基于PLC的變頻中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)的畢業(yè)設計

1、唐 山 學 院畢 業(yè) 設 計設計題目：基于PLC的變頻中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設計 系 別： 智能與信息工程學院 班 級： 姓 名： 指 導 教 師： 田麗欣 2016年6月1 日基于PLC的變頻中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)設計摘 要為了保證環(huán)境溫度和濕度的舒適，大多酒店、大型商場、工廠車間、寫字樓甚至學校等都裝有中央空調(diào)系統(tǒng)，方便管理以及節(jié)約能源。但傳統(tǒng)的中央空調(diào)能源利用率還是相對較低，普遍存在30%左右的無效能耗。傳統(tǒng)的中央空調(diào)能源消耗大，而效率相對低下，無論負荷的大小，電機已及系統(tǒng)都是在全負荷的狀態(tài)下工作的，當用戶不需要這么大的負荷時，就造成了資源的浪費。中央空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)主機，冷卻水泵、冷卻塔，冷

2、凍水泵、風機、盤管系統(tǒng)等組成。冷凍水是流過空調(diào)主機后，經(jīng)過空調(diào)主機制冷降溫，通過冷凍泵輸送到各個房間中，然后通過盤管系統(tǒng)，和室內(nèi)的空氣進行熱交換，最后再流回空調(diào)主機，形成循環(huán)。而冷卻水系統(tǒng)則主要是給空調(diào)主機降溫，在冷卻泵的作用下，冷卻水流經(jīng)空調(diào)主機，把空調(diào)主機的熱量帶走，再在冷卻塔處經(jīng)由卻塔風機進行散熱，最后再流回空調(diào)主機，形成循環(huán)。冷凍水、凍卻水作為熱量的載體，不斷地把室內(nèi)的熱量帶到室外。本論文所研究的中央空調(diào)系統(tǒng)可在PLC的控制下，利用PT-100溫度變送器采集室內(nèi)溫度，通過EM235模擬量輸入輸出模塊將采集到的溫度度數(shù)轉化為模擬量，進行PID計算，轉化后輸送給變頻器，變頻器再帶動電機做出

3、相應的加減速轉動，使室內(nèi)溫度發(fā)生變化，從而形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)最優(yōu)控制，低能源高效率，保證居住、工作環(huán)境的溫度和濕度的同時，最大空間的節(jié)約能源，提高能源利用率。關鍵詞：中央空調(diào)溫度控制 PLC EM235 變頻器 PID控制 Design of Variable frequency central air conditioning temperature control system based on PLCAbstractIn order to ensure the comfort of the temperature and humidity environment, many hotels

4、, large shopping malls, factories, office buildings, and even schools have been installed central air-conditioning system, to facilitate the management and energy conservation. But the traditional central air conditioning energy utilization is still relatively low, there are about 30% of the invalid

5、 energy consumption. The traditional central air-conditioning energy consumption, and efficiency is relatively low, regardless of the size of the load, motor and system are working under the state of full load, when users do not need such a big load, causing the waste of resources.The central air co

6、nditioning system by the air conditioning host, cooling water pump, cooling tower, chilled water pump, fan coil system, etc. Chilled water is through the air conditioning host, after a cool air conditioning refrigeration host, through the frozen pump into the rooms, and then through the coil system,

7、 and indoor air heat exchange, and then flow back to the air conditioning host, form a circle. Cooling and cooling water system are mainly for air conditioning host, under the effect of cooling pump, cooling water flowing through the air conditioning host, and take away the quantity of heat of air c

8、onditioning host, through the tower fan for cooling in cooling tower place again, and then flow back to the air conditioning host, form a circle. Chilled water, frozen water as heat carrier, constantly brought the indoor quantity of heat to outdoor. This paper studied the central air conditioning sy

9、stem is under the control of PLC, using the PT - 100 temperature transmitter collection and indoor temperature, by EM235 analog input/output module collected temperature readings can be converted to analog, the PID calculation, conveying the converted to frequency converter, frequency converter to d

10、rive the motor makes the corresponding rotational acceleration and deceleration, make indoor temperature changes, thus forming a closed loop control, realize the optimal control, low energy efficiency, guarantee the living and working environment of temperature and humidity at the same time, the big

11、gest space to save energy, improve energy efficiency.Key words: Control of central air conditioning temperature; PLC; EM235; Frequency changer; PID control;目 錄1 引言11.1 課題研究的意義11.2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀11.3 設計的任務和要求22 中央空調(diào)系統(tǒng)的構成及工作原理32.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理32.2 中央空調(diào)系統(tǒng)的構成32.2.1 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)32.2.2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)32.2.3 空調(diào)主機42.2.4 風機

12、盤管系統(tǒng)43 中央空調(diào)系統(tǒng)控制原理53.1 傳統(tǒng)控制方式介紹53.2 中央空調(diào)的變頻調(diào)速原理53.3 電機的軟啟動73.3.1 電機普通啟動電流73.3.2 軟啟動設備介紹73.3.3 軟啟動的應用73.3.4 軟啟動的優(yōu)點83.3.5 軟啟動器與變頻器的區(qū)別83.4 中央空調(diào)的電機頻率的PID控制93.4.1 PID控制原理93.4.2 PID參數(shù)整定的常規(guī)方法及手段103.4.3 溫度控制回路114 中央空調(diào)系統(tǒng)硬件設計124.1 變頻器介紹124.1.1 變頻器原理124.1.2 變頻器的選擇124.1.3 施耐德ATV312系列變頻器124.1.4 使用注意事項134.2 可編程邏輯控

