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2、设计摘要中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一,电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载,几乎长期在100负载下运行,造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。本文首先介绍了中央空调的结构和工作原理，然后采用西门子的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，同时又可以节约大量能源。关键词：PLC;中央空调;控制Design of aut

3、omatic control system for central air conditioning system based on PLCAbstractThe central air conditioning system is one of the necessary supporting facilities of modern large-scale buildings. The consumption of electric energy is very large, which accounts for about 50% of the total energy consumpt

4、ion. The frozen host usually in the central air-conditioning system load can automatically according to the change of temperature and load regulation, refrigeration pump and cooling pump matched with the frozen host can automatically adjust the load, almost run 100 under load operation, resulting in

5、 a great waste of energy， but also worsen the operation environment and operation quality of Central air conditioning. This paper first introduces the structure and working principle of central air conditioning, then use SIEMENS S7 200PLC as the main control unit， using the traditional PID control a

6、lgorithm, through the SIEMENS MM440 inverter control pumpspeed ensure system according to the actual situation to adjust load flow, realize constant temperature control， but also can save a lot of energy。Key words：PLC； central air conditioning; control1绪论1.1课题的研究背景随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统己广泛应用于工

7、业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定.已经成为人们生活中的必不可少的工具。目前，全球能源紧张，节能问题自然成为全世界关注的首要问题。从资源总量来看,虽然我国属于资源大国，但长期不合理开发及粗放型的利用,使我国资源正在迅速减少，甚至已经枯竭，所以节能己成为我国一个迫在眉睫的问题.随着社会的进步发展,现代城市化的不断推进，人们对高品质建筑生活环境的要求也越来越高，所以中央空调系统被广泛应用在大型和超大型公共建筑中。这虽然满足了人们对建筑空间的品质要求提供高品质的环境空间的品质要求，但也大大增加了用电能耗。在建筑能耗中，一些西方发达国家中央空调能耗占总能耗

8、的60%-70，而我国建筑总能耗中，中央空调能耗也达到50-60。中央空调系统能源消耗在办公楼、酒店、医院、商场的中占总能耗的比例分别为48%、46%、30%、40而且呈现显著上升趋势，占据了大部分的能源消耗，所以我们必须把中央空调节能研究作为重要的着手点，从而达到节能降耗的目的。当前很多国家已开始制定节能的行动，把建筑是否节能作为评价建筑是否合格的重要内容以及考察建筑物质量优劣的标准，因此，积极开发新能源及高科技节能控制技术的合理应用是节约能源，减少空调能耗的最主要途径，这对节约能源，维护良好的生态环境，推动自然资源的可持续的发展，促进经济增长有着重要意义。随着季节的变化,户外气候和环境条件

9、，太阳光照强度的变化，以及人员流量的变动，实际使用中空调负载的也会不断变化。在传统运行模式下，中央空调系统的制冷机组已拥有比较健全的能能量调节机制，根据负荷的变化，系统可自动调整制冷机组的运行功率，以达到节能的目的。但当前大多数中央空调系统的冷冻水循环系统中还是运用对水菜台数的加减控制来完成对负荷的适应，使得系统的功率消耗能耗不能根据建筑物内实际冷量需求来对应调节，更达不到使得制冷量与实际需求量在变化中的最优匹配以及动态调节，从而使剩余扬程消散在空调末端的控制阀门上，造成能量的浪费。同时在空调部分负荷时，虽然空调末端提供的冷量可以实现以实际需求冷量输出，但冷冻水系统中冷冻水粟的输出功率却没有相

10、对应的减少，即仍是全功率运行。而大多数中央空调系统中，冷水主机、冷冻水栗以及风机的量程范围都是根据全年最大的空调负载进行设置的，也就是说，一年大多数时间，水菜流量量程比正常所需要大一些，导致扬程偏高,从而出现我们常见的中央空调水系统的小温差大流量的情况,这时冷冻水粟一般都是每年保持定流量运行，使得冷冻水系统中大多数的功率消耗都是无效的.根据现在不完全统计数据显示，全国现存建筑中已经安装中央空调系统的有约7万栋，如果全部均釆用节能自控技术，估计可以节约用电量500亿千瓦。1。2 国内外中央空调控制系统的研究现状中央空调在世界上已经有几百年历史了,在中国也有20多年的应用时间，由于对于能源结构的优

