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空调系统是指用人为的方法处理室内空气的温度、湿度、洁净度和气流速度的系统。

可使某些场所获得具有一定温度、湿度和空气质量的空气，以满足使用者及生产过程的要求和改善劳动卫生和室内气候条件。

空调系统中典型的空气处理设备包括风机盘管（FCU，FanCoilUnit）、新风机组（FAU，FrenshAirHandleUnit）和空调机组（AHU，AirHandlingUnit）,它们的容量是根据空调房间设计负荷选择的。

但在空调的实际运行中，由于房间受到内部和外部的干扰量不断的变化，而使室内热湿负荷不断变化，因此空气处理设备的自动控制系统需要对有关调节机构进行调节，以适应空调负荷的变化，满足生产和生活对空气参数（温度、湿度、压力及洁净度等）的要求。

空调系统按空气处理设备的情况可以分为以下几种类型：

1.集中式空调系统：

集中式空调系统是指在同一空气处理器内对空气进行过滤、冷却（或加热）、去湿（或加湿）等处理，然后进行输送和分配的空调系统。

集中式空调系统的特点是空气处理设备和风机等集中布置在空调机房内，对空气进行集中处理，通过风管系统送至空调场所。

其处理空气量大，运行可靠，便于管理和维修，但机房占地面积较大。

集中式空调系统需配有集中的冷源和热源，即冷冻站和热交换站。

2.半集中式空调系统：

半集中式空调系统又称为混合式空调系统，它首先将空调房间需要的新鲜空气进行集中处理，然后由风管系统送入房间，与空调房间内的空气处理装置如诱导器或风机盘管处理的回风混合后再送入空调区域或房间中，从而使各空调区域或房间可根据各自的要求，获得较为理想的空气调节效果。

这种系统适用于空调房间多，且各房间空气参数要求不同的建筑物中。

集中式空调系统和半集中式空调系统也可称为中央空调系统。

3.分散式空调系统：

分散式空调系统又称为局部式空调系统或独立式空调系统。

它的特点是将空气处理设备分散放置在各空调房间内。

常见的分体式空调器、柜机等都属于此类。

2.1.2空调系统原理

其工作原理是当环境温度过高时，空调系统通过循环方式把室内的热量带走，以使室内温度维持于一定值。

当循环空气通过风机盘管时，高温空气经过冷却盘管的铝金属先进行热交换，盘管的铝片吸收了空气中的热量，使空气温度降低，然后再将冷冻后的循环空气送人室内。

冷却盘管的冷冻水由冷却机提供，冷却机由压缩机、冷凝器和蒸发器组成。

压缩机把制冷剂压缩，经压缩的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，吸出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排人大气。

液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸热，使冷冻水降温，然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量，如此周而复始，循环不断，把室内热量带走。

当环境温度过低时，需要以热水进入风机盘管，和上述原理一样，空气加热后送人室内。

空气经过冷却后，有水分析出，空气相对湿度减少，变的干燥，所以需增加湿度，这就要加装加湿器，进行喷水或喷蒸汽，对空气进行加湿处理，用这样的湿空气去补充室内水汽量的不足。

