中央空调电气控制系统设计.docx
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中央空调电气控制系统设计
毕业设计（论文）
中央空调电气控制系统设计
专业名称：
学生姓名：
学号：
指导教师：
×××职称：
×××
哈尔滨工程大学继续教育学院
2017年月日
一、指导教师对学生的评语及答辩推荐意见
指导教师（签名）
年月日
二、答辩委员会评语及成绩
（无指导教师推荐意见不能答辩）
答辩小组教师签字：
答辩委员会主任（签名）
摘要
该设计以纺织车间为设计背景，针对传统中央空调调节方式的局限性，选用西门子PLCS7-200和MM430变频器,充分利用恒v/f变频技术，实现对中央空调风机转速的控制，以此来为纺织车间设计了中央空调送风系统电气控制线路。
文中详细地介绍了中央空调送风系统电气控制线路的设计和开发过程。
该设计主要包括两部分，即硬件的选择和软件的设计，硬件选择主要是对低压电器控制柜、变频器、PLC及扩展模块等的选择。
软件设计主要是为满足中央空调控制要求而编写的PLC程序及对一些相关变频参数的设置。
在此基础上借助变频调速技术，让风机在一定范围内平滑调速，进而使系统由局部送风来满足织机的湿度要求，而整个车间则按照舒适性空调的要求进行全面送风。
由于对电机实现了软起动，大大降低了起动电流，避免了对电机和电网的冲击。
同时系统还设计了报警和保护功能，使中央空调在发生异常时，能够自动报警和停机保护。
关键词：
中央空调；PLC；变频调速技术
Abstract
Thedesignbackgroundoftextiledesignworkshop,Thetraditionalwayofthelimitationsofcentralairconditioning,UseSiemensPLCS7-200andMM430Inverter,Fulluseofconstantv/ffrequencytechnology,Fanspeedtoachievecontrolofcentralairconditioning,Textileworkshopinordertodesignacentralairconditioningsystemelectricalcontrolcircuit.
Introducedindetailthecentralairconditioningsystemelectricalcontrolcircuitdesignanddevelopmentprocess.Thedesignincludestwoparts,Thatthechoiceofhardwareandsoftwaredesign,Hardwarechoicesofthelow-voltageelectricalcontrolcabinet,inverter,PLC,andthechoiceofexpansionmodules,etc..Softwaredesignedprimarilytomeettherequirementsofthecentralair-conditioningcontrolprogramwritteninPLCandfrequencyconversionofsomerelatedparametersettings.Onthisbasis,withfrequencyconversiontechnology,Sosmoothfanspeedwithinacertainrange,Thenthesystembythelocalairsupplytomeethumidityrequirementsloom,Theentireplantinaccordancewiththerequirementsofcomfortairconditioningfullblast..Achievedduetosoftstartthemotor,Greatlyreducethestartingcurrent,Avoidtheimpactofthemotorandpowergrid.Atthesametimethesystemisalsodesignedtoalarmandprotection,Thecentralairconditioningwhenanexceptionoccurs,Automaticallyalarmandshutdownprotection.
