基于PLc的中央空调控制系统设计论文

基于PLc的中央空调控制系统设计论文 毕 业 设 计 题 目 基于PLC的中央空调控制系统设计 基于PLC的中央空调控制系统设计 摘要 中央空调现已广泛的应用在各大商场办公大厦等场所中传统控制系统中在控制较适宜的温度的同时却消耗了大量的能量如今人们越来越重视中央空调的舒适性和节能性本文重点研究了中央空调冷冻泵机组控制系统为舒适的生活工作环境及有效节能提供了技术条件 本文首先介绍了中央空调的结构和工作原理 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了传统中央空调的缺点即冷冻泵冷却泵不能自我调节负载长期处于满负荷运行造成了极大的能源浪费随着变频技术日趋成熟利用变频器PLC数模转换模块温度传感器等器件的有机结合构成温差闭环自动控制系统自动调节水泵的输出流量达到节能目的该系统采用西门子的S7200PLC作为主控制单元利用传统 PID 控制算法通过西门子 MM440 变频器控制水泵运转速度保证系统根据实际负荷的情况调整流量实现恒温控制同时又可以节约大量能源 通过对中央空调的理论分析验证了以出回水温差为根据对其进行变流量控制的可靠性对变频控制系统进行了设计为实现温度信号远距离传送设计了基于 USS 协议的RS-485总线通讯的网络通过西门子 TD200 文本显示器实现人机界面的设计最后使用 MCGS 工控组态软件进行了系统的组态设计研究 关键词 中央空调PLC变频器PIDRS-485 PLC Based Central Air Conditioning Control System Design Abstract Central air conditioning has been widely used in major shopping malls office buildings and other places the traditional control system in the control of suitable temperature at the same time it consumes a lot of energynowadays people pay more and more attention to central air conditioning comfort and energy efficiency this paper focuses on the research of central air conditioning refrigeration pump unit control system for comfortable living and working environment and effective energy-saving provide technical conditions This paper introduces the structure and working principle of central air conditioning summarizes the traditional central air-conditioning system shortcomings namely refrigeration pump cooling pump can not self regulation in long-term load full load operation causing great waste of energy along with the frequency conversion technology is mature with each passing day the use of frequency converter PLC digital to analog conversion module temperature sensors and other devices the organic combination of form thermoelectric closed-loop automatic control system automatically adjust the pump output flow to achieve the purpose of energy saving The system adopts Siemens S7-200PLC as the main control unit by using the traditional PID control algorithm through the MM440 Siemens inverter control pump speed ensure the system according to the actual load adjusting flow to achieve constant temperature control but also can save a lot of energy Through the theoretical analysis on the central air conditioning proved to a backwater temperature based on the variable flow control reliability The frequency conversion control system was designed in order to realize the temperature signal remote transmission based on USS protocol the design of RS-485 bus communication network Siemens TD200 text display is realized through the man-machine interface design finally using the MCGS configuration software for system configuration design and research Keywords Central air conditioning PLC frequency converter PID RS-485 目 录 摘要 I Abstract II 第1章 绪论 1 11 课题背景 1 12 中央空调控制的研究现状及发展 2 121 中央空调控制系统的发展 2 122 中央空调变流量控制的发展 3 13 本研究课题的主要工作 4 第2章 中央空调变流量控制的原理 5 21 中央空调系统的结构和原理 5 211 概述 5 212 制冷原理 5 213 中央空调系统的构成 5 22 中央空调变流量控制的原理及特点 5 221 变流量空调系统概述 5 222 中央空调变流量控制的实现方式 7 223 中央空调系统变流量系统的特点 9 23 电机的软启动原理及应用 10 231 软启动设备介绍 10 232 软启动器的应用场合 10 233 软启动器与变频器之间的区别对比 10 24 PID控制的设计 11 241 PID控制原理 11 242 PID控制器的参数整定 12 243 PID的反馈逻辑 12 244 PID参数调整原则 13 245 对空调系统的PID变频控制 13 246实现设定值的自动调节 13 247 PID控制器设计及实现 13 25 本章小结 15 第3章 中央空调控制系统的硬件设计 16 31 变频器的原理 16 32 西门子MM440变频器性能介绍 16 321 主要特征 17 322 控制性能的特点 17 323 保护功能 17 324 变频器运行的环境条件 17 325 使用变频器设计系统时需注意的问题 18 33 PLC选型 18 331 PLC简介 18 332 PLC控制功能的选择 18 333 西门子S7-200PLC介绍 20 334 模拟量IO模块的种类 20 335 EM231技术指标 21 336 EM232技术指标 21 337 EM231 RTD接线及注意事项 21 34 PT100温度传感器 21 35 PT100温度变送器 22 36 人机界面设计 22 37 系统硬件 23 38 本章小结 25 第4章 控制系统软件设计 26 41 设备间通讯 26 411 RS-485介绍 26 412 USS协议 26 42 PLC的初始设定 27 43 PLC主程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 29 44 PLC编程软件 30 45 30 451 中央空调控制系统的IO分配 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 30 452 程序中使用的存储器及功能 31 46 中央空调控制系统的MCGS组态 32 461 MCGS组态软件简介 32 462 MCGS 62通用版介绍 32 464 系统脚本程序编写 34 465 组态运行界面 35 47 本章小结 36 结论 37 致谢 38 参考文献 39 附录C 40 第1章 绪论 11 课题背景 随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高为了保证温度恒定中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域例如酒店宾馆办公大厦商场工厂厂房等场所随着时间的推移人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度湿度 统计数字显示传统的中央空调控制系统耗电量极大且存在巨大的能源浪费中央空调系统普遍存在着30,以上的无效能耗有些中央空调系统的无效能耗甚至可以高达50,以上采用新技术降低系统能耗成为当务之急因为能源是发展国民经济的重要因素我国近年来能源短缺的现实节能减排才是重中之重建设节能型社会促进经济可持续发展是实现全面建设小康社会宏伟目标构建和谐社会的重要基础保障[1] 在传统的设计中中央空调的制冷机组冷冻水循环系统冷却水循环系统冷却塔风机系统风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的且留有充足余量不管在什么时间负荷的多少各电机都长期处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的功能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有个例子可以很好的说明这些中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵一年四季长期在固定的最大流量下工作但由于季节昼夜和用户负荷的变化在绝大部分时间内空调的实际热负载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比一年中负载率在50,以下的小时数约占全部运行时间的60以上一般冷冻水设计温差为5,7?