1.空调机组日常操作为：

（1）空调机控制器的操作为当气温高，室内需要降温时，开机后由温度传感器测量温度后，经过一定的延时启动加热装置，此属正常现象，延时机组进入“加热”运行状态。

（2）空调机底盆的清洗由工作人员定期清洗，清洗频率为每天清洗一次底盆，以保证送出的风清爽、干净。

（3）当气温较低（冬季）或湿度较高（春季、阴雨天气）时，会由控制策略中PID自动调节温度和湿度，直接将适宜空气送入室内。

（4）启停风机按“启停”按钮即可。

2.空调机使用注意事项为：

（1）设立专人管理、专人操作；

（2）水源长期保持干净；

（3）不任意频密开关空调机；

（4）尽量采用制冷状态，可保持空气干净；

（5）不任意频繁转换环保空调机的工作状态；

（6）每天应清洗环保空调机底盆；

（7）每隔一个星期，清洗环保空调机隔尘网一次（视乎外界环境污染情况），可保持机组的效率；

每隔一个季度要清洗蒸发器一次；

（8）冬季如果长时间停机，请关闭水源并将底盆的水排出及清洗干净，以免产生异味及蚊虫滋生。

空调机组的使用及日常维护需要供应方和使用方共同维护，空调机组才能保证运行正常。

2.2空调系统组成

空调系统通常包括进风部分、空气过滤部分、空气的热湿处理部分、空气的输送和分配部分以及冷热源部分。

1.进风部分是根据人对空气新鲜度的生理要求，空调系统必须有一部分空气从室外进来，称为新风。

空气的新风口和风管等组成了进风部分。

2.空气过滤部分由进风部分取入的新风，必须先经过一次预过滤，以除去颗粒较大的尘埃。

一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。

根据过滤的效率不同，可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。

3.空气的热湿处理部分是把空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理和过程组合在一起，统称为空调系统的热湿处理部分。

热湿处理设备主要有直接接触式和表面式两大类型。

（1）直接接触式：

与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，一般是将其喷淋到被处理的空气中。

喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设备均属于这一类。

（2）表面式：

与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热湿交换式通过处理设备的表面进行的。

表面式换热器属于这一类。

4.空气的输送和分配部分是将空气的输送和分配是将调节好的空气均匀地输入和分配到房间内，保证合适的温度场和速度场。

它由风机和不同形式的管道组成。

根据用途和要求的不同，有的系统只采用一台送风机，称为“单风机”系统；

有的系统采用一台送风机和一台回风机，则称“双风机”系统。

本次设计采用的是“单风机”系统。

5.冷热源部分是为了保证空调系统具有加温和冷却的能力，空调系统必须具备冷热源。

冷热源分为自然冷热源和人工冷热源两种。

2.3空调系统基本设备

本次设计的生产车间空调系统属于特殊空调系统，由于工业生产的要求比较特殊，所以不能运用一般民用建筑所采用的控制,虽然简单可靠但精度不高的位式控制，而采用PID控制方式，利用比例-积分-微分调节来完成。

2.3.1风阀控制

新风电动阀、回风电动阀是运用比例调节来控制的。

通常为保证空调的节能，新风与回风比例设为三比七，在空调机组安装以后，根据实际情况进行细微调试，确定新风与回风的阀开度。

由于经常转动电动阀会影响其寿命，所以当第一次调试后应尽量减少对电动阀开度的改变。

如图2-1所示，该网络程序是D/A转换，通过输出来控制执行器，从而控制阀门的开度。

图2-1D/A转换程序控制阀门开度

2.3.2过滤网状态显示与报警

在过滤网两侧装设压差开关，监视过滤网的畅通情况。

当风机运行时，如果过滤网干净，滤网前后压差小于设定值；

反之，如果过滤网积灰增加，滤网前后的压差变大，当超过设定值时，压差开关就会动作。

这个动作的开关信号通过一路DI通道输入现场控制器，控制器发出报警，提醒工作人员清洗。

2.3.3防冻保护控制

防冻保护的作用是防止冬季盘管冻裂，这在北方地区是十分必要的。

防冻开关的控制是通过在整个新风机组的前端的温度传感器（AI）对新风温度与设定值的比较来控制的，如果温度的测试值小于设定值，则防冻开关动作，并停止风机转动，关闭风阀，使整个机组停止工作，从而达到保护机组防止其冻裂的效果；

如果温度测试值超过设定值，新风机组可以正常运作。

2.3.4温湿度的检测及控制

新风机组的入口、出口及回风处均设有温湿度变送器，接至现场控制器的AI输入通道上，分别对空气的干球温度和相对湿度进行监测，以便更好的控制冷热水的阀开度，从而保证送风温度。

