中央空調(diào)變頻調(diào)速控制及保護系統(tǒng)的研究D.沈陽工業(yè)大學碩士論文，2006.。一般情況下，我們選擇根據(jù)電機的負載是連續(xù)的而且不變的情況來計算系統(tǒng)設(shè)計中需要的變頻器的容量 劉瑩.HOLL

32、IAS-LEC G3 PLC在樓宇空調(diào)中的應用J.2010.(容量單位為k VA)，該方法的具體的計算公式為： （3-1）式中：負載所需的電機軸的輸出功率，單位是W； 電機的工作效率； 電機的功率因數(shù)； k 電流的波形的修正系數(shù)，進行脈寬調(diào)制時k取1.05； 滿足設(shè)計要求的變頻器的需要的額定容量的大小。因為本次設(shè)計方案中采用的單臺水泵的輸出功率為3.7kW,對波形進行脈寬調(diào)制，=3.7kW，=0.8512，=0.7512，把值代入上式中計算可得： 1.05×3.7/0.85×0.75=6.094kW根據(jù)計算結(jié)果可知變頻器的容量必須要保證在6.094kW以上才能滿足系統(tǒng)方案的

33、設(shè)計要求，因此，方案最終確定變頻器選擇三菱公司的FR-A540系列，該系列的容量范圍是0.4kW55kW，完全能夠滿足設(shè)計的需要。另外，出于對安全性能等的考慮，設(shè)計采用一臺變頻器值控制一臺水泵的方案10，所以，本次方案設(shè)計最終決定選用該系列下的的FR-A540-7.5K-CH型號的變頻器。該型號下的變頻器的具體參數(shù)如下： （1） 適配電機的功率是7.5KW（AC380V，50Hz）；（2） 主要提供低壓；（3） 其內(nèi)部配置了1A+1B的濾波器進行濾波作用；（4） 額定電流為9A；（5） 其通過PWM調(diào)制的方式來對輸出電壓進行調(diào)節(jié)；（6）它的控制方式是磁通矢量控制方式2，這種方式調(diào)速5-50Hz

34、；（7）采用了ASIC回路，成功解決了電機在運行速度比較低的時候旋轉(zhuǎn)可能出現(xiàn)的問題1；（8）能夠進行擴展，符合世界通信的標準2。這種型號的變頻器與其他型號的變頻器相比不僅在性能和價格方面都具有非常明顯的優(yōu)勢，而且在控制和通訊方面也很突出1。3.5 本章小結(jié)本章節(jié)主要任務(wù)是進行器件的選擇，有可編程控制器、模擬量輸入與輸出模塊以及溫度變送器和變頻器的型號的選擇與確定，并且本章節(jié)還對方案中所選擇的相關(guān)型號的器件進行了簡單的介紹。4 硬件部分設(shè)計4.1硬件系統(tǒng)的簡述 通過溫度變送器模塊將測溫元件的溫度信號轉(zhuǎn)換成420mA 的可讀取的電流信號AIW0與設(shè)置的溫度進行比較，再進行PID運算，然后，得出運算

35、結(jié)果，通過這個運算結(jié)果調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，水泵是通過變頻器控制的，因此，調(diào)節(jié)變頻器頻率就可以了，另外，程序有做系統(tǒng)運行指示、變頻器報警以及故障復位等狀態(tài)。4.2 PLC控制電路的模塊設(shè)計設(shè)計方案中的I/O分布具體如表4-1所示。 表4-1 I/O分布表模塊名地址號實現(xiàn)功能的描述器件CPU226I0.0冷卻電機變頻器發(fā)生故障時復位按鈕I0.1冷凍電機變頻器發(fā)生故障時復位按鈕I0.2系統(tǒng)啟動工作按鈕I0.3系統(tǒng)停止運行按鈕I0.4冷卻電機變頻器的復位按鈕I0.5冷凍電機變頻器的復位按鈕Q0.0冷卻電機實現(xiàn)變頻功能的啟動繼電器Q0.1冷凍電機實現(xiàn)變頻功能的啟動繼電器Q0.2冷卻電機變頻實現(xiàn)的復位輸出繼電器

