S7200模块式空调机控制系统设计1.docx
《S7200模块式空调机控制系统设计1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《S7200模块式空调机控制系统设计1.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
S7200模块式空调机控制系统设计1
目录
摘要I
AbstractII
1PLC及模块式空调系统简介1
1.1可编程序控制器的硬件基础1
1.2可编程序控制器的软件基础1
1.3可编程控制器的选择1
1.4模块式空调控制系统的功能要求1
1.5模块式空调的结构3
1.6模块式空调控制系统的工作原理6
2硬件系统配置7
2.1PLC选型7
2.2PLC的I/O资源配置8
3软件系统设计10
3.1总体流程设计10
3.2各个模块梯形图设计12
4结论17
参考文献18
致谢19
摘要
ABSTRACT
1PLC及模块式空调系统简介
1.1可编程序控制器的硬件基础
1.1.1可编程序控制器的接口模块
[1]1.1.2可编程序控制器的配置
[1]1.2可编程序控制器的软件基础
1.3可编程控制器的选择
CPU226本机集成了24点输入／16点输出共有40个数字量I/O。
可连接２个扩展模块，最大扩展至78点数字量I/O点或10路模拟量I/O点。
CPU222有6K字节程序和数据存贮空间，4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。
它还配置了１个RS-485通讯／编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力。
CPU226具有扩展能力、适应性更广泛的小型控制器。
能够满足自动门控制系统的需要[2]。
1.4模块式空调控制系统的功能要求[3]
某中央空调系统结构示意图如图1所示，冷却水系统包括冷却塔、冷却泵。
制冷设备包括冷水机组和冷冻水泵，各类管道即为图2中的连线。
在冷水机组中，主要由压缩机、冷凝机和蒸发机三个设备构成。
该空调系统的主要作用是制冷，其中中央空调系统的工作过程示意图如图2所示，可简单表述为：
首先冷却塔风机启动，然后冷冻水泵启动，接着启动冷却水泵，最后启动冷却机组，将制冷剂压缩成液体，进入冷凝器转变成液体，散发出热量，通过冷却水对冷水机组降温，液态制冷进入蒸发机后吸收热量变成气态又返回到压缩机中，同时将冷冻水热量吸收走，完成了对冷冻水的降温，然后通过冷冻水泵进入冷风机盘管吸收空气中的热量，达到降低室内温度的目的。
图1中央空调系统结构示意图
启动后，各个设备按照顺序依次启动，在回水端设有温度传感器检测温度，以判断室内的温度是否达到了设定的要求，然后可通过变频器控制冷冻水泵电机的速度，决定是加快冷冻水的流动还是减慢它的流动；当停止系统时，仍然需要按顺序依次停止设备，否则会对整个系统造成损坏，尤其可能会使冷水机组部分故障。
图2中央空调系统的工作过程示意图
采用PLC来控制中央空调系统，可以完成以下功能。
（1）检测用户房间的温度。
（2）控制功能。
例如，控制中央空调系统的手动/自动工作方式、启动与停止、控制冷水机组的启动与停止、控制冷却风机、冷却水泵的启动和停止、控制冷冻水泵的启动和停止、控制冷却水和冷冻水循环系统、控制用户房间的温度。
1.5模块式空调的结构
空调系统根据制冷/制热传送介质的不同可分为全空气系统和空气-水系统。
全空气系统是指空调进行制冷和制热全部是由送风空气来承担，根据回风方式可以分为一次回风式和两次回风式空调系统。
空气-水系统是指传递热或冷的介质分别由空气和水构成，此系统包括两个子系统：
风系统和水系统。
