基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Word版

1、1緒論1.1引言中央空調(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%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。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。醫(yī)院是一種特殊公眾聚集場所，也是空氣污染較為嚴(yán)重的場所之一。我國中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)有47.1屬嚴(yán)重污染，有46.7為中度污染，合

2、格只占621。醫(yī)院室內(nèi)空氣中浮游的致病細(xì)菌種類多、濃度高，其散發(fā)的病菌極易造成醫(yī)患間的感染。醫(yī)院場所的特殊性決定了醫(yī)院中央空調(diào)的特殊性?？茖W(xué)、安全地設(shè)計(jì)中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)減少細(xì)菌傳播途徑、防止污染擴(kuò)散、減少并控制感染具有重要作用。為此，本文對(duì)醫(yī)院中央空調(diào)設(shè)計(jì)、使用、管理作出研究。PLC是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不僅具有優(yōu)越的控制性能，良好的性能價(jià)格比，而且具有較高的可靠性和抗干擾能力，在自動(dòng)控制各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)普遍2。隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制

3、系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，為達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。1.2中央空調(diào)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀在變頻調(diào)速技術(shù)用于中央空調(diào)控制系統(tǒng)之前，中央空調(diào)系統(tǒng)的控制方法主要存在以下問題：1.冷卻水系統(tǒng)的不足從設(shè)計(jì)角度考慮，冷卻水泵電機(jī)的容量是按照最大換熱量（即環(huán)境氣溫最高，且所有場所的空調(diào)都開足）的情況下，再取一定的安全系數(shù)來確定的。而通常情況下，由于季節(jié)和晝夜溫差的變化以及開機(jī)數(shù)目的不足，實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，因此，電機(jī)容量遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷，出現(xiàn)了大馬拉小馬的情況。在從冷卻水流量來考慮，冷卻水的作用是要及時(shí)將冷凝器中的熱量帶走以保證制冷機(jī)能正常工作。從節(jié)能的角度看，只要能保證制冷機(jī)正常工作，冷卻水的流量

4、越小，所做的無用功就越少，節(jié)能也就越明顯。根據(jù)流量公式Q=SV，過去由于轉(zhuǎn)速不能調(diào)，只能通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥來改變管道橫切面積S的方式來調(diào)節(jié)流量Q，節(jié)流閥的存在對(duì)水流產(chǎn)生阻力，從而產(chǎn)生節(jié)能損耗，并且會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。冷卻水是用冷卻水泵將其送到冷卻搭中去的，由冷卻塔風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中去，這樣會(huì)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)周圍的環(huán)境造成熱島效應(yīng)。2.冷凍水系統(tǒng)的不足冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機(jī)降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調(diào)的各出風(fēng)口處的風(fēng)機(jī)盤管組件中，對(duì)環(huán)境起降溫作用，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時(shí)，冷凍水的流量大，流速也快。因此，當(dāng)冷凍水流

5、過風(fēng)機(jī)盤管組件時(shí)，還沒有充分的時(shí)間將所攜冷量全都釋放完，就又返回到制冷機(jī)去了，因此冷凍水泵電機(jī)做了很多無用功，這些都是不必要的能耗。若能夠調(diào)節(jié)冷凍水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷的大小來調(diào)節(jié)冷凍水的流量（實(shí)際上是調(diào)節(jié)交換冷量的大?。┖土魉?，以便讓冷凍水在風(fēng)機(jī)盤管組件中有充分的時(shí)間釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞浚鋬鏊秒姍C(jī)的功耗可大大降低。3.水泵頻繁開啟的不足通過水泵開啟臺(tái)數(shù)的控制，造成電機(jī)起停頻繁，對(duì)設(shè)備長期安全運(yùn)行帶來不利影響，起動(dòng)電流通常為額定值的5倍左右，電機(jī)在如此大的電流沖擊下，進(jìn)行頻繁的起停，對(duì)電機(jī)、接觸器觸點(diǎn)、空氣形狀觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧沖擊，也會(huì)給電網(wǎng)帶來一定沖擊，起動(dòng)時(shí)帶來的機(jī)械沖擊和停