36、Q0.3冷凍電機變頻實現(xiàn)的復位輸出繼電器Q0.4冷卻電機發(fā)生故障時報警（亮）指示燈Q0.5冷凍電機發(fā)生故障時報警（亮）指示燈Q0.6第一臺冷卻泵實現(xiàn)變頻運行繼電器Q0.7第一臺冷卻泵實現(xiàn)工頻運行繼電器Q1.0冷凍泵實現(xiàn)變頻運行繼電器Q1.1冷凍泵實現(xiàn)工頻運行繼電器方案的控制電路模塊由西門子S7-200系列的CPU226構(gòu)成，具體模塊電路如圖4-1所示： 圖4-1 PLC控制電路模塊從圖4-1中可以看到，給PLC通入24V的直流電源后將PLC的梯形圖程序下載到CPU226中后，該控制電路模塊可以進行控制，例如：當按下開關(guān)按鈕SB3后，系統(tǒng)將會運行；當冷卻電機的變頻器發(fā)生故障時，標號為LED1的指

37、示燈會亮，此時按下SB1就可以將該故障變頻器進行復位。4.3 主電路模塊 系統(tǒng)的主電路如圖4-2所示： 圖4-2 PLC主電路圖由圖4-2可見，主電路中有2個冷卻電機和1個冷凍電機，冷卻電機對應冷卻泵，而冷凍電機則對應冷凍泵。當KM1常開觸點閉合時，1#冷卻電機將會在工頻下運行，當KM2常開觸點閉合時，1#冷卻電機則在變頻器的作用下變頻運行；當KM1和KM3都閉合時，2#冷卻電機工頻運行，當只有KM3常開觸點閉合時，2#冷卻電機將會變頻運行；當KM4常開觸點閉合時，冷凍電機將會變頻運行。另外，通過KA1和KA3可以完成變頻器的啟動，KA2和KA4則是復位功能。4.4熱電阻與EM231硬件連接圖

38、 PT100熱電阻變換器與EM231模塊的硬件連接圖如圖4-3所示: 圖4-3 熱電阻與EM231硬件連接圖從圖4-3中可以看到，EM231模塊和PT100熱電阻變換器以及Pt100熱電阻相連接，該連接電路成功的實現(xiàn)了輸入模塊的輸入轉(zhuǎn)換的作用，即將電阻值轉(zhuǎn)換成了電流信號。另外，PT100溫度變送器的具體連線方式也在上圖中可以看到。4.5溫測模塊和水泵調(diào)節(jié)模塊系統(tǒng)的溫度檢測模塊和水泵調(diào)節(jié)模塊電路圖如圖4-4所示： 圖4-4 溫度檢測模塊和水泵調(diào)節(jié)模塊電路圖如圖4-4所示，溫度檢測模塊和水泵調(diào)節(jié)的模塊主要是由EM232構(gòu)成，通過EM232和冷卻變頻器和冷凍變頻器的連接來調(diào)節(jié)水泵的頻率，從而能夠調(diào)節(jié)

39、水泵。4.6 本章小結(jié)本章節(jié)主要進行了系統(tǒng)設(shè)計的硬件部分的設(shè)計，硬件電路部分分為以下幾個模塊：PLC主電路模塊、控制回路模塊、熱電阻與EM231硬件連接模塊以及溫測模塊和水泵調(diào)節(jié)模塊。除了模塊的介紹，本章節(jié)還對I/O接口的分布進行了詳細的介紹。5 系統(tǒng)軟件的梯形圖設(shè)計本次系統(tǒng)軟件梯形圖設(shè)計主要是由初始化程序、主程序、PID調(diào)節(jié)程序以及中斷服務(wù)程序四個部分組成21121?；赑LC的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件工作原理：PLC是變頻調(diào)速控制設(shè)計中的重要配置，系統(tǒng)中PLC主要是用來下載程序并進行CPU的控制，通過把PLC和EM231還有EM232模塊相連，很大程度上減少了外部連線，給用戶帶來了極大的方便