风系统的工作原理与全空气系统相同，但它仅输送新风：
而水系统则是将冷冻水或热水从空调房输送到室内装置中，通过散热设备对室内进行这冷或加热[4]。
常用的空调根据系统的组合情况分为整体式和分体式两种，整体式空调将空气处理设备、制冷设备和电气控制系统都安装在一个整体框架中，构成一个整体式的设备；分体式空调则是将空气处理设备和制冷系统分为两个部分，空气处理设备置于室内成为室内机，制冷系统则基本上全部设置在室外机中。
所以室内机主要包括蒸发器、风机、空气过滤器等，室外机由压缩机、冷凝器、机壳等组成。
两个部分一般采用两根紫铜管连接，便于进行制冷的循环，这样就构成了一个完整的空调系统。
1.5.1空调系统的风系统
空调系统的风系统主要功能是完成对冷量和热量的输送，主要包括送风/回风结构、风管系统和风机[5]。
（1）送风/回风系统。
空调常用的送风方式，主要有侧送风、孔板送风、条缝送风等几种形式。
对于要求室内温度波动范围小的控制系统多采用前两种和散流器送风模式，除此之外，又出现了一个新型的送风方式—置换送风。
空调的回风方式包括上回风、下回风和走廊回风三种方式。
上回风方式的回风口一般位于房间的顶部，可以与照明灯具合为一体，也可以将整个顶棚作为一个大的回风静压箱，使回风输送到空调箱或风管内；下回风的回风口一般置于房间的下部或地板附近，当采用孔板送风或散流器送风式，采用下回风方式；走廊回风方式一般应用于走廊的多房间场合，回风口置于走廊的底部。
（2）风管系统。
风管系统是由输送空气的管道和风管附件构成，风管附件主要有各种调节活门、闸板、导流叶片和防御隔栅等。
调节活门主要用于调节风量的大小和风量的分配；闸板的作用是切断风源，其气密性要强于调解或门；导流叶片是减少弯管处涡流的产生；防御隔栅主要安置于进/出风口上，是为了防止雨雪的侵蚀。
风管系统设计时，主要有以下几个原则。
1）考虑制作管道的材料消耗。
2）管道所占的空间。
3）风机所需的功率。
4）管道内的风速产生的噪声不超过规定值。
在设计风管系统时，一般按照以下几个步骤。
1）确定送风口、回风口的形式、位置、数量等。
2）确定风机和其他空调设备的位置，合理规划，设计出布局合理的送风、回风管线。
3）进行必要的风管系统的阻力计算。
4）选择适当容量的风机、绘制工程图。
除了以上几个方面，还需考虑检测、调试、以及减少阻力等方面的问题。
（3）风机。
风机是空调系统中输送空气的主要设备，常采用的风机有离心式、轴流式和贯流式三种。
贯流式风机目前仅用于某些固定的空调机组设备中，例如，风机盘管、风幕等，而在工程大量使用的是离心式和轴流式风机。
风机的选择一般可以按照以下步骤进行。
1）充分了解每种风机的用途、特点及其适用范围。
2）确定最大风量和最高压头。
3）根据实际条件选择风机类型、考虑实际的工程环境，如多尘、耐腐蚀、高位条件等。
4）确定风机类型后，选用适当容量的风机型号，留出必要的裕量。
根据现场情况和设计思想，选定风机的安装形式。
1.5.2空调系统的水系统
空调系统的水系统中，主要包括冷冻水系统、冷却水系统、水管系统和水泵。
（1）冷冻水系统。
在空调系统中，冷冻水系统的功能就是利用水作为介质，将冷/热源的能量输送和分配到各房间或目的地。
冷冻水系统主要包括冷源设备、水泵、过滤器和阀门等，在大型复杂的空调系统中还有分水器和集水器等。
此时，通常把分水器、集水器和冷源设备连接的一侧环路叫冷源侧，把分水器、集水器和空调器连接的一侧环路叫空调侧。
（2）冷却水系统。
冷却水系统主要包括冷却塔及其相关设备，其功能是利用水作为介质，对冷/热源进行降温处理。
冷却塔的作用就是将冷却水在塔内利用水的自然蒸发冷却降温，为了充分利用资源，降低运行成本，一般采用循环系统重复利用冷却水，定期更换冷却水以保证水质能满足空调系统的技术要求。