6、止時(shí)的承重現(xiàn)象也會(huì)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)、軸承、閥門等造成疲勞損傷。原國家經(jīng)貿(mào)委于1994年下發(fā)了763號(hào)文件關(guān)于加強(qiáng)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造的意見，鼓勵(lì)支持變頻節(jié)能技術(shù)在各行各業(yè)中推廣使用，使變頻節(jié)能獲得政策上的支持。另外，根據(jù)交流電機(jī)的特性，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié)，最佳的方法就是采用變頻調(diào)速技術(shù)，變頻器是將標(biāo)準(zhǔn)的交流電轉(zhuǎn)成頻率、電壓可變的交流電，供給電機(jī)并能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費(fèi)，而且還會(huì)極大提高控制和調(diào)節(jié)的精度，從而方便地實(shí)現(xiàn)恒溫空調(diào)系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。在近年來出現(xiàn)一些對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施變頻改造的項(xiàng)目，取得不錯(cuò)的節(jié)能效

7、果。而如何采用更先進(jìn)的控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更加節(jié)能而高效的運(yùn)行值得進(jìn)一步研究。設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制系統(tǒng)要能在各種供冷負(fù)荷條件下高效運(yùn)行，水泵風(fēng)機(jī)等的流量可以隨著負(fù)荷變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變化，用戶側(cè)室溫保持穩(wěn)定，而更重要的是能給投資者帶來良好的投資回報(bào)。1.3 中央空調(diào)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)我國是一個(gè)人均資源相對(duì)貧乏的國家，因此節(jié)能降耗有著十分重要的意義。近年來，由于國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使我國的能源顯得越來越緊張。變頻節(jié)能空調(diào)近幾年來成為我國空調(diào)市場上的新寵，擁有變頻調(diào)速系統(tǒng)的中央空調(diào)能夠通過溫度反饋改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速使制冷量和環(huán)境達(dá)到一個(gè)平衡，具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點(diǎn)。變頻空調(diào)在日本的市場占有率已超過90%以

8、上，在歐美等發(fā)達(dá)國家的市場占有率也超過50%。2009年以來，變頻空調(diào)在我國國內(nèi)市場的發(fā)展更是日新月異，銷售增速達(dá)56.24，銷量已占空調(diào)總銷量的17.33。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，2010年變頻空調(diào)市場份額有望達(dá)25。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s4億KW，其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的60%70%，而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備裝機(jī)總功率達(dá)1.6億KW，年耗電量3200KW.h，約占當(dāng)年全國電力消耗總量的1/3。而應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般在20%60%，投資回收期13年，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。所以大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當(dāng)前推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量重要手段，而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。1.4本設(shè)計(jì)的

9、主要工作本設(shè)計(jì)的主要研究工作包括：（1）設(shè)計(jì)基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)；（2）采用PLC模擬量輸入單元采集中央空調(diào)水泵水溫?cái)?shù)據(jù)，PLC通過RS-485與工控機(jī)通信；（3）編寫PLC程序，控制中央空調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的無人值守；（4）在工控機(jī)上采用組態(tài)王開發(fā)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)水溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，監(jiān)測并控制中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。2系統(tǒng)簡介2.1中央空調(diào)系統(tǒng)簡介所謂“中央空調(diào)”是由一臺(tái)主機(jī)通過風(fēng)道過風(fēng)或冷熱水管或管線連接多個(gè)末端的方式來控制不同的房間以達(dá)到室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)。 一般酒店，大型商場用的是風(fēng)管式的中央空調(diào)，它的原理是主機(jī)通過通往各個(gè)空間區(qū)域的通風(fēng)管道將處理后的冷熱空氣

10、輸送到位。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低、操控簡便、噪音低，最主要的缺點(diǎn)是：各個(gè)區(qū)域（房間）控溫不準(zhǔn)確。中央空調(diào)的工作原理與家用一樣，都是利用冷媒（運(yùn)輸熱量的媒質(zhì)叫冷媒）的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達(dá)到制冷的效果。中央空調(diào)工作過程如圖2-1所示。圖2-1 中央空調(diào)工作過程中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍主機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)和冷卻塔等組成。工作原理：冷凍主機(jī)是中央空調(diào)的致冷源，從冷凍主機(jī)流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過各房間的盤管，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。冷卻水塔為冷凍主機(jī)提供冷卻水，冷卻水經(jīng)管道盤旋流過冷凍主機(jī)后，將帶走冷凍主機(jī)所產(chǎn)生的熱量，使冷凍主機(jī)

