2017畢業(yè)論文-基于plc的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁
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文檔簡介

1、<p>  基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>  摘 要</b></p><p>  隨著我國各行業(yè)不斷地發(fā)展,中央空調(diào)控制系統(tǒng)的使用越來越廣泛。現(xiàn)代醫(yī)院由于其特殊的環(huán)境和特殊的用途,對中央空調(diào)控制系統(tǒng)的需求更是不可或缺。</p><p>  本文介紹了醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。文中首先對中央空調(diào)系統(tǒng)的

2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和原理進(jìn)行了簡單介紹,然后設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)和變頻器的中央空調(diào)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制,可實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的無人值守。PLC通過RS-485總線與工控機(jī)進(jìn)行通信。溫度變量經(jīng)溫度傳感器采集后,送入PLC 的模擬量擴(kuò)展模塊,對采集到的溫度模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換。工控機(jī)采用組態(tài)王開發(fā)人機(jī)界面,實(shí)

3、現(xiàn)水溫?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)報(bào)表輸出等功能。</p><p>  關(guān)鍵詞 中央空調(diào) 變頻調(diào)速 PLC PID</p><p>  THE DESIGN OF HOSPITAL CENTRAL AIR CONDITIONING SYSTEM BASED ON PLC</p><p><b>  ABSTRACT</b></p>

4、<p>  With the continuous development of various industries in China,the central air-conditioning control system used more and more widely.Modern hospital because of its unique environment and special uses,on the de

5、mand for central air-conditioning control system is essential.</p><p>  This article describes the design process of hospital central air conditioning system. In the first part we give the central air-condi

6、tioning systems development in the world,central air conditioning system components and principles a brief introduction.Then I designed the central air conditioning system which based on PLC and Inverter.The system adopt

7、 PLC go on data acquisition and system control,which can realize the central air-conditioning system’s unattended.PLC via RS-485 bus to communica</p><p>  KEY WORDS Central Air-condition Variable Voltage V

8、ariable Frequency PLC PID</p><p><b>  1緒論</b></p><p><b>  1.1引言</b></p><p>  中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一,電能的消耗非常大,約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì),而實(shí)際

9、上在一年中,滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天,甚至十多個(gè)小時(shí),幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載,而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載,幾乎長期在100%負(fù)載下運(yùn)行,造成了能量的極大浪費(fèi),也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。</p><p>  醫(yī)院是一種特殊公眾聚集場所,也是空氣污染較為嚴(yán)重的場所之一。我國中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)有47.1%

10、屬嚴(yán)重污染,有46.7%為中度污染,合格只占62%[1]。醫(yī)院室內(nèi)空氣中浮游的致病細(xì)菌種類多、濃度高,其散發(fā)的病菌極易造成醫(yī)患間的感染。醫(yī)院場所的特殊性決定了醫(yī)院中央空調(diào)的特殊性。科學(xué)、安全地設(shè)計(jì)中央空調(diào)系統(tǒng)對減少細(xì)菌傳播途徑、防止污染擴(kuò)散、減少并控制感染具有重要作用。為此,本文對醫(yī)院中央空調(diào)設(shè)計(jì)、使用、管理作出研究。</p><p>  PLC是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置,是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和

11、通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不僅具有優(yōu)越的控制性能,良好的性能價(jià)格比,而且具有較高的可靠性和抗干擾能力,在自動(dòng)控制各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)普遍[2]。</p><p>  隨著變頻技術(shù)的日益成熟,利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合,構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量,為達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。</p><p>  1.2中央空調(diào)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

12、</p><p>  在變頻調(diào)速技術(shù)用于中央空調(diào)控制系統(tǒng)之前,中央空調(diào)系統(tǒng)的控制方法主要存在以下問題:</p><p>  1.冷卻水系統(tǒng)的不足</p><p>  從設(shè)計(jì)角度考慮,冷卻水泵電機(jī)的容量是按照最大換熱量(即環(huán)境氣溫最高,且所有場所的空調(diào)都開足)的情況下,再取一定的安全系數(shù)來確定的。而通常情況下,由于季節(jié)和晝夜溫差的變化以及開機(jī)數(shù)目的不足,實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小