13、制器介紹134.2.1 可編程邏輯控制器134.2.2 PLC的工作原理144.2.3 西門子S7-200 PLC144.2.4 模擬量輸入輸出模塊144.3 PT100溫度傳感器154.4 三相異步電動機155 中央空調(diào)系統(tǒng)軟件設計175.1 主程序設計175.2 程序設計185.2.1 PLC編程軟件STEP7Micro185.2.2 I/O點分配185.2.3 程序中存儲器分配195.2.4 部分程序設計205.3 EB8000觸摸屏編程軟件255.4 仿真界面256 結論29謝辭30參考文獻31附錄一 電氣原理圖32附錄二 源程序34唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計1 引言1.1 課題研

14、究的意義隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大家的生活水平明顯提高，生活條件也是越來越好。在夏天，為了保證環(huán)境溫度和濕度的舒適，很多酒店、大型商場、工廠車間、寫字樓甚至學校等都已經(jīng)安裝了中央空調(diào)系統(tǒng)，方便管理以及節(jié)約能源。但傳統(tǒng)的中央空調(diào)能源利用率還是相對較低，普遍存在30%左右的無效能耗1，因此采用新型的節(jié)能技術已經(jīng)成為了當務之急，響應國家節(jié)能減排的低碳生活的號召。傳統(tǒng)的中央空調(diào)是通過手動調(diào)節(jié)閥門的大小來控制水的流量的大小的，而冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)中水泵就已經(jīng)消耗了大量的能量，而水泵是一直處于工頻，即滿負荷的狀態(tài)下工作的2。而頻繁的啟停也對設備有一定的損傷，電機的啟動電流是額定電流的5到7倍，如此大的

15、電流沖擊不僅對電機、接觸器等有影響，也給電網(wǎng)帶來了一定的沖擊，同時也會減少機械設備的壽命3。本文通過對冷凍水供回水溫、壓差，冷卻水的流量等工藝參數(shù)進行優(yōu)化整定；使用變頻調(diào)速技術，實現(xiàn)電機的連續(xù)平滑速度調(diào)節(jié)，減少電機頻繁的啟停以及大大的降低了電機啟動時的電流，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，大大提高溫度控制的精度，從而實現(xiàn)高效的恒溫調(diào)節(jié)的中央空調(diào)系統(tǒng)。創(chuàng)造出一個適合人居住、工作、學習的環(huán)境的同時，還減少了對環(huán)境的污染。1.2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀我國從90年開始研究空調(diào)的智能控制，現(xiàn)已研究出多種控制方式的變頻空調(diào)或者智能控制空調(diào)，隨著樓宇智能化的發(fā)展，樓宇自動化控制技術也得到了飛速的發(fā)展，在實現(xiàn)辦公生活

16、舒適、方便的前提下，還要實現(xiàn)高效節(jié)能4。中央空調(diào)是在系統(tǒng)的各種末端提供能量的交換，在保證能量交換正常的情況下再考慮如何節(jié)能。循環(huán)水系統(tǒng)有幾十的發(fā)展歷史了，但依然存在著一些問題，需要不斷地完善，比如水壓不平衡問題，出水溫度和回水溫度溫差過小問題，傳輸過程中能量的損失問題5，這些問題都推動了當代變流量技術的發(fā)展。而這些全得靠于變頻技術的發(fā)展，正是有了變頻技術，才可以更高效地控制水流量，實現(xiàn)節(jié)能控制。在變頻技術出現(xiàn)之前，水泵都是恒工頻工作，冷水以固定的流量輸送到管道各處，在不需要這么大的流量的場合下，這將是一個很大的能源浪費。隨著變流量技術的成熟，現(xiàn)在國內(nèi)外側重于采用多級PID調(diào)節(jié)的控制方法6。多級

17、PID調(diào)節(jié)因其魯棒性強、自我調(diào)節(jié)能力強、控制迅速準確等特點，不依賴于被控對象具體的模型，而被廣泛利用于中央空調(diào)的控制技術中。1.3 設計的任務和要求中央空調(diào)廣泛應用于商用與民用建筑中，本設計應用PLC和變頻器實現(xiàn)對中央空調(diào)的溫度控制。該設計涉及可編程控制器原理及應用、變頻器技術、傳感器與檢測技術等課程知識及應用。在設計中以PLC作為主控單元，采用PID控制算法，通過變頻器控制水泵運轉速度，實現(xiàn)恒溫控制，并完成上位機設計?？删幊踢壿嬁刂破鳎且环N采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械

18、或生產(chǎn)過程。設計的主要內(nèi)容是利用變頻器、PLC、模擬量輸出模塊、溫度傳感器、模擬量輸入模塊等器件，構成溫度閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量?？梢允謩釉O定定時吹風，溫度的控制器采用PLC內(nèi)部控制。水泵通過PLC控制，處于一個最合適的頻率下，溫度穩(wěn)定時水的流量也穩(wěn)定，通過變頻器控制風機轉速，達到變頻控制目的，實現(xiàn)最優(yōu)控制。2 中央空調(diào)系統(tǒng)的構成及工作原理2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理中央空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)主機，冷卻水泵、冷卻塔，冷凍水泵、風機、盤管系統(tǒng)等組成。冷凍水是流過空調(diào)主機后，經(jīng)過空調(diào)主機制冷降溫，通過冷凍泵輸送到各個房間中，然后通過盤管系統(tǒng)，和室內(nèi)的空氣進行熱交換，最后再流回空調(diào)主機，