混合风温湿度实测值与设定值比较，将其差值通过PID运算，输出模拟的0~10V信号，对冷/热水阀开度进行调节，同时控制加湿阀的开度，从而维持送风温湿度的设定值。

其中，冬季工况式热水阀与新风温度成反比，夏季工况时冷水阀与新风温度成正比，温度控制曲线如图2-2所示。

图2-2温度控制曲线图

如图2-3所示，该网络是A/D转换，通过输出来控制传感器，从而测量温湿度。

图2-3A/D转换程序

随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。

目前，PLC在国内外已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

PLC的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等。

本设计是对中央空调的控制，中央空调机组控制原理图如图2-4。

图2-4中央空调机组控制原理图

送风机的工作状态是采用压差开PDA检测的，风机启动，风道内产生风压，送风机的送风管压差增大，压差开关闭合、表示风机运行，空调机组开始执行顺序启动程序；

当其两侧压差低于其设定值时，故障报警并停机。

风机停转后压差开关断开，显示风机停止。

风机事故报警（过载信号）采用过热继电器常开触点作为DI信号，接到DDC系统。

第3章PLC控制系统硬件设计

在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。

本章主要从系统设计结构和硬件设计角度，介绍该项目的PLC控制系统设计步骤、PLC的硬件配置、外部电路设计以及PLC控制器的设计和参数的整定。

3.1PLC控制系统设计的基本原则和步骤

弄懂PLC的基本工作原理和指令系统后，就可以把PLC应用到实际的工程项目中。

无论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考图3-1所示的步骤。

图3-1PLC控制系统设计步骤

3.1.1PLC控制系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。

1.设计原则

（1）完整性原则。

最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。

（2）可靠性原则。

确保计算机控制系统的可靠性。

（3）经济型原则。

力求控制系统简单、实用、合理。

（4）发展性原则。

适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面留有余地。

2.控制规模

一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。

当控制规模较大时，特别是开关量控制的I/O设备较多时，最适合采用PLC控制。

3.工艺复杂程度

当工艺要求较复杂时，采用PLC控制具有更大的优越性.

4.可靠性要求

目前，当I/O点数在20甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。

3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤

PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。

所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。

1.硬件选择

具体包括如下：

（1）系统I/O设备的选择。

输入设备包括按钮、防冻开关、差压开关、转换开关及各种传感器等。

输出设备包括继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯及执行器等。

（2）选择PLC。

PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。

（3）PLC的I/O端口分配。

在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能等。

（4）绘制PLC外围硬件线路图。

画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和PLC的控制电路。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。

2.编写应用程序

根据控制系统的要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。

程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。

程序通常还应包括以下内容：

（1）初始化程序。

在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。

初始化程序的主要内容有：

对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

（2）检测、故障诊断和显示等程序。

这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

3.2PLC的选型与硬件配置

3.2.1PLC型号的选择

本中央空调电气控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。

S7-200PLC属于小型整体式的PLC,本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。

它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。

3.2.2S7-200CPU的选择

S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。

此系统选用S7-200CPU226，CPU226集成了24点输入和16点输出，共有40个数字量I/O。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量I/O或35点模拟量I/O。

还有13KB程序和数据存储空间，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。

配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统。

本中央空调电气控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，不过为了能调用编程软件STEP7里的PID模块，只能采用CPU226及以上机种。

3.2.3EM231模拟量输入模块

本中央空调电气控制过程中，传感器将检测到的温度转换成4～20mA的电流信号，系统需要配置模拟量输入模块把电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。