13、于設(shè)計(jì)值,因此,電機(jī)容量遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷,出現(xiàn)了大馬拉小馬的情況。</p><p>  在從冷卻水流量來考慮,冷卻水的作用是要及時(shí)將冷凝器中的熱量帶走以保證制冷機(jī)能正常工作。從節(jié)能的角度看,只要能保證制冷機(jī)正常工作,冷卻水的流量越小,所做的無用功就越少,節(jié)能也就越明顯。根據(jù)流量公式Q=SV,過去由于轉(zhuǎn)速不能調(diào),只能通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥來改變管道橫切面積S的方式來調(diào)節(jié)流量Q,節(jié)流閥的存在對水流產(chǎn)生阻力,從而產(chǎn)生節(jié)能損耗,并

14、且會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。</p><p>  冷卻水是用冷卻水泵將其送到冷卻搭中去的,由冷卻塔風(fēng)扇對其進(jìn)行噴淋冷卻,與大氣進(jìn)行熱交換,將熱量散發(fā)到大氣中去,這樣會(huì)對中央空調(diào)系統(tǒng)周圍的環(huán)境造成熱島效應(yīng)。</p><p>  2.冷凍水系統(tǒng)的不足</p><p>  冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機(jī)降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調(diào)的各出風(fēng)口處的風(fēng)機(jī)盤管組件中,對環(huán)境起

15、降溫作用,冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比,當(dāng)冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時(shí),冷凍水的流量大,流速也快。因此,當(dāng)冷凍水流過風(fēng)機(jī)盤管組件時(shí),還沒有充分的時(shí)間將所攜冷量全都釋放完,就又返回到制冷機(jī)去了,因此冷凍水泵電機(jī)做了很多無用功,這些都是不必要的能耗。若能夠調(diào)節(jié)冷凍水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷的大小來調(diào)節(jié)冷凍水的流量(實(shí)際上是調(diào)節(jié)交換冷量的大?。┖土魉伲员阕尷鋬鏊陲L(fēng)機(jī)盤管組件中有充分的時(shí)間釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞?,冷凍水泵電機(jī)的功耗可大大降

16、低。</p><p>  3.水泵頻繁開啟的不足</p><p>  通過水泵開啟臺(tái)數(shù)的控制,造成電機(jī)起停頻繁,對設(shè)備長期安全運(yùn)行帶來不利影響,起動(dòng)電流通常為額定值的5倍左右,電機(jī)在如此大的電流沖擊下,進(jìn)行頻繁的起停,對電機(jī)、接觸器觸點(diǎn)、空氣形狀觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧沖擊,也會(huì)給電網(wǎng)帶來一定沖擊,起動(dòng)時(shí)帶來的機(jī)械沖擊和停止時(shí)的承重現(xiàn)象也會(huì)對機(jī)械傳動(dòng)、軸承、閥門等造成疲勞損傷。</p>

17、<p>  原國家經(jīng)貿(mào)委于1994年下發(fā)了763號(hào)文件《關(guān)于加強(qiáng)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造的意見》,鼓勵(lì)支持變頻節(jié)能技術(shù)在各行各業(yè)中推廣使用,使變頻節(jié)能獲得政策上的支持。另外,根據(jù)交流電機(jī)的特性,要實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié),最佳的方法就是采用變頻調(diào)速技術(shù),變頻器是將標(biāo)準(zhǔn)的交流電轉(zhuǎn)成頻率、電壓可變的交流電,供給電機(jī)并能對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。采用變頻調(diào)速技術(shù)對風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能改造,不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費(fèi),而且還會(huì)極大

18、提高控制和調(diào)節(jié)的精度,從而方便地實(shí)現(xiàn)恒溫空調(diào)系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。</p><p>  在近年來出現(xiàn)一些對中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施變頻改造的項(xiàng)目,取得不錯(cuò)的節(jié)能效果。而如何采用更先進(jìn)的控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更加節(jié)能而高效的運(yùn)行值得進(jìn)一步研究。設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制系統(tǒng)要能在各種供冷負(fù)荷條件下高效運(yùn)行,水泵風(fēng)機(jī)等的流量可以隨著負(fù)荷變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變化,用戶側(cè)室溫保持穩(wěn)定,而更重要的是能給投資者帶來良好的投資回報(bào)。</p>&l

19、t;p>  1.3 中央空調(diào)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢</p><p>  我國是一個(gè)人均資源相對貧乏的國家,因此節(jié)能降耗有著十分重要的意義。近年來,由于國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,使我國的能源顯得越來越緊張。</p><p>  變頻節(jié)能空調(diào)近幾年來成為我國空調(diào)市場上的新寵,擁有變頻調(diào)速系統(tǒng)的中央空調(diào)能夠通過溫度反饋改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速使制冷量和環(huán)境達(dá)到一個(gè)平衡,具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點(diǎn)。<

