基于PLC的中央空调自动控制系统设计.doc

1、 毕业论文（设计 ） 基于 PLC 的中央空调自动控制系统设计 The design of automatic control system of central air conditioning based on PLC 学 生 姓 名： 邓英杰 指导教 师 ： 刘雨 合 作 指 导 教 师 ： 专业名 称 ： 轮机工程 所在学 院 ： 航海与船舶工程学院 二一五 年六月大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 目 录 摘要 . 1 Abstract . 2 第一章 前言 . 3 1.1 研究目的和意义 . 3 1.2 国内外研究现状 . 3 1.2.1 国外空调控制系统的发展 . 3 1.2.2

2、 国内空调控制系统的发展 . 4 1.3 研究内容与方法 . 4 第二章 中央空调控制系统基本原理 . 6 2.1 中央空调原理与结构 . 6 2.1.1 空调制冷与制热原理 . 6 2.1.2 中央 空调结构介绍 . 6 2.2 同步电动机工作原理 . 7 2.3 变频器工作原理 . 8 2.4 PID 作用概述 . 9 第三章 控制系统硬件介绍 . 10 3.1 PT100 温度传感器和变送器 . 10 3.2 西门子 MM440 变频器 .11 3.3 西门子 S7-200 系列 PLC .11 3.3.1 S7-200 系列 PLC 简介 .11 3.3.2 CPU226 技术指标 .

3、 12 3.3.3 EM231 模块及 EM232 模块技术指标 . 12 第四章 控制系统程序设计 . 13 4.1 STEP7-MICRO/WIN 软件介绍 . 13 4.2 空调启动流程图 . 13 4.3 送风量调节 PID 程序设计 . 14 4.4 加热器顺序启停梯形图 . 17 第五章 监控系统画面的组态软件设计 . 19 5.1 WinCC flexible2008 简介 . 19 5.2 画面及说明 . 19 结论 . 23 致谢 . 24 参考文献 . 25 附录 .26 大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 1 摘要 可编程逻辑控制器（ PLC）作为一种新型的工业控制装置，

4、因为其优越性被广泛应用于自动控制系统当中，正逐步取代由传统继电器、接触器所组成的控制系统。本文以大连某铁路医院中央空调系统为对象，对其基于 PLC 的自动控制系统进行了研究，完成了以下内容。 （ 1） 分析了中央空调系统的工作原理及结构。 （ 2） 分析了电动机的变频调速原理，选取同步电动机作为空调送风机，采用西门子 MM440变频器变频调节风机转速。 （ 3） 根据大连某铁路医院的实际需要，选取 S7-200 小型 PLC 作为系统的调节单元，实现风速，湿度，温度的 PID 控制。 （ 4） 根据中央空调的实际工作环境，用 STEP-7MICRO/WIN 软件编写了 PLC 程序，并运用Wi

5、nCC flexible 软件完成了系统的组态设计，制作了应用于触摸屏的监控画面 。 关键词：可编程逻辑控制器 ,中央空调，变频调速，同步电动机， PID 控制 大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 2 Abstract Programmable logic controller (PLC) as a new type of industrial control equipment has been widely used in automatic control systems for its plenty of advantages,it gradually replaces traditi

6、onal relay, contactor control system. This paper takes a railway hospital central air conditioning system in Dalian as an object,studied its automatic control system based on PLC , completed the following content. (1) the structure and working principle of central air conditioning system are analyze

7、d. (2) this paper analyses the basic principle of the frequency changing control of motor speed, chose synchronous motor as the air blower, adopted Siemens MM440 frequency converter regulating fan speed. (3) based on the actual needs of railway hospital, we selected S7-200 PLC(a minitype of series)

8、as the control unit system, realize PID control of the wind speed, the humidity and the temperature. (4) according to the actual working environment, we utilized STEP 7 micro/WIN software to write the PLC program, and used WinCC flexible software to complete the configuration design of the system, a

9、nd fabricated the appearance in touch monitor screen. Key words: programmable logic controller, central air conditioning, frequency changing control, synchronous motor, PID control 大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 3 第一章 前言 1.1 研究目的和意义 为了保证空气环境的合理舒适，中央空调已 经广泛地应用于生产生活当中，例如：学校，写字楼，工厂，各种公共场所等。随着自动控制水平、精度的提高，中央空调的舒适性、节