（3）水管系统。
水管系统既包括冷却水系统中的管线系统，也包括冷却水系统的管线系统，主要由水、煤气输送钢管和无缝钢管组成。
煤气输送钢管用碳素软钢制造，俗称熟铁钢，可分为镀锌管和不镀锌管两种。
根据空调系统的实际的实际需求选择不同厚度的管壁；无缝钢用普通碳素钢、优质碳素钢、普通低合金钢和合金结构钢制造，能承受加大范围的压力，可根据实际需要进行选配。
（4）水泵的选择。
水泵是空调系统中不可缺少的动力设备，通过水泵的工作，可以控制水系统中的水的流量大小，以间接达到控制室内温度、湿度及清洁度等空气指标。
空调系统中常用的水泵为离心式水泵，就一般的空调系统来说，采用转速在30—120r/s范围内的离心水泵比较合适，这类型水泵已经基本满足空套系统中水的流量和压力的变化要求[6]。
1.5.3空调系统的冷/热源
空调系统中其主要作用的就是冷/热源，正是由于冷/热源的工作才能控制室内的温度、湿度等空气条件，使之按照人们的设定值变化。
冷/热源可分为常规冷/热源和天然冷/热源[7]。
（1）常规冷/热源。
目前，在空调系统中，制冷设备使用的最多的就是利用“液体企划制冷法”原理制造的设备，主要包括电驱动的蒸汽压缩式和热驱动的吸收式两种方式。
常用的制冷设备为制冷系统机组，该设备就是将制冷系统中的全部或部分设备在工作组装在工作组装成一个整体，该设备的优点是结构紧凑，使用灵活，管理方便，而且质量可靠，安装简便，能大大缩短施工周期，加快施工进度。
制冷机组按冷却介质的种类可分为空气冷却和水冷却两种形式；按压缩机种类可分为活塞式、螺杆式、离心式等压缩式冷水机组或热泵机组。
制冷机组的冷量选择与制冷压缩机不同，制冷压缩机是根据其内在参数运行的，即通过冷凝器和冷却介质和被冷却介质的温度或流量进行选择。
（2）天然冷/热源。
天然冷/热源主要包括蒸发冷却、室外空气供冷和太阳能供热等几个方面。
蒸发冷却是利用物理过程完成热量的交换过程，谁在空气中具有蒸发能力，在自然条件下，水与空气进行热量交换，使空气的温度降低，增加室内湿度；室外空气供冷是将室外的空气直接用于室内降温的方法，主要包括两种方式：
一种方式是当室内外温度差满足一定条件时，可以采用机械通风或自然通风的原理，利用空气流通带走室内多余的热量，另一种方式是利用白天和夜晚的温差，保持室内温度在一定范围内；太阳能供热是指利用太阳的能量进行加热的技术。
利用太阳能供热分为直接供热和间接供热两种方式，直接供热时通过太阳光的直射，直接加热室内的各种物件和空气，这个过程是不可控的，间接供热系统则将太阳能的采集和利用分开，这就需要一种中间物质先将太阳能储存起来，这种物质需要能够长时间的保存热能，以便在需要的时候释放出来，满足室内加热的需求。
1.6模块式空调控制系统的工作原理
采用模块化的控制系统，其控制模块可以自由组合，适应不同的工作条件，以满足不同的系统运行要求。
某空调控制系统采用模块化设计，该控制系统的功能是将温度、湿度等空气条件稳定在一定范围内，采用模块化控制，能调节大范围内的温度变化，快速达到设定的目标值。
模块式空调控制系统的总体工作原理框图如图3所示。
接通电源后，通过按下控制面板上的启动按钮，整个系统开始工作，冷却水模块、冷冻水模块，以及制冷模块按照设定顺序依次启动，控制器模块按照输入的设定值控制制冷模块的工作情况，同时反馈模块将采集的数据输入到控制模块中，在控制器模块中将该值与设定值进行比较运算后，输出对应的控制命令，或减少制冷模块的组数或者改变制冷模块的工作状态[8]。
图3模块式空调控制系统的总体工作原理图
模块式空调控制系统的工作结构图如图4所示，这个系统含有两组制冷系统、两个冷却水系统、冷冻水系统，以及两套传感器系统。
