基于PLC的中央空调温度控制系统设计论文.docx

1、基于PLC的中央空调温度控制系统设计论文青岛理工大学毕业设计（论文）摘要中央空调已经广泛应用于商用与民用建筑中，用于保持整栋建筑温度恒定。 传统的设计中， 无论季节、 昼夜和用户负荷的怎样变化， 各电机都长期固定在工 频状态下全速运行，所以会造成极大的的能源浪费。本设计采用变频器、 PLC、温度传感器等器件的有机结合，构成温差闭环自 动控制系统，自动调节水泵的输出流量达到节能目的。该系统采用西门子的 S7200PLC 作为主控制单元，利用传统 PID 控制算法，通过西门子 MM440 变 频器控制水泵运转速度， 保证系统根据实际负荷的情况调整流量， 实现恒温控制， 从而最大程度的解决能源浪费问

2、题。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。本设计通过采用基于 USS 协议的 RS-485 总线通讯的网络，通过西门子 TD200 文本显示器实现人机界面的设计， 使用 MCGS 工控组态软件， 对系统进 行理论分析。通过分析该设计， 验证了该设计的可靠性， 可以解决中央空调的能 源浪费问题。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。关键词 ：中央空调， PLC，PID，变频器青岛理工大学毕业设计（论文）ABSTRACTThe central air conditioning has been widely used in commercial and civil buildings, which are used to m

3、aintain constant temperature of the building. In traditional design, regardless of the season, day and night, and how the user load changes, the motor is fixed to run at full speed for a long time in the condition of power frequency. It will cause great waste of energy残. 骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。This design is dev

4、eloped based on the combination of frequency converter, PLC, temperature sensor. It makes up a temperature difference closed-loop automatic control system and automatically adjust the output flow of pump to achieve energy saving. The system adopts the Siemens S7-200 PLC as the main control unit, usi

5、ng the traditional PID to control algorithm, using Siemens MM440 inverter to control of pump speed, to guarantee system adjust load flow according to actual situation. All of these will bring out constant temperature control, so as to solve the problem of energy waste to a great extent酽. 锕极額閉镇桧猪訣锥。T

6、his design use RS - 485 bus communication networks which is based on USS protocol and using the Siemens TD200 to realize the human-computer interface design, and using the software made from MCGS, to carries on the theoretical analysis to the system. Verified the reliability of the design, the desig

7、n can solve the problem of central air conditioning energy waste through the analysis of the design彈. 贸摄尔霁毙攬砖卤庑。KEY WORDS : The central air conditioning, PLC, PID, frequency converterII青岛理工大学毕业设计（论文）目录 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。摘 要 厦 I礴恳蹒骈時盡继價骚。ABSTRACT I.I. 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。第 1 章 绪论 鹅1 娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.1 中央空调的发展 1籟丛妈羥为贍偾蛏练淨

8、。1.1.1 中央空调现在状况 1預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.1.2 中央空调发展趋势 1渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1.2 本设计的意义 2铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.2.1 设计的主要内容 2擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.2.2 设计的意义 2贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。第 2 章 中央空调系统介绍 3坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2.1 中央空调结构 3蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.1.1 中央空调概述 3買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.1.2 中央空调结构 3綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.2 中央空调系统工作原理 4驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.2.1 制冷原理 4猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.2.2 工作原理 4锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔

9、。2.2.3 中央空调的控制原理 4構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.3 中央空调的评价 5輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.4 本章小结 5尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。第 3 章 中央空调控制系统的硬件设计 6识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.1 变频器 凍6 鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.1.1 变频器的介绍 6恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.1.2 变频调速的原理 6鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.1.3 变频器的选择 9硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.1.4 使用注意的问题 10阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.2 电机的软启动原理及应用 1. 1 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.2.1 软启动的介绍 1.1 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.2.2 软启动工