19、形成循環(huán)。而冷卻水系統(tǒng)則主要是給空調(diào)主機降溫，在冷卻泵的作用下，冷卻水流經(jīng)空調(diào)主機，把空調(diào)主機的熱量帶走，再在冷卻塔處經(jīng)由卻塔風機進行散熱，最后再流回空調(diào)主機，形成循環(huán)。冷凍水、凍卻水作為熱量的載體，不斷地把室內(nèi)的熱量帶到室外?？照{(diào)原理如圖2-1。圖2-1 空調(diào)原理圖2.2 中央空調(diào)系統(tǒng)的構成2.2.1 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)本部分由冷凍泵、冷凍水管組成。從主機蒸發(fā)器出來的冷凍水通過冷凍泵壓入冷凍水管道，進入房間內(nèi)，利用室內(nèi)的風機進行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，同時使冷凍水的溫度上升，最后回到空調(diào)主機的蒸發(fā)器。2.2.2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)本部分主要由冷凝器、冷卻水管、冷卻塔、冷卻泵等部分構成。冷凍水循環(huán)系

20、統(tǒng)在室內(nèi)熱交換，溫度上升，然后把這熱量在空調(diào)主機處傳遞給冷卻水，冷卻水的溫度上升。在冷卻泵的作用下，冷卻水進入室外的冷卻塔，最后在冷卻塔風機下散熱，與大氣進行熱交換，溫度下降后的冷卻水再流回空調(diào)主機，從而形成循環(huán)系統(tǒng)。2.2.3 空調(diào)主機本部分主要是由空氣壓縮機、冷媒體、冷凝器、蒸發(fā)器組成。它的工作原理如下：氣態(tài)的冷媒體會在空氣壓縮機內(nèi)被壓縮成液體，物體從氣體狀態(tài)冷凝成氣體的時候會放出熱量，而冷媒體在冷凝器中冷凝成液體的時候所放出來的熱量會被冷卻水所吸收，然后冷卻水在冷卻泵的作用下輸送到室外的冷卻塔，在風機下與大氣進行熱交換，把熱量散發(fā)到室外。在冷凝器中液化的冷媒體會進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)由于

21、壓力的變化，液態(tài)的冷媒體會汽化，液體變成氣體會吸收周圍的熱量，流經(jīng)蒸發(fā)器的冷凍水的熱量被冷媒體吸收，冷凍水的溫度下降，達到制冷效果。升溫后的變成氣體的冷媒體最后又進入壓縮機，進行下一個循環(huán)。2.2.4 風機盤管系統(tǒng)本部分主要由盤管、室內(nèi)風機組成。在風機的作用下，室內(nèi)的空氣不斷地與盤管內(nèi)的冷凍水進行熱交換，經(jīng)過盤管后，室內(nèi)的空氣溫度下降，直到達到設定的溫度并保持動態(tài)平衡。同時新風系統(tǒng)的風機還會把部分室外的空氣引進到室內(nèi)，保持室內(nèi)的空氣的清新，不會混濁。3 中央空調(diào)系統(tǒng)控制原理3.1 傳統(tǒng)控制方式介紹中央空調(diào)在設計的時候容量是按照最大的來設計的，也就是說是按照全年最熱的時候以及負荷最大的時候設計的

22、。雖然空調(diào)主機可以隨著負荷的大小而改變，但是冷凍水機組和冷卻水機組卻不行。他們一旦運行，就是工作在工頻下，不能對負荷的變化做出反應，以滿載的狀態(tài)運行，這樣會造成很大的能源浪費現(xiàn)象。水的流量過大，而出水溫度與回水溫度的溫差很小，即不需要如此大流量的冷凍水。而且傳統(tǒng)的控制是直接使用接觸器起動電機的，這樣子電機啟動時的電流會很大，不但對電網(wǎng)有沖擊，如此大的電流會還會對接觸器的使用壽命有一定的影響。啟動時的大力轉還會對電機有一定的沖擊，還會對軸承、閥門等機械部件都有一定的影響，從而降低了壽命，增加了維修的成本。而且冷泵機組不能自動調(diào)節(jié)溫度，只能由人工來調(diào)節(jié)，會造成一種時而溫度過高，時而溫度過低的現(xiàn)象，

23、會給人帶來不適。人工調(diào)節(jié)冷凍水流量的大小不達不到準確的控制效果，還會浪費人力資源，提高了空調(diào)的運行成本。3.2 中央空調(diào)的變頻調(diào)速原理三相異步電動機的調(diào)速方式主要有：變極調(diào)速以及變頻調(diào)速、變轉差率調(diào)速三大類，而變轉差率調(diào)速又包括串級調(diào)速、轉子串電阻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速等。變頻調(diào)速，顧名思義，是通過改變電源的頻率進而改變同步轉速實現(xiàn)的。同步轉速改變，電機轉子的速度也會隨之而改變。在三相異步電機眾多的調(diào)速方法中，變頻調(diào)速是在工業(yè)中運用得最廣泛的。由于其使用簡單，接線方便，調(diào)速范圍大，而且效率高，轉矩不會隨著頻率的下降而下降而得到廣泛的應用。在現(xiàn)在電力電子技術越來越成熟的現(xiàn)在，變頻器的價格也日趨下降，更推

24、動了變頻調(diào)速在三相異步電機中的地位。電機的轉速與電源的輸入頻率關系如下： (3-1)在公式3-1中，為同步轉速，單位為r/min；為電源的頻率，單位為Hz；為電機的極對數(shù)。異步電機同速轉速與轉子轉速的關系可由下列公式給出： (3-2)在公式3-2中，為異步電機的轉速，為異步電機的轉差率。由式子可知，改變參數(shù)、，即可改變電機的轉速，變頻器就是通過改變頻率而達到電機的變頻調(diào)速的控制效果。在變頻的同時，還要保持每極的磁通量為額定值。磁通量如果太大，會因為磁通飽和，勵磁電流過大，甚至會把繞組給燒毀；如果磁通太弱，會浪費了電機的磁心，不能充分利用。三相異步電機定子每相的電動勢的有效值是： （3-3）式3

