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plc控制中央空调水泵学位论文
PLC控制中央空调水泵
----制冷部分
摘 要
随着社会文明的发展、技术的进步和人们生活水平的提高，空调应用日益广泛、普及，空调用电占总用电总量的比例在不断上升，能源问题在我国日渐突出，而且近期内无法根本解决，节能工作相当艰巨。
在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，空调是不可缺少的，它虽然能给人们提供一个舒适的环境，但是耗电量也相当大。
因此，在人们日益重视环保与节能的今天，中央空调的节能问题这是人们所期待要解决的关键技术问题。
本文阐述了中央空调系统自动化控制和节能设计的一些基本思路和方法，并介绍了交流电动机变频调速的特点及节能原理，还介绍了西门子S7-200主要功能模块及应用，并对系统的主回路和控制回路的硬件部分进行了详细介绍。
本文主要是对空调出口温度进行检测，采用变频器调节中央空调的转速，使其高效运行，达到节能的目的。
整个系统采用模块化设计，CPU主模块是采用CPU226，模拟量扩展模块采用EM231，可根据需要灵活配置各模件数量。
通过软件设计完成中央空调所需的参数设置和控制要求，系统软件由主程序、初始化程序、模拟量检测程序组成，通过调用子程序来完成系统的数据采集、模拟量检测等功能。
关键词：
中央空调；变频调速技术；PLC
Abstract
Withthedevelopmentofoursociety,technologicalprogressandtheimprovementoflivingstandard,airconditioninghasbeenusedwidely,popular,air-conditioningpowerconsumptionofthetotalproportionofthetotalelectricityconsumptionrising,theenergyquestionisoutstandingdaybydayinourcountry,andunabletosolveatallinthenearfuture,theenergyconservationisquitearduous.Insuchenvironmentsastheenterprise,officeblock,commercialbuilding,hotelofmodernfactory,etc,thecentralairconditionersystemisdispensable,thoughitcanprovideacomfortableenvironmentforpeople,butthepowerconsumptionisquitelarge.Sopayingattentiontoenvironmentalprotectionandenergy-conservingtodaydaybydaypeople,energy-conservingproblemofthecentralairconditionerisakeytechnologyproblemtosolve.
Thispaperexplainedsomebasicideasandmethodsthatthesystematicautomationontheautomationcontrolandenergy-conservationofcentralairconditionerandrecommendedthecharacteristicandenergy-conservingprincipleofVVVFonalternator.ItalsorecommendedSiemensS7-200mainfunctionalmoduleandapplicationandtheapplicationofPIDalgorithminVVVF.Thepapermadeadetailedinstructiontothemaincircuitandthehardwareofcontrolcircuit.Thissubjectdetectedtheexporttemperatureofairconditioner,adoptthefrequencyconvertertoregulatetherotationalspeed,andmakeitrunhigh-efficientlyandachievethegoalofenergy-conserving.
Thewholesystemusesthemodulardesign,theCPUmoduleusesCPU226,thesimulationquantityexpansionmoduleusesEM231,mayaccordingtoneedtodisposevariousmodulesquantitynimbly.Completestheparameterestablishmentandthecontrolrequestthroughthesoftwaredesignwhichthecentralairconditioningneeds.Thesystemsoftwareconsistsofthemasterroutine,theinitializationroutineandtheanalogquantityexaminationprocedure.Throughcallingthesubroutine,thesystemcompletesthedataacquisition,theexamineofanalogquantityandthefunctionsofaudibleandvisualalarm.