10、作原理 1.1 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.2.3 软启动的优点 1.1 谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.2.4 软启动与变频器的对比 12嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.3 PLC选型 1熒2绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.3.1 PLC的工作原理 12鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。III青岛理工大学毕业设计（论文）3.3.2 西门子 S7200介绍 13纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.4 温度传感器 14颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.5 温度变送器 15濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。3.6 人机界面选型方案 15銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。3.7 总体硬件设计 16挤貼綬电麥结鈺贖哓类。3.8 本章小结 18赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。第 4 章

11、软件设计 20塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。4.1 PID 控制 2裊0樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。4.1.1 PID控制简介 20仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。4.1.2 PID参数整定 20绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。4.1.3 对中央空调的 PID 控制 21骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。4.2 应用软件 STEP7 2瑣1 钋濺暧惲锟缟馭篩凉。4.3 plc 编程 22鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。4.3.1 程序流程图 22栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。4.3.2中央空调控制系统的 I/O 分配表 24辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。4.3.3 程序中使用的存储器及其功能 25峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。4.3.4 中央空调温度控制系统程序 25詩叁撻

12、訥烬忧毀厉鋨骜。4.4 设备通讯 26则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。4.4.1 RS-485介绍 26胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。4.4.2USS协议软件与 S7200间的通讯 26鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。4.5 MCGS 组态软件 27稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。4.5.1 MCGS组态软件简介 27陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。4.5.1 MCGS组态画面 27沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。4.6 本章小结 29钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。第 5 章 结 论 3懨0 俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。致 谢 3謾1饱兗争詣繚鮐癞别瀘。参考文献 3呙2铉們欤谦鸪饺竞荡赚。附 录 3莹3谐龌蕲賞组靄绉嚴减。IV青岛理工大学毕业设计（论文）第 1 章

13、绪论1.1中央空调的发展1.1.1中央空调现在状况中央空调行业现在存在着巨大的竞争，这种竞争是产品革新所产生的，产 品革新主要围绕低碳环保进行，低碳环保在这个时代有着很重大的意义。 麸肃鹏镟 轿騍镣缚縟糶。传统的中央空调在这个时代已经没有竞争力， 这个行业要想在这个时代生存 下去或者有进一步的发展， 必须要开发新市场。 最近几年， 中央空调企业在变频 多联机市场和单元机市场以及离心机市场等领域进行创新， 引发了在中央空调领 域的进一步的发展。 在中央空调领域， 如何进一步节能， 如何更好的满足人们的 需求，就会在这个领域会有很大的发展，成为这个行业的领跑者。 納畴鳗吶鄖禎銣腻 鰲锬。1.1.2

14、中央空调发展趋势中央空调变频节能是未来的发展目标， 它是提高人们生活质量的首要的发展 方向。“以人为本”是社会发展的基础，对于这个行业也是一样的。变频技术就 是根据人们的需要而产生的， 技术的发展是人类需求和技术发展的内在动力， 所 以，中央空调的变频节能就是要根据人们的需求， 满足社会的发展而开展技术研 究、开发和应用。 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。中央空调变频技术的发展基础是低碳节能和保护环境。 人们生活水平的提高 经常是以牺牲环境为代价的， 我们对此都有深刻的体会， 低碳节能成为经济发展 的要求，中央空调变频节能的未来发展要服从这个大局。 提高中央空调系统的自 动化水平，降低能源浪费，必须要提

15、高中央空调压缩机系统和末段系统的运行的 安全性和经济性。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。持续发展是中央空调变频节能技术发展的目标， 变频技术同人居环境的和谐 发展是建立在节约型社会的技术上，中央空调的发展要对环境的影响尽量减少， 使人们与环境和平共处，真正的实现中央空调行业的可持续发展。 铹鸝饷飾镡閌赀诨 癱骝。青岛理工大学毕业设计(论文)1.2本设计的意义1.2.1设计的主要内容本文首先对中央空调的发展进行了概述，论述了变频节能的重要性。本设计 采用传统 PID 控制，构成温差闭环自动控制系统，通过变频器，实现自动调节 水泵的输出流量达到节能目的。本设计采用 S7-200 可编程控制器作为主控制单