11、降溫。中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)有3種控制方式：早期的繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器（Direct Digital Controller，DDC） 和PLC控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗高等明顯的缺點(diǎn)已逐漸被人們淘汰；DDC雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展，但由于DDC 本身的抗干擾能力問題和分級(jí)分步式結(jié)構(gòu)的局限性限制了其應(yīng)用范圍；PLC 控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用與維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等顯著優(yōu)點(diǎn)而逐步得到廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)的中央空調(diào)系統(tǒng)由3臺(tái)冷卻水泵、3 臺(tái)冷凍水泵、1 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)、2 臺(tái)冷水機(jī)組等主要設(shè)備組成。如圖2-2所示，其中，冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、

12、冷凝器與蒸發(fā)器組成，由微處理器自動(dòng)控制。圖2-2 系統(tǒng)原理圖2.2工藝流程冷水機(jī)組壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收熱量，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量。如此循環(huán)不已，把室內(nèi)的熱量帶出，達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的3。2.3控制要求控制系統(tǒng)的基本操作功能設(shè)置為手動(dòng)和自動(dòng)兩種選擇，手動(dòng)功能主要是對(duì)設(shè)備單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)保養(yǎng)時(shí)所選用，而自動(dòng)功能是由車間內(nèi)的各組空調(diào)處理機(jī)組或新風(fēng)機(jī)組的啟停來控制泵組工作的。在手動(dòng)或自動(dòng)的啟停操作時(shí)，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、制冷機(jī)組

13、在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，按照順逆程序進(jìn)行啟動(dòng)和停止，并且在任何功能中有操作錯(cuò)誤時(shí)均為無效，以確保各組設(shè)備保持正常的操作狀態(tài)。主要的控制要求有以下幾點(diǎn)：（1）測量冷凍水供回水溫度及流量，從而計(jì)算空調(diào)實(shí)際的冷負(fù)荷，根據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷來決定冷水機(jī)組的開啟臺(tái)數(shù)，達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)。（2）各設(shè)備的程序聯(lián)動(dòng)。啟動(dòng)：冷卻塔風(fēng)機(jī)冷卻水泵冷凍水泵冷水機(jī)組；停止：冷水機(jī)組冷凍水泵冷卻水泵冷卻塔風(fēng)機(jī)。當(dāng)其中一臺(tái)冷卻水泵/冷凍水泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用冷卻水泵/冷凍水泵會(huì)自動(dòng)投入工作。（3）測量冷凍水系統(tǒng)供回水管的壓差P=P1- P2控制其旁通閥（TV）的開口度，使其維持壓差。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)原則（1）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制

14、要求N 充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國內(nèi)、國外資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題和疑難問題。（uQ'UK2）保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠P+b0g#a bL"u保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證

15、PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等），也能正常工作。（Mn"CIeNm1s|"3）力求簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。（Nm HR14）適應(yīng)發(fā)展的需要&A EU ucS?Dv)W

16、/dTd3nD由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。硬件電路主要實(shí)現(xiàn)：信號(hào)采集，控制信號(hào)輸出，水泵控制，故障報(bào)警等功能。其系統(tǒng)邏輯框圖如圖3-1所示。3.2硬件設(shè)計(jì)3.2.1 PLC選型空調(diào)變頻控制系統(tǒng)選配的SIMATIC S7-200 PLC主要由CPU226模塊(24DI/16DO)、模擬量輸入EM231模塊(4AI)和模擬量輸出EM232模塊(2AO)三部分組成。 圖3-1 系統(tǒng)邏輯框圖S7-200系列PLC功能強(qiáng)、

17、速度快、擴(kuò)展靈活，具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(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、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括電力設(shè)施、民用設(shè)施、機(jī)械、機(jī)床等領(lǐng)域。S7-200系列PLC具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內(nèi)置豐富的集成功能、實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論是在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。所以它具有極高的性價(jià)比。CPU模塊不斷地采集輸入信號(hào)，通過執(zhí)行用戶程序，去刷新系統(tǒng)的輸出。輸入和輸出模塊，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。通過一臺(tái)安裝有STEP7-