冷却水的设计温差为4,5?在系统流量 固定的情况下全年绝大部分运行时间温差仅为1,3?即在低温差大流量情况下工作从而增加了管路系统的能量损失严重浪费了水泵运行的输送能量也就是说中央空调系统存在着至少30,以上的节能空间这至少30的节能空间来源于很多方面 第一负荷估算值偏大系统消耗能量大大增加现在的新型制冷主机可以根据负载的变化自动加载卸载而水泵的流量却不能随制冷主机而调节必然存在很大的能量浪费除此之外每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的系统并不能做出相应的调节许多环节上都留有节能空间 第二空调主机选型容量加大在冷负荷估算值加大后空调主机制冷量也相应的加大 第三水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量压力冷冻水系统和冷却水系统中消耗了水泵较大的输送能量在传统的运行方式下只要启动水泵就会在工频满负荷状态下运行 第四起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响起动电流通常为额定值的5倍左右电机在如此大的电流冲击下进行频繁的起停对电机接触器触点产生电弧冲击也会给电网带来一定冲击起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动轴承阀门等造成疲劳损伤 为此如果能通过冷冻水供回水温度压差冷却水泵的流量等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起停使空调系统高效节能运行将产生非常明显的经济效果另外根据交流电机的特性要实现连续平滑的速度调节最佳的方法就是采用变频器调速采用变频器进行风机水泵的节能改造不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费而且还会极大提高调节和控制的精度从而方便地实现恒温空 调系统[2]空调节能的目的是有效利用能源以最小的能耗创造出一个适合人居住工作的室内环境空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗提高能源利用率对减少温室气体排放减轻环境污染实现人类社会的可持续发展 12 中央空调控制的研究现状及发展 121 中央空调控制系统的发展 1在单室内机的房间空调器方面 变频技术微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件我国自90年代初开始研究空调器的智能控制现已研制出多种形式的变频空调器或智能空调器对推进我国空调业的进步作出了贡献西安交大朱瑞琪于1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术李家朋针对我国房间空调器普遍采用单相压缩机的现状探索开发出两相变频器并应用电子膨胀阀进行变流量控制利用16位微机并引进模糊概念提高空调器的控制功能为变频空调器国产化作出了大胆的探索李家朋在空调器舒适性和节能运行的控制中提出了用表征房间热负荷大小的热容C和表征房间漏热程度的热阻R进行模糊辩识的方法研究表明用此方法研制的模糊控制空调器会按季节气温漏热情况等条件自动地选择合适的工作模式保证了空调环境的舒适度和制冷系统的节能要求 2在多室内机的房间空调器一机多挂系统方面 由于多室内机空调器的节能和舒适性控制涉及到必须对系统中的工质循环量和进入各室内机的工质流量加以严格精确地控制问题它不仅与系统的控制有关同时也与系统的设计有着密切的关系在这方面目前国内主要是在研制一拖二和一拖三空调器根据其结构形式和运转特点可分为如下四种方式 1 一台定速压缩机对应一台室内机的多制冷系统这种机型在控制上难度最小但结构复杂体积大成本高不能体现一机多挂系统的价格优势和节能优势 2 单台定速压缩机多台室内机间歇供冷热系统由于制冷工质按时间交替分配给各室内机所以根本不能满足室内环境的舒适性要求 3 单台定速压缩机多台室内机同时供冷热系统这种系统采用定速压缩机降低了空调器成本并能减少压缩机的启停次数较好地实现房间的舒适性控制但并不能从本质上解决压缩机的起停损失和对电网的冲击不能提高空调器的能效比和季节性能比 4 单台变频压缩机多台室内机同时供冷热系统通过采用电子膨胀阀调节进入各室内机的工质流量使之满足各室内的冷热负荷要求改变压缩机的运转频率调节制冷系统所需要的工质循环量并采用软硬件相结合的方式调节室内外风扇转速四通阀室内机的风向调节板等可控部件实现室内环境的高舒适性和系统的节能控制 随着智能建筑在中国的飞速发展楼宇自动控制技术和装置也得到快速的发展对于楼宇自动控制而言在确保建筑内舒适和安全的办公环境的同时还要实现高效节能目的因此诞生了综合现代计算机技术现代控制技术现代通信技术和现代图形显示技术的集散型控制系统集散型中央空调监控系统在我国的智能建筑中得到广泛应用其自动监视测量控制和管理功能是相当优越的自动化程度高节约了大量的劳动力和运行费用[3]20世纪90年代未至21世纪初我国在中央空调系统的控制领域同时推出两项节能技术和产品中央空调变频调速控制节能系统和中央空调变流量控制节能系统将这两项技术相结合在集散型中央空调监控系统的基础上增加PLC和变频技术并且与智能控制方法相结合将原有的定流量系 统改为变流量控制系统从而使中央空调的各泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化就能够在保证负荷需求的前提下实现中央空调系统的最大节能 国内还有一些科研机构和企业的科研团体也都开展了智能空调器的研制工作其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的研究其研究成果还未见公开发表智能型空调器是一个综合技术的聚合体开发难度较大现在的样机或产品在控制模式上控制系统的稳定性和鲁棒性方面相比国际先进技术还存在很大的差距有待于进一步的研究和提高 122 中央空调变流量控制的发展 空调水系统最重要的目的是为空调系统的各末端装置提供能量的交换如何在满足这个要求的前提下尽可能的节能是首先需要解决的问题冷水系统的设计已经历了大约六七十年的发展并仍在不断地完善在这个发展和完善的过程中总是不断的遇到新问题如冷水温差过小水系统阻力损失过大管网水力不平衡等问题这些问题的不断解决最终推动了变流量技术的发展 变流量空调技术的发展与控制技术和水泵变频技术的发展是紧密相联的可以说变流量技术是随着变频技术的出现才逐渐发展起来的[4]这种技术在美国得到了广泛的研究和应用在变频技术和数字控制技术出现之前通常不考虑负荷的变化冷冻水泵以固定的流量输运冷冻水到环路中这种做法的后果不仅造成了能耗的浪费还导致冷冻水系统的供回水低温差运行 从九十年代术期开始随着计算机及电子技术的高速发展变流量技术也得到深入的发展水泵变频驱动器控制器等设备性能的提高大大满足了水系统控制的要求随着变流量技术的成熟在国外应用变流量技术开始成为暖通行业的标准在 目前应用的系统中往往偏重于设备的运行管理控制方法具体控制方法上基本上采用多个回路的PID控制[5]各种类型的PID控制器因其参数物理意义明确易于调整并且具有一定的鲁棒性因而得到了广泛的应用PID控制器之所以能够在过程控制领域获得广泛地应用是因为在实际的应用中PID控制器的设计可只借助于系统输出等反馈信息进行控制从而减少了控制系统对对象模型的依赖性 目前中央空调控制方法有双位ON,OFF控制PID控制最优控制模糊控制等方法以PID算法为核心的各种DDC控制系统是目前中央空调工程和设备较普遍的使用方法这种控制方法在工况较稳定的情况下可以得到较好的控制效果 13 本研究课题的主要工作 本文在分析和综合了PID控制的特点发展趋势以及中央空调控制任务的基础上对中央空调冷冻水机组采用传统PID控制对基于USS通信协议的RS-485总线设计的控制系统进行了研究并进行了组态设计最终设计了中央空调变频节能控制系统 研究工作的具体内容如下 1对空调系统变频控制进行了理论分析 2对变频控制系统进行设计以实现工频变频切换功能 3设计了基于RS-485网络的控制系统可将采集的出回水温度等数据信号通过网络送到主控系统实现远距离传送 4文中对冷冻水机组的控制系统进行了硬件和软件的设计采用西门子TD200文本显示屏作为人机界面西门子S7-200 PLC作为主控制器用一台变频器结合工频供电的方式灵活的驱动冷冻水机组的三台水泵 第2章 中央空调变流量控制的原理 21 中央空调系统的结构和原理 211 概述 空调即空气调节器挂式空调是一种用于给空间区域提供处理空气温度变化的机组它的功能是对该房间或区域内空气的温度湿度洁净度和空气流速等参数进行调节以满足人体舒适或工艺过程的要求 中央空调系统是一种大型的对建筑物进行集中空气调节并进行管理的设备一般由空气处理设备送 回 风机送 回 风通道空气分配装置及冷热源等组成根据需要它们能组成不同形式的系统在工程实际中应从建筑物的用途和性质热湿负荷特点空调机房面积和位置初投资和运行维修费用等许多方面去考虑选择合理的空调系统 212 制冷原理 气态制冷工质如氟利昂经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器与水空气进行等压热交换变成低温高压液态液态工质经干燥过滤器去除水份杂质进入膨胀阀节流减压成为低温低压液态工质在蒸发器内气化液体气化过程要吸收气化潜热而且液体压力不同其饱和温度 沸点 也不同压力越低饱和温度越低例如1kg的水在绝对压力为000087MPa饱和温度为5?