10、能性已经作为评定空调性能的重要指标。如何在舒适节能的条件下，实现最佳的温度、湿度、送风量控制是当今空调研究的热门话题。 传统的中央空调因为本身的缺陷消耗很大，十分不经济。据统计数字显示，传统的中央空调系统普遍存在着 20%以上的无效能耗。这是因为在传统的中央空调系统设计中，每一个系统都是按照最大负荷设计制造的，并且留有一定的余量，无论负荷的多少，电机都处于满负荷运行状态，这样虽然能满足 最大负荷用户的需求，却不能随负荷大小进行动态的调节，造成了没有必要的能源浪费，因此，寻求一种能够随负荷变化动态调节的控制系统成为中央空调发展的当务之急。 可编程逻辑控制器（ PLC）是一种专门为工业环境而设计的

11、数字运算电子操作系统 【 1】 ，它具有可编程的逻辑存储器，可以在其内部进行定时、技术、顺序控制、逻辑运算、 PID 运算等多种复杂运算，通过数字量结合动态模拟量的输入方式，动态地控制各种机械生产过程 【 2 】 。对于中央空调，也能很好地实现动态的调节，达到节能的目的，目前已经广泛应用于中央空调的控制系统当中，逐 步取代继电器控制电路成为主流控制系统。 本文研究了基于 S7-200 的 PLC 在大连某铁路医院中央空调控制系统中的具体应用，研究其如何通过动态的控制过程以达到节能且舒适的目的，设计了其控制系统 PLC 的主要程序，用编程语言实现了加热器的顺序控制，互锁，冷却水阀门，风机的 PI

12、D 调节，用 WinCC flexible 软件对PLC 程序进行组态，将程序写入 PLC 控制器，一个完整的 PLC 控制系统就实现了，相比于传统的中央空调控制系统，它具有节能减排，更舒适的重大意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外空调控制系统 的发展 在五十年代及之前，气动控制是世界上热力与空调控制系统主要采用的方式，至今气动的 PID控制在很多领域特别是船用控制系统中仍有广泛应用 【 3 】 ，到了六十年代，开始采用电动单元组合式仪表，相比启动控制更加快捷且提高了精度，七十年代小型微型计算机被引进到这一领域，开始采用微型计算机的集中式控制， 1984 年，第一栋采用微型计算机集

13、散控制的楼宇在美国诞生，标志着自动控制开始向智能方向迈进。采用 DDC（ direct digital control）是集散式控制的主要特征，目前国内外主要采用的 PID 调节是通过可 编程逻辑控制器实现的。 上个世纪八十年代， Shaviet等人对 PID控制的锅炉排气温度调节系统进行了仿真学的研究 【 4】 。1995 年， Kaltman 将 PID 控制应用于对空调制冷压缩机的控制，建立了用于系统仿真的数学模型，给出了关于 PID 调节的两种控制策略 【 5】 。 大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 4 虽然现在大部分空调的控制系统采用的都是 PLC 的 PID 控制，但 PID 控

14、制原理决定了它本身具有一定的局限性，只有在参数不随时间变化时才能取得理想的效果。基于种种局限性，研究者们把研究重点转向了更为高级的控制方法，及最优化控制、自适应控制、模糊 控制、神经网络控制等。 智能控制的优点在于不需要精准的数学模型，具有自寻优的特点。因为空调系统不本身的大惯性、大滞后性，所以获取精准的数学模型是不可能做到的，因此，如何实现智能化控制成为了各国科研人员研究的趋势。上个世纪八十年代，日本三菱重工开发出的模糊空调控制器能够初步实现温度不变，但因为其成本太高，反应时间较长，无法投入生产 【 6】 。 1994 年， Albert.R.So 开发出了空调机组恒温的模糊控制器 【 7】