若系统启动后，一组制冷系统先以变频方式工作，若满足设定值的要求，则另外一组制冷系统就作为备份系统；当第一组制冷系统在工频状态下仍无法满足控制要求，则变频启动第二组制冷系统；若无法达到控制要求，就逐渐增加频率直至两组制冷系统全部运行在工频情况下。
回水
图4模块式空调控制系统的工作结构图
2硬件系统配置
2.1PLC选型
根据控制系统的功能要求,从经济性、可靠性等方面考虑，选择西门子S7-200系列PLC作为此中央空调控制系统的控制主机。
此中央空调系统总共有15个数字输入，10个数字量输出，共需要25个数字量I/O，4个模拟量输入，根据I/O点数，以及程序容量和控制的要求，选择CPU226作为该控制系统的主机[9]。
在这个控制系统中，主PLC单元的I/O能足够满足数字输入/输出控制的需求，但是由于需要采集模拟量，所以仅靠PLC的基本单元式无法完成控制功能的，因此需要扩展模拟量输入/输出模块。
在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量输入/输出扩展模块EM235，因此选用EM235模块进行模拟量输入的扩展。
EM235扩展模块具有以下特性。
（1）具有4路模拟量差分输入，1路模拟量输出。
（2）输入范围，单极性电压为0～+5V，0～+10V；双极性电压为-2.5～+2.5，-5～+5V。
（3）电流为0～20mA。
（4）输入阻抗大于等于10MΩ
（5）具有12位A/D转换器。
（6）数据字格式，单极性时为-32000～+32000，双极性时为0～+32000。
（7）最大输入电压为30VDC。
（8）最大输入电流为32mA。
（9）输出稳定时间，电压输出最小为5000Ω，电流输出最大为500Ω。
（10）输出分辨率，电压位为12位，电流为11位。
（11）功耗为2W。
（12）输出驱动能力，电压输出最小为5000Ω，电流输出最大为500Ω。
EM235与PLC主机连接时，不需要进行特殊设置，只要将扩展模块的排线插入到主机的扩展槽上即可，需要注意的是扩展模块的位置顺序决定了I/O地址编号。
2.2PLC的I/O资源配置
2.2.1数字量输入部分
在这个控制系统中，输入量包括急停、手动/自动、冷却水系统启动按钮，冷冻水系统启动按钮、冷却泵和冷冻泵启动按钮等共15个输入点，如表1所示。
表1数字量输入地址分配表
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
I0.0
急停按钮
I1.0
制冷机组2启动按钮
I0.1
手动/自动按钮
I1.1
冷却泵1启动按钮
I0.2
启动按钮
I1.2
冷却泵2启动按钮
I0.3
冷却水风机1启动按钮
I1.3
冷却水风机1加速按钮
I0.4
冷却水风机2启动按钮
I1.4
冷却水风机2减速按钮
I0.5
冷冻泵1启动按钮
I1.5
冷冻泵1加速按钮
I0.6
冷冻泵2启动按钮
I1.6
冷冻泵2减速按钮
I0.7
制冷机组1启动按钮
2.2.2模拟量输入部分
由于需要输入四个温度传感器所采集的数据，因此扩展了一个模拟量输入/输出模块，具体I/O分配如表2所示。
表2模拟量输入地址分配表
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
AIW0
温度传感器1
AIW4
温度传感器3
AIW2
温度传感器2
AIW6
温度传感器4
2.2.3数字量输出部分
该控制系统的输出主要集中在对各类泵的控制，共10个输出点，其分配情况如表3
表3数字量输出地址分配表
输出地址
输出设备
输出地址
输出设备
Q0.0
冷却水风机1连接到工频
Q0.5
冷却水风机2连接到变频器1
Q0.1