18、Micro/WIN32編程軟件的計(jì)算機(jī)、一根連接計(jì)算機(jī)和PLC的PC/PPI通訊電纜，即可對(duì)S7-200進(jìn)行用戶編程。為了滿足以上所介紹的空調(diào)控制工藝要求，整個(gè)控制系統(tǒng)需要的I/O 點(diǎn)分別是18 點(diǎn)和15點(diǎn)。為了便于今后系統(tǒng)的改造或者升級(jí)留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時(shí)使用。根據(jù)以上具體要求，我們選用西門子的S7-200PLC作為核心控制器。其中主機(jī)：CPU226 為24 輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)；模擬量擴(kuò)展模塊：4道模擬量輸入點(diǎn)；數(shù)字量擴(kuò)展模塊：2道數(shù)字量輸出點(diǎn)；共計(jì)28道輸入點(diǎn)，實(shí)際用18道，10道備用；18道輸出點(diǎn)，實(shí)際用15道，3道備用。有RS485通訊端口，并配有STEP7編

19、程軟件，可以通過PC 機(jī)對(duì)其進(jìn)行編程輸入4。該軟件還能在PLC 運(yùn)行時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀況。再有結(jié)合人機(jī)界面直接操作，配置結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置此外該控制器獨(dú)到之處還有強(qiáng)大的指令集令包括位邏輯指令、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、通訊指令以及和智能模塊配合的指令等；豐富強(qiáng)大的通訊功能，包括以太網(wǎng)通訊在內(nèi)等。3.2.2變頻器的選擇常規(guī)設(shè)計(jì)的交流電動(dòng)機(jī)，通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。此時(shí)，軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率都可以達(dá)到額定值。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率是變化的，電機(jī)的實(shí)際輸出也會(huì)變化。由于變頻器有一定的通用性，因此在與不同拖動(dòng)場合的電機(jī)配合時(shí)，需要選配相應(yīng)的變

20、頻器。在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動(dòng)機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率。根據(jù)以上的介紹以及系統(tǒng)功能的需求，本文選擇了三菱FR-A540變頻器。本系統(tǒng)所用的單臺(tái)水泵功率為2.2kW。三菱FR-A540變頻器的容量為0.4kW7.5kW。由于本系統(tǒng)采用的是一臺(tái)變頻器只為一臺(tái)電機(jī)提供電源，即一臺(tái)變頻器對(duì)應(yīng)一臺(tái)水泵，所以三菱FR-A540的功率以足夠勝任。并且三菱FR-A540變頻器性能可靠，價(jià)格低廉，市場占有份額大，便于購買。所以選擇三菱FR-A540作為本系統(tǒng)的變頻器5。3.2.3輸入輸出點(diǎn)地址分配表3-1 輸入輸

21、出地址分配表模塊號(hào)輸入端子號(hào)輸出端子號(hào)地址號(hào)信號(hào)名稱說明CPU2261I0.01號(hào)啟動(dòng)按鈕2I0.11號(hào)停止按鈕3I0.22號(hào)啟動(dòng)按鈕4I0.32號(hào)停止按鈕5I0.43號(hào)啟動(dòng)按鈕6I0.53號(hào)停止按鈕7I0.6緊急停車按鈕8I0.7總啟動(dòng)按鈕9I1.0控制溫度+1按鈕10I1.1控制溫度-1按鈕11I1.21號(hào)電機(jī)故障按鈕12I1.32號(hào)電機(jī)故障按鈕1Q0.0變頻器給電繼電器2Q0.11號(hào)泵工頻啟動(dòng)繼電器3Q0.21號(hào)泵變頻運(yùn)行繼電器4Q0.32號(hào)泵工頻啟動(dòng)繼電器5Q0.42號(hào)泵變頻運(yùn)行繼電器6Q0.53號(hào)泵工頻啟動(dòng)繼電器7Q0.63號(hào)泵變頻運(yùn)行繼電器8Q0.72號(hào)變頻器給電繼電器9Q1.0冷