15、 。 1999 年，自适应的 PID 控制器被日本人 Kaisahara 设计出。 虽然智能控制理论取得 了很多优秀的研究成果，但因其成本较高，技术不够成熟，所以还未被广泛地投入生产之中。 1.2.2 国内空调控制系统的发展 我国在自动控制领域紧跟国际步伐。目前，微型计算机控制的集散式控制系统已经广泛地被应用于我国生产生活的各个领域，智能化楼宇建筑被广泛地应用在生活之中，其自动监视、检测、控制和管理的功能十分优越 【 8】 。 在智能控制的研究领域，我国也取得了很多可观的研究成果。上个世纪九十年代，我国在空调控制领域提出了两项节能技术，及将 PLC 和变频器应用于自动控制系统当中的方法，大大提

16、高了控制的精准性 ，并节约了能源。吴爱国等人研究了自寻优模糊控制器在温控系统中的应用，输入比例因子合并调节权衡因子的创造性方法被首次应用在控制器当中，极大地优化了控制结果【 9】 。张韬等多位学者首次提出将数学自回归平均法应用于空调控制系统之中，并对其进行了分析，提出了提高预测法准确性的若干设想。目前，我国各科研机构研究的核心内容都集中单相压缩机变频调速和智能控制研究。 智能空调是多种技术工业的综合，其研制难度相对较大，无论是在样机还是产品上，我国自行研制的智能控制系统相比于国外先进技术都会出现不稳定，鲁棒性差的特点。因此 ，我国在此领域还需做出进一步的努力。 1.3 研究内容与方法 本文在分

17、析和综合了中央空调的控制特点和 PLC(可编程逻辑控制器 )工作特点及 PID 控制特点的基础上，结合对大连某铁路医院 AP4 中央空调控制系统具体实例的研究，在本文中对中央空调冷冻水阀门、空调送风机转速采用传统 PID 控制，对冬季空调加热器采取顺序启动的互锁控制，编辑了主空调机系统的 PLC 程序，并运用 WinCC flexible 软件进行了组态设计，最终完成了中央空调控制系统的设计。 研究工作的具体内容如下： （ 1）对中央空调各系统工作 原理进行了分析。 大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 5 （ 2）对选取的硬件做了具体介绍及技术规格说明。 （ 3）采用 STEP7-micro/

18、win32 V4.0 编程软件设计了中央空调控制系统控制程序。 （ 4）采用西门子 SMART700 触摸屏作为人机界面，用 WinCC flexible 软件对系统进行了组态。 大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 6 第二章 中央空调控制系统基本原理 2.1 中央空调原理与结构 2.1.1 空调制冷与制热原理 空调运用液化气体制冷的方式进行制冷，其运用的主要制冷制热原理是液体汽化吸热和冷凝放热效应。当制冷剂处 于一密闭容器中时，液体和蒸汽会在某一压力下达到平衡，此时为饱和状态，液体不会汽化。如果此时把抽走密闭容器中的蒸汽，势必会打破这一平衡，液体会继续汽化以达到新的平衡。液体汽化是需要吸收能

19、量的，此过程中吸收的热量叫做汽化潜热，液体吸收热量的来源就会被冷却。在此的过程中，此时蒸汽压力对应的是常温下的饱和压力 【 10】 。 空调制热的过程为制冷过程的逆过程，从压缩机出来的高温气体经过散热过程变成常温高压的液体，同时将热量散发出去进行制热。高压常温的液体经过膨胀节流阀进入蒸发器蒸发，从冷源吸热，变成低压的蒸汽被压缩 机吸入完成整个循环。在这个循环过程中，制冷剂不断地通过散热器将从冷源和压缩机吸收的热量释放出去进行制热。但是，这一过程的效率十分低下，所以往往在空调主机中内设电加热器进行制热，简化了空调结构且制热效率较高。 空调制冷系统，主要是由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和节流膨胀阀四

20、个基本部件组成。他们形成一个密闭的系统，在整个系统当中，不断流动的制冷剂相当于循环系统的血液，起着交换热量的作用；压缩机相当于系统的心脏，不断地从蒸发器中吸入气体并进行压缩将高压的气体泵出，推动这整个循环的进行；冷凝器起着降温的作用，将 高压气体的温度降低使其冷凝成高压的液体；节流膨胀阀对制冷剂起着降压的作用，同时通过开度大小调控着制冷剂进入蒸发器的流量，进而调节制冷效果强弱；蒸发器是输送制冷量的装置，可以将冷源的热量吸收到系统当中。 2.1.2 中央空调结构介绍 在生产生活中，中央空调系统由于体积大，工作负荷也大，因而无法像家用小型空调一样直接采用冷凝器空气流通散热。一般建筑的的中央空调系统