25、-3中，為定子的頻率，單位為Hz;為每極氣隙的磁通量，為磁通在定子每相中所感應到的電動勢的有效值，單位為V; 為基波繞組系數(shù) ； 為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)。 由上式可知，只要控制好和兩個參數(shù)，即可以把磁通控制在一定的范圍內(nèi)不變。但需要考慮基頻以下和基頻以上兩種情況。（1）基頻以下調(diào)速 由上式可知，若要保持一定的磁通量不變，由于頻率比額定頻率小，要同時把的值也調(diào)小，但感應電動勢是一個難以控制的參數(shù)，在感應電動勢較高的情況下時，和可以近似相等，即。為了克服定子阻抗的壓降，可以適當?shù)靥岣叩闹?，這樣的話可以維持/為恒值，則無論是在低頻下還是接近于工頻下，每極磁通都是常值，即可實現(xiàn)恒定/控制。（2）基頻以

26、上調(diào)速基頻以上的調(diào)速是在電機的額定頻率以上，往上調(diào)速，是屬于恒功率的調(diào)速，電機的轉矩會隨著頻率的上升而下降。因為電壓的磁通與頻率是成比的，磁通也會隨著下降。冷凍水泵的流量，揚程，功率與轉速的關系如下： （3-4） （3-5） （3-6）由式3-4、3-5、3-6可知，功率與轉速是成三次方正比的，而流量則是成一次正比，故當降低轉速的時候，功率的變化量比流量的變化量大得多，所以控制水泵電機的轉速可以有效地減少功率的損耗。3.3 電機的軟啟動3.3.1 電機普通啟動電流普通的三相異步電機啟動時的電流是很大的，可以達到工常時工作電流的5-7倍，這是電機的結構和工件原理所造成的。剛起動時，定子旋轉磁場是

27、按照正常的速度旋轉，而剛啟動時轉子是不動的，或者速度剛起步時很慢，此時它們的速度相差很大，旋轉磁場切割轉子的速度也就很大，于是在轉子上產(chǎn)生了很大的感應電動勢，所以它的起動電流也就很大了。轉子感應電動勢所產(chǎn)生的感應電流的頻率是和定子是頻率相同的，都是工頻50Hz，此時轉子的電抗比它自身的電阻要大很多，又因為轉子本身的功率因素不大，根據(jù)公式可知，由于功率因素很小，電流I比較大，而磁通和電流二者的關系是有相位差的，電流很大時，磁通反而不大，因而電機的起動轉矩M也不會很大。3.3.2 軟啟動設備介紹電機啟動時，電壓是從零逐漸地上升到額定電壓，電流也是從零逐漸上升到額定電流，沒有出現(xiàn)過大的超調(diào)，更不會出

28、現(xiàn)三相異步電機直接啟動時的大電流現(xiàn)象，電機平衡平滑地啟動，電機的轉矩也是一個平滑上升的過程，不會對軸承等機械部件造成沖擊，這個過程就是電機的軟啟動。電機的軟啟動可通過軟啟動器和變頻器實現(xiàn)，但由于近十年來國產(chǎn)變頻器技術越來越成熟，變頻器的價格與之前相比大幅度下降，在大多數(shù)企業(yè)里已經(jīng)逐漸用變頻器替代了軟啟動器。軟啟動器是不但可以實現(xiàn)軟啟動功能，還可以實現(xiàn)電機的軟停車、節(jié)能等功能。主要是由串接于電源與電機定子之間的三相反并聯(lián)晶閘管構成，由其電子控制電路控制調(diào)壓，實現(xiàn)軟啟動。變頻器是通過改變電機電源的頻率來控制三相交流異步電機的。變頻器具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能，還有過壓、過流、過載等保護功

29、能，應用了現(xiàn)代的科學技術，價格相對昂貴但性能良好，內(nèi)部結構復雜但使用簡單，所以不只是用于啟動電動機，而是廣泛的應用到各個領域，各種各樣的功率、各種各樣的外形、各種各樣的體積、各種各樣的用途等都有。3.3.3 軟啟動的應用 鼠籠型的異步電機基本上都可以使用軟啟動器，前提是在不需要無級調(diào)速的情況下。電壓的范圍從380V到660V，電機的功率從幾百瓦到幾十千瓦，特別是在風機、水泵等負載下，需要軟啟動和軟停車的場合，軟啟動器都可以適用。用在水泵時，可以完美的解決了硬啟動和硬停止時水泵所產(chǎn)生的“水錘效應”。由于國家電網(wǎng)對電機的啟動有規(guī)定，電機啟動時電網(wǎng)的壓降不能超過15%，增大配電容量雖然也能使壓降小于

30、15%，但是從經(jīng)濟的角度出發(fā)并不現(xiàn)實，而傳統(tǒng)的星三角降壓啟動，或者自藕降壓啟動等方法雖然可以起到限制電機啟動電流的作用，但卻沒有從根本上解決問題。而此時新興的由IGBT和單片機為控制核心的軟啟動器可替代傳統(tǒng)的啟動方法，實現(xiàn)電機的平滑啟動，無沖擊啟動，還可以根據(jù)具體的實際工況來調(diào)節(jié)參數(shù)，比如電流的限制值、從零啟動到額定電流的啟動時間等等，還具備過載、過壓等對電機的保護作用，可以說是從根本上解決了電機啟動時電流過大的問題。3.3.4 軟啟動的優(yōu)點（1）減小啟動時由于起動電流過大對電網(wǎng)電壓的影響。當電動機在標準電壓下直接啟動時，起動電流過大。電機容量較小時對電網(wǎng)影響較小，但當電機容量很大時，過大的起

