基于PLC的变频中央空调温度控制系统的毕业设计.docx

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基于PLC的变频中央空调温度控制系统的毕业设计

唐山学院

毕业设计

设计题目：

基于PLC的变频中央空调温度控制系统设计

系别：

智能与信息工程学院

班级：

姓　　名：

********

2016年6月1日

基于PLC的变频中央空调温度控制系统

设计

摘要

为了保证环境温度和湿度的舒适，大多酒店、大型商场、工厂车间、写字楼甚至学校等都装有中央空调系统，方便管理以及节约能源。

但传统的中央空调能源利用率还是相对较低，普遍存在30%左右的无效能耗。

传统的中央空调能源消耗大，而效率相对低下，无论负荷的大小，电机已及系统都是在全负荷的状态下工作的，当用户不需要这么大的负荷时，就造成了资源的浪费。

中央空调系统由空调主机，冷却水泵、冷却塔，冷冻水泵、风机、盘管系统等组成。

冷冻水是流过空调主机后，经过空调主机制冷降温，通过冷冻泵输送到各个房间中，然后通过盘管系统，和室内的空气进行热交换，最后再流回空调主机，形成循环。

而冷却水系统则主要是给空调主机降温，在冷却泵的作用下，冷却水流经空调主机，把空调主机的热量带走，再在冷却塔处经由却塔风机进行散热，最后再流回空调主机，形成循环。

冷冻水、冻却水作为热量的载体，不断地把室内的热量带到室外。

本论文所研究的中央空调系统可在PLC的控制下，利用PT-100温度变送器采集室内温度，通过EM235模拟量输入输出模块将采集到的温度度数转化为模拟量，进行PID计算，转化后输送给变频器，变频器再带动电机做出相应的加减速转动，使室内温度发生变化，从而形成闭环控制，实现最优控制，低能源高效率，保证居住、工作环境的温度和湿度的同时，最大空间的节约能源，提高能源利用率。

关键词：

中央空调温度控制PLCEM235变频器PID控制

DesignofVariablefrequencycentralairconditioningtemperaturecontrolsystembasedonPLC

Abstract

Inordertoensurethecomfortofthetemperatureandhumidityenvironment,manyhotels,largeshoppingmalls,factories,officebuildings,andevenschoolshavebeeninstalledcentralair-conditioningsystem,tofacilitatethemanagementandenergyconservation.Butthetraditionalcentralairconditioningenergyutilizationisstillrelativelylow,thereareabout30%oftheinvalidenergyconsumption.Thetraditionalcentralair-conditioningenergyconsumption,andefficiencyisrelativelylow,regardlessofthesizeoftheload,motorandsystemareworkingunderthestateoffullload,whenusersdonotneedsuchabigload,causingthewasteofresources.

Thecentralairconditioningsystembytheairconditioninghost,coolingwaterpump,coolingtower,chilledwaterpump,fancoilsystem,etc.Chilledwateristhroughtheairconditioninghost,afteracoolairconditioningrefrigerationhost,throughthefrozenpumpintotherooms,andthenthroughthecoilsystem,andindoorairheatexchange,andthenflowbacktotheairconditioninghost,formacircle.Coolingandcoolingwatersystemaremainlyforairconditioninghost,undertheeffectofcoolingpump,coolingwaterflowingthroughtheairconditioninghost,andtakeawaythequantityofheatofairconditioninghost,throughthetowerfanforcoolingincoolingtowerplaceagain,andthenflowbacktotheairconditioninghost,formacircle.Chilledwater,frozenwaterasheatcarrier,constantlybroughttheindoorquantityofheattooutdoor.

ThispaperstudiedthecentralairconditioningsystemisunderthecontrolofPLC,usingthePT-100temperaturetransmittercollectionandindoortemperature,byEM235analoginput/outputmodulecollectedtemperaturereadingscanbeconvertedtoanalog,thePIDcalculation,conveyingtheconvertedtofrequencyconverter,frequencyconvertertodrivethemotormakesthecorrespondingrotationalaccelerationanddeceleration,makeindoortemperaturechanges,thusformingaclosedloopcontrol,realizetheoptimalcontrol,lowenergyefficiency,guaranteethelivingandworkingenvironmentoftemperatureandhumidityatthesametime,thebiggestspacetosaveenergy,improveenergyefficiency.