在这里，我们选用了西门子EM231CN模拟量输入模块。

EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态，开关1、2和3可选择模拟量输入类型。

所有的输入设置成相同的模拟量输入类型。

表3-1中，ON为接通，OFF为断开。

表3-1EM231选择模拟量输入范围的开关表

单极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

ON

OFF

0到10V

2.5mV

0到5V

1.25mV

0到20mA

5uA

双极性

±

5V

2.5V

EM231校准和配置位置图如图3-2所示。

图3-2DIP配置EM231

3.2.4EM232模拟量输入模块

模拟量输出模块EM232是2点输出，其模型如图3-3所示。

电压精度是12位电流精度为11位。

图3-3EM232模拟量扩展模块模型

扩展模块EM232的技术数据：

（1）总体特征，尺寸，46*80*62mm。

重量，148g。

功耗，2W。

点数，2路模拟量输入，其端子连接图如图3-4所示。

（2）功率损耗，+5VDC（从I/O总线）10mA。

（3）LED指示器，24DC状态，亮=无故障，灭=无24V电源。

（4）模拟量输出点数，2个。

（5）信号范围，电压输出+10V/-10V,电流输出0到20mA。

（6）最大驱动24V用户电源，电压输出最大5000欧，电流输出最大500欧。

图3-4EM232模块端子连接图

3.2.5温度变送器

温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。

带传感器的变送器通常由两部分组成：

传感器和信号转换器。

传感器主要是热电偶或热电阻；

信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成，有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。

该系统中用温度变送器将温度转换成电流信号（4～20mA），输入给EM231模块。

3.3I/O点分配及系统框架图

1.本中央空调电气控制系统中I/O点分配表，如表3-2所示。

表3-2I/O点分配表

输入触点

功能说明

输出触点

I0.0

手动自动转换开关

Q0.0

风机运行

I0.1

一级过滤差压开关

AQW0

回风阀控制

I0.2

二级过滤差压开关

AQW2

送风阀控制

I0.3

风机运行差压开关

I0.4

防冻开关

AIW0

回风温度输入

AIW2

送风温度输入

2.系统整体设计方案及硬件连接图。

系统选用PLCCPU226为控制器，温度变送器将温度转换成电流信号，经过EM231模拟量输入模块转换成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出量转化成占空比，通过风阀执行器对风阀的开度进行控制。

整个硬件连接图如图3-5所示。

EM232

图3-5系统框架图

3.4PID控制

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

完成了上述内容后，该中央空调电气控制系统就已经确定了。

在系统投运之前，还需要进行控制器的参数整定。

3.5人机界面（HMI）设计

随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。

人机界面（HMIHumanMachineInterface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。

HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。

HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的组态王、力控等。

在本控制系统设计中，我们选择了Wincc来完成监控画面的设计。

本设计采用西门子KTP178micro触摸屏。

K-TP178micro是西门子公司专门针对中国中小型自动化产品用户需求设计的5.7in触摸屏，与S7-200配合使用。

它的价格低廉，具有很高的可靠性和性能价格比，采用蓝色4级灰度显示屏，用WinCCflexible中文版组态。

图3-6是K-TP178micro的外观图，它有6个功能键，有电源指示灯和通信指示灯。

触摸屏和功能键的组合简化了操作和监视过程。

在操作K-TP178micro时，LED灯会显示操作状态，在进行触摸操作时，将发出声音提示，这些都为操作员的操作提供安全保障。

图3-6K-TP178micro的外观图

（1）报警功能

K-TP178micro可以设置200个离散量报警，报警文本最长80个字符，每条报警最多可以设置8个变量。

（2）变量和列表功能

K-TP178micro最多可以组态1000个变量，变量有限制值监视和线性转换功能，最多可以使用300个文本列表。

（3）画面功能

K-TP178micro最多可以组态500个画面，每个画面可以组态30个域、30个变量和5个复杂对象（例如报警视图），可以使用画面模版。

（4）信息文本功能

K-TP178micro的信息文本长度可达320个字符数，可以用于报警、画面和画面对象。

（5）K-TP178micro与PLC和计算机的通信

通过点对点连接（PPI或MPI协议），一台K-TP178micro可以与一台西门子的S7-200通信。

通信速率可达187.5Kbit/s。

为了实现项目数据的传送或通过自引导来更新操作系统，K-TP178micro与计算机之间的通信可以使用PC/PPI适配器。

K-TP178micro与PLC的通信接口均为RS-485，应使用经许可的电缆。

触摸屏设备与组态计算机之间的连接如图3-7所示。

图3-7触摸屏设备与组态计算机之间的连接

触摸屏设备与PLC之间的连接如图3-8所示。

图3-8触摸屏设备与PLC之间的连接

（6）电源

K-TP178micro的额定电源电压为DC