20、;/p><p>  變頻空調(diào)在日本的市場占有率已超過90%以上,在歐美等發(fā)達(dá)國家的市場占有率也超過50%。2009年以來,變頻空調(diào)在我國國內(nèi)市場的發(fā)展更是日新月異,銷售增速達(dá)56.24%,銷量已占空調(diào)總銷量的17.33%。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測,2010年變頻空調(diào)市場份額有望達(dá)25%。</p><p>  據(jù)統(tǒng)計(jì),我國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s4億KW,其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的60%~70%,而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)

21、備裝機(jī)總功率達(dá)1.6億KW,年耗電量3200KW.h,約占當(dāng)年全國電力消耗總量的1/3。而應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般在20%~60%,投資回收期1~3年,經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。所以大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當(dāng)前推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量重要手段,而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。</p><p>  1.4本設(shè)計(jì)的主要工作</p><p>  本設(shè)計(jì)的主要研究工作包括:</p&g

22、t;<p> ?。?)設(shè)計(jì)基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng);</p><p>  (2)采用PLC模擬量輸入單元采集中央空調(diào)水泵水溫?cái)?shù)據(jù),PLC通過RS-485與工控機(jī)通信;</p><p> ?。?)編寫PLC程序,控制中央空調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)備,實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的無人值守;</p><p> ?。?)在工控機(jī)上采用組態(tài)王開發(fā)人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)水溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯

23、示,監(jiān)測并控制中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。</p><p><b>  2系統(tǒng)簡介</b></p><p>  2.1中央空調(diào)系統(tǒng)簡介</p><p>  所謂“中央空調(diào)”是由一臺(tái)主機(jī)通過風(fēng)道過風(fēng)或冷熱水管或管線連接多個(gè)末端的方式來控制不同的房間以達(dá)到室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)。 </p><p>  一般酒店,大型商場用的是風(fēng)管

24、式的中央空調(diào),它的原理是主機(jī)通過通往各個(gè)空間區(qū)域的通風(fēng)管道將處理后的冷熱空氣輸送到位。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低、操控簡便、噪音低,最主要的缺點(diǎn)是:各個(gè)區(qū)域(房間)控溫不準(zhǔn)確。</p><p>  中央空調(diào)的工作原理與家用一樣,都是利用冷媒(運(yùn)輸熱量的媒質(zhì)叫冷媒)的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達(dá)到制冷的效果。</p><p>  中央空調(diào)工作過程如圖2-1所示。</p><p&

25、gt;  圖2-1 中央空調(diào)工作過程</p><p>  中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍主機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)和冷卻塔等組成。</p><p>  工作原理:冷凍主機(jī)是中央空調(diào)的致冷源,從冷凍主機(jī)流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道,通過各房間的盤管,帶走房間內(nèi)的熱量,使房間內(nèi)的溫度下降。冷卻水塔為冷凍主機(jī)提供冷卻水,冷卻水經(jīng)管道盤旋流過冷凍主機(jī)后,將帶走冷凍

26、主機(jī)所產(chǎn)生的熱量,使冷凍主機(jī)降溫。</p><p>  中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)有3種控制方式:早期的繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器(Direct Digital Controller,DDC) 和PLC控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗高等明顯的缺點(diǎn)已逐漸被人們淘汰;DDC雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展,但由于DDC 本身的抗干擾能力問題和分級(jí)分步式結(jié)構(gòu)的局限性限制了其應(yīng)用范圍;PLC 控制系統(tǒng)以其

27、運(yùn)行可靠、使用與維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等顯著優(yōu)點(diǎn)而逐步得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>  本次設(shè)計(jì)的中央空調(diào)系統(tǒng)由3臺(tái)冷卻水泵、3 臺(tái)冷凍水泵、1 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)、2 臺(tái)冷水機(jī)組等主要設(shè)備組成。如圖2-2所示,其中,冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器與蒸發(fā)器組成,由微處理器自動(dòng)控制。</p><p>  圖2-2 系統(tǒng)原理圖</p><p><b&