11、化与节能减排都已成为各国关注的热点，大量学者也做出了相应的研究工作.由于随着季节变动，中央空调系统的负荷变化较大，因此大型空调系统运行的节能包含多个方面：如低负荷率条件下的冷水机组进行压缩机变频调节可以有效的提高制冷压缩机性能和能效比。由于压缩机低速限制，低负荷条件下运行会导致压缩机频繁启停，压缩机变频运行调节范围窄，压缩机性能和效率显著下降，动态切换策略是一个级联的整合控制结构，通过直观的切换策略以及动态补偿，动态调整压缩机启停阈值以及电子膨胀阀的开度,理论分析表明,当动态补偿器的输出矩阵选择正确，可以有效地提高压缩能效比。空调系统冷负荷与湿负荷的解藕独立控制在一定程度上能够降低空调系统能耗

12、.国外学者 T.T。Chow 等人通过使用遗传算法的方式对吸收式冷机系统的工作状态进行了建模预测分析，并从全局角度出发提出了全局节能最优化参数方案；Wang Y 等人从工程实际应用角度对冷盘管进行数学建模，对整个空调系统进行了模拟和分析;Ahmedo通过分析冷冻水流量中现场控制器的分布于参数，给出了详尽的冷冻水控制方案和在实际工程中的实施应用；Lu L 等人在分析实际空调系统理想的节能潜力的基础上，为空调系统优化设计与运行提供理论，指导建立了冷却和除湿独立控制系统的数学模型,据理想独立除湿系统与实际系统之间的差异,例如热处理方法，换热温差和能源动力运输等。空调末端设备的热惰性是变风量运行控制调

13、节品质不高的关键原因，一种通过提高送风温度的鲁棒预测控制策略被应用于空气处理机组的控制,控制策略使用不确定时滞系统增益，加上时间延迟模型来描述各种天气条件下的空气处理过程的时间延迟和系统增益的不确定性，基于LMI 的鲁棒模型预测控制算法被应用于设计空气处理机组鲁棒控制器同传统的PID控制相比，可以保证良好的鲁棒性,对于各种气候条件都具有良好的适应性，但根据仿真计算结果,基于鲁棒控制的控制策略与传统控制策略相比,其调节品质改善并不显著.天花板辐射冷却面板、风机盘管与 100新风量的混合运行模式可以得到显着的节能减排效果，比传统的VAV控制系统节能率高大约17.3，但系统前期投资也更大，需要进行技

14、术经济性比较。2中央空调控制的原理2。1中央空调系统的结构和原理中央空调系统是一种大型的对建筑物进行集中空气调节并进行管理的设备，一般由空气处理设备、送（回）风机、送(回）风通道、空气分配装置及冷、热源等组成。根据需要，它们能组成不同形式的系统。在工程实际中，应从建筑物的用途和性质,热湿负荷特点、空调机房面积和位置、初投资和运行维修费用等许多方面去考虑，选择合理的空调系统。气态制冷工质（如氟利昂）经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器,与水（空气)进行等压热交换，变成低温高压液态。液态工质经干燥过滤器去除水份、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

15、化潜热,而且液体压力不同，其饱和温度（沸点）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（0.10133MPa）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（一般降为7）.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.2.2中央空调电机的软启动原理及应用电压由零慢慢提升到额定电压，使电机启动的全过程都不存在冲击

16、转矩，而是平滑的启动运行.这就是软启动.电机的软启动可以通过软启动器或者变频器来实现.软起动器是一种集软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检

17、测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的,另外，变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方,其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率.变频器具备所有软起动器功能,但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。软启动器是通过星三角转换来降低启动电流；而变频器是通过改变频率来调节电机的转速的，能降低能耗

18、。变频器也有软启动功能,是通过改变电源频率实现。软启动器只能通过晶闸管调压实现电机软启动、软停车，但不具备调速功能.变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电机控制调速装置。通过变频控制电机运行,是真正的高效调速方式，效率很高。变频器能够实现真正的软启动、软停止和高效调速。两者可以配合使用，大中型供水设备中,常由变频器带动一台泵变速运行,由一台软启动器完成其余各泵开、停操作,变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡，运行中变频与工频可实现平稳切换.3中央空调控制系统的硬件设计3.1 变频器的原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：