22、凍泵變頻運(yùn)行EM2311AIW01號(hào)熱電阻PT1002AIW22號(hào)熱電阻PT100EM2321AQW01號(hào)變頻器電壓2AQW22號(hào)變頻器電壓3.3軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由初始化程序、主程序和中斷服務(wù)程序三部分組成。主程序主要對(duì)存儲(chǔ)區(qū)標(biāo)志位、緩沖區(qū)、定時(shí)器和PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行初始化。子程序由PID調(diào)節(jié)子程序和尋找最佳工作模式子程序組成。PLC控制下變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，PLC是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。其作用是協(xié)調(diào)各機(jī)組與變頻器之間的電氣連接，通過接觸器與變頻器的繼電器和接觸器進(jìn)行邏輯切換來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案。PLC的輸入信號(hào)有機(jī)組選擇信號(hào)、運(yùn)行方式選擇信號(hào)、冷卻塔和主機(jī)開/關(guān)信號(hào)、冷凍泵和冷卻泵的

23、起/停信號(hào)等。輸入信號(hào)經(jīng)程序運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，經(jīng)微型繼電器及相應(yīng)的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，以及聲、光報(bào)警器件的動(dòng)作。PLC軟件程序設(shè)計(jì)采用梯形圖語言編程，直觀易懂。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機(jī)組及溫度檢測裝置組成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。PLC用I/O擴(kuò)展板接口分別接入A/D和D/A從模塊。A/D模塊通過PLC將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，D/A模塊將PLC輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量，以控制變頻器升速過程及降速過程。需要注意的是，在水泵進(jìn)行工頻和變頻電網(wǎng)的切換過程盡可能快，各接觸器間互鎖和動(dòng)作時(shí)間要設(shè)置好。本系統(tǒng)是利用電壓信號(hào)控制變頻

24、器，進(jìn)而控制水泵轉(zhuǎn)速和溫度?？刂瞥绦虿捎肞ID控制算法控制輸出電壓。其中子程序SBR-0為1號(hào)變頻器的電壓控制參數(shù)；SBR-1為2號(hào)變頻器的電壓控制參數(shù)。主程序OBI分別調(diào)用SBR-0，SBR-1子程序塊傳送PID控制參數(shù)。定時(shí)中斷0為每10毫秒中斷一次，進(jìn)入INT-0。中斷服務(wù)程序INT-0對(duì)2個(gè)變頻器分別控制。表3-2 內(nèi)存變量分配序號(hào)名稱地址注釋序號(hào)名稱地址注釋11號(hào)啟動(dòng)I0.0上升沿271號(hào)過程變量VD032bit21號(hào)停止I0.1上升沿281號(hào)設(shè)定值VD432bit32號(hào)啟動(dòng)I0.2上升沿291號(hào)輸出值VD832bit42號(hào)停止I0.3上升沿301號(hào)增益VD1232bit53號(hào)啟動(dòng)I

25、0.4上升沿311號(hào)采樣時(shí)間VD1632bit63號(hào)停止I0.5上升沿321號(hào)積分時(shí)間VD2032bit7緊急停車I0.6上升沿331號(hào)微分時(shí)間VD2432bit8總啟動(dòng)I0.7上升沿432號(hào)微分時(shí)間VD6032bit9溫度+1I1.0上升沿442號(hào)積分前項(xiàng)VD6432bit10溫度-1I1.1上升沿452號(hào)過程前值VD6832bit111號(hào)電機(jī)故障I1.2上升沿462號(hào)PID輸出VW41816bit122號(hào)電機(jī)故障I1.3上升沿47顯示存儲(chǔ)區(qū)VW10016bit13變頻器給電Q0.0“1”有效341號(hào)積分前項(xiàng)VD2832bit141號(hào)泵工頻啟動(dòng)Q0.1“1”有效351號(hào)過程前值VD3232b