气化时需要吸收24887KJ热量1kg的氨在1个标准大气压力 010133MPa 下气化时需要吸收136959KJ热量温度可抵达-3333?因此只要创造一定的低压条件就可以利用液体的气化获取所要求的低温依此原理气化过程吸取冷冻水的热量使冷冻水温度降低 一般降为7? 制冷工质在蒸发器内吸取热量温度升高变成过热蒸气进入压缩机重复循环过程 213 中央空调系统的构成 中央空调系统包括空调主机风机盘管系统水系统及相应的控制系统空调主机由压缩机蒸发器和冷凝器组成风机盘管系统为房间内的末端水系统出冷冻水循环系统冷却水循环系统组成[7]典型的中央空调系统的结构如图2-1所示冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者因此对冷冻水和冷却水循环系统的控制是中央空调控制系统的重要组成部分 22 中央空调变流量控制的原理及特点 221 变流量空调系统概述 早前国内的中央空调系统基本上都采用传统的定流量控制方式也就是说只要启动空调主机冷冻水泵冷却水泵和冷却塔风机都在50Hz工频状态下运行定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持恒定当负荷发生变化时通过改变供水或回水温度来满足要求定流量供水方式最主要的优点是系统简单不需要复杂的自控设备但这种控制方式存在以下问题 1 中央空调系统是一个多参量非线性时变性的复杂系统由于末端负荷的频繁波动必然造成系统的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态导致主机热转换效率大大降低系统长期在低效率状态下运行也会增加系统的能源消耗 2 无论末端负荷大小如何变化空调系统均在设计的额定状态下运行系统能耗始终处于设计的最大值而由于受多种因素不断变化的影响如季节交替气候昼夜变化使用频率人流量增减等空调负荷的这种不恒定性决定了系统对空调冷量的需求也是一个随机变化的量若不进行系统优化定会造成能源浪费 3 在工频状态下启停大功率水泵和风机冲击电流大不利于电网的安全运行且水泵风机等机电设备长期在工额额定状念下高速运行机械磨损严重导致使用寿命缩短和设备故障大幅度增加 综上来看定流量控制凸显出来的问题很多变流量系统则是根据实际负荷的大小改变冷冻水流量水泵也可以根据系统实际所需流量自动调节其转速或运行台数从而达到节约水泵能耗的目的[7]如图2-2所示 图2-1 中央空调系统结构 图2-2 冷冻水变流量控制系统 222 中央空调变流量控制的实现方式 中央空调循环水变流量控制系统是将整个中央空调系统从节能高效环保健康安全管理等方面进行全面综合考虑把科学的节能理念和方法与成熟的控制理论技术网络通讯技术检测技术变频技术及其产品进行融合形成了一个完整的节能与管理体系 1变频调速的原理 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系 21 式中 为同步转速单位为rmin为电源频率单位为Hz 为磁极对数 异步电动机的转速总是小于其同步转速异步电机的实际转速可由下式给出 22 式中 n电动机实际转速 s异步电动机的转差率 由式 22 可知改变参数s中的任意一个就可以改变电动机的转速即对异步电动机进行调速控制因此可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制从某种意义上说变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源 在电动机调速时一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变磁通太弱没有充分利用电机的磁心是一种浪费若要增大磁通又会使磁通饱和从而导致过大的励磁电流严重时会因为绕组过热而损坏电机对于直流电机来说励磁系统是独立的所以只要对电枢反应的补偿合适保持磁通量不变是很容易做到的在交流异步电机中磁通是定子和转子合成产生的[8] 三相异步电机定子每相电动势的有效值是 23 式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值单位为V 定子频率单位为Hz 定子每相绕组串联匝数 基波绕组系数 每极气隙磁通量 由式 23 知只要控制好和便可以控制磁通不变 需要考虑基频以下和基频以上两种情况 1基频下调速 即采用恒定的电动势由上式可知要保持磁通量不变但频率从额定值向下调节必须同时降低然而绕组中的感应电动势是很难控制的但电动势较高可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降而认定定子相电压 E则得常数 低频时和都较小定子阻抗压降所占的份量都比较显着不能在忽略这时可以人为的把电压抬高一些以便近似的补偿定子压降带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b线无补偿的为a线如图2-3所示 图2-3 恒压频比控制特性 2基频以上调速 在基频以上调速时频率可以从往上增高但电压磁通与频率成反比的降低相当于直流电机弱磁升速的情况 把基频以下和基频以上两种情况合起来可得到异步电动机的变频调速控制特性如图2-4所示如果电动机在不同的转速下都具有额定电流则电动机都能长期运行这时转矩基本上随磁通变化在基频以下属于恒转矩调速的调速而在基频以上基本上属于恒功率调速 图2-4 异步电动机变频调速控制特性 在中央空调水系统中最主要的运行设备是水泵水泵调速运行节电的理论之一是水泵学比例律幽水泵学比例律可知对于同一台水泵当以不同转速运行时水泵的流量Q扬程H轴功率P与转速n有如下关系[9][12][13] 2-4 由公式 2-4 知流量与转速成正比扬程与转速的平方成正比轴功率与转速的立方成正比由此可见当降低转速时功率的减少量远比流量的减少量大得多因此控制水泵的转速可以有效地控制水泵的消耗功率这就是中央空调系统高效节能的基础 通过频率变化来改变电机转速与传统变速方法相比有以下优点 启动为软启动减小了启动电流对电网的冲击调速范围广可实现无级平滑调 速能做到与直流调速不相上下的程度 2变频技术的应用 交流变频调速技术是将电力电子自动控制微电子电机学等技术集成的一项高新科技它以其优异的调速性能显著的节能效果以及在国民经济各领域广泛的适用性被国内外公认为是世界上应用最广效率最高最理想的电气传动 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是电气传动的发展方向它为提高产品质量和产量节约能源降低消耗提高企业经济效益提供了重要的新手段 223 中央空调系统变流量系统的特点 变流量节能控制系统是目前最先进的节能控制技术它与普遍使用的定流量中央空调控制模式相比具有以下技术特点 实现中央空调综合性能最优必须针对空调系统的各个环节 包括主机冷冻水泵冷却水泵冷却塔风机等 统一考虑全面控制使全系统协调运行才能实现最佳综合节能变流量控制系统对中央空调的运行进行优化控制实现最佳节能效果 实现空调系统负荷的跟随性变流量控制系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式通过对中央空调运行系统的动态监测和闭环控制将空调主机的定流量运行改为变流量运行实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化在空调系统的任何负荷条件下既能确保中央空调系统的舒适性又实现最大的节能 空调主机始终保持高的热转换效率众所周知随着中央空调系统负荷的变化必将导致整个空调系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数导致主机热转换效率降低这一直是传统中央空调运行方式无法解决的一大难题变流量控制系统的一个基本思想就是按照中央空调主机所要求的最佳运行参数去控制中央空调系统的运行根据系统的运行工况及制冷剂工质参数的变化通过PID控制调节确 保空调主机始终处于优化的最佳工作点上使主机始终保持较高的热转换效率有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转换效率下降的难题提高了系统的能源利用率[10] 随着变频器技术的成熟及其价格的大幅下降越来越多的设计师开始认识到在空调水系统中应用变频器改变水泵转速所带来的巨大效益 这里说到了软启动方式下面来介绍下 23 电机的软启动原理及应用 231 软启动设备介绍 电压由零慢慢提升到额定电压使电机启动的全过程都不存在冲击转矩而是平滑的启动运行这就是软启动电机的软启动可以通过软启动器或者变频器来实现 软起动器是一种集软停车轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置国外称为SoftStarter它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路 运用不同的方法控制三相反并联闸管的导通角使被控电机的输入电压按不同的要求而变化就可实现不同的功能 变频器Variable-frequency