28、gt;  2.2工藝流程</b></p><p>  冷水機(jī)組壓縮機(jī)把制冷劑壓縮,壓縮后的制冷劑進(jìn)入冷凝器,被冷卻水冷卻后變成液體,析出的熱量由冷卻水帶走,并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收熱量,使冷凍水降溫,然后冷凍水進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量。如此循環(huán)不已,把室內(nèi)的熱量帶出,達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的[3]。</p><p><b>  2

29、.3控制要求</b></p><p>  控制系統(tǒng)的基本操作功能設(shè)置為手動(dòng)和自動(dòng)兩種選擇,手動(dòng)功能主要是對設(shè)備單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)保養(yǎng)時(shí)所選用,而自動(dòng)功能是由車間內(nèi)的各組空調(diào)處理機(jī)組或新風(fēng)機(jī)組的啟停來控制泵組工作的。在手動(dòng)或自動(dòng)的啟停操作時(shí),冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、制冷機(jī)組在設(shè)定的時(shí)間內(nèi),按照順逆程序進(jìn)行啟動(dòng)和停止,并且在任何功能中有操作錯(cuò)誤時(shí)均為無效,以確保各組設(shè)備保持正常的操作狀態(tài)。主要的控制要求

30、有以下幾點(diǎn):</p><p> ?。?)測量冷凍水供回水溫度及流量,從而計(jì)算空調(diào)實(shí)際的冷負(fù)荷,根據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷來決定冷水機(jī)組的開啟臺(tái)數(shù),達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)。</p><p>  (2)各設(shè)備的程序聯(lián)動(dòng)。啟動(dòng):冷卻塔風(fēng)機(jī)—冷卻水泵—冷凍水泵—冷水機(jī)組;停止:冷水機(jī)組—冷凍水泵—冷卻水泵—冷卻塔風(fēng)機(jī)。當(dāng)其中一臺(tái)冷卻水泵/冷凍水泵出現(xiàn)故障時(shí),備用冷卻水泵/冷凍水泵會(huì)自動(dòng)投入工作。</p>

31、;<p> ?。?)測量冷凍水系統(tǒng)供回水管的壓差△P=P1- P2控制其旁通閥(TV)的開口度,使其維持壓差。</p><p><b>  3系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>  3.1設(shè)計(jì)原則</b></p><p> ?。?)最大限度地滿足被控對象的控制要求</p><p>

32、;  N 充分發(fā)揮PLC的功能,最大限度地滿足被控對象的控制要求,是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的首要前提,這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究,收集控制現(xiàn)場的資料,收集相關(guān)先進(jìn)的國內(nèi)、國外資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合,擬定控制方案,共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問題和疑難問題。</p><p> ?。╱Q'`UK2)保證PLC控制系統(tǒng)安

33、全可靠</p><p>  P+b0g#a^\ bL"u保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮,以確??刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如:應(yīng)該保證PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行,而且在非正常情況下(如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等),也能正常工作。</p><p>  (~Mn"CIeNm1

34、s|"3)力求簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便</p><p>  一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此,在滿足控制要求的前提下,一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益,另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì),而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低,不宜盲目追求自動(dòng)化和

35、高指標(biāo)。</p><p> ?。∟m ]HR14)適應(yīng)發(fā)展的需要&A EU[ ucS</p><p>  ?Dv)W/dTd3nD由于技術(shù)的不斷發(fā)展,控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高,設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí),要適當(dāng)留有裕量,以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。</p><p&g

36、t;  硬件電路主要實(shí)現(xiàn):信號(hào)采集,控制信號(hào)輸出,水泵控制,故障報(bào)警等功能。其系統(tǒng)邏輯框圖如圖3-1所示。</p><p><b>  3.2硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>  3.2.1 PLC選型</p><p>  空調(diào)變頻控制系統(tǒng)選配的SIMATIC S7-200 PLC主要由CPU226模塊(24DI/16DO)、模擬量輸入EM23

37、1模塊(4AI)和模擬量輸出EM232模塊(2AO)三部分組成。</p><p>  圖3-1 系統(tǒng)邏輯框圖</p><p>  S7-200系列PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活,具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛,覆蓋所有與自動(dòng)檢測、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域,包括電力設(shè)施、民用設(shè)施、機(jī)械、機(jī)床等領(lǐng)域。S7-200系列P

38、LC具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內(nèi)置豐富的集成功能、實(shí)時(shí)特性,強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論是在獨(dú)立運(yùn)行中,或相連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。所以它具有極高的性價(jià)比。</p><p>  CPU模塊不斷地采集輸入信號(hào),通過執(zhí)行用戶程序,去刷新系統(tǒng)的輸出。輸入和輸出模塊,是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。通過一臺(tái)安裝有STEP7-Micro/WIN32編