26、it151號(hào)泵變頻運(yùn)行Q0.2“1”有效362號(hào)PID表VB368bit162號(hào)泵工頻啟動(dòng)Q0.3“1”有效372號(hào)過程變量VD3632bit172號(hào)泵變頻運(yùn)行Q0.4“1”有效382號(hào)設(shè)定值VD4032bit183號(hào)泵工頻啟動(dòng)Q0.5“1”有效392號(hào)輸出值VD4432bit193號(hào)泵變頻運(yùn)行Q0.6“1”有效402號(hào)增益VD4832bit202號(hào)變頻器給電Q0.7“1”有效412號(hào)采樣時(shí)間VD5232bit21冷凍泵變頻運(yùn)行Q1.0“1”有效422號(hào)積分時(shí)間VD5632bit221號(hào)熱敏電阻AIW012bit48EM232最大值VW40016bit232號(hào)熱敏電阻AIW212bit49EM

27、232最小值VW40216bit241號(hào)變頻器控制電壓AQW012bit501號(hào)PID輸出VW41616bit252號(hào)變頻器控制電壓AQW212bit51中間值變量VD7232bit261號(hào)PID表VB08bit3.3.1 PLC編程軟件該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言。語句表(STL)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計(jì)算機(jī)語言相比，梯形

28、圖可以看作是PLC的高級(jí)語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受。PLC控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。S7-200的編程語言是STEP7，它是用于S7系列PLC進(jìn)行編程、調(diào)試的全新軟件，它是在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC1131-3的基礎(chǔ)上建立的，可以用LAD，CSF和STL來編程。通過STEP7編程軟件，不僅可以非常方便的使用梯形圖和語句表等形式進(jìn)行離線編程，經(jīng)過編譯后通過轉(zhuǎn)接電纜直接下載

29、入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，還可以在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況，給調(diào)試工作也帶來極大的方便。STEP7軟件的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)試功能很強(qiáng)大，不僅能在線讀取數(shù)據(jù)，而且能在線修改過程數(shù)據(jù)，對(duì)于調(diào)試大型復(fù)雜控制程序非常有效。STEP7軟件還附帶一些控制程序模塊，如P功調(diào)節(jié)模塊，這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)不同功能6。3.3.2主程序設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。PLC程序設(shè)計(jì)共有四個(gè)模塊：（1）控制按鈕模塊主要處理各電機(jī)和電磁閥的啟?？?/p>

30、制。（2）報(bào)警處理模塊主要處理變頻器的故障報(bào)警和報(bào)警信息。（3）變頻器給定模塊將處理變頻器的工作模式，調(diào)用變頻器設(shè)定模塊。（4）變頻器設(shè)定模塊，是接受由模擬量輸入模塊(EM231)接受速度傳感器轉(zhuǎn)換而來的信號(hào)，與頻率給定值進(jìn)行比較后再作為輸入信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量給變頻器PLC主程序設(shè)計(jì)，當(dāng)PLC的主程序開始運(yùn)行之后，就處于反復(fù)的循環(huán)執(zhí)行之中，每一次循環(huán)被稱為一次掃描：即對(duì)主程序的語句逐條掃描執(zhí)行。主程序主要完成初始化、遙信自處理、通信處理三方面的工作。只有第一次掃描才執(zhí)行初始化程序，然后進(jìn)行遙信自處理程序，若有通信要求，則進(jìn)行通信處理，否則結(jié)束主程序，完成一次掃描工作7。PLC程序的運(yùn)行方

31、式為循環(huán)掃描式，因此將主要功能模塊設(shè)計(jì)成主程序，如圖3-3，在每一掃描周期內(nèi)該主程序均被執(zhí)行，而壓縮機(jī)啟停順序生成模塊則設(shè)計(jì)成子程序供調(diào)用。圖3-3 主程序流程圖3.3.3壓縮機(jī)啟停順序生成及實(shí)現(xiàn)用常規(guī)元件控制的電控箱，壓縮機(jī)的啟動(dòng)順序一般是固定的，也有部分電控箱（進(jìn)口機(jī)組居多）是由一撥動(dòng)開關(guān)人為控制。采用PLC控制后，壓縮機(jī)的啟動(dòng)順序有PLC按壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長短自動(dòng)生成。當(dāng)機(jī)組在第一臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)前，調(diào)用壓縮機(jī)的啟停順序生成子程序，得到3臺(tái)壓縮機(jī)的啟停順序，分別存于開關(guān)數(shù)據(jù)單元。主程序調(diào)用子程序是的參數(shù)傳遞采用公用參數(shù)的方式傳遞。即主程序及子程序訪問相同的數(shù)據(jù)區(qū)域及其寄存器5。3.3.4參數(shù)

