PLC的空調控制系統(tǒng)

PLC的空調控制系統(tǒng)摘要：中央空調是一個完整的復雜系統(tǒng)，設備僅僅是系統(tǒng)組成中的一個部件，僅是依靠部件節(jié)能，系統(tǒng)不設法降低能耗，最終的節(jié)能目的也是無法實現(xiàn)的。因此，中央空調的智能控制系統(tǒng)在節(jié)能方面起到了關鍵的作用。本文針對中央空調要求系統(tǒng)穩(wěn)定運行且能達到節(jié)能的控制要求，設計了自動與手動兩種不同的控制方式，在系統(tǒng)正常運行的情況下，自動控制是控制系統(tǒng)的主要控制模式，系統(tǒng)運行在該模式時，系統(tǒng)根據(jù)200PLC中所編寫的控制程序，以回水溫度為輸入量來調節(jié)循環(huán)水泵轉速以達到控制冷水機組的加機與減機，從而實現(xiàn)房間內溫度滿足人們舒適度要求的前提下兼顧節(jié)能的目的。關鍵詞：控制系統(tǒng)；中央空調；PLC

目錄前言 31PLC的結構及工作原理 31.1PLC的基本結構 31.2PLC的工作原理 42中央空調控制系統(tǒng)的總體設計 62.1系統(tǒng)總體設計方案 62.2系統(tǒng)設計原則及步驟 73中央空調控制系統(tǒng)的具體設計與分析 83.1系統(tǒng)硬件選型介紹 83.3.1PLC硬件及軟件介紹 83.1.2變頻器選型介紹 113.2控制柜回路設計 123.3程序設計 133.3.1主程序設計 133.3.2初始化及模糊PID控制子程序 143.3.3電機變頻和工頻控制程序 15結語 17參考文獻 18前言隨著我國經濟的迅猛發(fā)展以及人民生活質量的顯著提高，我國建筑的數(shù)量以及規(guī)模都取得了飛速的發(fā)展，尤其是近幾十年，智能建筑飛速發(fā)展，大量的新型建筑都采用中央空調來為房間內提供一個舒適的環(huán)境或是用來滿足工藝要求。但是中央空調的高耗能在資源日益緊張的今天也是一個不容忽視的問題，中央空調高耗能的情況以及如何提高能源的利用率也是國內外學者研究的重要課題，這直接關系到國家的可持續(xù)發(fā)展。1PLC的結構及工作原理在近代，微電子技術、計算機通信技術的發(fā)展以及工業(yè)控制自動化的進步的同時，相應的控制要求也越來越高。PLC不再僅僅只是實現(xiàn)開關量、順序、邏輯上的控制，同時還擁有了模擬量控制、強大的過程控制功能和遠程通訊能力。PLC以嵌入式的CPU作為核心，再配有輸入輸出以及通信等模塊，因此應用于工業(yè)控制的各個領域。小型PLC在結構上普遍是一體化，主要應用于簡單的自動化控制；大中型PLC普遍是模塊化，在擁有了小型PLC的功能之外，同時增強了數(shù)據(jù)處理以及網(wǎng)絡通訊的能力，能夠組成大規(guī)模復雜程度較高的控制系統(tǒng)。PLC由于它的可靠性、穩(wěn)定性、編程簡單等優(yōu)點在現(xiàn)代的自動化領域得到了廣泛的推廣應用。1.1PLC的基本結構PLC與計算機從硬件的組成上看有一定的相似之處，包括CPU、存儲器、輸入輸出接口以及電源等組成部分。它的結構圖如圖1所示：（1）CPU：這是PLC的核心部分，控制著程序的接收處理以及存儲，由微處理器以及控制接口電路等組成。PLC所擁有的功能是由與它自身所配置的微處理器的位數(shù)決定的，PLC的功能越強大，選用的CPU的位數(shù)就越高。CPU具有更強大的運算能力，處理速度。（2）存儲器：包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器，前者是存儲廠家編寫的系統(tǒng)程序，這些程序是為了實現(xiàn)PLC的功能而存在的，用戶無法直接改寫；后者又包含程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，分別用于保存用戶編寫的應用程序和程序運行時產生的數(shù)據(jù)，用戶程序可以根據(jù)現(xiàn)場的要求做出更改達到控制要求。