Keywords:
centralairconditioning;PLC;frequencycontroltechnology
第一章引言
随着现代工业的不断发展，生产技术的不断进步，对于产品的精度要求也不断提高，生产工艺对车间内温度、湿度、风速、洁净度等参数的要求更是越来越高，因此对恒温恒湿中央空调的使用要求也就越来越高。
改革开放和经济的迅猛发展，也加速了我国空调产业的发展，这为各种高精度空调工程的实现提供了有力的保证。
空气调节应用于工业及科学实验的过程一般称为工艺性空调，在各行各业中，为保证生产的质量和精度，对生产的环境温度、相对湿度和清洁度等参数提出了不同的要求，其中恒温恒湿中央空调是最常见的一种。
1.1课题的选题背景及意义
纺织工业中的棉纺织工业、人造纤维工业、合成纤维工业等都对环境有一定的恒温恒湿要求，棉纤维具有吸湿和放湿性能，对空气湿度较敏感，棉纤维的含湿量直接影响纤维度，也影响纤维之间和纤维与机械之间相互摩擦的静电大小，对纺织工艺和产品质量关系密切。
随着无梭织机在我国数量的不断增加，转速超过1000rpm的织机比比皆是，运转速度和电机功率都大幅增加，纺织车间内的发热量也随之加大，生产过程中产生的大量飞花和粉尘，严重影响了车间生产，这对纺织车间的空调系统也提出了更高的要求。
由于在纺织车间中同时存在着工人和织机，在空调系统中就必然要综合考虑舒适性和工艺性。
纺织过程要求的湿度较高，这么高的湿度对工人的工作环境极为不利，而舒适性空调所要求的湿度显然又无法满足织机生产的需要，于是考虑使用局部送风方式。
该方式由局部送风来满足织机的湿度要求，而整个车间则按照舒适性空调的要求进行全面送风。
针对这两方面的要求，设计出了这一新的送风方式和控制系统，即PLC控制的恒压送风系统。
恒压送风包括局部送风的恒压控制和全面送风的恒压控制。
恒压送风保证了车间送风的质量，同时以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。
1.2课题的主要研究内容
变频恒压送风系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面、各种传感器等组成。
鉴于变频调速恒压送风系统在我国已成为空调行业发展的主流趋势。
该系统参考了各类供给设备并结合该设计的特点，采用性能可靠的西门子S7-200系列PLC作为控制核心，在此基础上，系统加入变频调速技术，使电机在很宽范围内平滑调速，这样去掉了大量节流阀，避免了节流损耗，从而通过改变电机转速而改变风量。
采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。
电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制的。
该系统对电机实现了软起动，大大降低了起动电流，避免了对电机和电网的冲击。
另外系统具备报警和保护功能，当系统发生异常时，能够自动报警和停机保护。
为满足纺织车间送风要求，降低送风能耗，实现自动、可靠、稳定的送风，需要采用变频恒压送风技术，并辅以计算机来进行远程监控、管理及故障报警。
因此，课题内容如下：
（1）研究并完成利用PLC、变频器和多台风机等主要设备构建变频调速恒压送风系统的方案设计与设备选型。
为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器拖动多台风机变频运行的方案。
（2）深入分析变频恒压送风系统的工况变化过程，确定工况转换方式，完成PLC控制程序的设计，保证风机工频、变频的可靠、安全切换。
（3）研究PLC和计算机的通信模式，确定通信协议，实现送风系统的远程监控、管理与报警。
（4）加强系统的可靠性设计，提高系统的冗余度，设计手动、自动、工频、变频运行方式。
通过该项目的研究和实施可以极大地改善纺织车间中央空调的可靠性和稳定性，而且可以降低能耗及维护成本，方便管理。
第二章中央空调送风系统整体方案设计
2.1系统整体设计思想
该设计以纺织车间为设计背景，纺织车间空气调节的作用大体可分为二个：
其一、满足纺织生产工艺所适合的温度、湿度条件；其二、保证生产工人拥有一个良好、健康的工作环境，这两点具有同等的重要性。
为了保证整个车间的温、湿度控制质量，首先需要一个总控开关按照一定控制要求来启动和关闭中央空调系统，利用中央空调系统内部安装的传感器，随时检测车间和织机的温、湿度状况，而后将信号送给控制机构，控制的对象就是几台风机，风机启动之后，通过一个阀门根据需要来决定给车间或织机送风，也就是使系统由局部送风来满足织机的湿度要求，或使整个车间按照舒适性空调的要求进行全面送风，同时根据需风量的大小，利用变频技术使局部送风在恒压状态下进行。
在用风量小的情况下，如果一台风机连续运行超过一定工作时间，则按照控制要求自动切换到下一台风机，即系统具有“风机转换功能”，避免因一台风机工作时间过长，降低生产效率和影响风机工作寿命。