40、10。另外，PLC運行的時候，溫度輸入信號是由EM231提供的，而輸出信號是由EM232輸出的。并且在整個設(shè)計的程序中，PID調(diào)節(jié)的程序擔任著很重要的角色，系統(tǒng)將會根據(jù)PID調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對變頻器的調(diào)節(jié)控制，從而對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。通過程序的編寫，本次設(shè)計還將加入了報警的功能。PLC軟件程序的編寫采用了容易使人理解的梯形圖語言編程方案。通常的情況下，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，它主要是由變頻器實現(xiàn)的 何志勇.論PLC在中央空調(diào)自控及節(jié)能領(lǐng)域中應用J.建筑工程應用與設(shè)計，2014（19）,1146.。因此，程序的中關(guān)于變頻調(diào)節(jié)的程序是非常重要的。在梯形圖設(shè)計中，中斷服務(wù)程序也是必不可少

41、的。另外，定時中斷INT0的中斷時間是200毫秒。5.1 主程序設(shè)計在本次系統(tǒng)設(shè)計中，PLC程序設(shè)計的最主要的也是最基本的要求就是完成系統(tǒng)設(shè)計的最基本的頻率控制和調(diào)節(jié)的功能。分模塊來說，PLC程序設(shè)計共分為四個部分：（1） 控制部分 該模塊部分硬件主要是由開關(guān)按鈕組成，程序中則是通過控制語句來體現(xiàn)； （2） 指示燈燈光報警部分 這個部分的硬件是2個LED燈，在程序中通過互鎖等指令語句來使其在故障的時候能夠亮； （3） 變頻器給定部分 該模塊部分主要是進行變頻器的給定，并且該部分能夠進行工作模式的處理； （4） 變頻器設(shè)定模塊 該模塊部分主要是進行對變頻器相關(guān)參數(shù)的設(shè)定并在信號轉(zhuǎn)換后進入PLC主

42、程序的設(shè)計。 PLC在通電運行后，系統(tǒng)將會對下載的程序進行掃描，掃描程序的過程是不斷循環(huán)的。并且，每次循環(huán)就是一次掃描，而每次掃描的時間就被稱為掃描周期10。掃描周期中，系統(tǒng)的程序?qū)瓿奢斎搿⑤敵?、自檢、通訊和中斷這五個部分 陳洪然.大型酒店空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制研究D.大連海事大學碩士論文，2013-9-1.。設(shè)計的主程序的梯形圖程序如圖5-1到圖5-12 。程序運行時要對整個程序的溫測模塊初始化，避免出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)存留之前的溫測參數(shù)而影響運行結(jié)果。該程序當SM0.1=on時，程序運行：水泵進行初始化運行，另外系統(tǒng)程序?qū)⒎謩e把一個32位的實數(shù)通過不同的IN輸入傳送到所指的雙字長的各自的存儲單元中，即

43、MOVR 5.0，VD212得溫度增益、MOVR 0.2，VD216得溫度采樣、MOVR 2.5，VD220得溫度積分、MOVR 0.0，VD224溫度微分等。同時，溫差的測量也會隨著實數(shù)值得輸入而改變。具體程序見圖51和圖5-2：圖5-1 上電初始化程序 圖5-2 上電初始化程序 當溫度測試后經(jīng)PID運算的結(jié)果大于0，即M10.0為on時，變頻器啟動，水泵開始運行，具體程序見圖5-3。圖5-3 變頻器啟動程序系統(tǒng)運行時，在M10.0沒有接通的狀態(tài)下，掃描器分別將32000.0、0v的信號傳送給AC0和AQW2，如果M10.0接通了，程序?qū)l(fā)生跳轉(zhuǎn)，頻率會變化并且輸出，具體見圖5-4。圖5-

44、4 變頻器頻率輸出程序關(guān)于系統(tǒng)的啟停模塊程序，當按下啟動按鈕，即I0.2為on的狀態(tài)時，并且冷凍水泵和冷卻水泵變頻沒有規(guī)章時，系統(tǒng)開始運行工作；如果要系統(tǒng)停止，則可以按下停止按鈕I0.3；另外，當冷卻水泵或冷凍水泵存在故障時，即I0.0和I0.1由接通變?yōu)閿嚅_時，系統(tǒng)將會停止運行。具體程序見圖5-5。圖5-5 啟動停止程序當M5.0為on時，1#冷卻泵啟動，具體程序見圖5-6。 圖5-6 1#冷卻泵啟動程序當M6.0是on的狀態(tài)時，2#冷卻泵將會啟動，具體程序見圖5-7。圖5-7 2#冷卻泵啟動程序系統(tǒng)初始啟動時，出于對冷卻泵運行性能的保護，要確保冷卻泵能正常運行在2050Hz之間，這就需要對