32、設(shè)置、顯示、保護(hù)、報(bào)警等功能實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的各參數(shù)從PLC的輸入端讀取，在每次讀取后通過程序直接寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器。在開關(guān)設(shè)置上，將系統(tǒng)的默認(rèn)值設(shè)置成不需要按下任何開關(guān)，既方便用戶，也使現(xiàn)場安裝后忘記設(shè)置這些開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)可以最佳的狀態(tài)運(yùn)行。機(jī)組設(shè)置總運(yùn)行、故障輸出，壓縮機(jī)單機(jī)的運(yùn)行、故障狀態(tài)可選項(xiàng)，其輸出可以接也可以不接。當(dāng)程序檢測到某壓縮機(jī)有故障（高低壓保護(hù)、過載）時(shí)，會(huì)對(duì)故障自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，達(dá)到設(shè)定的故障次數(shù)后，將自動(dòng)停止該臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)機(jī)組輸出故障報(bào)警信號(hào)6。3.3.5程序設(shè)計(jì)程序采用梯形圖的形式，它沿用了繼電器的觸點(diǎn)和線圈等符號(hào)，圖形表示易于理解。部分梯形圖程序如下：（完整程序見

33、附錄）VD4VD0SBR-0CALLEN MOV-WIN OUT0.064VD72SM0.0ARQ2.3/中間過程變量值（32）/若VD0冷卻水過程變量小于VD4設(shè)定值I1.3Q2.3ARVD72VD0EN MOV-WIN OUTVW416AQW0Q0.4Q0.2Q0.6I1.3Q0.6ARQ2.1VD0VD4/若VD0冷卻水過程變量大于VD72設(shè)定值。/VW416冷卻水PID輸出送AQW0控制1號(hào)變頻器。/KM5接通2號(hào)泵變頻運(yùn)行。/若2號(hào)泵故障，則3號(hào)泵代替。同時(shí)2號(hào)停機(jī)。/過溫保護(hù)。AQW0ARVD0VD72EN MOV-WIN OUTVW416Q0.2I1.2Q0.6I1.2Q0.6Q

34、0.3R1/若VD0冷卻水過程變量小于VD72中間值。/1號(hào)泵變頻運(yùn)行。/若1號(hào)泵故障，則3號(hào)泵代替，同時(shí)1號(hào)泵停機(jī)。/2號(hào)電機(jī)停止。圖3-5 冷卻水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序梯形圖4監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1軟件選取4.1.1組態(tài)軟件的特點(diǎn)隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高，種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時(shí)，當(dāng)工業(yè)被控對(duì)象一旦有變動(dòng)，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個(gè)控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂

35、貴；在修改工控軟件的源程序時(shí)，倘若原來的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí)，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。4.1.2常見組態(tài)軟件的比較從目前國內(nèi)組態(tài)軟件市場看，是國內(nèi)組態(tài)軟件品牌和國外品牌同時(shí)并存的局面。這種局面，應(yīng)該說在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)還要長期存在。組態(tài)軟件市場經(jīng)過10余年的培育和發(fā)展，目前正處在一個(gè)蓬勃發(fā)展的成長階段，用戶對(duì)組態(tài)軟件產(chǎn)品接受程度也日益增加。用戶正面臨從產(chǎn)

36、品接受度到品牌接受度的轉(zhuǎn)變期。隨著市場競爭的加劇和一些先期發(fā)展的品牌市場推廣力度的加大，組態(tài)軟件市場對(duì)新進(jìn)入者會(huì)增加越來越高的門檻。從各家組態(tài)軟件市場看，現(xiàn)在主要有以下品牌：（1）國際品牌：iFix 、Intouch 、WinCC。（2）國內(nèi)品牌：組態(tài)王、MCGS 、力控、FameView 、世紀(jì)星。從使用方便和性價(jià)比的角度來說，選取國內(nèi)組態(tài)軟件還是不錯(cuò)的。組態(tài)王是國內(nèi)最早、裝機(jī)量最多的組態(tài)軟件。主要優(yōu)勢(shì)如下：(1)品牌知名度，在許多項(xiàng)目中，往往是國外組態(tài)軟件的替代品，而且只要是接觸過組態(tài)軟件，基本上都知道組態(tài)王；(2)辦事處多，本地化服務(wù)能力強(qiáng)；(3)驅(qū)動(dòng)豐富而且一般都比較可靠?？梢娊M態(tài)王完