31、動電流會使電網(wǎng)的電壓急劇下降，同時使同一電網(wǎng)的其他設備不能正常運行。而在軟啟動時，起動電流是標準電流的2-3倍，對電網(wǎng)及其他設備的影響較小。（2）延長電機壽命，避免影響電機絕緣。直接起動電機時產(chǎn)生的5-7倍電流會散發(fā)出大量焦耳熱，作用于導線外絕緣時，使絕緣老化，從而使電機的壽命降低。同時過大的標準電流產(chǎn)生的機械力會使導線之間摩擦，降低電機壽命。高壓開關合閘時，觸頭產(chǎn)生抖動，對電機定子繞組造成操作過電壓，對設備造成損壞，降低電機壽命。所以利用軟啟動時，從根源上抑制電流的過高，保護設備，實現(xiàn)延長電機壽命。3.3.5 軟啟動器與變頻器的區(qū)別變頻器是把電壓頻率都固定不變的電源變成了電壓、頻率可以調(diào)節(jié)改

32、變的設備。變頻器和軟啟動器都能起到軟啟動的效果，降低電機啟動時的電流，降低電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊以及對機械部件發(fā)軸承等的沖擊，延長機械部件的使用壽命。軟啟動器是用晶閘管來實現(xiàn)降壓啟動的，一般情況下只能提供電機短時間的降壓啟動限流啟動；而變頻器則主要運用于電機的變頻無級調(diào)速，可以讓電機長期運行在任一頻率運行（低頻時要電機的散熱風扇需要要單獨控制），而且能提供長時間的啟動，能變頻器的加速時間可以比軟啟動器的長很多。但是一般情況下同規(guī)格的變頻器的價格也比軟啟動器的要貴，但隨著現(xiàn)在國產(chǎn)變頻器的技術越來越成熟，軟啟動器的價格已經(jīng)不再是它的優(yōu)勢了。軟啟動器利用三相反并聯(lián)晶閘管的導通角，可以使電機的電壓發(fā)生

33、變化，實現(xiàn)不同的功能。其實軟啟動器就是一個調(diào)壓器，而變頻器把三相或單相交流電變換為直流電（DC），然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC）。變頻器同時改變輸出頻率與電壓，還有制動單元、制動電阻實現(xiàn)快速以及頻繁的停車，能根據(jù)負載的實際情況，來調(diào)節(jié)電機的運行頻率，以達到節(jié)能的和調(diào)速的目的。兩者在主要的運用上也不相同，變頻器主要是運用于需要無級調(diào)速的三相異步電機中，在低頻輸出時也可以保持不變的轉矩；而軟啟動器實際上是一個調(diào)壓器，在電機啟動時降低電機的感應電壓和電機的啟動電流，并沒有改變電源的頻率，只是用于電機的短時間啟動。軟啟動器還自身還區(qū)別高壓軟啟動器與低壓軟啟動器。低壓軟啟動器在市場

34、上占的份額比高壓軟啟動器多很多。除開了低壓電機占有大部分的市場之外，也有高壓軟啟動器本身的一些特點所決定。由于高壓軟啟動器工作在很高的電壓下，這就要求各種元器件之間要有很好的絕緣性，而且控制芯片也要有一定的抗干擾能力，否則都會造成軟啟動器的失靈。綜合考慮，本設計使用變頻器是一個很好的選擇，所以本設計采用的是變頻器實現(xiàn)調(diào)速。3.4 中央空調(diào)的電機頻率的PID控制3.4.1 PID控制原理PID控制是由比例控制、積分控制、微分控制三部分組成，其公式如下： (3-7)式3-7中為給定值減去反饋值的差，稱為誤差；是比例系數(shù)，是積分時間常數(shù)，是微分時間常數(shù)。比例控制：輸出和輸入的比值是一個常量。比例控制

35、可大大改善系統(tǒng)的響應速度。但若只采用比例控制，則會存在穩(wěn)態(tài)誤差。若比例系數(shù)取值過大可能會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至發(fā)生振蕩。積分控制：輸出和輸入的積分的比值是一個常量。在一般的自控系統(tǒng)中，系統(tǒng)最終進入平衡后會還是會存在一定的誤差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。此時我們可以加入一個積分調(diào)節(jié)，慢慢把誤差給消除掉。所以，PI調(diào)節(jié)應用較為廣泛，它可使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后自動消除誤差。微分調(diào)節(jié)：輸出和輸入的微分的比值是一個常量。當系統(tǒng)中存在滯后性或慣性很大的環(huán)節(jié)時，若只使用比例積分調(diào)節(jié)，系統(tǒng)還是有可能會不穩(wěn)定。此時應引入微分調(diào)節(jié)，因為微分調(diào)節(jié)它能夠預測誤差的變化趨勢，具有“超前”調(diào)節(jié)作用。這樣就能提前抑制減小誤差的控制作用，甚至變成