KeyWords:
Centralair-condition;VariableFrequencyRegulatingSpeed;PLC
目 录
摘 要1
Abstract2
引 言1
第一章绪论2
1.1中央空调变频调速的意义2
1.1.1变频调速技术介绍2
1.1.2基于PLC控制下的变频调速系统工作原理3
1.2中央空调的结构原理4
1.3总体设计方案的确定5
1.4本文主要工作6
第二章具体电路设计7
2.1温度检测部分设计7
2.1.1检测元件选取7
2.1.2模拟量输入模块的选取（A/D）7
2.1.3模拟量输出模块的选取（D/A）10
2.2显示电路设计11
2.3变频器的选择11
2.4PLC的选择14
第三章硬件电路设计15
3.1系统的设计原则15
3.2PLC控制下水泵变频调速系统16
3.3输入输出点地址分配16
3.4总体电路图18
第四章PLC控制中央空调变频调速系统的软件设计19
4.1PLC编程软件19
4.2.1主程序设计19
4.2.2中断服务程序…………………………………………………………24
结 论25
致 谢26
参考文献27
引 言
现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境，中央空调系统是不可缺少的。
中央空调的耗电量是很大的，应用变频调速技术与PLC自动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度,并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点。
空调冷冻泵变频节能,在国内外都是一个令人感兴趣的课题，很多空调专业人士对此进行了研究。
但对于如何计算及分析空调冷冻泵变频运行的工况参数及能耗,颇多局限于泵的相似定律的直接应用，即利用在一定条件下水泵的流量Q、扬程H、功率N与转速n间的关系式（称为相似定律或比例定律）
（1）
直接进行计算，导致人们普遍认为空调水泵的耗电量与转速或流量的三次方成正比,，只要降低泵的转速就能以三次方的规律降低耗电量。
事实上，据此所得的结果与试验或实际结果存在着一定的差异，一些研究者针对这些差异进行了研究，但方法与结论各不相同，如MichelA.Bernier和BernardBourrent认为是泵的全效率的影响，从泵的全效率的角度提出泵的耗功不与流量的3次方成正比；谢明华等则利用水电比拟原理提出冷冻水泵的耗功与流量的一次方成正比，似乎过分贬低了其节能潜力；JamesB.Rishel则认为泵的扬程与负荷的n次方成直线关系，虽考虑了负荷大小及全效率但忽略了其它因素的影响。
随着人民生活水平的提高，对空调的需求越来越大，中央空调以其高精度的恒温控制，大面积集中调节，为人们提供宜人的生产和生活环境。
但中央空调系统耗能很大,其电能和热能的消耗量占整个建筑能耗量的40%左右，而在我国目前的建筑设计中很少注重节能观念，忽视设备运行费用和能源消耗，造成能源的巨大浪费，如何解决空调系统的节能问题，已成为当务之急。
第一章绪论
1.1.中央空调变频调速的意义
随着空调应用的日益普及，其能耗在社会总能耗中所占的比例越来越高。
减少空调系统的能耗对全社会的节能，促进国民经济的持续发展具有重大意义。
常规中央空调系统的送风量是根据空调房间的最大热、湿负荷确定，且保持不变。
空调负荷减少时，通过调节送风温度（调节再热量）来维持室温。
这种方法不仅浪费了热量而且浪费制冷机组相当的冷量。
在变风量空调系统中，可根据房间温湿度参数的变化，通过变频调速装置调节风机的转速，改变送风量（应大于最小送风量），送风温度保持不变。
显然变风量空调系统可充分利用最大送风温差，节约再热量和与之相应的冷量，减少风机的功率消耗，提高空调系统的运行经济性。
在夏季室内负荷下降时，先减少送风量，当送风量减至最小送风量时可利用末端再热装置适应室内冷负荷的减少。
当再热量不足以补偿室内负荷变化时，系统由夏季工况转至冬季运行工况，系统开始送热风。
为节省能量，可先进行定风量变风温的调节方法，当供热负荷继续增加时，再改为变风量调节方法。
1.1.1.变频调速技术介绍
变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。
（1）变频器按变换环节分
1）交-交变频器
2）交-直-交变频器
（2）变频器按电压的调制方式分
1）PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。
在中小容量变频器中，这种方式几乎己经不采用了。
2）PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。
目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式。
（3）变频器按直流环节的储能方式分
1）电流型直流环节的贮能元件是电感线圈。
2）电压型直流环节的贮能元件是电容器。
变频器的功用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0～400Hz）的三相（或单相）交流电。
中央空调系统采用变频调速技术，电机可在很宽的范围内平滑调速，可将所有节流阀去掉，使管道畅通，可免去节流损耗。
通过改变电机转速而改变水的流速,从而改变水的流量，达到制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，达到节能目的。
采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。
这种系统可由多台水泵电机组成，其中只有一台水泵处于变频调速状态，就可以达到节能目的。
1.1.2.基于PLC控制下的变频调速系统工作原理
PLC是变频调速控制系统的关键部件。
其作用是协调各机组与变频器之间的电气连接，通过接触器与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。
PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。