同时，系统启动时采用软启动来提高系统性能，在应急或检修时，系统配备手动控制功能，最后，为了保证系统安全、顺利的工作，还需设置完善的报警功能。
基于以上的设计思想，中央空调恒压送风系统原理图如图2-1所示。
图2-1中央空调恒压送风系统原理图
在该系统设计中，采用了1#、2#、3#三台风机，首先由总控来控制电磁阀YV1,根据需求启动和关闭中央空调,平时电磁阀YV2处于失电状态，也就是关闭局部送风阀。
中央空调的局部送风或全面送风，由传感器将检测到的信号（采用人工模拟实现）直接送给控制机构，来选择正确的送风方式。
局部送风和全面送风共用1#、2#、3#三台风机，一般情况下，三台风机根据全面送风的需求多少，利用变频器按一定的控制逻辑运行，使全面送风在恒压状态下进行。
此时处在运行中的织机，当传感器检测到其湿度不足时，电磁阀YV2得电，此时关闭全面送风阀，打开局部送风阀，1#、2#、3#风机开始提供局部送风，以此来满足织机的湿度需求，并根据需风量的大小，利用变频器使局部送风也在恒压状态下进行。
系统经过一段时间的工作，织机湿度合适后，三台风机再次转换为全面送风使用。
2.2系统控制方案的设计与选择
长时间以来，自动控制系统存在着多种控制方式，比如继电接触器控制方式、逻辑电子电路控制方式、单片机控制方式、可编程序控制器（PLC）控制方式等四种主要的控制方式。
其特点分别如下：
（1）继电接触器控制的特点
该控制电路硬件接线多，体积大，连线复杂，修改困难。
触点开、闭速度为几十毫秒，难以实现对控制执行速度要求高的场合，而且容易出现触点抖动。
时间继电器在限时控制方面，精度不高，易受环境影响。
系统设计、施工、调试周期长，可靠性与可维护性差，寿命短。
因价格低廉，该系统可用于要求不高的控制场合。
（2）逻辑电子电路控制的特点
该控制电路往往采用一台电机固定于变频状态，其余电机均为工频状态的方式，难以实现电机机组全部软启动、全流量变频调节，控制精度较低，工频启动时有冲击，抗干扰能力较弱。
（3）单片机控制的特点
尽管单片机控制优于逻辑控制，但在对不同管网调试麻烦，扩展功能时往往要对主电路进行修改，不够灵活方便。
（4）可编程序控制器控制的特点
PLC（ProgrammableLogicController）是一种面向生产过程控制的数字电子装置，它使用了可编程序的存贮器以存贮指令，用以执行诸如逻辑、顺序、定时、计数及算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制机械或生产过程。
这种控制电路跟踪快、控制精度高、抗干扰能力强、扩展功能灵活方便，可实现恒压（或变压）全流量变频调节，具有稳定性好、高效节能、调试方便等显著优点。
鉴于以上四种方案的特点比较，故该设计采用可编程序控制器控制方式。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。
当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，只要改变存贮器中的控制程序即可。
PLC的输入、输出可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并有较强的带载能力,PLC抗干扰能力强、可靠性高。
在PLC的电源电路和I/O接口中，还设置了多种滤波电路，以抑制高频干扰信号。
软件上，PLC设置了故障检测及自诊断程序，用来检测系统硬件是否正常，程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。
通过计算机或编程器可以方便的对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改等;还可对PLC的工作进行监控，使PLC的操作及维护变得容易。
PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，使操作人员能迅速检查、判断故障原因。
由于用软件编程取代了继电器硬接线，实现控制，使得工作量大为减少，缩短了施工周期。
该系统主要的设计任务就是利用恒压控制单元使一台变频器同时控制多台风机，或者循环控制多台风机，实现送风的恒定和风机的软起动，以及风机的工频与变频的切换，同时还要能对运行数据进行传输。
根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，该设计决定采用“PLC+变频器+传感器”的核心控制模式。
该控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，而且由于PLC产品的系列化和模块化，所以可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此该系统能适用于各类不同要求的恒压送风场合，并且与送风机组的容量大小无关。
