1、1机电控制与可编程程序控制器技术课程设计任务书课题名称：plc 在中央空调上的应用学校：专业：姓名：学号：21 绪 论1.1 选题背景及研究意义随着国民经济的发展和人民生活水平的同益提高，中央空调系统己广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造以实现节能、舒适的目的。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的 60以上，其中，仅水泵的
2、耗电量约占到空调系统耗电量的 2040，存在巨大的能源浪费。传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越
3、多空调的经营管理者所关注的问题。故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵的电能消耗，具有极其重要的经济意义。1.2 PLC 控制国内外发展现状1.2.1 PLC 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手3段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable
4、 ,是世界上公认的第一台 PLC. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可
5、编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC） 。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
6、 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
7、目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；4从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业
8、控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 1.2.2 PLC 控制国外发展现状分析目前，世界上有 200 多家 PLC 厂商，400 多种的 PLC 产品，PLC 产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品。一个是欧洲产品，一个是日本产品。1.欧美 PLC 主要生产厂家及产品性能：（1）美国通用电气公司 GE-系列 PLC,
9、GE 公司的代表产品是：小型机：GE-1,GE-1/J,GE-1/P中型机：GE-大型机：GE-（2）德国西门子（SIEMENS）公司 S 系列 PLC德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金，化工，印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的 P LC 产品包括 LOGO,S7-200,S7-300,S7-400,工业网络，HIM 人机界面，工业软件等。超小型：SIMATIC S7-200 PLC中型：SIMATIC S7-300 PLC工业通讯网络（SIMATIC NET）人机界面（HIM）硬件SIMATIC S7 工业软件：编程工具，基
10、于 PC 的控制软件，人机界面软件2.日本 PLC 主要生产厂家及产品性能：（1）日本三菱公司 PLC小型：F1/F2/FX 系列5大中型：A 系列，QnA，Q 系列（2）日本立石（OMRON）公司 PLCSYSMAC C 系列 PLC整体式结构的微型 PLC 机是以 C20P 为代表的机型OMRON 中型机以 C20H 系列最为典型（3）日本松下公司 PLC松下公司的 PLC 产品中，FPO 为微型机，FP1 为整体是小型机，FP3 为中型机，FP5/FP10S（FP10 的改进型） ，FP20 为大型机，其中 FP20 是最新产品。1.2.3 国内近几年 PLC 控制的发展由于计算机网络技
11、术和集成电路的迅速发展，PLC 向小型化、微型化和高速化发展。在应用中，PLC 可与上位机联网，也可下挂 PLC，组成分布式控制系统。PLC 已广泛应用于冶金、电力、石油、化工、建材、机械、轻工、食品、市政、交通和军工等行业。 据美国 FROST&SULLIVA 公司的报告，全球 PLC 从1993 年的 39 亿美元上升到 2000 年的 76 亿美元，由占工控机市场的 46%上升到 50%。 1995 年国内市场销售 PLC 约为 6.6 万套，其中国产 1.6 万套，约为4800 万人民币，进口约 5 万套，约有 7000 万美元；1996 年国内市场销售约为9 万套，其中进口 8 万套
12、，总计约合人民币 15 亿元。专家估计，2000 年 PLC的国内市场销售达到 15-20 万套，约 25-35 亿元，其中进口占 90%左右。上述数据表明：我国 PLC 市场几乎被国外产品占领，国内 PLC 产品的市场占有率不足 10%。（以上 PLC 统计数据包括小型 PLC） 据专家估计，国内 PLC 产品的年增长率为 12%，以满足石油、化工、电力、市政等行业技改的需要，到 2005 年全国 PLC 需求量将达到 25 万套左右，约人民币 35-45 亿元。 PLC 产品的主要生产厂家 目前，全世界 PLC 生产厂家约 200 家，生产 300 多个品种。主要的国外生产厂家包括 Sie
13、mens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE、富士、日立、光洋等等。据电子部 98 年调查结果表明，国内应用 Siemens 产品的用户占20.8%，Modicon 占 14%左右，A-B14%左右，OMRON14%占 14 左右，三菱8.3%，GE6.25%，富士 4.2%；其他（日立、光洋等）4%。 目前，我国的 PLC 生产有一定的发展，小型 PLC 的有些品种已批量生产，中型 PLC 已有产品，大型PLC 也开始研制，合资企业得到发展，有的产品不仅供应国内市场，而且还有出口。国内 PLC 形成产品化生产的企业约 30 多家，年产量超过 1000 台的不到10 家。主要有苏州
14、机床电器厂、上海香岛机电制造有限公司、机械部北京机械6工业自动化所、江苏嘉华实业有限公司、苏州电子计算机厂、杭州机床电器厂、辽宁无线电二厂等。国内产品的市场占有率不到 10%。 从以上数据可知，国内PLC 产品仍以国外产品为主，并以 Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的产品为主。 技术发展趋势 开放式的设计和网络成为主流；PLC 技术正与 PC技术融合；系统控制向分散发展；容错系统；小型化、智能化。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。
15、目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。目前中国 PLC 市场主要厂商为 Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc 等国际大公司，欧美公司在大、中型 PLC 领域占有绝对优势，日本公司在小型 PLC 领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型 PLC 领域也有一定市场份额，中国大陆 PLC 厂商的市场份额几乎可以忽略