Keywords:

Controlofcentralairconditioningtemperature;PLC;EM235;Frequencychanger;PIDcontrol;

1引言

1.1课题研究的意义

随着我国经济的飞速发展，大家的生活水平明显提高，生活条件也是越来越好。

在夏天，为了保证环境温度和湿度的舒适，很多酒店、大型商场、工厂车间、写字楼甚至学校等都已经安装了中央空调系统，方便管理以及节约能源。

但传统的中央空调能源利用率还是相对较低，普遍存在30%左右的无效能耗[1]，因此采用新型的节能技术已经成为了当务之急，响应国家节能减排的低碳生活的号召。

传统的中央空调是通过手动调节阀门的大小来控制水的流量的大小的，而冷冻水系统和冷却水系统中水泵就已经消耗了大量的能量，而水泵是一直处于工频，即满负荷的状态下工作的[2]。

而频繁的启停也对设备有一定的损伤，电机的启动电流是额定电流的5到7倍，如此大的电流冲击不仅对电机、接触器等有影响，也给电网带来了一定的冲击，同时也会减少机械设备的寿命[3]。

本文通过对冷冻水供回水温、压差，冷却水的流量等工艺参数进行优化整定；使用变频调速技术，实现电机的连续平滑速度调节，减少电机频繁的启停以及大大的降低了电机启动时的电流，实现电机的无级调速，大大提高温度控制的精度，从而实现高效的恒温调节的中央空调系统。

创造出一个适合人居住、工作、学习的环境的同时，还减少了对环境的污染。

1.2中央空调控制系统研究现状

我国从90年开始研究空调的智能控制，现已研究出多种控制方式的变频空调或者智能控制空调，随着楼宇智能化的发展，楼宇自动化控制技术也得到了飞速的发展，在实现办公生活舒适、方便的前提下，还要实现高效节能[4]。

中央空调是在系统的各种末端提供能量的交换，在保证能量交换正常的情况下再考虑如何节能。

循环水系统有几十的发展历史了，但依然存在着一些问题，需要不断地完善，比如水压不平衡问题，出水温度和回水温度温差过小问题，传输过程中能量的损失问题[5]，这些问题都推动了当代变流量技术的发展。

而这些全得靠于变频技术的发展，正是有了变频技术，才可以更高效地控制水流量，实现节能控制。

在变频技术出现之前，水泵都是恒工频工作，冷水以固定的流量输送到管道各处，在不需要这么大的流量的场合下，这将是一个很大的能源浪费。

随着变流量技术的成熟，现在国内外侧重于采用多级PID调节的控制方法[6]。

多级PID调节因其鲁棒性强、自我调节能力强、控制迅速准确等特点，不依赖于被控对象具体的模型，而被广泛利用于中央空调的控制技术中。

1.3设计的任务和要求

中央空调广泛应用于商用与民用建筑中，本设计应用PLC和变频器实现对中央空调的温度控制。

该设计涉及可编程控制器原理及应用、变频器技术、传感器与检测技术等课程知识及应用。

在设计中以PLC作为主控单元，采用PID控制算法，通过变频器控制水泵运转速度，实现恒温控制，并完成上位机设计。

可编程逻辑控制器，是一种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。

设计的主要内容是利用变频器、PLC、模拟量输出模块、温度传感器、模拟量输入模块等器件，构成温度闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量。