45、冷卻泵進行復位操作，具體程序見圖5-8。 圖5-8 冷卻泵復位程序當系統(tǒng)停止的時候，冷卻泵的變頻器同樣需要復位，具體程序見圖5-9。圖5-9 冷卻泵變頻器復位程序當冷卻泵變頻器發(fā)生故障時，I0.0會處于接通狀態(tài)，Q0.4將會有輸出信號，冷卻泵變頻器會發(fā)出故障報警，具體見圖5-10。圖5-10 冷卻泵變頻報警程序當冷凍泵變頻器發(fā)生故障時，I0.1會處于接通狀態(tài)，Q0.5將會有輸出信號，冷凍泵變頻器會發(fā)出故障報警，具體見圖5-11。圖5-11 冷凍泵變頻報警程序當冷凍泵變頻器發(fā)生故障時，Q0.4會處于接通狀態(tài)，系統(tǒng)付為按鈕I0.4按下后，冷凍泵變頻器會發(fā)出故障報警，具體見圖5-12。圖5-12 冷

46、卻泵變頻故障復位程序當冷凍泵變頻器發(fā)生故障時，Q0.5會處于接通狀態(tài)，系統(tǒng)復位按鈕I0.4按下后，冷凍泵變頻器會復位操作，具體見圖5-13。 圖5-13 冷凍泵變頻故障復位程序5.2 PID控制的設(shè)計及實現(xiàn)PID控制在自動控制的發(fā)展過程中是汗青上最為悠長、生命力最為頑強的基本控制方法。PID控制方式存在著被用戶需要的特性，具體如下：（1）它的算法相對比較容易，用戶很容易就能通過簡單的硬件和軟件的方式來實現(xiàn)2；（2）它具有很強的適應能力，各種行業(yè)都需要用到1011 王校華.活性白灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線中PLC控制系統(tǒng)D.重慶大學碩士論文，2006-3-15. 羅建軍.淺析水廠變頻恒壓供水的PID控制問題

47、J.技創(chuàng)新導報，2010（2）.。正是因為PID的這兩個優(yōu)勢，PID控制至今在控制方式中仍然是比較受歡迎的方式之一11 余德艷.變頻恒壓供水系統(tǒng)在尚嵇供水站中的應用D.貴州大學碩士論文，2007-10-1.。溫度在日常的生活中是一個雖然平常卻又很重要的物理量，人們在很多方面都會利用到溫度這個模擬量，這就要求我們對溫度的測量以及控制需要掌握的十分嫻熟 吳曹峰.論文D.大學生論文聯(lián)合比對庫，2013-5-16. 劉斌.論文D.大學生論文聯(lián)合比對庫，2014-5-21.，很長的一段時間以來，無論是國內(nèi)還是國外的為科技奮斗的工作人員都對溫度進行了不斷地研究并制造出了許多不同種類的控制溫度的器件，比如生

48、活中很普及的性能比較完善的PID調(diào)節(jié)器以及智能化控制的PID調(diào)節(jié)器等等 朱葉菲.論文D.大學生論文聯(lián)合比對庫，2013-5-17. 劉峰.論文D.大學生論文聯(lián)合比對庫，2013-5-20. 鄭家浩.中央空調(diào)的PLC系統(tǒng)設(shè)計D.大學生論文聯(lián)合比對庫，2013-5-18.。普通規(guī)范下的PID控制系統(tǒng)的簡單的原理框圖如圖5-14所示，該部分的系統(tǒng)主要是由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)和被控對象構(gòu)成的的閉環(huán)控制系統(tǒng)組成的14。 圖5-14 常規(guī)PID控制框圖PID控制的積分表達式為： （5-1）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式： （5-2）式中 ： 比例系數(shù)； 積分時間常數(shù)； 微分時間常數(shù)211。根據(jù)Zieger與N