39、程軟件的計(jì)算機(jī)、一根連接計(jì)算機(jī)和PLC的PC/PPI通訊電纜,即可對S7-200進(jìn)行用戶編程。</p><p>  為了滿足以上所介紹的空調(diào)控制工藝要求,整個(gè)控制系統(tǒng)需要的I/O 點(diǎn)分別是18 點(diǎn)和15點(diǎn)。為了便于今后系統(tǒng)的改造或者升級(jí)留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時(shí)使用。根據(jù)以上具體要求,我們選用西門子的S7-200PLC作為核心控制器。其中主機(jī):CPU226 為24 輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn);模擬量擴(kuò)

40、展模塊:4道模擬量輸入點(diǎn);數(shù)字量擴(kuò)展模塊:2道數(shù)字量輸出點(diǎn);共計(jì)28道輸入點(diǎn),實(shí)際用18道,10道備用;18道輸出點(diǎn),實(shí)際用15道,3道備用。有RS-485通訊端口,并配有STEP7編程軟件,可以通過PC 機(jī)對其進(jìn)行編程輸入[4]。該軟件還能在PLC 運(yùn)行時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀況。再有結(jié)合人機(jī)界面直接操作,配置結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。</p><p>  圖3-2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置</p><p&g

41、t;  此外該控制器獨(dú)到之處還有強(qiáng)大的指令集令包括位邏輯指令、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、通訊指令以及和智能模塊配合的指令等;豐富強(qiáng)大的通訊功能,包括以太網(wǎng)通訊在內(nèi)等。</p><p>  3.2.2變頻器的選擇</p><p>  常規(guī)設(shè)計(jì)的交流電動(dòng)機(jī),通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。此時(shí),軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率都可以達(dá)到額定值。在變頻調(diào)速的情況下,供電頻率是變化的,電機(jī)的實(shí)

42、際輸出也會(huì)變化。由于變頻器有一定的通用性,因此在與不同拖動(dòng)場合的電機(jī)配合時(shí),需要選配相應(yīng)的變頻器。</p><p>  在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的情況下,變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動(dòng)機(jī)的額定電流,或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率。根據(jù)以上的介紹以及系統(tǒng)功能的需求,本文選擇了三菱FR-A540變頻器。</p><p>  本系統(tǒng)所用的單臺(tái)水泵功率為2.

43、2kW。三菱FR-A540變頻器的容量為0.4kW~7.5kW。由于本系統(tǒng)采用的是一臺(tái)變頻器只為一臺(tái)電機(jī)提供電源,即一臺(tái)變頻器對應(yīng)一臺(tái)水泵,所以三菱FR-A540的功率以足夠勝任。并且三菱FR-A540變頻器性能可靠,價(jià)格低廉,市場占有份額大,便于購買。所以選擇三菱FR-A540作為本系統(tǒng)的變頻器[5]。</p><p>  3.2.3輸入輸出點(diǎn)地址分配</p><p>  表3-1 輸入

44、輸出地址分配表</p><p><b>  3.3軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>  系統(tǒng)軟件由初始化程序、主程序和中斷服務(wù)程序三部分組成。主程序主要對存儲(chǔ)區(qū)標(biāo)志位、緩沖區(qū)、定時(shí)器和PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行初始化。子程序由PID調(diào)節(jié)子程序和尋找最佳工作模式子程序組成。</p><p>  PLC控制下變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,PLC是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的

45、關(guān)鍵部件。其作用是協(xié)調(diào)各機(jī)組與變頻器之間的電氣連接,通過接觸器與變頻器的繼電器和接觸器進(jìn)行邏輯切換來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案。PLC的輸入信號(hào)有機(jī)組選擇信號(hào)、運(yùn)行方式選擇信號(hào)、冷卻塔和主機(jī)開/關(guān)信號(hào)、冷凍泵和冷卻泵的起/停信號(hào)等。輸入信號(hào)經(jīng)程序運(yùn)算,發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào),經(jīng)微型繼電器及相應(yīng)的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行,以及聲、光報(bào)警器件的動(dòng)作。PLC軟件程序設(shè)計(jì)采用梯形圖語言編程,直觀易懂。</p><