DriveVFD是应用变频技术与微电子技术通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备变频器主要由整流交流变直流滤波逆变直流变交流制动单元驱动单元检测单元微处理单元等组成通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压进而达到节能调速的目的另外变频器还有很多的保护功能如过流过压过载保护等等随着工业自动化程度的不断提高变频器也得到了非常广 泛的应用 232 软启动器的应用场合 原则上笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用目前的应用范围是交流380V也可660V电机功率从几千瓦到800kW软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载需要软起动与软停车的场合 同样对于变负载工况电动机长期处于轻载运行只有短时或瞬间处于重载场合应用软起动器不带旁路接触器则具有轻载节能的效果 233 软启动器与变频器之间的区别对比 软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品变频器是用于需要调速的地方其输出不但改变电压而且同时改变频率软起动器实际上是个调压器用于电机起动时输出只改变电压并没有改变频率变频器具备所有软起动器功能但它的价格比软起动器贵得多结构也复杂得多软启动器是通过星三角转换来降低启动电流而变频器是通过改变频率来调节电机的转速的能降低能耗变频器也有软启动功能是通过改变电源频率实现软启动器只能通过晶闸管调压实现电机软启动软停车但不具备调速功能 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电机控制调速装置通过变频控制电机运行是真正的高效调速方式效率很高变频器能够实现真正的软启动软停止和高效调速两者可以配合使用大中型供水设备中常由变频器带动一台泵变速运行由一台软启动器完成其余各泵开停操作变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡运行中变频与工频可实现平稳切换 24 PID控制的设计 在生产过程自动控制的发展历程中PID控制是历史最久生命力最强的基本 控制方式在本世纪40年代以前除在最简单的情况下可采用开关控制外它是唯一的控制方式PID控制具有很多优点[11]1适应性强可以广泛的应用于各种行业2算法简单使用方便容易通过简单的硬件和软件方式实现由于其有这些优点PID控制直到现在仍然是应用最广泛的基本控制方式之一 温度是一个普通而又重要的物理量在许多领域里人们需对温度进行测量和控制长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究产生了大批温度控制器如性能成熟应用广泛的PID调节器智能控制PID调节器自适应控制等 241 PID控制原理 PID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十分广泛 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地设置这三个参数可取得较好的控制效果 图2- PID控制系统原理图 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比例增益P 比例增益 P就是用来设置差值信号的放大系数的任何一种变频器的参数P 都给出一个可设置的数值范围一般在初次调试时P可按中间偏大值预置(或者暂时默认出厂值待设备运转时再按实际情况细调比例增益部分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积分时间I 如上所述(比例增益P越大调节灵敏度越高但由于传动系统和控制电路都有惯性调节结果达到最佳值时不能立即停止导致超调然后反过来调整再次超调形成振荡为此引入积分环节I其效果是使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大 或减小 从而减缓其变化速度防止振荡但积分时间I太长又会当反馈信号急剧变化时被控物理量难以迅速恢复因此I的取值与拖动系统的时间常数有关拖动系统的时间常数较小时积分时间应短些拖动系统的时间常数较大时积分时间应长些 3微分时间D 微分时间D是根据差值信号变化的速率提前给出一个相应的调节动作从而缩短了调节时间克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷D的取值也与拖动系统的时间常数有关拖动系统的时间常数较小时微分时间应短些反之拖动系统的时间常数较大时微分时间应长些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 242 PID控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小PID控制器参数整定的方法很多概括起来有两大类一是理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型经过理论计算确定控制器参数这种方法所得到的计算数据未必可以直接用还必须通过工程实际进行调整和修改二是工程整定方法它主要依赖工程经验直接在 控制系统的试验中进行且方法简单易于掌握在工程实际中被广泛采用PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法反应曲线法和衰减法两种方法各有其特点其共同点都是通过试验然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善现在一般采用的是临界比例法利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下 1 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 2 仅加入比例控制环节直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡记下这时的比例放大系数和临界振荡周期 3 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数 243 PID的反馈逻辑 所谓反馈逻辑是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性例如中央空调系统中用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速冬天制热时如果回水温度偏低反馈信号减小说明房间温度低要求提高变频器输出频率和电机转速加大热水的流量而夏天制冷时如果回水温度偏低反馈信号减小说明房间温度过低可以降低变频器的输出频率和电机转速减少冷水的流量由上可见同样是温度偏低反馈信号减小但要求变频器的频率变化方向却是相反的这就是引入反馈逻辑的原由 244 PID参数调整原则 各参数的预置是相辅相成的运行现场应根据实际情况进行如下细调被控物理量在目标值附近振荡首先加大积分时间I如仍有振荡可适当减小比例增益P被控物理量在发生变化后难以恢复首先加大比例增益P如果恢复仍较缓慢可适 当减小积分时间I还可加大微分时间D 245 对空调系统的PID变频控制 在近几年对中央空调系统的变频控制中多采用PI或PID来实现出回水定温差或定压差的水泵频率控制对冷冻水控制通过检测制冷主机蒸发器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度将其温差与设定值比对通过PLC的PID控制功能或PID控制器调节冷冻泵变频器的频率值最终使温差值保持在设定值[14] 对冷冻水控制通过检测制冷主机冷凝器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度通过PLC的PID控制功能调节冷却泵变频器的频率值最终使温度值保持在设定值附近其比例积分系数凭经验设定 有很大的差异室温等因素也会产生较大的影响即使空调系统的水泵风机等以同样转速等情况运行其实际出回水温差也变化很大因此随环境因素实时的修改设置参数可更加节能通过建立温度查询表并通过人机界面输入到PLC存储器中可实现自动控制温度设置如下表 表2-1 温度值查询表 室温 19?以下 19?23? 23?26? 26?