16、元，对基于 USS通信协议的 RS-485 总线控制系统进行了研究，并且进行了组态 设计，最终设计并验证了中央空调变频节能控制系统。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。研究工作的具体内容如下：(1)中央空调结构和工作原理的分析。(2)中央空调系统变频控制分析。(3)PLC的介绍及应用。(4)PID 控制理论分析。(5)设计了基于 RS-485 网络的控制系统。(6)组态设计。(7)文中对冷冻水机组的控制系统进行了硬件和软件的设计，采用西门子 TD200文本显示屏作为人机界面，西门子 S7-200 PLC 作为主控制器，用一台变 频器结合工频供电的方式灵活驱动冷冻水机组的三台水泵。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。1

17、.2.2设计的意义本次控制系统的设计能有效地控制中央空调的主机和系统工作效率， 达到降 低能耗的目的。中央空调进行节能技术改造后， 一年的平均节电率大约会在 30%以上，设计 采用一台变频器控制三台水泵， 每台水泵都可以软启动， 大大的降低了对中央空 调和电网的冲击。设计中引入了软启动 , 不会影响启动时的制冷效果，因为软启 动的时间只有几秒。 此外，空调冷水系统采用温差闭环控制和自动调节， 这可大 大的改善空调的舒适性。 节能系统还具有过流保护功能 , 提高系统的安全可靠性。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。青岛理工大学毕业设计（论文）第 2 章 中央空调系统介绍2.1中央空调结构2.1.1中央空调概

18、述常见的中央空调主要分为单冷型管路系统和热泵型管路系统。 单冷型管路系 统是只在夏季工作， 即制冷产生热量； 热泵型管路系统既能产热又能制冷。 二者 的主要区别只是热泵型管路系统多了电动四通阀的装置， 来调节中央空调制冷剂 的循环方向。本文设计是单冷型管路系统。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。中央空调系统由空气调节系统和冷热源系统组成。 冷热源系统是中央空调系 统至关重要的部分， 其结构、运行方式、 种类等直接影响了中央空调在运行中的 合理性、高效性、经济性。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。2.1.2中央空调结构中央空调系统主要由主机、 制冷剂循环系统、风机盘管系统及控制系统组成。 主机由压缩机、 冷凝器和蒸

19、发器组成； 风机盘管系统为房间输送冷气； 制冷剂循 环系统由冷冻循环系统、 冷却循环系统组成。 最典型的中央空调系统的结构。 如 图 2.1 所示。制冷剂循环系统是能量的主要传递者。 所以， 中央空调控制系统重 要组成部分是对制冷剂循环系统的控制。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。图 2.1 中央空调结构青岛理工大学毕业设计（论文）2.2中央空调系统工作原理2.2.1制冷原理气态制冷剂经压缩机成为高温高压液体后进入冷凝器， 与水或空气进行等压 热交换，变成低温高压液态。 液态制冷剂经干燥过滤器除去水份等杂质， 进入膨 胀阀节流减压， 成为低温低压液态工质， 在蒸发器内气化。 液体气化过程要吸收 气化潜热

20、，而且液体压力不同，其饱和温度也不同，压力越低，饱和温度越低。 例如，1kg 的水，在绝对压力为 0.00087MPa，饱和温度为 5，气化时需要吸收 2488.7KJ热量； 1kg 的氨，在 1 个标准大气压力下，气化时需要吸收 1369.59KJ 热量，温度可抵达 -33.33。因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体 的气化获取所要求的低温。 依此原理， 气化过程吸取冷冻水的热量， 使冷冻水温 度降低。制冷工质在蒸发器内吸取热量， 温度升高变成过热蒸气， 进入压缩机重 复循环过程 1 。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。2.2.2工作原理工程中常用的是蒸汽压缩式制冷循环。 它是由压缩机、 冷凝