输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。
PLC软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。
该系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。
水泵机组都可运转在工频以下和变频以下两种状态。
这由系统根据实际需要进行切换控制。
可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块，A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器的升速过程及降速过程。
温度检测装置将状态送A/D,A/D有多个数字量（
、
、
、
…）输人PLC,进行控制热负荷从小至大之间的变化，首先对PLC进行设定上限
、下限
。
刚开始工作热交换量为零。
、
处于关断状态。
PLC控制下，
接通，1号泵接入变频器电源，同时启动升速程序，按D/A模块输出电压的设定曲线升速,从而使1号泵进行软启动。
1号泵转速逐渐增大，热交换量也逐渐增加。
若达到设定的下限
时，则1号泵在该频率下稳定运行；若频率增至50Hz时还未达到下限
，则PLC发出指令
释放，
闭合，1号泵由工频电网直接供电，全速运转，同时D/A输出为0。
PLC指令
闭合，2号泵接入变频调速状态，并由PLC控制按设定曲线升速。
若升到50Hz频率下还未达到设定下限
，则2号泵切换为工频，3号泵为变频调速,继续下去,直到热交换量达到下限
，电机稳定运行于此状态下。
如果热交换量超过上限
，设定下调时，接入变频器的第n个水泵，其输出频率降低，若降至0Hz时，还未达到上限
，则第n个水泵停，同时D/A置5V，第n-1个水泵切换变频状态，并按设定曲线降低直至达其设定上限
，水泵稳定运行于此状态下。
该控制系统,在任何状态下,只需一台水泵电机处于调速状态,其它电机可根据需要处于工频状态或停机状态,就可实现热交换从零至最大的控制过程。
冷却水、冷冻水系统可分别用一台PLC控制器和一台变频调速器来控制。
1.2.中央空调的结构原理
所谓“中央空调”是由一台主机通过风道过风或冷热水管或管线连接多个末端的方式来控制不同的房间以达到室内空气调节目的的空调。
一般酒店，大型商场用的是风管试的中央空调，它的原理是主机通过通往各个空间区域的通风管道将处理后的冷热空气输送到位。
它的优点是成本低、操控简便、噪音低，最主要的缺点是：
各个区域（房间）控温不准确。
中央空调的工作原理与家用一样，都是利用冷媒（运输热量的媒质叫冷媒）的物理原理把室内的热量带到室外去达到制冷的效果。
中央空调工作原理如图1.1所示。
图1.1中央空调工作原理
中央空调制冷系统主要由冷冻主机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统、风机和冷却塔等组成。
（1）冷冻主机也叫致冷装置，是中央空调的致冷源，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行内部热交换，降温为冷冻水。
（2）冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。
冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。
该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。
冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回到冷冻机组。
如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。
（3）冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。
从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。
同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。
温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水。
（4）风机盘管系统安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水盘管冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换。
（5）风机用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
（6）冷却塔冷冻主机在致冷过程中，必然会释放热量，使机组发热。
冷却水塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。
冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。
1.3.总体设计方案的确定
对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变送器和A/D转换模块反馈给PLC进行处理，再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速，从而对温度进行控制。
目前，对冷却水系统和冷冻水系统分别进行调速的方案最为常见，节电效果也较为显著。
温度传感器可采用PT100热电阻；A/D转换模块；PLC；D/A转换模块都选用西门子公司的产品，变频器采用三菱公司的变频器。
系统的结构图如图1.3所示。
图1.3系统结构图
1.4.本设计主要工作
中央空调制冷系统通常分为冷冻水和冷却水两个系统。
现在水泵系统节能改造的方案大都采用变频器来实现。
1）冷冻水泵系统的闭环控制
该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定，变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：