以上 设定值 8 7 6 5 247 PID控制器设计及实现 西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215CPU216开始增加了用于闭环控制的PID指令西门予公司的S7-200系列的PLC都有配套的STEP7-MicroWIN32编程软件该软件可以在PC机上运行为用户开发编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境 STEP7-MicroWIN32提供了PID指令向导指导使用者定义一个闭环控制过程的PID算法该算法程序由编程软件自动插入到主程序中PID的组态设计包括以下 内容 1 确定所要控制的PID指令编号 回路编号 2 选择参数控制表存放的位置以及闭环控制的参数 3 确定PID回路的输入和输出控制参数 4 确定PID回路的报警选项以及报警参数 5 指定用于计算的数据存储区域 6 指定初始化子过程和中断的名称 7 确认设计的PID算法名称 PID设置向导过程如图2-9 图2- PID向导设置过程 图2- PID向导设置过程 25 本章小结 本章介绍了中央空调的结构和原理对变流量控制进行了研究阐述了变频调速原理分别对比了软启动器和变频器的优缺点最后对传统PID控制进行了细致的研究和探讨可行性及PID控制环节的实现 第3章 中央空调控制系统的硬件设计 中央空调控制系统硬件有变频器PLC温度变送器人机界面实现功能如下 1变频器为了调速并降低启动电流 2PLCPLC作为控制单元是整个系统的控制核心PLC 控制器通过温度传感器测量进出水温度编入控制器内存最后来控制变频器的频率以控制电机的转速调节水量根据室内的温度高低控制热交换的速度达到节能目的 3温度变送器将温度变量转化为可传送的标准化输出信号主要用于工业过程温度参数的测量和控制 4人机界面系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面 31 变频器的原理 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分变频器的主电路大体上可分为两类电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器直流回路的滤波是电容电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器其直流回路滤波是电感 它由三部分构成将工频电源变换为直流功率的整流器吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路以及将直流功率变换为交流功率的逆变器 整流器最近大量使用的是二极管的变流器它把工频电源变换为直流电源也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器由于其功率方向可逆可以进行再生运转 平波回路在整流器整流后的直流电压中含有电源6倍频率的脉动电压此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压电流装置容量小时如果电源和主电路构成器件有余量可以省去电感 采用简单的平波回路 逆变器同整流器相反逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率以所确定的时间使6个开关器件导通关断就可以得到3相交流输出 32 西门子MM440变频器性能介绍 MICROMASTER 440全新一代用于控制三相交流电动机速度和转矩的多功能标准变频器本变频器由微处理器控制并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管 IGBT 作为功率输出器件因此它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术可使电动机低噪声运行全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护创新的BiCo内部功能互联功能有无可比拟的灵活性[15] 其具有缺省的工厂设置参数它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置由于MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能在设置相关参数以后它也可用于更高级的电动机控制系统既可用于单独传动系统也可集成到自动化系统中 变频器适用于各种变速驱动装置由于它具有高度的灵活性因而可以在广泛的领域得到应用它尤其适合用于吊车和起重系统立体仓储系统食品饮料和烟草工业以及包装工业的定位系统 321 主要特征 易于安装易于调试牢固的EMC设计可由IT电源供电对控制信号的响应是快速和可重复的参数设置的范围很广确保它可对广泛的应用对象进行配置电缆连接简便具有多个继电器输出具有多个模拟量输出 020mA 6 个带隔离的数字输入并可切换可NPNPNP 接线2 个模拟输入1ADC1010V020mA 和-10 至10V 2ADC2010V020mA2 个模拟输入可以作为第7 和第8 个数字输入BICO 技术模块化设计配置非常灵活开关频率高 传动变频器可到16kHz 因而电动机运行的噪音低内部RS485 接口 端口 详细的变频器状态信息和完整的信息功能 322 控制性能的特点 最新的IGBT技术数字微处理器控制高质量的矢量控制系统磁通电流控制 FCC 改善动态响应并且优化电动机的控制线性VF特性平方VF特性多点vf特性 可编程VF特性 力矩控制捕捉再起动滑差补偿在电源中断或故障跳闸以后自动再起动可以由用户定义的自由功能块实现逻辑运算和算术运算的操作动态缓冲用于定位控制的减速斜坡函数曲线高品质的PID控制器 具有参数自整定功能 可用于一般的过程控制可编程的加速减速斜坡函数0秒至650秒斜坡起始段和结束段的平滑功能快速电流限制 FCL 功能避免运行中不应有的跳闸快速可重复的数字输入响应时间使用两个高分辨率的10位二进制模拟输入实现速度精调复合制动实现快速制动控制4个跳转频率 323 保护功能 过压欠压保护变频器过温保护使用PTC通过数字输入实现电动机过热保护接地故障保护短路保护闭锁电动机保护防止电动机失速参数联锁 324 变频器运行的环境条件 1变频器要求的环境温度都是0,40度这个温度比较适合变频器正常运行2空气的相对湿度?95无凝露3不允许变频器掉到地上或遭受突然的撞击不允许把变频器安装在有可能经常受到振动的地方4不允许把变频器安装在接近电磁辐射源的地方5不要把变频器安装在存在大气污染的环境中例如安装在存在灰尘腐蚀性气体等的环境中6变频器的安装位置切记要远离有可能出现淋水的地 方例如不要把变频器安装在水管的下面因为水管的表面有可能结露禁止把变频器安装在湿度过大和有可能出现凝露的地方7在变频器附近不要安装有对冷却空气流通造成负面影响的其它设备确认变频器的冷却风口处于正确的位置不妨碍空气的流通 325 使用变频器设计系统时需注意的问题 1 变频器柜内除本机专用的空气开关外不宜安置其它操作性开关电器以免开关噪声入侵变频器造成误动作 2 变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护但切记不可频繁操作由于变频器内部具有大电容其放电过程较为缓慢频繁操作将造成过电压而损坏内部元件 3 注意防止发生共振现象由于定子电流中含有高次谐波成分电机转矩中含有脉动分量有可能造成电机的振动与机械振动产生共振使设备出现故障应预先找到负载固有的共振频率后利用变频器频率跳跃功能设置躲开共振频率点 为了控制电源一般在变频器电源进线上串接一个超过变频器额定电流两倍以上的交流接触器但应注意除紧急情况外接触器的通断只能在变频器停止运行的情况下才能进行 33 PLC选型 331 PLC简介 可编程逻辑控制器Programmable Logic ControllerPLC它采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序执行逻辑运算顺序控制定时计数与算术操作等面向用户的指令并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程 332 PLC控制功能的选择 该选择包括运算功能控制功能通信功能编程功能诊断功能和处理速度等特性的选择 1运算功能 简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算计时和计数功能普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位比较等运算功能较复杂运算功能有代数运算数据传送等大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能随着开放系统的出现目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能有些产品具有与下位机的通信有些产品具有与同位机或上位机的通信有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能 2控制功能 控制功能包括PID控制运算前馈补偿控制运算比值控制运算等应根据控制要求确定可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制因此大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量例如采用PID控制单元高速计数器带速度补偿的模拟单元ASC码转换单元等 3通信功能 大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议如TCPIP需要时应能与工厂管理网TCPIP 相连接通信协议应符合ISOIEEE通信标准应是开放的通信网络可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口RIO通信口常用DCS接口等大中型可编程逻辑控制器通信总线含接口设备和电缆应11冗余配置通信总线应符合国际标准通信距离应满足装置实际要求为减轻CPU通信任务根据网络组成的实际需要应选择具有不同通信功能的如点对点 现场总线通信处理器 4编程功能 离线编程方式可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU编程器在编程模式时CPU只为编程器提供服务不对现场设备进行控制完成编程后编程器切换到运行模式CPU对现场设备进行控制不能进行编程离线编程方式可降低系统成本但使用和调试不方便 在线编程方式CPU和编程器有各自的CPU主机CPU负责现场控制并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换编程器把在线编制的程序或数据发送到主机下一扫描周期主机就根据新收到的程序运行这种方式成本较高但系统调试和操作方便在大中型可编程逻辑控制器中常采用 五种标准化编程语言顺序功能图SFC 梯形图LD 功能模块图FBD 三种图形化语言和语句表IL 结构文本ST 两种文本语言选用的编程语言应遵守其标准IEC6113123 同时还应支持多种语言编程形式如CBasic等以满足特殊控制场合的控制要求 5诊断功能 