该控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.3系统设计内容
由上一节选择、设计的系统方案，可以看出该设计实质上就是PLC与变频器及传感器的一个应用系统，所以系统的设计主要包括硬件设计、软件设计两部分，具体设计内容有：
（1）硬件设计
要进行硬件的设计，首先要正确选取硬件的组成部分，硬件选择主要是对变频器、风机机组、传感器、控制柜及操作台、PLC及扩展模块的选择。
由于该系统应用了PLC,这里需要对控制系统的I/O及地址分配做一定的工作，除此之外，系统还对主电路、控制电路及变频调速电路作了具体的设计。
（2）软件设计
应用软件是根据指令系统及系统功能的要求进行的，因此，选择的指令系统，其功能好坏对应用系统软件设计影响很大。
该系统软件设计，主要是为配合硬件控制要求编写的PLC程序及一些相关变频参数的设置。
当接下来调试系统时，也主要是对系统中的PLC程序及变频器关键参数进行一番调试。
为了直观的体现该系统的方案设计，和进一步检验设计的正确性，系统借助自动化系MM430变频器实验室已有的控制设备，从实际应用的角度，在正确连接控制线路的基础上，通过PLC编程和MM430参数设置，简单的模拟了一下该系统基本的主要控制功能。
第三章系统硬件设计
3.1系统组成及各部分的分析选择
3.1.1系统组成
系统所需的主要硬件有:
软启动器、变频器、风机机组、传感器、PLC及扩展模块、控制柜及操作台等。
其组成框图如图3-1所示。
图3-1系统硬件组成
3.1.2系统各部分的分析选择
（1）PLC
PLC是整个变频恒压送风控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。
西门子S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。
系统的硬件构架由丰富的CPU模块和扩展模块组成，它能够满足各种设备的自动化控制需求。
S7-200除具有PLC基本的控制功能外,更在以下方面有独到之处:
①功能强大的指令集。
②丰富而强大的通讯功能。
③编程软件的易用性。
CPU226，24点输入，16点输出，DC24V，集成了以下丰富的内置功能：
①高速记速器输入②短暂脉冲捕捉功能③高速脉冲输出④I/O硬件中断事件⑤PID控制，PID自整定功能 ⑥支持多种工艺配方⑦数据记录（归档）。
选择PLC时，考虑到了西门子PLCS7-200的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件方便等多方面因素。
所以,系统选用了西门子PLCS7-200作为中央空调送风系统的程序控制平台。
（2）变频器和风机机组
变频器和风机机组作为系统的执行机构，完成系统对外的送风量输送。
风机是输出环节，变频器是对风机进行转速控制的单元，变频器根据传感器送来的控制信号改变风机的运行频率，从而完成对风机的转速控制。
MM430为水泵和风机的专用型变频器，功率为7.5kw～250kw，三相交流电源（380v～480v），内置PID控制器，具有6个数字输入，2个模拟输入，1个用于电动机过热保护的PTC/KTV输入；2个模拟输出，3个继电器输出，是S7-200自动化系统的理想配套设备；从7.5kw至250kw的变频器都具有统一的控制方法和I/O界面。
MM430调速系统的电机使用了专用于变频调速的进口西门子三相异步电动机，250kW，4极380V进线。
（3）传感器
传感器直接对系统中的各种信号进行采集，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即风机）进行控制。
该设计主要是将织机湿度信号变成模拟量信号。
在运行过程中，当传感器出现故障时，系统有可能开启所有的风机，而此时的用风量又达不到，出现这样的情况时，关闭所有风机并进行报警。
（4）软启动器
当系统采用手动或变频固定方式运行时，如果电机的功率较大，不允许直接启动时，需采用软启动器进行降压启动。
在选择软启动器时，注意了与电机的额定功率、额定电流相匹配。
当系统的自动部分出现问题时，而此时的送风又不能中断,因此手动启动是系统不可缺少的组成部分。
（5）控制柜及操作台
控制柜内装有空气开关、交流接触器、快速熔断器、三相进线电抗器、MM430变频器、出线电抗器、S7—200PLC等主器件，柜门装有运行指示灯、显示仪表等。
操作台上需装有各种指示灯、按钮、电压表，电流表，频率显示仪表等，便于观察和记录。
计算机内安装MM430变频器调试软件和S7—200PLC编程软件。
（6）报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于该系统能适用于不同的送风领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动等故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