46、p>  通常情況下,變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機(jī)組及溫度檢測裝置組成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。PLC用I/O擴(kuò)展板接口分別接入A/D和D/A從模塊。A/D模塊通過PLC將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,D/A模塊將PLC輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量,以控制變頻器升速過程及降速過程。需要注意的是,在水泵進(jìn)行工頻和變頻電網(wǎng)的切換過程盡可能快,各接觸器間互鎖和動(dòng)作時(shí)間要設(shè)置好。</p><p>  本系統(tǒng)

47、是利用電壓信號(hào)控制變頻器,進(jìn)而控制水泵轉(zhuǎn)速和溫度。控制程序采用PID控制算法控制輸出電壓。其中子程序SBR-0為1號(hào)變頻器的電壓控制參數(shù);SBR-1為2號(hào)變頻器的電壓控制參數(shù)。主程序OBI分別調(diào)用SBR-0,SBR-1子程序塊傳送PID控制參數(shù)。定時(shí)中斷0為每10毫秒中斷一次,進(jìn)入INT-0。中斷服務(wù)程序INT-0對2個(gè)變頻器分別控制。</p><p>  表3-2 內(nèi)存變量分配</p><p

48、>  3.3.1 PLC編程軟件</p><p>  該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言,即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言。語句表(STL)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言,特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員,它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序,屬于面向機(jī)器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖,是應(yīng)用最多的一種編程語言,與計(jì)算機(jī)語言相比

49、,梯形圖可以看作是PLC的高級(jí)語言,幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯,因此,它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受。PLC控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成,程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成,編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC,控制任務(wù)的完成,是通過在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。</p><p>  S7-200的編程語言是STEP7,它是用于S7系列PLC進(jìn)行編程

50、、調(diào)試的全新軟件,它是在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC1131-3的基礎(chǔ)上建立的,可以用LAD,CSF和STL來編程。通過STEP7編程軟件,不僅可以非常方便的使用梯形圖和語句表等形式進(jìn)行離線編程,經(jīng)過編譯后通過轉(zhuǎn)接電纜直接下載入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行,而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí),還可以在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況,給調(diào)試工作也帶來極大的方便。STEP7軟件的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)試功能很強(qiáng)大,不僅能在線讀取數(shù)據(jù),而且能在線修改過程數(shù)據(jù),對于調(diào)試大型復(fù)雜控制程

51、序非常有效。STEP7軟件還附帶一些控制程序模塊,如P功調(diào)節(jié)模塊,這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用,實(shí)現(xiàn)不同功能[6]。</p><p>  3.3.2主程序設(shè)計(jì)</p><p>  在本系統(tǒng)中,PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)(按鈕、繼電器)的輸入,判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器等器件,以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。</p><p>  P

52、LC程序設(shè)計(jì)共有四個(gè)模塊:</p><p> ?。?)控制按鈕模塊主要處理各電機(jī)和電磁閥的啟??刂啤?lt;/p><p> ?。?)報(bào)警處理模塊主要處理變頻器的故障報(bào)警和報(bào)警信息。</p><p> ?。?)變頻器給定模塊將處理變頻器的工作模式,調(diào)用變頻器設(shè)定模塊。</p><p> ?。?)變頻器設(shè)定模塊,是接受由模擬量輸入模塊(EM231)接

53、受速度傳感器轉(zhuǎn)換而來的信號(hào),與頻率給定值進(jìn)行比較后再作為輸入信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量給變頻器PLC主程序設(shè)計(jì),當(dāng)PLC的主程序開始運(yùn)行之后,就處于反復(fù)的循環(huán)執(zhí)行之中,每一次循環(huán)被稱為一次掃描:即對主程序的語句逐條掃描執(zhí)行。主程序主要完成初始化、遙信自處理、通信處理三方面的工作。只有第一次掃描才執(zhí)行初始化程序,然后進(jìn)行遙信自處理程序,若有通信要求,則進(jìn)行通信處理,否則結(jié)束主程序,完成一次掃描工作[7]。</p><p&

54、gt;  PLC程序的運(yùn)行方式為循環(huán)掃描式,因此將主要功能模塊設(shè)計(jì)成主程序,如圖3-3,在每一掃描周期內(nèi)該主程序均被執(zhí)行,而壓縮機(jī)啟停順序生成模塊則設(shè)計(jì)成子程序供調(diào)用。</p><p>  圖3-3 主程序流程圖</p><p>  3.3.3壓縮機(jī)啟停順序生成及實(shí)現(xiàn)</p><p>  用常規(guī)元件控制的電控箱,壓縮機(jī)的啟動(dòng)順序一般是固定的,也有部分電控箱(進(jìn)口機(jī)組