可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置软件诊断分内诊断和外诊断通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱直接影响对操作和维护人员技术能力的要求并影响平均维修时间 6处理速度 可编程逻辑控制器采用扫描方式工作从实时性要求来看处理速度应越快越 好如果信号持续时间小于扫描时间则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号造成信号数据的丢失处理速度与用户程序的长度CPU处理速度软件质量等有关目前可编程逻辑控制器接点的响应快速度高因此能适应控制要求高相应要求快的应用需要扫描周期应满足小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于05msK大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于02msK 综上所述再结合实际情况为便于今后系统的改造或者升级需要留出一定的IO点以做扩展使用我们选用西门子S7-200PLC作为主控制器其中主机型号CPU226 333 西门子S7-200PLC介绍 S7-200 是一种小型的可编程序控制器适用于各行各业各种场合中的检测监测及控制的自动化S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能因此S7-200系列具有极高的性能价格比 S7-200系列出色表现在以下几个方面1 极高的可靠性2极丰富的指令集3易于掌握4便捷的操作5丰富的内置集成功能6实时特性7强劲的通讯能力8丰富的扩展模块 S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制应用领域极为广泛覆盖所有与自动检测自动化控制有关的工业及民用领域包括各种机床机械电力设施民用设施环境保护设备等等如冲压机床磨床印刷机械橡胶化工机械中央空调电梯控制 CPU226的主要技术指标 1集成24输入16输出共40个数字量IO点2可连接7个扩展模块最大扩展至248路数字量IO 点或35路模拟量IO 点3 13K字节程序和数据存储空间4 6 个独立的30kHz高速计数器2路独立的20kHz高速脉冲输出具有PID控制器5 2个RS485通讯编程口具有PPI通讯协议MPI通讯协议和自由方式通讯能力6IO端子排可很容易地整体拆卸7用于较高要求的控制系统具有更多的输入输出点更强的模块扩展能力更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能8可完全适应于一些复杂的中小型控制系统 S7-200的工作模式 S7-200系列PLC有3中工作模式即RUNSTOP和TERM模式 RUN模式CPU在RUN模式下执行完整的扫描过程通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能此时在CPU模式的LED显示面板上RUN显示当前的工作模式在此模式时不能向PLC装入程序 STOP模式PLC处于停止方式CPU不执行用户程序可装载编程软件的计算机通信可以创建和编辑用户程序设置PLC的硬件功能向PLC装入用户程序和硬件设置信息 TERM模式是一种暂态可以用程序将TERM转换为RUN或STOP状态在现场调试程序时很有用处TERM状态还和机器的特殊标志位SM07有关可用于自由口通信时的控制 334 模拟量IO模块的种类 在工业控制中某些输入量例如压力温度流量速度等是模拟量某些执行机构例如电动调节阀变频器等要求PLC输出模拟信号而PLC的CPU只能处理数字量模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压PLC用AD转换器把这些模拟量转换为数字量带正负号的电流电压在AD转换后用二进制补码表示DA转换器把数字输出量转换为模拟电压或电流再去控制执行机构模拟量IO模块的 主要任务就是实现AD转换和DA转换 AD转换器和DA转换其的二进制位数反映了它们的分辨率位数越多分辨率越高转换时间也是模拟IO模块的一个重要指标 S7-200PLC主要有3种模拟量扩展模块 1模拟量输入模块EM2314路 2模拟量输出模块EM2322路 3模拟量输入输出模块EM2354路输入1路输出 S7-200PLC模拟量扩展模块中的ADDA转换器位数均为12位 335 EM231技术指标 1具有4个模拟量输入通道2电压输入范围单极性010V05V双极性?5V?25V3电流输入范围020mA4每个通道占用存储器AI区域2个字节该模块模拟量的输入值为只读数据5输入信号经模数转换后的数字量数据值是12位二进制数最高有效位是符号位0表示正值数据1表示负值数据6模拟量输入数据字格式有单极性数据格式和双极性数据格式前者的全量程范围设置为032000后者为-3200032000 336 EM232技术指标 1提供2路模拟量输出2输出信号的范围电压输出为?10V电流输出为020mA3每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节用户程序无法读取模拟量输出值4PLC运算处理后的数字量信号BIN数 为12位最高有效位是符号位0表示正值1表示负值5电流输出数据格式为0320006电压输出的数据格式为-3200032000 337 EM231 RTD接线及注意事项 热电阻模块EM231 RTD接线如图3-1所示使用屏蔽线连接可达到最好的抗噪性如果用户使用屏蔽线应将屏蔽层接到信号连接器的14针接地点上该接地点与电源连接器的37针共地如果有的热电阻输入通道没有使用用户应将一个电阻器与没有的通道输入相连已防止由于浮地输入信号产生的误差影响有效通道产生错误显示用户须将电源练到电源连接器的1和2针上用户必须讲电源连接器的针3连到附近的机壳地 34 PT100温度传感器 温度是自然界中和人类打交道最多的物理参数之一无论是在生产实验场所还是在居住休闲场所温度的采集或控制都十分频繁和重要而且网络化远程采集温度并报警是现代科技发展的一个必然趋势 由于温度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系所以温度传感器就会相应产生 其设计原理PT100是铂热电阻它的阻值跟温度的变化成正比PT100的阻值与温度变化关系为当PT100温度为0?时它的阻值为100欧姆在100?时它的阻值约为1385欧姆它的工业原理当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的应用在医疗电机工业温度计算阻值计算等高精温度设备应用范围非常之广泛 图3-1 RTD与传感器的接线 3线 35 PT100温度变送器 铂电阻温度变送器直接安装于PT100铂电阻接线盒内与不同结构形式的铂电阻构成热电阻一体化温度变送器 将热电阻PT100的电阻信号转化为二线制420mA输出 PT100温度变送器用于PT100铂电阻信号需要远距离传送现场有较强干扰源 存在或信号需要接入DCS系统时使用产品特点 1线性化输出两线制4-20mA标准电流信号模块化结构 2变送器有电源极性反接保护电路当输出接线接反时对线路起保护作用此时回路电流为零传感器的不正确接线无论是高限或低限都将导致变送器输出饱和产品具有RFIEMI保护有利于提高了测量的稳定性 3SWP-TR全部采用进口电子元件性能可靠低温度漂移 4SWP-TR温度变送器量程用户不能自由修改由生产商出厂时确认生产 5热电阻变送器的接线通过壳体顶部的螺丝端子完成为符合CE认证信号输入接线长度不能超过3米输出接线必须是屏蔽电缆屏蔽线只能在一端接地 6变送器的中心孔用于热电阻信号接线热电阻信号线通过螺丝直接拧在变送器的输入端子上设计的螺丝端子接受内部或外部接线方式 36 人机界面设计 人机界面又称用户界面或使用者界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换在工艺过程日趋复杂对机器和设备功能的要求不断增加的环境中获得最大的透明性对操作员来说至关重要人机界面 HMI 提供了这种透明性[16] S7-200TD设备是一种低成本的人机界面 HMI 使操作员或用户能够与应用程序进行交互可以使用TD设备组态一组层级式用户菜单从而提供更多应用程序交互结构您也可以组态TD设备使其显示由S7-200 CPU中的特定位使能的报警或信息 S7-200TD设备是一个2行或4行的文本显示设备可以连接到S7-200CPUTD设备可用于查看监视和改变属于您的应用程序的过程变量我们选用TD200文本 显示屏来完成中央空调控制系统的人机界面设计其提供了四个具有预定义的置位功能的按键如果使用 SHIFT键则最多可提供八个置位功能 TD200设备的组态需要完成以下操作1 STEP 7-MicroWIN 的文本显示向导创作操作员界面和报警和组态TD设备的参数块2 TD参数中选择TD设备的类型启用CPU功能选择更新速率选择语言和字符集和组态按键3 屏幕设置中创建用户菜单定义屏幕4 报警设置中选择显示选项定义报警信息5 语言集设置中选择提示和菜单的语言选择字符集6 翻译报警和屏幕把翻译后的信息反馈回报警和屏幕7 参数块地址设置中定义参数块的地址即V存储区 37 系统硬件?02 ? 1821 60 ?02 夏季 ? 2426 4070 ?025 ? 