49、ichols兩人所提出的整定PID調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗公式可得14： （5-3） （5-4） （5-5） 式中：為系統(tǒng)開始振蕩時的K值； 為振蕩頻率2。利用MATLAB程序我們可以分別得出被控對象的PID整定參數(shù)：、。西門子公司S7-200系列的可編程控制器都有配套的編程軟件：STEP7-Micro/WIN32，這個軟件除了能夠在PC機上運行，還可以給用戶程序的開發(fā)、編輯和監(jiān)控供以良好的編程環(huán)境。STEP7-Micro/WIN32除了提供PID指令的向?qū)?，還指導用戶怎么樣對一個閉環(huán)控制過程的PID算法進行定義以及如何通過編程軟件把算法自動插入到主程序里11420 王鮮芳，杜志勇.PLC的PID指令在

50、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應用J.給水排水,2005（3）,101-104.。PID的組態(tài)設(shè)計包括以下的內(nèi)容：(l)將設(shè)計需要的回路編號確定下來11；(2)選擇儲存和放置參數(shù)控制表的最佳位置并對閉環(huán)控制的參數(shù)進行選擇；(3)確定PID回路的輸入和輸出控制的參數(shù)1115 吳洋.基于PLC的含油污水站設(shè)計與研究D.見：東北石油大學碩士論文，2010-5-15.；(4)指定用于計算的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域 吳偉山.中央空調(diào)冷凍泵機組控制系統(tǒng)D.見：大學生論文聯(lián)合比對庫，2013-5-20.；(5)對初始化子過程以及中斷的名稱進行規(guī)定 范潔瑩.基于PLC的四管道空調(diào)機組的控制D.見：大學生論文聯(lián)合比對庫，2013

51、.；(6)確定算法的稱號10141622 孫凱.論文D.見：大學生論文聯(lián)合比對庫，2013-5-17.。5.2.1 冷卻水系統(tǒng)的控制及PID調(diào)節(jié)程序冷卻水系統(tǒng)是一個不斷循環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過不停地進行熱量的交換來使得冷卻水管道內(nèi)水的溫度降低在之前設(shè)定的溫度值范圍內(nèi)，也就是說，冷卻泵變頻器必須根據(jù)設(shè)定的下限頻率進行控制2。若溫差大，即表示該部分頻率在下限頻率之下，也就是電機的轉(zhuǎn)速比較慢，該部分應該通過PID調(diào)節(jié)控制變頻器輸出使溫度下降和頻率升高，從而確保電機的轉(zhuǎn)速增大；反之，則下調(diào)頻率11 孫文志.中央空調(diào)的變頻調(diào)速方案及節(jié)能機理J.見：遼寧師專學報（自然科學版），2005（4）,69-

52、71.。如果溫差大于設(shè)定值，那么系統(tǒng)將會對頻率進行無極上調(diào)；反之，系統(tǒng)則會選擇無極下調(diào)115 劉桂恒,劉委.變頻調(diào)速技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能應用淺析J.見：科技創(chuàng)新導報，2010（24）,119.。冷卻水的閉環(huán)控制系統(tǒng)款圖具體見圖5-15，冷卻水系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)的流程圖具體見圖5-15。圖5-15 冷卻水的閉環(huán)控制系統(tǒng)具體框圖正如圖5-15中所見，溫度設(shè)定值通過溫度調(diào)節(jié)器、變頻器、電機、冷卻水泵一依次傳輸，冷卻水泵、蒸發(fā)器和冷卻塔之間構(gòu)成了一個循環(huán)系統(tǒng)，而從冷卻水泵和蒸發(fā)器輸出的部分熱量則通過閉環(huán)系統(tǒng)反饋到溫度調(diào)節(jié)器中調(diào)節(jié)。圖5-16 冷卻水PID調(diào)節(jié)程序流程圖正如圖5-16中所見，當冷卻水系統(tǒng)通過PID運算后的過程變量大于設(shè)定值時，電機才會正常運行，才會有PID控制值輸出；當運算后的過程變量大于或等于設(shè)定值以及電機出現(xiàn)故障時，將會由備用電機工作代替運行。冷卻水系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)的具