36、負值，從而避免了過大的超調(diào)量。PID控制就是同時擁有這三種特性，響應快，使誤差趨于零，超前調(diào)節(jié)。當誤差信號變化較大時，微分控制立刻動作，抑制誤差的過大變化，比例控制也同時作用，使誤差減小，而積分控制則是慢慢地把誤差最終消除掉。3.4.2 PID參數(shù)整定的常規(guī)方法及手段由于工業(yè)上過程控制很復雜，很難求出具體的數(shù)學模型，因此不能直接采用書本上的理論計算法來算出PID參數(shù)，一般有以下幾種方法。（1）經(jīng)驗法（試湊法）經(jīng)驗法又稱為試湊法，是通過觀察系統(tǒng)的響應曲線，不斷地修改參數(shù)，最終得到一個比較滿意的參數(shù)。一般的整定順序為“1比例，2積分，3微分”。整定比例控制：將比例系數(shù)由小變大，并且同時觀察系統(tǒng)的輸

37、出響應，當出現(xiàn)超調(diào)量較小，而響應速度又快的曲線時，記下P的參數(shù)。 整定積分控制：將上一步得到的比例系數(shù)縮小到大概一半到八成，然后加入一個積分時間常數(shù)，取值稍為大點，觀察輸出響應曲線。然后慢慢把積分時間調(diào)小，加強積分作用，且同時調(diào)整比例系數(shù)，直到出現(xiàn)滿意的響應曲線為止。整定微分控制：比例積分控制能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)性能卻不如人意，此時可加入微分控制。一點一點地增大微分時間常數(shù)，同時改變P和I的值，觀察輸出響應曲線，不斷地修改參數(shù)，直到出現(xiàn)滿意的輸出響應為止。（2）臨界比例度法采樣周期的時間取一個比較小的值，只采用比例調(diào)節(jié)，即純比例控制器。讓比例系數(shù)慢慢地變大，直到輸出響應出現(xiàn)等幅振蕩時，記錄下

38、此時的比例系數(shù)，則臨界比例度，以及測量出振蕩周期，然后根據(jù)表3-1算出PID參數(shù)。表3-1 臨界比例度法控制規(guī)律表控制規(guī)律PPIPID（3）衰減曲線法衰減曲線法即輸出響應曲線的衰減率為0.75。只采用純比例作用的控制調(diào)節(jié)，慢慢地調(diào)大比例系數(shù)，直到響應曲線出現(xiàn)0.75的衰減率，即前一個波形的幅值是后一個波形的四倍，記下此時的比例度和周期，然后根據(jù)表3-2算出PID參數(shù)。表3-2 衰減曲線法控制規(guī)律表控制規(guī)律PPIPID3.4.3 溫度控制回路圖3-1 溫度控制系統(tǒng)方塊圖根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制原理可知，最終的溫度是由風機盤管處的冷凍水與空氣進行熱交換控制的。如圖3-1，通過PT100溫度變送器

39、，把PT100的阻值變化通過轉化成4-20mA的電流模擬量輸入到EM235擴展模塊，然后再經(jīng)過模塊內(nèi)自動把模擬量轉換成數(shù)字量，PLC通過FROM指令讀取模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，得到當前的室內(nèi)溫度值。在PLC的內(nèi)部，當前溫度測量值與設定值作比較，得到誤差，能過PLC內(nèi)的PID功能進行誤差計算，自動控制輸出，把誤差不斷縮小，以達到最終使室內(nèi)溫度與設定溫度一樣后趨于穩(wěn)定。當溫度比設定值高時，水泵轉速加快，冷凍水的流量增加，使空氣降低得更快；當溫度比設定值低時，水泵的轉速則減慢，冷凍水的流量減小，甚至直接關閉冷凍水泵和空調(diào)主機。溫度的控制要求比較高，要求誤差小，所以要有積分作用。同時溫度也是一個滯后性很強的變量

40、，所以要加入微分作用以超前調(diào)節(jié)，故溫度控制器采用比例積分微分（PID）的控制規(guī)律。4 中央空調(diào)系統(tǒng)硬件設計中央空調(diào)系統(tǒng)的硬件部分主要包括PLC、變頻器、溫度傳感器等。主要作用如下。變頻器主要輸出給電機，控制電機的轉速調(diào)節(jié)水量，還有實現(xiàn)軟啟動功能。PLC是系統(tǒng)的中央控制單元，整個系統(tǒng)的控制核心。通過溫度傳感器測量出當前溫度，并通過與設定溫度比較得出的誤差和溫度的變化率，能過PID控制算法算出當前的變頻器的最佳頻率值，以控制電機的轉速從而調(diào)節(jié)水量，從而快速而精確地控制室內(nèi)的溫度。溫度傳感器可以將溫度實時反饋給PLC，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。4.1 變頻器介紹4.1.1 變頻器原理變頻器是應用變頻技術與微電

41、子技術，通過改變電機的電源頻率，從而控制電機的轉速的設備。通常，把額定電壓和額定頻率固定不變的交流電變成電壓或頻率可變的交流電的設備稱作“變頻器”。該設備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC）。變頻器同時改變輸出頻率與電壓，也就是改變了電機運行曲線上的n0，使電機運行曲線平行下移。因此變頻器可以使電機以較小的啟動電流，獲得較大的啟動轉矩，即變頻器可以啟動重載負荷。 變頻器具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能，應用了現(xiàn)代的科學技術，價格昂貴但性能良好，內(nèi)部結構復雜但使用簡單，所以不只是用于啟動電動機，而是廣泛的應用到各個領域，各種各樣的

42、功率、各種各樣的外形、各種各樣的體積、各種各樣的用途等都有。4.1.2 變頻器的選擇變頻器是這次中央空調(diào)系統(tǒng)設計的一個重要器件，變頻器的選擇很關鍵。變頻器的選擇原則：（1）根據(jù)負載特性選擇。（2）以實際電機電流值作為選擇變頻器的依據(jù)。（3）選擇合適容量的變頻器，避免由于紋波電流而引起的過電流跳閘現(xiàn)象。（4）當用于高速電動機時，應比普通電動機的變頻器稍大。4.1.3 施耐德ATV312系列變頻器本次設計采用的變頻器是施耐德ATV312系列變頻器。施耐德變頻器是由法國施耐德電氣集團研發(fā)的變頻器品牌。施耐德ATV312 系列小型通用變頻器可以實現(xiàn)交流異步電機的高精度的速度和轉矩控制，適合功率范圍為0