以上就是对系统所需设备的简单分析及选择，这项工作正确合理与否关系着整个系统的工作性能和状态。
3.2系统电气控制原理图
3.2.1系统主电路图
图3-2所示为电气控制系统主电路图。
三台风机分别为M1、M2、M3。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台风机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台风机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为西门子MM430变频器。
在QS1、QS2、QS3、QS4隔离开关闭合的情况下，若KM1得电吸合，风机M1起动，执行全面送风，当需局部送风，变频运行时，KM2得电闭合，同时断开KM1，风机M1执行变频调速的局部送风。
同理，风机M2、M3在系统需要时，按照要求起停。
图3-2系统主电路图
3.2.2系统控制电路图
图3-3所示为电气控制系统控制电路。
图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SB1—SB8控制三台风机的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图3-3的HL10为自动运行状态电源指示灯，Q1.0—Q1.7为PLC的输出继电器，旁边的4、6、8等数字为接线编号。
图3-3系统控制电路图
3.3PLC外围接线图
选用主机为CPU226（24入/16继电器输出）一台，由于系统需要4个输入端口，12个输出端口，但所选设备西门子PLC与MM430之间本身占用了16个输入端口，7个输出口，因此这里加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/AO）,整个PLC系统的配置如图3-4所示。
PLC外围接线图，如图3-5所示。
当织机湿度不足时，传感器信号SA1被触动，I1.0为1。
图3-4PLC系统组成
图3-5PLC外围接线图
3.4控制系统的I/O地址分配
控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表3-1和表3-2所示。
表3-1输入/输出信号的代码及地址编号
名称
代码
地址编码
变频器合闸指令
SB1
I0.0
变频器分闸指令
SB2
I0.1
变频器启动指令
SB3
I0.2
变频器停止指令
SB4
I0.3
急停
S
I0.4
合闸反馈
KM
I0.5
正反转指令
SA1
I0.6
故障
SA2
I0.7
变频器合闸
KA1
Q0.0
变频器运行
KA2
Q0.1
柜合闸指示
HG1
Q0.2
台合闸指示
HG2
Q0.3
正反转
KA3
Q0.4
柜故障指示
HY1
Q0.5
台故障指示
HY2
Q0.6
表3-2输入/输出信号的代码及地址编号（续表）
名称
代码
地址编号
输入信号
局部送风传感器信号
SA3
I1.0
变频器报警信号
Su
I1.1
消铃按钮
SB9
I1.2
试灯按钮
SB10
I1.3
模拟量电压值
Up
AIW0
输出信号
1#风机工频运接触器及指示灯
KM1,HL1
Q1.0
1#风机工频运接触器及指示灯
KM2,HL2
Q1.1
2#风机工频运接触器及指示灯
KM3,HL3
Q1.2
2#风机工频运接触器及指示灯
KM4,HL4
Q1.3
3#风机工频运接触器及指示灯
KM5,HL5
Q1.4
3#风机工频运接触器及指示灯
KM6,HL6
Q1.5
局部/全面送风转换电磁阀
YV2
Q1.6
局部送风报警指示灯
HL9
Q1.7
报警电铃
HA
Q0.7
控制变频器频率电压信号
Vf
AQW0
3.5系统外围接线图
图3-6系统外围接线图
如图3-6所示，控制系统使S7-200PLC控制MM430变频器,由变频器直接控制M1、M2、M3三台风机的运行。
第四章系统软件设计与调试
应用软件是根据指令系统及系统功能的要求进行的。
鉴于该设计的控制方案，系统适时的选用了西门子S7-200PLC及MM430变频器，配合硬件共同实现系统的各方面工作要求。
西门子S7-200PLC的编程语言是STEP7-micro/win32，它是用于S7-200系列PLC进行编程、调试的全新软件，该软件可以运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行语言编程。
将它通过计算机的串口和一根PC/MPI转接电缆与PLC的MPI口相连，即可进行相互间的通信。
通过STEP-7micro/win32编
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