可以手动设定定时吹风，温度的控制器采用PLC内部控制。

水泵通过PLC控制，处于一个最合适的频率下，温度稳定时水的流量也稳定，通过变频器控制风机转速，达到变频控制目的，实现最优控制。

2中央空调系统的构成及工作原理

2.1中央空调系统的工作原理

中央空调系统由空调主机，冷却水泵、冷却塔，冷冻水泵、风机、盘管系统等组成。

冷冻水是流过空调主机后，经过空调主机制冷降温，通过冷冻泵输送到各个房间中，然后通过盘管系统，和室内的空气进行热交换，最后再流回空调主机，形成循环。

而冷却水系统则主要是给空调主机降温，在冷却泵的作用下，冷却水流经空调主机，把空调主机的热量带走，再在冷却塔处经由却塔风机进行散热，最后再流回空调主机，形成循环。

冷冻水、冻却水作为热量的载体，不断地把室内的热量带到室外。

空调原理如图2-1。

图2-1空调原理图

2.2中央空调系统的构成

2.2.1冷冻水循环系统

本部分由冷冻泵、冷冻水管组成。

从主机蒸发器出来的冷冻水通过冷冻泵压入冷冻水管道，进入房间内，利用室内的风机进行热交换，带走房间内的热量，同时使冷冻水的温度上升，最后回到空调主机的蒸发器。

2.2.2冷却水循环系统

本部分主要由冷凝器、冷却水管、冷却塔、冷却泵等部分构成。

冷冻水循环系统在室内热交换，温度上升，然后把这热量在空调主机处传递给冷却水，冷却水的温度上升。

在冷却泵的作用下，冷却水进入室外的冷却塔，最后在冷却塔风机下散热，与大气进行热交换，温度下降后的冷却水再流回空调主机，从而形成循环系统。

2.2.3空调主机

本部分主要是由空气压缩机、冷媒体、冷凝器、蒸发器组成。

它的工作原理如下：

气态的冷媒体会在空气压缩机内被压缩成液体，物体从气体状态冷凝成气体的时候会放出热量，而冷媒体在冷凝器中冷凝成液体的时候所放出来的热量会被冷却水所吸收，然后冷却水在冷却泵的作用下输送到室外的冷却塔，在风机下与大气进行热交换，把热量散发到室外。

在冷凝器中液化的冷媒体会进入蒸发器，在蒸发器内由于压力的变化，液态的冷媒体会汽化，液体变成气体会吸收周围的热量，流经蒸发器的冷冻水的热量被冷媒体吸收，冷冻水的温度下降，达到制冷效果。

升温后的变成气体的冷媒体最后又进入压缩机，进行下一个循环。

2.2.4风机盘管系统

本部分主要由盘管、室内风机组成。

在风机的作用下，室内的空气不断地与盘管内的冷冻水进行热交换，经过盘管后，室内的空气温度下降，直到达到设定的温度并保持动态平衡。

同时新风系统的风机还会把部分室外的空气引进到室内，保持室内的空气的清新，不会混浊。

3中央空调系统控制原理

3.1传统控制方式介绍

中央空调在设计的时候容量是按照最大的来设计的，也就是说是按照全年最热的时候以及负荷最大的时候设计的。

虽然空调主机可以随着负荷的大小而改变，但是冷冻水机组和冷却水机组却不行。

他们一旦运行，就是工作在工频下，不能对负荷的变化做出反应，以满载的状态运行，这样会造成很大的能源浪费现象。

水的流量过大，而出水温度与回水温度的温差很小，即不需要如此大流量的冷冻水。

而且传统的控制是直接使用接触器起动电机的，这样子电机启动时的电流会很大，不但对电网有冲击，如此大的电流会还会对接触器的使用寿命有一定的影响。

启动时的大力转还会对电机有一定的冲击，还会对轴承、阀门等机械部件都有一定的影响，从而降低了寿命，增加了维修的成本。

而且冷泵机组不能自动调节温度，只能由人工来调节，会造成一种时而温度过高，时而温度过低的现象，会给人带来不适。

人工调节冷冻水流量的大小不达不到准确的控制效果，还会浪费人力资源，提高了空调的运行成本。

3.2中央空调的变频调速原理

三相异步电动机的调速方式主要有：

变极调速以及变频调速、变转差率调速三大类，而变转差率调速又包括串级调速、转子串电阻调速、调压调速等。

变频调速，顾名思义，是通过改变电源的频率进而改变同步转速实现的。

同步转速改变，电机转子的速度也会随之而改变。

在三相异步电机众多的调速方法中，变频调速是在工业中运用得最广泛的。

由于其使用简单，接线方便，调速范围大，而且效率高，转矩不会随着频率的下降而下降而得到广泛的应用。

在现在电力电子技术越来越成熟的现在，变频器的价格也日趋下降，更推动了变频调速在三相异步电机中的地位。

电机的转速与电源的输入频率关系如下：

（3-1）

在公式3-1中，

为同步转速，单位为r/min；

为电源的频率，单位为Hz；

为电机的极对数。

异步电机同速转速与转子转速的关系可由下列公式给出：

（3-2）

在公式3-2中，

为异步电机的转速，

为异步电机的转差率。

由式子可知，改变参数

、

，即可改变电机的转速，变频器就是通过改变频率而达到电机的变频调速的控制效果。

在变频的同时，还要保持每极的磁通量为额定值。

磁通量如果太大，会因为磁通饱和，励磁电流过大，甚至会把绕组给烧毁；如果磁通太弱，会浪费了电机的磁心，不能充分利用。

三相异步电机定子每相的电动势的有效值是：

（3-3）

式3-3中，

为定子的频率，单位为Hz;