43、.18KW-15KW的三相異步電機，適用于許多常規(guī)應用中，包括物料處理（起重機等）、包裝機器（貼標機等）、通用機器（紡織機械等）、泵、壓縮機、風機。具有功能強勁、結構緊湊、易于安裝的特點。ATV312變頻器內(nèi)置Modubs 和CANopen協(xié)議，提供CANopen菊花鏈、Profibus DP、DeviceNet。它是由不同的功能單元組成的模塊化的變頻器，包含控制單元、功率模塊和基本操作面板?？刂茊卧嚎刂茊卧梢酝ㄟ^不同的控制方式，如總線控制、模擬量控制模式、外部端子開關量控制等方式來對功率模塊和所連接的電機進行控制，還可以通過中央控制的通信來監(jiān)控變頻器的運行狀態(tài)，方便管理和監(jiān)控。功率模塊單

44、元：功率模塊是驅(qū)動電機運轉的模塊單元。它由控制單元的微處理器來控制，質(zhì)量可靠的高性能IGBT和電壓脈沖寬度調(diào)節(jié)技術，以及可以調(diào)節(jié)的脈沖寬度調(diào)制頻率，使得變頻器和電機的運行更加的穩(wěn)定可靠。基本操作面板為全新的用戶界面，支持中文操作面板。模塊化的設計理念，可以使變頻器在帶電的狀態(tài)下進行熱插撥，使模塊的更換更加簡單，節(jié)省成本，維護更加方便友好?？刹⑴虐惭b，大大節(jié)省了空間。具備集成了安全保護功能，輸入電源缺相保護，欠壓保護，電機熱保護，電機過載、短路、堵轉、缺相保護等，具有較高的可靠性。創(chuàng)新的電路設計允許負載的再生能量回饋到電網(wǎng)，不再是通過制動電阻轉化成熱能消耗掉，因而大大地提高了節(jié)能能力。有USB接

45、口可以連接電腦，使本地的調(diào)試和故意的診斷更為方便。變頻器的參數(shù)可以通過MMC卡還有操作面板的配合進行參數(shù)復制，使得設備大量安裝或更換設備時更加簡單方便。變頻器采用高頻率的脈沖頻率，保證電機在低噪音下運行?？梢酝ǖ財?shù)字量的二線控制或三線控制完成常用的簡單控制功能。4.1.4 使用注意事項物理環(huán)境：工作溫度一般要求為0-55；避免腐蝕性氣體；避免振動和沖擊；變頻器如果安裝應安裝在控制柜內(nèi)部；如需取掉鍵盤，應防止粉塵進入變頻器內(nèi)部。電氣環(huán)境：防止電磁波干擾；防止輸入端過電壓。4.2 可編程邏輯控制器介紹4.2.1 可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)

46、行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。工程師可以通過編程軟件，編寫PLC的控制程序，通過以太網(wǎng)、RS485等端口把程序下載到PLC中，來改變PLC的控制功能。由于PLC具有很強的抗干擾性、穩(wěn)定性，能在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中無故障地長時間工作，還有體積小、編程簡單容易等優(yōu)點，而得到廣泛的發(fā)展和應用。在各個行業(yè)中均有使用，如機械制造、裝配、輕工業(yè)以及過程控制中也得到廣泛運用。4.2.2 PLC的工作原理PLC的工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、刷新輸出三個階段，成為一個周期。PLC進入運行模式后，CPU按照一定的掃

47、描速度重復執(zhí)行該三個階段。在輸入采樣階段，PLC控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行階段。在用戶程序執(zhí)行階段，PLC控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構成的控制線路進行邏輯運算。當掃描用戶程序結束后，PLC控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是PLC控制器的真正輸出。4.2.3 西門子S

48、7-200 PLC西門子S7-200系列PLC是西門子S7系列PLC中的小型PLC，能通過各種模塊構成各種網(wǎng)絡通訊、模擬量輸入與輸出、位置控制等功能，無論是單獨運行還是搭建網(wǎng)絡組態(tài)，均能出色地完成復雜的控制功能，具有很高的性價比。S7-200內(nèi)置時鐘功能與電池模塊，內(nèi)部數(shù)據(jù)可以備份200天；支持存儲卡模塊，程序可以傳送和備份，數(shù)據(jù)記錄文件、配方，以及文件和通用文件的存儲。電源有20-28VDC的直流輸入與85-264VDC的交流輸入兩種。有RS232和RS485雙通訊端口。S7-200系列的應用領域極為廣泛，適用于各種場合中的監(jiān)測、檢測及控制的自動化控制有關的領域，如電力設施、環(huán)境保護設備、機

49、械、機床等。本文中所選用的S7-200系列PLC的 CPU型號為 S7-226 CN，內(nèi)置了24點數(shù)字量輸入和16點數(shù)字量輸出，最大可擴展到128點輸入和128點輸出，有4個中斷輸入，6個高速輸入通道（最高可支持30kHz）,2路脈沖輸出（20kHz），電源有直流和交流兩種，可拆卸的端子排，利用EM277可擴展為4個串行接口，2個模擬設置調(diào)整器，內(nèi)置實時時鐘，支持運行中編輯模式，支持浮點運算?？梢源鎯?4576B的程序；網(wǎng)絡功能強大，有串行通訊、AS-Interface、Profibus-DP從站，以太網(wǎng)、GPRS和Modbus主站/從站功能。4.2.4 模擬量輸入輸出模塊在過程控制中經(jīng)常會用