冷却水风机2连接到工频
Q0.6
冷冻泵1连接到变频器2
Q0.2
冷冻泵1连接到工频
Q0.7
冷冻泵2连接到变频器2
Q0.3
冷冻泵2连接到工频
Q1.0
制冷机组1线圈
Q0.4
冷却水风机1连接到变频器1
Q1.1
制冷机组2线圈
根据控制系统的功能要求和I/O分配表以及图5，设计出模块式空调系统的硬件连接图。
图5模块式空调系统的硬件连接图
3软件系统设计
3.1总体流程设计
根据模块式空调的控制要求，控制过程分为手动控制模式和自动控制模式，以下将分别介绍两种控制模式[10]。
3.1.1手动控制模式
手动控制模式是指用户根据自身的要求，分别启动和停止各个模块：
冷却水系统、冷冻水系统、变频调速模块、制冷系统等几个系统。
冷却水系统的工作过程包括以下几个方面。
（1）按下冷却风机启动按钮，系统上电，风机启动。
（2）然后按下冷却泵启动按钮，水泵开始工作。
（3）然后通过按下冷却风机的加/减速按钮，可以控制风机的转速。
（4）按下停止按钮，系统停止工作。
冷却水系统工作流程图如图6所示。
冷冻水系统的工作过程包括以下几个方面。
（1）按下冷冻泵启动按钮，系统上电，水泵工作。
（2）然后通过按下冷冻水泵加/减速按钮，可以控制水泵的转速。
（3）按下停水按钮，系统工作。
冷冻水系统工作流程图如图7所示。
在空调运行过程中，需要根据温度变化的情况来控制冷却风机和冷冻水泵的工作状态，所以使用变频器控制着两个设备的运行。
其工作过程包括以下几方面:
（1）启动冷却风机或冷冻水泵使变频器工作，输送个启动频率给控制设备。
（2）根据控制面板上按钮的控制，增加或减少输出地频率值。
（3）急停按钮按下后，变频器的频率值复位，即输出为0。
变频器工作流程图如图8所示。
制冷系统是空调控制系统的核心部分，主要是对制冷设备的启动过程，由于对冷却水系统和冷冻水系统进行了自适应控制，实现了保持室内空气条件稳定的功能，因此这个部分的控制过程比较简单，工作过程主要包括以下两方面。
（1）按下制冷机组启动按钮，制冷机组开始工作。
（2）急停按钮按下后，制冷机组停止工作。
制冷机组工作流程图如图9所示。
N
图6冷却水系统工作流程图图7冷冻水系统工作流程图
图8变频器工作流程图图9制冷机组工作流程图
3.2各个模块梯形图设计
在设计程序过程中，会使用许多寄存器、继电器、定时器等软元件，为了便于变成及修改，在程序编写应先列出所用到的软元件，如表4所示
表4元件设置表
编号
意义
内容
备注
M0.0
急停标志
On有效
M0.1
手动标志
On有效
M0.2
自动标志
On有效
M0.3
自动过程启动标志
On有效
M0.4
冷却风机1启动标志
On有效
M0.5
冷却水泵1启动标志
On有效
M0.6
冷却水系统1启动标志
On有效
M0.7
冷却风机2启动标志
On有效
M1.0
冷却水泵2启动标志
On有效
M1.1
冷却水系统2启动标志
On有效
M1.2
冷冻水泵1启动标志
On有效
M1.3
冷冻水泵2启动标志
On有效
M1.4
制冷系统1启动标志
On有效
M1.5
制冷系统2启动标志
On有效
M1.6
冷却水温度高于设定值
On有效
M1.7
冷却水温度低于设定值
On有效
M2.0
冷冻水温度高于设定值
On有效
M2.1
冷冻水温度低于设定值
On有效
M3.0
冷却水风机切换到工频标志
On有效
M3.1
冷冻水风机切换到工频标志
On有效
M3.2
冷却水风机切换到变频标志
On有效
M3.3
冷冻水风机切换到变频标志
On有效
T37
等待冷冻水系统启动时间
10
1s
T38
等待制冷系统启动时间
10
1s
T39
等待冷冻水系统停止时间
5
0.5s
T40
等待冷却水系统停止时间
20
2s