为每极气隙的磁通量，

为磁通在定子每相中所感应到的电动势的有效值，单位为V;

为基波绕组系数；

为定子每相绕组串联匝数。

由上式可知，只要控制好

和

两个参数，即可以把磁通控制在一定的范围内不变。

但需要考虑基频以下和基频以上两种情况。

（1）基频以下调速

由上式可知，若要保持一定的磁通量不变，由于频率

比额定频率小，要同时把

的值也调小，但感应电动势是一个难以控制的参数，在感应电动势较高的情况下时，

和

可以近似相等，即

＝

。

为了克服定子阻抗的压降，可以适当地提高

的值，这样的话可以维持

/

为恒值，则无论是在低频下还是接近于工频下，每极磁通

都是常值，即可实现恒定

/

控制。

（2）基频以上调速

基频以上的调速是在电机的额定频率以上，往上调速，是属于恒功率的调速，电机的转矩会随着频率的上升而下降。

因为电压的磁通与频率是成比的，磁通也会随着下降。

冷冻水泵的流量

，扬程

，功率

与转速

的关系如下：

（3-4）

（3-5）

（3-6）

由式3-4、3-5、3-6可知，功率与转速是成三次方正比的，而流量则是成一次正比，故当降低转速的时候，功率的变化量比流量的变化量大得多，所以控制水泵电机的转速可以有效地减少功率的损耗。

3.3电机的软启动

3.3.1电机普通启动电流

普通的三相异步电机启动时的电流是很大的，可以达到工常时工作电流的5-7倍，这是电机的结构和工件原理所造成的。

刚起动时，定子旋转磁场是按照正常的速度旋转，而刚启动时转子是不动的，或者速度刚起步时很慢，此时它们的速度相差很大，旋转磁场切割转子的速度也就很大，于是在转子上产生了很大的感应电动势，所以它的起动电流也就很大了。

转子感应电动势所产生的感应电流的频率是和定子是频率相同的，都是工频50Hz，此时转子的电抗比它自身的电阻要大很多，又因为转子本身的功率因素不大，根据公式

可知，由于功率因素

很小，电流I比较大，而磁通和电流二者的关系是有相位差的，电流很大时，磁通反而不大，因而电机的起动转矩M也不会很大。

3.3.2软启动设备介绍

电机启动时，电压是从零逐渐地上升到额定电压，电流也是从零逐渐上升到额定电流，没有出现过大的超调，更不会出现三相异步电机直接启动时的大电流现象，电机平衡平滑地启动，电机的转矩也是一个平滑上升的过程，不会对轴承等机械部件造成冲击，这个过程就是电机的软启动。

电机的软启动可通过软启动器和变频器实现，但由于近十年来国产变频器技术越来越成熟，变频器的价格与之前相比大幅度下降，在大多数企业里已经逐渐用变频器替代了软启动器。

软启动器是不但可以实现软启动功能，还可以实现电机的软停车、节能等功能。

主要是由串接于电源与电机定子之间的三相反并联晶闸管构成，由其电子控制电路控制调压，实现软启动。

变频器是通过改变电机电源的频率来控制三相交流异步电机的。

变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，还有过压、过流、过载等保护功能，应用了现代的科学技术，价格相对昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。

3.3.3软启动的应用

鼠笼型的异步电机基本上都可以使用软启动器，前提是在不需要无级调速的情况下。

电压的范围从380V到660V，电机的功率从几百瓦到几十千瓦，特别是在风机、水泵等负载下，需要软启动和软停车的场合，软启动器都可以适用。

用在水泵时，可以完美的解决了硬启动和硬停止时水泵所产生的“水锤效应”。

由于国家电网对电机的启动有规定，电机启动时电网的压降不能超过15%，增大配电容量虽然也能使压降小于15%，但是从经济的角度出发并不现实，而传统的星三角降压启动，或者自藕降压启动等方法虽然可以起到限制电机启动电流的作用，但却没有从根本上解决问题。