冷冻回水温度大于设定温度时频率无极上调。
2）冷却水系统的闭环控制
该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。
当中中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，在保证中中央空调机组正常工作的前提下，达到节能增效的目的。
控制原理说明如下：
PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能。
通过温度传感器PT100将温度信号经过变送器和A/D转换模块传送到PLC中进行处理，然后由PLC将控制信号送至变频器中，变频器根据控制信号做出相应的频率调整，实现对水泵电机转速的控制。
第二章具体电路设计
2.1.温度检测部分设计
温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。
物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，许多生产过程，特别是化学反应过程，都是在一定的温度范围内进行的。
温度是最常见的工业测控参数，人们经常会遇到温度和温度检测与控制的问题。
2.1.1.检测元件选取
温度检测的主要方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分成接触式与非接触式两大类。
接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表。
非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法等。
热温度特性曲线如图2.1所示。
图2.1各种热敏电阻特性
温度检测用的主要是负温度系数热敏电阻，PTC和CTR热敏电阻则利用在特定温度下电阻值急剧变化的特性构成温度开关器件。
2.1.2.模拟量输入模块的选取（A/D）
模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如常用的温度、压力、速度、流量、碱度、位移等的工业检测都是对应电压、电流的大小模拟量，再通过一定的运算（如PID）后控制生产过程达到一定的目的（如恒温等）。
模拟量输入的电平大多是从传感器通过变换后得到的，模拟量输入信号按IEC标准为4~20mA电流信号或0~5V、-10V~10V，0~10V的直流电压信号。
模拟量输入模块的基本功能就是将输入PLC的外部模拟量转换为PLC所需的数字量，以供给主控模块进行数据处理和控制。
模拟量输入模块可以直接与热电偶，铂电阻等温度检测元件项链，接受采自温度传感器的信号，温度控制模块实际上就相当于变送器和A/D转换器。
将生产现场的温度信号值传送给PLC，经过PLC处理后，通过模拟量输出模块输出。
这样就可以实现温度的自动控制。
EM231热电阻模块可以通过DIP开关来选择热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障方向。
连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。
改变DIP开关后必须将PLC断电后再通电，新的设置才能起作用。
模拟量输入模块选用西门子公司的EM231模块。
其主要参数指标如下：
表1EM231主要参数
耗电量
自+5VDC（自I/O总线）
自L+
L+电压范围，2级或DC传感器供电
87mA
60mA
20.4至28.8VDC
LED指示灯
24VDC电源供电良好ON=无错，OFF=无24VDC电源，SF：
ON=模块故障，闪烁=输入信号错误,OFF=无错
模拟量输入特性
现场至逻辑
现场至24VDC
24V到逻辑
500VAC
500VAC
500VAC
共模输入范围（输入通道至输入通道）
120VAC
共模抑制
>120dB120VAC
输入类型
模块参考接地RTD
输入范围
RTD类型（选一种）
Pt-100Ω，200Ω，500Ω，PT-1000Ω-10000Ω
Cu-9.035Ω
Ni-10Ω，120Ω，1000Ω
R-150Ω，300Ω，600Ω
输入分辨率
温度
电阻
0.1℃
15位加符号位
模块更新时间：
所有通道
405ms
连线长度（最大）
100米至传感器
线回路电阻（最大）
最大为20Ω
数据字格式
电压：
-32000至+32000
最大输入电压
30VDC
（1）模拟量输入端的接线方式：
模拟量是通过带屏蔽的双绞线把信号输入每个信道，将第一路测量信号接入EM231的A+和A-端；将第二路测量信号介入EM231的B+和B-端。
（2）硬件连接图如图2.2所示。
图2.2热电阻与EM231硬件连接图
2.1.3.模拟量输出模块的选取（D/A）
模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号（如4095等）转换成4~20mA的电流输出信号或0~10V，0~5V的直流电压输出信号，以提供给执行机构。
模拟量输出模块选用西门子公司的EM232模块。
其主要参数指标如下：
表2EM232模块的主要参数
模拟量输出特性
模拟量输出点数
2
隔离（现场侧到逻辑线路）
无
信号范围
电压输出
电流输出
±10V
0～20mA
数据字格式
电压
电流
-32000～+32000
0～+32000
分辨率全量程
电压
电流
12位
11位
接线方式如下图所示。
2.2.显示电路设计
TD200是德国SIEMENS公司设计制造，专为S7-200系列PLC配用的操作员界面，它是一种连接简单、操作方便、功能强大的实用性人机界面解决方案，TD200文本显示器是所有西门子S7-200系列操作员界面问题的最佳解决方法。
它还可以减少输出的I/O点数，由于CPU226主模块上有一个RS-485通讯口。
所以只需要将TD200通过一根TD/CPU电缆和PLC实现互连，即连接到CPU226系列的PPI接口上即可，不需要单独的电源。
在S7-200系列的CPU中保留了一个专用区域用于与TD200交换数据，TD20
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