VW14
有效误差值
VW20
变频器1频率存储单元
VW22
变频器2频率存储单元
3.2.1冷却水系统
在自动和手动状态下，冷却水系统的控制过程，冷却水控制系统梯形图程序如图10所示。
图10冷却水控制系统梯形图程序
3.2.2冷冻水系统
在手动自动状态下，冷冻水系统控制过程，其梯形图程序如图11所示。
图11冷冻水控制系统梯形图程序
3.2.3制冷设备
在手动和自动状态下，制动设备的控制过程，制冷控制系统梯形图如图12所示。
图12制冷控制系统梯形图程序
3.2.4变频模块
在控制过程中，变频器控制模块梯形图如图13所示。
图13变频器控制模块梯形图程序
3.2.5停止控制
图14停止控制梯形图程序
4结论
本控制系统采用了西门子公司的S7-200系列PLC中的CPU226型作为核心控制设备。
在原有空调系统上进行了改进，利用PLC实现了人机界面，能对模块式中央空调系统进行智能控制，此系统可根据季节变化和负载变化，灵活控制空气处理设备的运行台数，实现节能运行；能均衡每台设备的运行时间，延长整个系统的寿命；充分利用不同负载时的工作状态，启停不同的设备和设备的台数，循环切换设备，大大降低了设备的费用。
通过这次毕业设计，我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。
使我在PLC的基本原理、PLC应用，以及对西门子S7-200系列PLC有了充分了解，并且在写毕业论文的过程中，对我word的操作也有了熟练掌握，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。
参考文献
[1]廖常初.PLC基础及其应用[M].北京：
机械工业出版社，2003.
[2]王永华等.现代电器控制及PLC应用技术[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2003.
[3]SIEMENS公司.SIMATICS7-200可编程控制器系统手册.1999.
[4]SIEMENS公司.SIMATICS7-200可编程控制器系统手册.2003.
[5]郭宗仁等.可编程控制器应用系统设计及通信网络技术[M].北京：
人民邮电出版社，2002.
[6]陈建民等.电气控制与PLC应用[M].北京：
电子工业出版社，2006.
[7]张进秋.可编程控制器原理及应用实例[M].北京：
机械工业出版社，2004.
[8]钦和.可编程控制器应用设计与设计实例[M].北京：
人民邮电出版社，2004.
[9]钟肇新.可编程控制器原理及应用[J].广州：
华南理工大学出版社，2003.
[10]戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发[M].北京：
中国水利水电出版社，2007.
致谢
感谢我的导师魏强老师的悉心指导。
论文从选题到完成的整个过程中，都得到了魏老师的热情帮助和精心点拨。
魏老师渊博的专业知识、敏锐的学术眼光、幽默的教学风格给我留下了深刻的印象，并对我以后的学习和工作产生极大的促进作用。
感谢辅导员陈湘云老师、班主任曹菊英老师等所有老师，在大学四年的学习生活中，他们对本篇论文的顺利完成发挥了巨大的作用。
感谢所有老师的精心授业和辛勤工作。
感谢我的室友们，来到原本陌生的郴州，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。
四年了，仿佛就在昨天。
四年里，我们一起学习一起锻炼共同进步。
我们就要各奔前程，大家珍重。
感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
升级会员 