2728 4070 ?025 系统主回路示意图系统电路图主要设备的端口连接图如下 系统PLC选用西门子S7-200CPU型号为226该PLC上集成了通讯接口可供RS-485线缆通讯并设置了TD200文本显示器用来显示系统工作状态和报警信息等变频器MM440可通过串口与PLC通讯通过变频器的控制来决定冷冻泵的工作频率和工作台数 该控制系统分手动和自动模式手动模式下通过开关的闭合控制电机的运转自动模式下通过PLC及变频器控制启动时1冷冻泵变频启动当温度条件不满足需要增加工频泵数量时工频触点吸合1冷冻泵转为工频运行2冷冻泵待机等待启动脉冲信号当温度条件满足不需要多台冷冻泵工频运行时工频触点断开减少工频工作台数变频触点吸合转为变频运行以此类推EM231EM232由PLC L端口输出的24V电源供电变频器的34接口是用于接受模拟量输入信号2930接口用于通过RS-485与PLC通讯 图3-2 中央空调冷冻水循环控制系统主回路连接示意图 图3-3 中央空调控制系统电路图 图3-4 中央空调控制系统主要设备的端口连接图 38 本章小结 本章介绍了中央空调控制系统的硬件设计对变频器PLC温度传感器进行了选型并设计了人机界面最后对整体系统进行了硬件连接的设计 第4章 控制系统软件设计 41 设备间通讯 411 RS-485介绍 智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断究其原因就是企业信息化的需要企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口最初是数据模拟信号输出简单过程量后来仪表接口是RS-232接口这种接口可以实现点对点的通信方式但这种方式不能实现联网功能随后出现的RS485解决了这个问题 RS-485电缆在低速短距离无干扰的场合可以采用普通的双绞线反之在高速长线传输时则必须采用阻抗匹配一般为120Ω的RS-485专用电缆而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆在使用RS-485接口时对于特定的传输线路从RS-485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响理论上通信速率在100Kbps及以下时RS-485的最长传输距离可达1200米但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大最多可以加八个中继也就是说理论上RS-485的最大传输距离可以达到96公里如果真需要长距离传输可以采用光纤为传播介质收发两端各加一个光电转换器多模光纤的传输距离是510公里而采用单模光纤可达50公里的传播距离 412 USS协议 S7-200 与西门子 MicroMaster 系列变频器如MM440MM420MM430以及MM3系列新的变频器SINAMICS G110之间使用 USS通信协议进行通信通过 STEP7-MicroWIN32 V32 以上版本指令库中的 USS 库指令可简单方便地实现通信控制实际驱动器和读取,写入驱动器参数[17] USS 通信总是由主站发起USS 主站不断循环轮询各个从站从站根据收到的指令决定是否以及如何响应从站永远不会主动发送数据从站在以下条件满足时应答 1 接收到的主站报文没有错误 2 本从站在接收到主站报文中被寻址 上述条件不满足或者主站发出的是广播报文从站不会做任何响应对于主站来说从站必须在接收到主站报文之后的一定时间内发回响应否则主站将视为出错 USS 协议的特点为 1 支持多点通信因而可以应用在 RS-485 等网络上 2 采用单主站的主-从访问机制 3 一个网络上最多可以有32个节点最多31个从站 4 简单可靠的报文格式使数据传输灵活高效 5 容易实现成本较低 通过上面的介绍就可以使用USS协议进行RS-485串行通讯为完成USS通讯还需要对MM440进行参数设置 P0003 3答应变频器的所有参数 P0971 1数据保存入MM 440 的 EEPROM 中 P0700 5变频器的控制方式选择为通讯方式 P2010[2] 6变频器的USS波特率选择为9600 P2011[0] 11变频器的通讯地址为031 USS通信是由 S7-200 和驱动装置配合因此相关参数一定要配合设置如通信速率设置不一样当然无法通信 42 PLC的初始设定 要实现PLC对变频器的通讯控制必须对PLC进行编程通过程序实现PLC对变频器的各种运行控制和数据的采集 图4-1 初始程序段a 网络1运行开始或I10由关到开是清楚标志位以及参数读写控制位网络2运行开始或I10由关到开时初始化PORT0为USS通讯 图4-2 初始程序段b 网络3当I10由关到开时PORT0恢复为PPI通讯网络4控制功能块通过PLC的输入输出可以控制并诊断驱动器的工作 图4-3 初始程序段c 图4-4 初始程序段d 网络5当I11有关到开时启动读参数指令网络6读取驱动器中的参数R0068输出电流 图4-5 初始程序段e 网络7读写操作轮替功能由于在同一时间USS网络上读参数或写参数只能有一种操作因此有必要设置读写操作的轮替功能当读参数完成时M03被置1一个扫描周期从而M10复位为0读参数操作被屏蔽同时M11被置位开始写参数操作 图4-6 初始程序段f 网络8向驱动器中写参数P1082 500 图4-7 初始程序段g 网络9读写操作轮替功能同网络7 43 PLC主程序流程图 图4-8 程序设计流程图 44 PLC编程软件 PLC控制程序采用西门子公司提供的STEP7-microwin32 V40编程 我们使用梯形图来完成系统软件的开发因为梯形图 LAD 语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图是应用最多的一种编程语言与计算机语言相比梯形图可以看作是PLC的高级语言几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑因此它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受 STEP7软件的一个特点是调试功能很强大不仅能在线读取数据而且能在线修改过程数据对于调试大型复杂控制程序非常有效STEP7软件还附带一些控制程序模块如PID调节模块这些模块可以从主控制程序中直接调用实现不同的功能 通过STEP 7编程软件不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行而且在调试运行时还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况给调试工作也带来极大的方便 45 451 中央空调控制系统的IO分配表 表4-1 IO分配表 名称 地址编号 说明 输入信号 I00 驱动装置的启动停 止控制 I01 停车信号2封锁主回路输出自由停车 I02 停车信号3快速停车 I03 故障确认 I04 电机运转方向控制 I10 USS通讯和PPI通讯转换 I11 读写操作开始按钮 SA I05 手动自动切换按钮 SB1 I06 手动模式1冷冻泵启动按钮 SB2 I07 手动模式1冷冻泵停止按钮 SB3 I12 手动模式2冷冻泵启动按钮 SB4 I13 手动模式2冷冻泵停止按钮 SB5 I14 手动模式3冷冻泵启动按钮 SB6 I15 手动模式3冷冻泵停止按钮 AIW0 用户房间内温度传感器 续表4-1 IO分配表 输出信号 Q00 运行模式反馈 Q01 指示运转方向 Q02 驱动装置禁止状态指示 Q03 故障指示位 KM2 Q04 1冷冻泵变频运行接触器及指示灯 KM1 Q05 1冷冻泵工频运行接触器及指示灯 KM4 Q06 2冷冻泵变频运行接触器及指示灯 KM3 Q07 2冷冻泵工频运行接触器及指示灯 KM6 Q11 3冷冻泵变频运行接触器及指示灯 KM5 Q12 3冷冻泵工频运行接触器及指示灯 AQW0 输出模拟信号到变频器 452 程序中使用的存储器及功能 表4-2 存储器及功能 地址 功能 VD108 传感器反馈的电压值 VD104 房间内压力下限对应的电压值 VD106 房间内压力上限对应的电压值 VD300 变频工作泵的泵号 VD301 工频运行泵的总台数 T33 产生关断变频脉冲信号的时间控制 T34 产生启动工频脉冲信号的时间控制 T37 增加工频泵的时间控制 T38 减少工频泵的时间控制 T39 产生下一台泵变频启动信号的时间控制 M00M01 初始化完成标志位 M03M04 读写功能块完成标志位用于功能块轮替 M10M11 读写功能块控制位 M20 工频启动脉冲 M21 变频启动脉冲 M24 关断当前泵脉冲 M25 当前泵工频启动脉冲 M26 下一台泵变频运行脉冲 M30 泵工频变频转换控制逻辑 续表4-2存储器及功能 M31 泵工频变频转换控制逻辑 M32 泵工频变频转换控制逻辑 软件编程详见附录C 46 中央空调控制系统的MCGS组态 461 MCGS组态软件简介 MCGS Monitor and Control Generated System监视与控制通用系统 是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统主要完成现场数据的采集与监测前端数据的处理与控制可运行于Microsoft Windows 9598MeNT2000XP等操作系统具有功能完善操作简便可视性好可维护性强的突出特点通过与其他相关的硬件设备结合可以快速方便的开发各种用于现场采集数据处理和控制的设备用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统如可以灵活组态各种智能仪表数据采集模块无纸 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 仪无人值守的现场采集站人机界面等专用设备[18] 462 MCGS 62通用版介绍 MCGS 62通用版全中文可视化组态软件简洁大方使用方便灵活完善的中文在线帮助系统和多媒体教程真正的32位程序支持多任务多线程运行于 Win9598NT2000平台提供近百种绘图工具和基本图符快速构造图形界面 MCGS 62通用版提供渐进色旋转动画透明位图流动块等多种动画方式可以达到良好的动画效果功能强大的网络数据同步网络数据库同步构建保证多个系统完美结合完善的网络体系结构可以支持最新流行的各种通讯方式包括电话通讯网宽带通讯网ISDN通讯网GPRS通讯网和无线通讯网 并支持设备众多如采集版PLC智能模块称重仪表和变频器 