55、居多)是由一撥動(dòng)開關(guān)人為控制。采用PLC控制后,壓縮機(jī)的啟動(dòng)順序有PLC按壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長短自動(dòng)生成。當(dāng)機(jī)組在第一臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)前,調(diào)用壓縮機(jī)的啟停順序生成子程序,得到3臺(tái)壓縮機(jī)的啟停順序,分別存于開關(guān)數(shù)據(jù)單元。</p><p>  主程序調(diào)用子程序是的參數(shù)傳遞采用公用參數(shù)的方式傳遞。即主程序及子程序訪問相同的數(shù)據(jù)區(qū)域及其寄存器[5]。</p><p>  3.3.4參數(shù)設(shè)置、顯示、保護(hù)、

56、報(bào)警等功能實(shí)現(xiàn)</p><p>  機(jī)組運(yùn)行的各參數(shù)從PLC的輸入端讀取,在每次讀取后通過程序直接寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器。在開關(guān)設(shè)置上,將系統(tǒng)的默認(rèn)值設(shè)置成不需要按下任何開關(guān),既方便用戶,也使現(xiàn)場安裝后忘記設(shè)置這些開關(guān)時(shí),系統(tǒng)可以最佳的狀態(tài)運(yùn)行。</p><p>  機(jī)組設(shè)置總運(yùn)行、故障輸出,壓縮機(jī)單機(jī)的運(yùn)行、故障狀態(tài)可選項(xiàng),其輸出可以接也可以不接。當(dāng)程序檢測到某壓縮機(jī)有故障(高低壓保護(hù)、

57、過載)時(shí),會(huì)對故障自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),達(dá)到設(shè)定的故障次數(shù)后,將自動(dòng)停止該臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行,同時(shí)機(jī)組輸出故障報(bào)警信號(hào)[6]。</p><p><b>  3.3.5程序設(shè)計(jì)</b></p><p>  程序采用梯形圖的形式,它沿用了繼電器的觸點(diǎn)和線圈等符號(hào),圖形表示易于理解。部分梯形圖程序如下:(完整程序見附錄)</p><p>  圖3-5 冷卻水系

58、統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序梯形圖</p><p><b>  4監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>  4.1軟件選取</b></p><p>  4.1.1組態(tài)軟件的特點(diǎn)</p><p>  隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高,計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,人們對工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高,種類繁多的控制設(shè)

59、備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時(shí),當(dāng)工業(yè)被控對象一旦有變動(dòng),就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序,導(dǎo)致其開發(fā)周期長;已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個(gè)控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用率很低,導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴;在修改工控軟件的源程序時(shí),倘若原來的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí),則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改,因而更是相當(dāng)困難。通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程

60、問題提供了一種嶄新的方法,因?yàn)樗軌蚝芎玫亟鉀Q傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題,使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài),完成最終的自動(dòng)化控制工程。</p><p>  4.1.2常見組態(tài)軟件的比較</p><p>  從目前國內(nèi)組態(tài)軟件市場看,是國內(nèi)組態(tài)軟件品牌和國外品牌同時(shí)并存的局面。這種局面,應(yīng)該說在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)還要長期存在。組態(tài)軟件市場經(jīng)過10余年的培育和發(fā)展,目前正

61、處在一個(gè)蓬勃發(fā)展的成長階段,用戶對組態(tài)軟件產(chǎn)品接受程度也日益增加。用戶正面臨從產(chǎn)品接受度到品牌接受度的轉(zhuǎn)變期。隨著市場競爭的加劇和一些先期發(fā)展的品牌市場推廣力度的加大,組態(tài)軟件市場對新進(jìn)入者會(huì)增加越來越高的門檻。從各家組態(tài)軟件市場看,現(xiàn)在主要有以下品牌:</p><p>  (1)國際品牌:iFix 、Intouch 、WinCC。</p><p> ?。?)國內(nèi)品牌:組態(tài)王、MCGS 、