而此时新兴的由IGBT和单片机为控制核心的软启动器可替代传统的启动方法，实现电机的平滑启动，无冲击启动，还可以根据具体的实际工况来调节参数，比如电流的限制值、从零启动到额定电流的启动时间等等，还具备过载、过压等对电机的保护作用，可以说是从根本上解决了电机启动时电流过大的问题。

3.3.4软启动的优点

（1）减小启动时由于起动电流过大对电网电压的影响。

当电动机在标准电压下直接启动时，起动电流过大。

电机容量较小时对电网影响较小，但当电机容量很大时，过大的起动电流会使电网的电压急剧下降，同时使同一电网的其他设备不能正常运行。

而在软启动时，起动电流是标准电流的2-3倍，对电网及其他设备的影响较小。

（2）延长电机寿命，避免影响电机绝缘。

直接起动电机时产生的5-7倍电流会散发出大量焦耳热，作用于导线外绝缘时，使绝缘老化，从而使电机的寿命降低。

同时过大的标准电流产生的机械力会使导线之间摩擦，降低电机寿命。

高压开关合闸时，触头产生抖动，对电机定子绕组造成操作过电压，对设备造成损坏，降低电机寿命。

所以利用软启动时，从根源上抑制电流的过高，保护设备，实现延长电机寿命。

3.3.5软启动器与变频器的区别

变频器是把电压频率都固定不变的电源变成了电压、频率可以调节改变的设备。

变频器和软启动器都能起到软启动的效果，降低电机启动时的电流，降低电机启动时对电网的冲击以及对机械部件发轴承等的冲击，延长机械部件的使用寿命。

软启动器是用晶闸管来实现降压启动的，一般情况下只能提供电机短时间的降压启动限流启动；而变频器则主要运用于电机的变频无级调速，可以让电机长期运行在任一频率运行（低频时要电机的散热风扇需要要单独控制），而且能提供长时间的启动，能变频器的加速时间可以比软启动器的长很多。

但是一般情况下同规格的变频器的价格也比软启动器的要贵，但随着现在国产变频器的技术越来越成熟，软启动器的价格已经不再是它的优势了。

软启动器利用三相反并联晶闸管的导通角，可以使电机的电压发生变化，实现不同的功能。

其实软启动器就是一个调压器，而变频器把三相或单相交流电变换为直流电（DC），然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。

变频器同时改变输出频率与电压，还有制动单元、制动电阻实现快速以及频繁的停车，能根据负载的实际情况，来调节电机的运行频率，以达到节能的和调速的目的。

两者在主要的运用上也不相同，变频器主要是运用于需要无级调速的三相异步电机中，在低频输出时也可以保持不变的转矩；而软启动器实际上是一个调压器，在电机启动时降低电机的感应电压和电机的启动电流，并没有改变电源的频率，只是用于电机的短时间启动。

软启动器还自身还区别高压软启动器与低压软启动器。

低压软启动器在市场上占的份额比高压软启动器多很多。

除开了低压电机占有大部分的市场之外，也有高压软启动器本身的一些特点所决定。

由于高压软启动器工作在很高的电压下，这就要求各种元器件之间要有很好的绝缘性，而且控制芯片也要有一定的抗干扰能力，否则都会造成软启动器的失灵。

综合考虑，本设计使用变频器是一个很好的选择，所以本设计采用的是变频器实现调速。

3.4中央空调的电机频率的PID控制

3.4.1PID控制原理

PID控制是由比例控制、积分控制、微分控制三部分组成，其公式如下：

（3-7）

式3-7中

为给定值减去反馈值的差，称为误差；

是比例系数，

是积分时间常数，

是微分时间常数。

比例控制：

输出和输入的比值是一个常量。

比例控制可大大改善系统的响应速度。

但若只采用比例控制，则会存在稳态误差。

若比例系数取值过大可能会引起系统不稳定甚至发生振荡。

积分控制：

输出和输入的积分的比值是一个常量。

在一般的自控系统中，系统最终进入平衡后会还是会存在一定的误差，称为稳态误差。

此时我们可以加入一个积分调节，慢慢把误差给消除掉。

所以，PI调节应用较为广泛，它可使系统进入稳态后自动消除误差。

微分调节：

输出和输入的微分