19、电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器。整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）.装置容量小时，如果电源

20、和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器：同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出.3。2 西门子MM440变频器性能介绍MICROMASTER 440全新一代用于控制三相交流电动机速度和转矩的多功能标准变频器。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此,它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性.采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护创新的BiCo(内部功能互联）

21、功能有无可比拟的灵活性15。其具有缺省的工厂设置参数,它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置.由于MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。既可用于单独传动系统，也可集成到自动化系统中。变频器适用于各种变速驱动装置。由于它具有高度的灵活性因而可以在广泛的领域得到应用。它尤其适合用于吊车和起重系统、立体仓储系统、食品、饮料和烟草工业以及包装工业的定位系统。3。2.1 主要特征易于安装；易于调试；牢固的EMC设计；可由IT电源供电；对控制信号的响应是快速和可重复的；参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置

22、；电缆连接简便；具有多个继电器输出;具有多个模拟量输出(020mA）；6 个带隔离的数字输入，并可切换可NPN/PNP 接线；2 个模拟输入：1）ADC1：010V，020mA 和-10 至+10V 2）ADC2：010V，020mA；2 个模拟输入可以作为第7 和第8 个数字输入；BICO 技术;模块化设计，配置非常灵活；开关频率高（传动变频器可到16kHz），因而电动机运行的噪音低；内部RS485 接口（端口）；详细的变频器状态信息和完整的信息功能。3。2。2 控制性能的特点最新的IGBT技术；数字微处理器控制；高质量的矢量控制系统;磁通电流控制（FCC）改善动态响应,并且优化电动机的控制

23、；线性V/F特性；平方V/F特性；多点v/f特性(可编程V/F特性）；力矩控制；捕捉再起动；滑差补偿；在电源中断或故障跳闸以后，自动再起动；可以由用户定义的自由功能块,实现逻辑运算和算术运算的操作；动态缓冲;用于定位控制的减速斜坡函数曲线；高品质的PID控制器(具有参数自整定功能），可用于一般的过程控制；可编程的加速/减速斜坡函数，0秒至650秒；斜坡起始段和结束段的平滑功能；快速电流限制（FCL）功能，避免运行中不应有的跳闸;快速、可重复的数字输入响应时间；使用两个高分辨率的10位二进制模拟输入，实现速度精调;复合制动，实现快速制动控制；4个跳转频率.3。3PLC选型可编程逻辑控制器（Pro

24、grammable Logic Controller,PLC），它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。为便于今后系统的改造或者升级,需要留出一定的I/O点以做扩展使用。我们选用西门子S7-200PLC作为主控制器,其中主机型号:CPU226.S7-200 是一种小型的可编程序控制器,适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能.因此S7200系列具有极高的性能/价格比。S7200系

25、列出色表现在以下几个方面：1)极高的可靠性;2）极丰富的指令集；3）易于掌握；4）便捷的操作;5）丰富的内置集成功能；6）实时特性；7)强劲的通讯能力；8）丰富的扩展模块。S7200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能.使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床，磨床,印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制.3.4人机界面设计人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以

26、接受形式之间的转换。在工艺过程日趋复杂、对机器和设备功能的要求不断增加的环境中，获得最大的透明性对操作员来说至关重要.人机界面(HMI)提供了这种透明性16.S7200TD设备是一种低成本的人机界面（HMI）,使操作员或用户能够与应用程序进行交互。可以使用TD设备组态一组层级式用户菜单,从而提供更多应用程序交互结构。您也可以组态TD设备，使其显示由S7200 CPU中的特定位使能的报警或信息。S7-200TD设备是一个2行或4行的文本显示设备，可以连接到S7200CPU。TD设备可用于查看、监视和改变属于您的应用程序的过程变量.我们选用TD200文本显示屏来完成中央空调控制系统的人机界面设计。