62、力控、FameView 、世紀(jì)星。</p><p>  從使用方便和性價(jià)比的角度來說,選取國內(nèi)組態(tài)軟件還是不錯(cuò)的。組態(tài)王是國內(nèi)最早、裝機(jī)量最多的組態(tài)軟件。主要優(yōu)勢如下:(1)品牌知名度,在許多項(xiàng)目中,往往是國外組態(tài)軟件的替代品,而且只要是接觸過組態(tài)軟件,基本上都知道組態(tài)王;(2)辦事處多,本地化服務(wù)能力強(qiáng);(3)驅(qū)動(dòng)豐富而且一般都比較可靠??梢娊M態(tài)王完全能夠完成本次設(shè)計(jì)的組態(tài)部分。</p><

63、p><b>  4.2仿真</b></p><p>  本設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的部分監(jiān)控仿真圖如下圖所示:</p><p>  圖4-1 系統(tǒng)運(yùn)行主界圖</p><p>  在系統(tǒng)主畫面中,組態(tài)了系統(tǒng)所用的的所有設(shè)備,并能夠顯示設(shè)備狀態(tài)。工作人員只需在監(jiān)控室,就能夠掌握所有設(shè)備的運(yùn)行狀況以及所需要的信息。</p><p>

64、  圖4-2空調(diào)控制系統(tǒng)</p><p><b>  結(jié)束語</b></p><p>  本文闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化控制和節(jié)能設(shè)計(jì)的基本思路和方法,介紹了交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn),在中央空調(diào)變頻調(diào)速中應(yīng)用了PID算法,對系統(tǒng)的主回路和控制回路的硬件應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹,完成硬件和軟件的設(shè)計(jì),通過模擬量檢測電路檢測冷凍水和冷卻水的溫度,并經(jīng)過分析處理后,數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器

65、顯示。</p><p>  本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),PLC主模塊及擴(kuò)展模塊的選擇能滿足系統(tǒng)的需要,輸入、輸出點(diǎn)數(shù)留有一定的裕量,以滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的要求。模擬量采集采用PT100和變送器組合,通過EM231與PLC相連,在可靠性,精度方面都能達(dá)到要求。由于邏輯功能通過軟件實(shí)現(xiàn),從而減少了大量的中間連線,完善了連鎖保護(hù)功能,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此系統(tǒng)具有開放性好、可擴(kuò)充能力強(qiáng)、可靠性高、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),具有

66、良好的發(fā)展前景。</p><p>  本課題主要是對空調(diào)出口溫度進(jìn)行檢測,采用變頻器調(diào)節(jié)中央空調(diào)的轉(zhuǎn)速,使其高效運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能的目的。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng),并且采用PLC和PID調(diào)節(jié)對系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制,可以大大節(jié)約電能,對系統(tǒng)的起動(dòng)特性和運(yùn)行特性都有很大的改善。并且頻率下調(diào)后,電機(jī)避免了長期高速的運(yùn)行,有效地延長了電機(jī)和機(jī)組的壽命。</p><p>  本課題具有較好的實(shí)用價(jià)值

67、和發(fā)展前景,值得進(jìn)一步的研究和完善。</p><p><b>  致 謝</b></p><p>  大學(xué)四年,人生經(jīng)歷與知識(shí)都受益良多,我滿懷感激。</p><p>  首先感謝鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院提供給我這次難得的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì),因此在大學(xué)的學(xué)習(xí)過程中,無論是基礎(chǔ)課、專業(yè)課,還是課程實(shí)踐,我都盡全力而為,收獲甚多。通過近4年的學(xué)習(xí),我的專

68、業(yè)知識(shí)水平無論在理論上,還是在實(shí)際研究能力上,都進(jìn)了一大步。我將永遠(yuǎn)記住我的母校。</p><p>  其次,感謝導(dǎo)師李金城老師給予我們的悉心指導(dǎo)和照顧,他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度與治學(xué)精神仍將是我今后學(xué)習(xí)的方向。在本畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中李老師從生活上、資料收集上給予了我們大力支持,給我們提供了一個(gè)優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;更是從選題、到修改、直至設(shè)計(jì)上都不斷的給予我關(guān)鍵性的點(diǎn)撥,使我在論文寫作的迷茫中豁然開朗。感謝李老師在開題與論文

69、修改過程中提出的中肯建議,拓展了本文的思路,加強(qiáng)了論文的邏輯性,亦令我受益匪淺。這些都是本論文得以完成的基礎(chǔ)。</p><p>  在畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束之際,我在此對電氣信息工程學(xué)院,對李金城老師以及所有為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供幫助的老師們致以崇高的敬意和真心的感謝。</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  [1]陳曉東.中央空

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