37、全能夠完成本次設(shè)計(jì)的組態(tài)部分。4.2仿真本設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的部分監(jiān)控仿真圖如下圖所示：圖4-1 系統(tǒng)運(yùn)行主界圖在系統(tǒng)主畫面中，組態(tài)了系統(tǒng)所用的的所有設(shè)備，并能夠顯示設(shè)備狀態(tài)。工作人員只需在監(jiān)控室，就能夠掌握所有設(shè)備的運(yùn)行狀況以及所需要的信息。圖4-2空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)束語本文闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化控制和節(jié)能設(shè)計(jì)的基本思路和方法，介紹了交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn)，在中央空調(diào)變頻調(diào)速中應(yīng)用了PID算法，對(duì)系統(tǒng)的主回路和控制回路的硬件應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)，通過模擬量檢測電路檢測冷凍水和冷卻水的溫度，并經(jīng)過分析處理后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器顯示。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，PLC主模塊及擴(kuò)展模塊的

38、選擇能滿足系統(tǒng)的需要，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)留有一定的裕量，以滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的要求。模擬量采集采用PT100和變送器組合，通過EM231與PLC相連，在可靠性，精度方面都能達(dá)到要求。由于邏輯功能通過軟件實(shí)現(xiàn)，從而減少了大量的中間連線，完善了連鎖保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此系統(tǒng)具有開放性好、可擴(kuò)充能力強(qiáng)、可靠性高、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。本課題主要是對(duì)空調(diào)出口溫度進(jìn)行檢測，采用變頻器調(diào)節(jié)中央空調(diào)的轉(zhuǎn)速，使其高效運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，并且采用PLC和PID調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，可以大大節(jié)約電能，對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)特性和運(yùn)行特性都有很大的改善。并且頻率下

39、調(diào)后，電機(jī)避免了長期高速的運(yùn)行，有效地延長了電機(jī)和機(jī)組的壽命。本課題具有較好的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景，值得進(jìn)一步的研究和完善。致 謝大學(xué)四年，人生經(jīng)歷與知識(shí)都受益良多，我滿懷感激。首先感謝鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院提供給我這次難得的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，因此在大學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，無論是基礎(chǔ)課、專業(yè)課，還是課程實(shí)踐，我都盡全力而為，收獲甚多。通過近4年的學(xué)習(xí)，我的專業(yè)知識(shí)水平無論在理論上，還是在實(shí)際研究能力上，都進(jìn)了一大步。我將永遠(yuǎn)記住我的母校。 其次，感謝導(dǎo)師李金城老師給予我們的悉心指導(dǎo)和照顧，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度與治學(xué)精神仍將是我今后學(xué)習(xí)的方向。在本畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中李老師從生活上、資料收集上給予了我們大力支持，

40、給我們提供了一個(gè)優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；更是從選題、到修改、直至設(shè)計(jì)上都不斷的給予我關(guān)鍵性的點(diǎn)撥，使我在論文寫作的迷茫中豁然開朗。感謝李老師在開題與論文修改過程中提出的中肯建議，拓展了本文的思路，加強(qiáng)了論文的邏輯性，亦令我受益匪淺。這些都是本論文得以完成的基礎(chǔ)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束之際，我在此對(duì)電氣信息工程學(xué)院，對(duì)李金城老師以及所有為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供幫助的老師們致以崇高的敬意和真心的感謝。參考文獻(xiàn)1陳曉東.中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量和健康的影響J.中國公共衛(wèi)生,2004,20(12):14-34.2王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008.3李正熙，白晶.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京：冶金工業(yè)出版社,2000.232-239.4廖常初.PLC編程及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.6-16,22,83-108.5陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.159-170.6王兆義.小型可編程控制器實(shí)用技術(shù)M.上海:機(jī)