21、器、 节流阀和蒸发器组成。 通过制冷循环制冷工质不断吸收周围空气或物体的热量， 从而使室温 内温度的降低，从而达到制冷的目的。工作原理流程图如图 2.2 所示 . 疠骐錾农剎貯 狱颢幗騮。2.2.3 中央空调的控制原理每个房间都会有独立的温度控制器， 度。温度传感器能随时感知房间的温度， 送来的温度与设定的温度进行比较，采用用户可根据自己的需要来设定室内的温 将检测到的温度传送给控制器， 通过传PID 控制，通过变频控制冷冻泵的转速，快速的调节室内的温度，是室温达到设定值。这就是温度闭环反馈系统。原青岛理工大学毕业设计(论文)理如图 2.3 所示. 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。主控制器还要检验系统关

22、键位置的压力、 温度、电流等、 发现异常立即采取 措施并显示故障信息。图 2.3 中央空调控制原理2.3中央空调的评价(1)制冷量中央空调在单位时间内从房间中除去的热量，计量单位 W(瓦) (2)能效比 能效比又称为性能系数，是制冷量与制冷功率之比。国家标准规定， 2500W 空调的能效比标准值为 2.65，2500W 至多 4500W 空调的能效比标准值为 2.70。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。2.4本章小结本章主要分析了中央空调的结构，工作原理， 控制原理，以及中央空调性能 的指标。为下一步对中央空调的各部分的设计奠定基础。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。青岛理工大学毕业设计(论文)第 3 章 中央空

23、调控制系统的硬件设计本章主要对本次设计中用到的硬件进行介绍以及选择，包括主要的变频器， 可编程控制器，温度传感器，人机界面的选择等。通过本章对硬件的设计，可以 基本确定本次设计的基本结构以及各主要部分的组成。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。3.1变频器3.1.1变频器的介绍变频器是结合了微电子技术与变频技术， 通过改变电机工作频率来改变电动 机转速的装置。变频器主要由整流、滤波、逆变、检测单元、微处理单元、驱动 单元等组成。变频器是通过控制绝缘栅双极型晶体管的开断来改变输出的频率， 从而达到电机所需要的转速来控制室内的温度， 从而达到既满足人们的舒适要求 并且节约能源的目的。变频器还具有过流、过压、过

24、载等保护功能。 该栎谖碼戆沖巋 鳧薩锭。图 3.1 变频器变频器主要有三部分组成：整流器、平波回路和逆变器。 整流器：它把工频电源变换为直流电源。逆变器：与整流器的功能相反，将直流电变成交流电。平波回路： 整流和逆变都会产生较大的脉动电压， 为了减少对设备的损坏和 稳定电网，采用电感和电容来吸收脉动电压或电流。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。3.1.2变频调速的原理(1)工频控制介绍早前，国内的中央空调系统， 基本上都采用传统的定流量控制方式。 只要启 动空调主机，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在 50Hz 工频状态下运行。循青岛理工大学毕业设计(论文)环水的流量是一定的， 当负荷变化是， 循环水量

25、不会改变， 也就是不会按照室内 具体温度进行控制， 使室内不会有合理的温度， 既浪费了能源， 也不会使给人们 舒适的生活。这种控制方式非常的简单，但是，这种控制方式存在着很多问题： 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。1在工频的条件下启动大功率的水泵风机等设备会造成很大的启动电流， 影 响电网的稳定性， 也会给中央空调设备造成一定的损坏。 此外且水泵、 风机等设 备一直工作在工频状态下，会造成机械磨损严重，是使用寿命大大缩短。 鰻順褛悦 漚縫冁屜鸭骞。2不管室内的温度如何变化， 中央空调一直都工作在工频状态， 使系统的能 耗始终在最大值处。 很多因素会影响中央空调的负荷， 比如天气变化， 昼夜变化， 室内热

26、源的变化， 人流的多少等都会影响。 这种变化的负荷决定了中央空调的输 出应该是一个变量，必须根据负荷变化来改变空调的输出 2 。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。 (2)电机变频控制计算电机是中央空调的最主要的器件， 就像人体的心脏， 为了中央空调的运行提 供动力，电机也是中央空调最耗电的器件之一。所以，要想降低能耗，合理的给 室内输出冷量就必须控制电机的转速，既通过变频控制转速。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。根据电机转速的公式：n n1(1 s) (3.1)n1 60 f / p (3.2)n1: 同步转速，单位为 r /min ；p: 磁极对数；n: 电动机实际转速；f : 电源频率，单位为 Hz ；s:

