基于PLC的中央空调控制系统设计毕业论文.docx

基于PLC的中央空调控制系统设计毕业论文.docx

《基于PLC的中央空调控制系统设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的中央空调控制系统设计毕业论文.docx（81页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计

的设计

课题名称 可编程的中央空调控制系统

姓 名 孙成彩 学 号

所在系电子电气工程系专业年级P10电气七班指导教师张德迪职称讲师

二O一三年四月十四

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S7—200PLC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；PID；RS-485

基于PLC的中央空调控制系统设计目录

摘要 I

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2中央空调控制的研究现状及发展 2

1.2.1中央空调控制系统的发展 2

1.2.2中央空调变流量控制的发展 3

1.3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

2.1中央空调系统的结构和原理 5

2.1.1概述 5

2.1.2制冷原理 5

2.1.3中央空调系统的构成 5

2.2中央空调变流量控制的原理及特点 5

2.2.1变流量空调系统概述 5

2.2.2中央空调变流量控制的实现方式 7

2.2.3中央空调系统变流量系统的特点 9

2.3电机的软启动原理及应用 10

2.3.1软启动设备介绍 10

2.3.2软启动器的应用场合 10

2.3.3软启动器与变频器之间的区别对比 10

2.4PID控制的设计 11

2.4.1PID控制原理 11

2.4.2PID控制器的参数整定 12

2.4.3PID的反馈逻辑 12

2.4.4P、I、D参数调整原则 13

2.4.5对空调系统的PID变频控制 13

2.4.6实现设定值的自动调节 13

2.4.7PID控制器设计及实现 13

2.5本章小结 15

第3章中央空调控制系统的硬件设计 16

3.1变频器的原理 16

3.2西门子MM440变频器性能介绍 16

3.2.1主要特征 17

3.2.2控制性能的特点 17

3.2.3保护功能 17

3.2.4变频器运行的环境条件 17

3.2.5使用变频器设计系统时需注意的问题 18

3.3PLC选型 18

3.3.1PLC简介 18

3.3.2PLC控制功能的选择 18

3.3.3西门子S7-200PLC介绍 20

3.3.4模拟量IO模块的种类 20

3.3.5EM231技术指标 21

3.3.6EM232技术指标 21

3.3.7EM231RTD接线及注意事项 21

3.4PT100温度传感器 21

3.5PT100温度变送器 22

3.6人机界面设计 22

3.7系统硬件设计 23

3.8本章小结 25

第4章控制系统软件设计 26

4.1设备间通讯 26

4.1.1RS-485介绍 26

4.1.2USS协议 26

4.2PLC的初始设定 27

4.3PLC主程序流程图 29

4.4PLC编程软件 30

4.5程序设计 30

4.5.1中央空调控制系统的IO分配表 30

4.5.2程序中使用的存储器及功能 31

4.6中央空调控制系统的MCGS组态 32

4.6.1MCGS组态软件简介 32

4.6.2MCGS6.2通用版介绍 32

4.6.4系统脚本程序编写 34

4.6.5组态运行界面 35

4.7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

1.1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。

1.2中央空调控制的研究现状及发展

1.2.1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