463 工程设计 图4-9 定义变量 图4-10 组态画面 图4-11 a 数据报表 图4-11 b 数据报表 图4-11 c 数据报表 图4-12 报警信息浏览 464 系统脚本程序编写 if 风机盘管出水温度值 23 then 一号冷冻泵 0 二号冷冻泵 0 三号冷冻泵 0 else 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 0 三号冷冻泵 0 endif if 一号冷冻泵 1 and 风机盘管出水温度值 26 then 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 0 三号冷冻泵 0 endif if 一号冷冻泵 1 and 风机盘管出水温度值 26 then 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 1 三号冷冻泵 0 endif if 一号冷冻泵 1 and 二号冷冻泵 1 and 风机盘管出水温度值 29 then 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 1 三号冷冻泵 1 endif if 一号冷冻泵 1 and 二号冷冻泵 1 and 风机盘管出水温度值 29 then 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 1 三号冷冻泵 0 endif if 一号冷冻泵 1 and 二号冷冻泵 1 and 三号冷冻泵 1 and 风机盘管出水 温度值 23 and 风机盘管出水温度值 29 then 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 1 三号冷冻泵 0 if 风机盘管出水温度值 26 then 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 0 三号冷冻泵 0 else 一号冷冻泵 1 二号冷冻泵 1 三号冷冻泵 0 endif endif SetAlmValue 风机盘管出水温度值风机盘管出水温度上限3 SetAlmValue 风机盘管出水温度值风机盘管出水温度下限2 465 组态运行界面 图4-13 1冷冻泵运行状态 图4-14 12冷冻泵运行状态 图4-15 123冷冻泵运行状态 47 本章小结 本章介绍了RS-485通讯和USS协议并对PLCMM440变频器进行了初步参数设 置来实现变频器与PLC通过USS协议进行RS-485串行通讯最后通过MCGS软件实现组态的设计 结论 本论文阐述了基于PLC和变频器对中央空调控制的基本原理及过程主要工作如下 1 对中央空调控制系统现状进行了解研究了系统的工作过程和工作原理 2 提出了与传统PID控制结合实现比较稳定的温度控制系统 3 采用PLC与变频器协调控制的硬件系统完成对中央空调系统节能稳定的最优化控制 4 经过最后的软件及组态设计使系统完整 在设计中我学到了许多有关PLC变频器温度变送器方面的知识这让我更深入的体会到PLC和变频器在中央空调控制方面的应用能力 致谢 论文的最后我想对我的恩师表示深深的敬意和真挚的感谢李老师在平时对学生很严格但正是这种对学生的严格要求才能够使我们养成良好的学习和研究习惯能够在平时不断自我提高离不开李老师的谆谆教导另外李老师在学术上的成绩一直也使我敬慕不已做了毕业设计之后我更敬佩导师那严谨科学正直的作风以及孜孜不倦的学习态度在我做论文的每一个阶段李老师都严格把关容不得半点马虎因此对我的论文李老师倾注了大量的心血我想对给予我极大帮助的李老师再次表示深深的谢意 感谢自动化学院的各位老师在我的本科学习期间给予我无私的帮助和关怀忠心地感谢他们 感谢我的同学和朋友陪伴我度过开心的大学生活在学习和生活中给予我大量的帮助和支持在此向他们表示深深的谢意 特别感谢我的父母他们对我的关心鼓励和支持是我不断前进的动力 最后忠心地感谢在百忙之中为本论文评阅和参加答辩的各位老师谢谢 参考文献 赵彬中央空调变频节能的应用及展望( 200020 1 2542 李怿峰中央空调节能智能控制系统的研究与实现华南理工大学2002 陈鑫模糊控制技术在空调监控系统中的应用福州大学2004 潘金文江琼珍变频控制技术在中央空调水泵系统中的应用200335 2 5355 张卫政基于模糊控制的风机盘管空调系统应用研究广东工业大学2005 韩宝琦李树林制冷空调原理及应用机械工业出版社2006 梁春生智勇中央空调变流量控制节能技术电子工业出版社2005 史乃汤蕴缪电机学机械工业出版社2003 纪文英刘泽华中央空调系统水泵变频运行性能的实验研究和节能分析 200425 1 8998 Rob moult(Fundamentals of DDCASHRAE J2000 4 3452 刘素芹PID与模糊控制算法的比较及其改进 200330 1 4552 Michel(A(BemierBernard BourretPumping energy and variable frequency drives(December 19992021 K( Kimura(Scientific Basis of Air Conditioning(Applied Science Publishers LtdLondon19973435 X(Huang,(,(Yong ,(,(Qiang(Study on the semi -centralized evaporative cooling air-conditioning systems automationJournal of Xian University of Technology201128 1 4556 MM440 变频器使用大全西门子中国有限公司2005 S7-200 SIMATIC 文本显示用户手册2007 何文雪刘华俊PLC编程与应用2010258266 吴作明工控组态软件与PLC应用技术2007163 附录C PLC软件源程序 罗腽蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羁腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肃芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀荟袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁罴肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肃芁荟螁膅莃蛳聿膄蒆薇罗腽蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羁腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肃芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀荟袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁罴肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肃芁荟螁膅莃蛳聿膄蒆薇罗腽蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羁腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肃芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀荟袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肃芁荟螁膅莃蛳聿膄蒆薇罗腽蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羁腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肃芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀荟袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁罴肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肃芁荟螁膅莃蛳聿膄蒆薇罗腽蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羁腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肃芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀荟袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁罴肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肃芁荟螁膅莃蛳聿膄蒆薇罗腽蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羁腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肃芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀荟袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁 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