16、。 大型 PLC 的目标用户在选用 PLC 时一般不会把价格作为首要考虑因素，而是更关注产品性能、质量和品牌，对价格不是十分敏感，故日本产品很难进入该领域。韩国和中国台湾的产品从一开始就是模仿日本产品，基本沿袭日本产品的技术路线，其在中国的市场策略、行业影响基本是步日本厂商的后尘，只不过比日本产品滞后一段时间。 对中、小型 PLC 的目标用户而言，市场上主要厂商的 PLC 产品均能满足其要求，所以在产品选型时价格是十分重要的因素。因此，日本产品在该领域占有绝对优势。Siemens 在推出新一代小型 PLC 产品S7200 后其价格与日本产品相差不大，最近几年其小型 PLC 的市场增长迅速，已经
17、与日本主要产品（Mitsubishi 和 Omron）在小型 PLC 领域取得了类似的市场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国台湾的部分 PLC 厂商在小型PLC 领域发展势头十分强劲，抢占了原来日本产品的一部分低端市场。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。1.3 本文的主要研究内容7PLC在中央空调中的应用可以从2个方面考虑，一方面是中央空调系统原理分析及控制要求；另一方面是可编程控制器(PLC)系统的设计。各章节的主要内容如下：第一章绪论：阐述了PLC的发展和研究现
18、状；提出了论文的研究内容。第二章：通过分析中央空调的工作原理，将PID算法及变频技术引入中央空调的控制。第三章：分析各厂家PLC的特性，选定西门子PLC，再根据中央控制系统的具体要求选定西门子PLC的具体型号S7-200。并对其选定的S7-200进行简单的阐述。并画出中央空调系统的PLC控制的硬件图。第四章：根据选定的S7-200，选定与其相对应的编程软件STEP-7MICRO/WIN32 V3.1，并画出流程图。第五章总结：总结了本文的主要工作，包括得出的主要结论。82 系统工作原理及控制要求2.1 系统的工作原理图 2-1 中央空调系统原理图Fig.2-1 The schematic of
19、 the central air conditioning system中央空调系统如图 2-1 所示，是由一系列驱动流体流动的动件（如水泵及压缩机） ，各种型式的热交换器（如冷却风机，蒸发器，冷凝器及中间热交换器等）及连接各种装置的管道，阀件和电气控制装置组成。冷水机组是中央空调的“制冷源” ， “心脏” ，通往各个房间的循环水由冷9水机组进行“内部交换” ，在蒸发器中吸热后的制冷剂通过压缩机压缩成高温高压气体，送至冷凝器与冷却水热交换后变成常温高压液体，经节流阀（膨胀阀）进入蒸发器蒸发吸收冷媒水的热量，然后又回到压缩机，如此形成制冷剂循环过程。冷媒水循环系统，由冷媒水泵及冷媒水管道组成，从
20、冷水机组流出的冷媒水由冷媒泵加压送入冷媒水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内热量。使房间内的温度下降。冷却水循环系统，由冷水泵和冷却水管道及冷却塔组成，冷水机组进行热交换，在水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将讲了问的冷却水，送回到冷水机组，如此不断循环，带走冷水机组释放的能量。冷却风机安装于所需要降温的房间内，用于将由冷媒水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。 2.1.1 PLC 控制下变频调速系统的工作原理PLC 控制下变频调速系统的工作原理，可编程控制器 PLC 是变频调速控制系统的关键部件。其作用的协调各机组与变频
21、器柜之间的电气连接，通过接触其与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC 的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。PLC 软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。通常情况下，变频调速系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。每台电机都可以运转在工频和变频两种状态下，这由 PLC 系统根据需要进行切换控制。可编程控制器用 I/O扩展接口
22、分别接入 A/D 和 D/A 模块。A/D 模块通过 PLC 将温度模拟量转换为数字量，D/A 模块将 PLC 输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器升速过程及江苏过程。需要注意的是，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，各接触器间互锁和动作时间要设置好。 使用可编程控制器取代继电接触器控制系统，电气系统故障大为减少。有完善的故障处理功能及电源顺停（或大幅降压）后自动再启动功能。2.1.2 PID 算法在变频调速中的应用：101） 常规 PIDPID 在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单，易于理解和实现，且一些高级控制都是以 PID 为基础改进的。在工业过程控制中，
23、40%以上的控制系统回路具有 PID 结构。在目前的温度控制领域，应用时分广泛。PID 调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节，可见，温度 PID 调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。对一个控制系统而言，合理的设置这三个参数，可取得较好的控制效果。PID 控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下：1.比例曾一部分（P）用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。2.积分部分（I
24、）表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数 T，T 越大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。3.微分部分（D）可以对输入的变化趋势作出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的震荡，减小超调量，使系统趋向稳定，见笑调节时间，用来改善系统的动态特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。PID 的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其它的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如 PI 控制算法，PD 控制算法和PID 控制算法。2）PLC 的 PID 模块分析研究在我们使用的 PLC 中，是通过 PID 调节器来调节输出，保证偏差值为零，