21、都采用冷却塔散热的方式，冷却塔通过淋喷的方式将冷却水中的热量释放到大气中，被冷却的冷却水再对中央空调冷凝器进行冷凝，散热效果较好。因此，大型 建筑空调系统除空调主机房外还需增加冷却水循环的泵房。在大型空调系统中，中央空调蒸发器一般不直接与表冷器接触，往往对冷冻水进行制冷，冷冻水再经过表冷器或风机盘管对送风空气进行制冷，可以通过调节冷冻水节流阀限制进入风机盘管的冷冻水流量，进而调节制冷量。具体结构如图 2-1 所示。 大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 7 2-1 中央空调系统结构图 2.2 同步电动机工作原理 同步电机是一种常用的交流电机。它具有转子转速不变的特点，频率与转速之间的关系式为：n

22、=ns=60f/p， f 为电网频率， p 是电机的极对数， ns 称为同步转速，因为不像异步 电动机一样存在转差率所以被称为同步电机。当电网频率不变时，同步电机的转速也不变，与负荷的大小并没有关系，这点与异步电动机不同，而异步电动机的转速和负荷是有关系的，按照转差率的的大小具有不同的工作转矩 【 11】 。同步电机转子磁场与合成磁场模型如图 2-2 所示。 2-2 同步电动机磁场模型 同步电动机可以作为同步补偿机使用，这是因为它的功率因数是可调节的，通过调节励磁电流的大小进而改变功角，处于正常励磁状态的功角为 0，处于过励状态时，电流会超前电压，处大连海洋大学本科毕业论文（设计 ） 8 于欠

23、励状态时，电压会超前电流，生产中常常把处于过励状态 的同步电动机接到电网上 【 12】 。同步电动机励磁电流与定子电流的 V 形曲线如图 2-3 所示。 2-3 同步电机 V 形图 2.3 变频器工作原理 变频器（ Variable-frequency Drive， VFD），是用来改变交流电动机工作频率进而能够灵活地调节电动机同步转速的电力控制设备，微电子技术被广泛应用在变频器中 【 13】 。 变频器分为：交 -交型和交 -直 -交型。顾名思义，交 -交型输入和输出均为交流，将输入的工频电流直接转变为电压、频率均可调的交流电；交 -直 -交型则是输入为工频交流电， 通过整流变为直流电，再将

24、直流电转变成电压、频率均可调的交流电，这种变频器的使用最为广泛。 在三相电机的变频调速中，变频器对电机调速原理是： n = 60f/p(1-s) n: 电机的转速 f: 电源频率 p: 电机磁极对数 s：电机的转差率。 变频器的优点体现在以下几个方面：（ 1）变频节能，对于风机、水泵之类的流量机械，传统的流量控制方法是调节出口挡板阀门开度节流调节，造成大量的能量损失在节流的过程中，运用变频器可根据实际需要调节电机转速进而调节流量大小，避免了节流损失。（ 2）功率因数补偿，无 功功率会增加设备的发热，会使整个电网功率因数降低，浪费资源，变频器的内部滤波电容可以使无功功率降低。（ 3）软启动，电机

25、硬启动对电网会造成严重的冲击，在电动机启动时，瞬间产生的电流会比额定电流高 5-6 倍，这是因为电机在运转之前相当于一个线圈电阻，对设备，管路极为不利，空气断路器容易跳开。使用变频器启动，可以使启动电流从零开始，减小了对电网的冲击 【 14】 。 在生产生活中针对不同的负载，选用的变频器也是不同的，人们在实践中主要将负载分为三类：（ 1）恒转矩负载，如传送带、挤压机等，这类负载最大的特点就是转矩与 转速无关。（ 2）恒功率负载，如造纸机、机床主轴等，这类负载的最大特点是转矩与转速大体成反比，因此功率是恒定的。（ 3）流体机械负载，如风机、水泵等。这类负载随叶轮的转动，此类负载所需的功率与速度 3 次方正比。