27、异步电动机的转差率。根据公式，我们可以知道，通过改变电机的、改变旋转磁场频率 f 、改变电 机极对数 p来改变电机转速，电机对数 p和滑差 s不易改变。因此，我们可以通 过改变电源的频率 p来改变电动机的转速。 从某种意义上说， 变频器就是一个改 变电源频率的交流电源。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。三相异步电机定子每相电动势的有效值是：Eg 4.44 f1 N1Km m (3.3)青岛理工大学毕业设计(论文)式中：Eg ：每相的感应电动势的有效值，单位为 V ；f1：定子频率，单位为 Hz ；N1：定子每相绕组串联匝数；K n1 ：基波绕组系数；m：每极气隙磁通量由公式 (3.3)可知：不改变变 E

28、g和 f1 ，磁通不变。 变频调速需要考虑两种情况：基频以下和基频以上。基频以下调速由(3-3)可知，保持磁通量不变从基频 fm向下调节，同时会降低 Eg ，绕组中 的感应电动势是很难控制的， 但电动势较高，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降， 而认定定子相电压 U1 E ，则得 1/ f 等于常数。 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。低频时， U1和Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显着，不能在忽 略。这时，可以人为的把电压 U 1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。 b 线为带 定子的压降补偿的恒压频比控制特性， a 线为无补偿的。如图 32所示。惬執缉蘿 绅颀阳灣熗鍵。图 3.2 恒压频比控制特性

29、基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从 fm 往上增高，但电压 U1 磁通与频率成反比 的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况青岛理工大学毕业设计（论文）把基频以下和基频以上两种情况合起来， 可得到异步电动机的变频调速控制 特性，如图 3.3 所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都 能长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。 在基频以下， 属于“恒转矩调速”的 调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。图 3.3 异步电动机变频调速控制特性在中央空调水系统中， 最主要的运行设备是水泵。 水泵调速运行节电的理论 之一是水泵学比例律。 幽水泵学比例律可知，

30、 对于同一台水泵， 当以不同转速运 行时，水泵的流量 Q，扬程 H，轴功率 P与转速 n 有如下关系 10嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。Q1n1Q2(3.4)n2H1n1 2( )2(3.5)H2n2P1n1(3.6)P2n2由以上公式知， 转速与流量成正比， 与扬程的平方成正比， 与轴功率立方成 正比。所以，当转速降低时，功率的减少要远比流量的减少量大的多，通过控制 频率的变化， 来控制流量的大小， 这就是变频控制的核心思想。 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。这种控制方式相比传统的控制方法有很多的优点：a 这种控制的启动为软启动，对电网的稳定性影响比较小。b 调速的范围较广。3.1.3变频器的选择变频器是系统

31、的一个关键的器件，所以选择正确的变频器是非常重要的。要 选择变频器，我们首先要熟悉变频器的负载特性。 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。变频器的选择原则：青岛理工大学毕业设计（论文）根据负载特性选择变频器。选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据。容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象， 所以应选择比通常容量 稍大的变频器。 绅薮疮颧訝标販繯轅赛。选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。本设计采用 SIEMENS 公司的 MM400 作为变频器。 MICROMASTER 440 相 比普通的变频器相比应用更加的广泛， 有更高的动态响应。 这些优点可以是系统 有一致的高驱动性能。 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。MM440 有很多的优点：易于调试；易于安装；可由 IT 电源供电；响应是快 速并且可重复；很广的参数的范围；电缆连接简便；模块化设计，配置灵活；有 多个继电器输出； 2 个模拟输出；开关频率高，降低电动机运行的噪音；具有多 个模拟量输；详细的变频器状态信息和完整的信息功能。 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。MM440 保护功能：过压 /欠压保护；变频器过温保护；使用 PTC 通过数字 输入实现电动机过热保护；接地故障保护；短路保