27、其提供了四个具有预定义的置位功能的按键，如果使用 SHIFT键,则最多可提供八个置位功能。TD200设备的组态需要完成以下操作：1)STEP 7Micro/WIN 的文本显示向导,创作操作员界面和报警和组态TD设备的参数块;2）TD参数中，选择TD设备的类型、启用CPU功能、选择更新速率、选择语言和字符集和组态按键；3）屏幕设置中，创建用户菜单，定义屏幕;4）报警设置中,选择显示选项,定义报警信息；5)语言集设置中，选择提示和菜单的语言，选择字符集;6)翻译报警和屏幕，把翻译后的信息反馈回报警和屏幕；7）参数块地址设置中，定义参数块的地址，即V存储区。3。5系统硬件设计假设该系统应用在100平

28、米的公寓，根据公寓的冷负荷为114138瓦/平方米来算，大体的空调系统的设备如下：(1）冷冻机主机2台；（2）冷冻水水泵6台，3用3备用，冷冻水水泵功率22千瓦;(3)制冷主机的控制根据自身设定的冷冻水出口温度。此主机的冷冻水出口温度设为7，在其冷冻水入水温度高于7情况下，制冷主机会正常工作；如入水温度达到或接近7时,制冷主机会自动停机.表3-1 中央空调控制系统的环境参数季节舒适度等级温度（）相对湿度（)风速（m/s)冬季222430600。21821600.2夏季242640700。25272840700。25系统主回路示意图、系统电路图、主要设备的端口连接图如下:图31：系统PLC选用西

29、门子S7-200，CPU型号为226。该PLC上集成了通讯接口可供RS-485线缆通讯，并设置了TD200文本显示器，用来显示系统工作状态和报警信息等。变频器MM440可通过串口与PLC通讯。通过变频器的控制来决定冷冻泵的工作频率和工作台数。图3-2：该控制系统分手动和自动模式，手动模式下通过开关的闭合控制电机的运转，自动模式下通过PLC及变频器控制,启动时1#冷冻泵变频启动，当温度条件不满足需要增加工频泵数量时，工频触点吸合1#冷冻泵转为工频运行，2#冷冻泵待机等待启动脉冲信号，当温度条件满足不需要多台冷冻泵工频运行时，工频触点断开减少工频工作台数，变频触点吸合转为变频运行。以此类推。图33

30、：EM231、EM232由PLC L+端口输出的24V电源供电，变频器的3、4接口是用于接受模拟量输入信号，29、30接口用于通过RS-485与PLC通讯。图3-1 中央空调冷冻水循环控制系统主回路连接示意图图32 中央空调控制系统电路图图3-3 中央空调控制系统主要设备的端口连接图4控制系统软件设计4.1PLC的初始设定要实现PLC对变频器的通讯控制，必须对PLC进行编程；通过程序实现PLC对变频器的各种运行控制和数据的采集.图41 初始程序段a网络1:运行开始或I1。0由关到开是清楚标志位,以及参数读写控制位。网络2:运行开始或I1.0由关到开时初始化PORT0为USS通讯。图4-2 初始

31、程序段b网络3：当I1。0由关到开时PORT0恢复为PPI通讯。网络4：控制功能块，通过PLC的输入输出可以控制并诊断驱动器的工作.图4-3 初始程序段c图4-4 初始程序段d网络5:当I1。1有关到开时启动读参数指令.网络6:读取驱动器中的参数R0068(输出电流）图45 初始程序段e网络7：读写操作轮替功能,由于在同一时间USS网络上读参数或写参数只能有一种操作，因此有必要设置读写操作的轮替功能,当读参数完成时M0。3被置1一个扫描周期，从而M1.0复位为0，读参数操作被屏蔽,同时M1。1被置位，开始写参数操作。图4-6 初始程序段f网络8：向驱动器中写参数：P1082=50.0。图4-7 初始程序段g网络9:读写操作轮替，功能同网络7。4。2 PLC主程序流程图图48 程序设计流程图4。3程序设计4.3.1中央空调控制系统的I/O分配表表41 I/O分配表名称地址编号说明输入信号I0。0驱动装置的启动/停止控制I0。1停车信号2，封锁主回路输出，自由停车I0。2停车信号3，快速停车I0.3故障确认I0.4电机运转方向控制I1.0USS通讯和PPI通讯转换I1.1读/写操作开始按钮SAI0.5手动/自动切换按钮SB1I0.6手动模式1#冷冻泵启动按钮SB2I0.7手动模式1#冷冻泵停止按钮SB3I1.2手动模式2#冷冻泵启动按钮SB4I1.3手动模式2