50、到一些模擬量，如壓力、溫度、重量等，而一些執(zhí)行機構也是需要模擬量來驅(qū)動的，如變頻器、電動閥門等。而PLC只能處理數(shù)字信號，模塊量輸入輸出模塊就是把這些模塊量轉化成數(shù)字信號，在PLC中處理過后，再相應地通過模擬量輸出模塊，把PLC的數(shù)字信號轉化成電壓或者電流的模擬量信號，進而控制模擬量執(zhí)行機構。EM235連接在S7-200可編程控制器上，是4通道模擬量輸入和1通道模擬量輸出模塊，可設置成單極性或者雙極性，單極性時行程所對應的數(shù)字量為032000，而雙極性時行程所對應的數(shù)字量為-32000+32000，電壓輸入時輸入阻大于等于2M，電流輸入時阻抗為250，最大電流輸入為32mA，單極性時精度可達1

51、2位，而雙極性時精度為11位，加1位符號位。輸入類型為差分輸入，模擬量到數(shù)字量的轉換時間小于250微秒。還可以通過DIP開關設置不同的量程及分辨率等。4.3 PT100溫度傳感器溫度是最為人們所熟悉的物理量之一，從模擬量轉化成數(shù)字量的方法很多，這里主要介紹PT100。PT100是鉑熱電阻，是一種以白金Pt做成的電阻式溫度檢測器，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，屬于正電阻系數(shù)。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長，如圖4-1。但他們之間的關系其實

52、并不是簡單的正比的關系，而更應該趨近于一條拋物線。人們便利用它的這一特性，研發(fā)并生產(chǎn)了PT100熱電阻溫度傳感器。圖4-1 PT100鉑電阻RT曲線4.4 三相異步電動機三相異步電動機主要由定子和轉子組成，分為繞線使電動機和鼠籠型電動機。本次設計用的是鼠籠式異步電機。電動機的定子上為三相鑲嵌式分布繞組，轉子為籠式的導條（因該導條形狀與鼠籠相似，所以又稱鼠籠式異步電動機）。電動機在定子繞組加三相交流電后，會形成旋轉磁場，其轉子上的閉合的導條會因為切割定子磁場的磁力線而感應出電動勢和電流，而帶電（電流）的導體在磁場中就會產(chǎn)生運動，電動機轉子就得以旋轉。鼠籠式異步電動機的起動方式有：直接起動，降壓氣

53、動。一般中小型鼠籠式異步電動機可以直接起動。鼠籠式異步電動機結構簡單，運行可靠，維護方便，維護成本低，使用壽命長，被廣泛地應用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作為電力拖動的原動機。同時它也有一定的缺陷，調(diào)速性能差，功率因數(shù)較低，啟動時力矩較小。5 中央空調(diào)系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)采用3個冷卻水泵和3個冷凍水泵，正常工作時啟動2個冷卻水泵和2個冷凍水泵，1組泵為備用。當其中一個冷卻水泵或冷凍水泵出現(xiàn)故障不工作時，備用的水泵則工作，并且提示相關維修人員去檢查故障泵。在手動模式下還可以對風機的吹風時行定時；通過按鈕可以手動啟動以及停止各個冷卻泵和冷凍泵、風機，通過按鈕可以設定變頻器的頻率上升或者下降。在自動模式下，按下了

54、啟動按鈕后系統(tǒng)則投入自動模式，系統(tǒng)會根據(jù)設定的溫度，通過PID自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率，以達到最優(yōu)控制。無論在自動模式下，還是手動模式下，當電機或者變頻器出現(xiàn)故障的時候，系統(tǒng)都會報警，以提示維修人員進行維修。5.1 主程序設計為了方便編寫程序，流程圖的設計也必不可少，如圖5-1。該設計有兩個模式：手動模式，自動模式。程序設計的初始狀態(tài)是手動模式。在手動模式下，所有變頻器處于關閉狀態(tài)，通過各個變頻器的開啟和關閉控制變頻器的狀態(tài)。通過各個變頻器的故障按鍵模擬故障報警，當變頻器報警或急停時，報警紅燈和蜂鳴器以1s的頻率亮，同時所有變頻器停止運行。通過切換按鍵來關閉手動模式，通過自動模式啟動按鈕轉換自動模

55、式。啟動自動模式后，所有變頻器開啟，PLC隨時掃描當前室內(nèi)溫度，程序內(nèi)部做出相應計算，輸送給變頻器。當變頻器報警或急停時，報警紅燈和蜂鳴器以1s的頻率亮同時所有變頻器停止運行。圖5-1 程序流程圖5.2 程序設計5.2.1 PLC編程軟件STEP7MicroSTEP7MicroWIN是西門子S7-200的編程軟件，軟件使用梯形圖進行程序的編寫。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。通過STEP7編程軟件，可以方便的使用梯形圖進行離線編程，編譯后通過轉接電纜下載到PLC內(nèi)執(zhí)行。同時在運行時，可以在線監(jiān)控輸入輸出的通電狀況，使調(diào)試過程變得更為便捷。5.2.2 I/O點分配中央空調(diào)溫控設計中輸入輸出分配情況如表5-1。表5-1 I/O分配表輸入輸出I0.0手自動Q0.0自動運行指示燈I0.1自動啟動Q0.1黃燈手動指示燈I0.2停止Q0.2報警紅燈I0.3復位Q0