（3）輸入輸出接口：I/O接口用于PLC跟外界進行通信，實際的控制過程中所產生的信號是各式各樣的，信號的電平大小也各不相同，PLC所處理的信號是有一定標準的，所以輸入模塊將這些來自現(xiàn)場的信號轉換為CPU所能處理的標準信號。輸入接口是CPU與現(xiàn)場設備之間的紐帶，起著傳遞信號的作用。（4）電源：PLC一般都會內部配置性能穩(wěn)定、抗干擾能力較好的開關穩(wěn)壓電源的電源模塊，這個電源為PLC的CPU和存儲器等提供所需的電流。其電源部件穩(wěn)壓良好，對外部電源要求不高，允許外部電壓波動范圍為+10%~-15%。小型PLC一般沒有抓用的電源部件，大型PLC會配備專用的電源模塊。圖1PLC基本結構圖1.2PLC的工作原理PLC在工作方式上跟計算機有著較多的不同之處，PLC工作方式不同于計算機的中斷等待方式，其采用的在系統(tǒng)軟件作用下的循環(huán)掃描的工作方式。PLC在啟動后，PLC會按照存儲在存儲器中的工程師所編寫的程序從第一條指令順序執(zhí)行，執(zhí)行到結束符時開始轉到程序的開始，周而復始的對程序進行掃描。PLC的掃描周期大致可概括為輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。其工作過程如圖4-3所示：圖2PLC工作過程示意圖（1）輸入刷新階段：PLC將從現(xiàn)場得到的數(shù)據(jù)信息通過輸入接口保存到存儲器相應的單元當中。輸入信號按照外部是否受壓以“0”或“1”的方式保存在輸入映像寄存器區(qū)（I區(qū)），這個過程稱為輸入刷新階段。一旦進入輸入刷新階段后，本個掃描周期還未執(zhí)行完成，外部的狀態(tài)點的變化不會引起輸入映像寄存器區(qū)中狀態(tài)的變化。（2）程序執(zhí)行階段：PLC會將用戶采用梯形圖語言所編寫的程序從上到下、從左往右，按照順序執(zhí)行的方式進行掃描。在掃描的過程當中會對數(shù)據(jù)信息按照程序進行相應的邏輯運算或算術運算，將得到的結果暫存在相應的存儲單元當中。PLC與繼電器電路有著根本的不同，體現(xiàn)在PLC按照順序執(zhí)行的方式對程序進行掃描，邏輯運算的結果會對后面的邏輯運算有影響，但是此處下方的邏輯運算得到的結果必須等到下一個周期才會對上方的狀態(tài)有影響。而且不會像繼電器電路那樣會產生電磁干擾，兩個相互之間沒有關系的操作在整個用戶程序中的位置是無關緊要的。（3）輸出刷新階段：在這個階段PLC會將程序執(zhí)行的處理結果輸送到輸出鎖存器當中，通過輸出電路轉化為相應的電壓或電流信號輸出到外部的執(zhí)行元件，完成相應的操作。PLC在完成這個階段之后，CPU會自動進入下一個掃描周期。2中央空調控制系統(tǒng)的總體設計2.1系統(tǒng)總體設計方案從中央空調冷凍水系統(tǒng)的發(fā)展來看，它的控制方式主要有以下三種控制方式：第一，繼電器控制系統(tǒng)，但是繼電器自身所具有的缺陷致使控制系統(tǒng)的故障率相對較高，整個系統(tǒng)的復雜性也較高，且存在著能耗較高等顯著的缺陷，因此已經被逐漸淘汰；第二，DDC（直接數(shù)字控制）它是采用微型處理器實現(xiàn)其邏輯控制功能，其最大的特點就是從參數(shù)采集、數(shù)據(jù)傳輸一直到控制等各個環(huán)節(jié)都是通過數(shù)字控制實現(xiàn)的，但是因為DDC自身存在著抗干擾能力有限的問題限制了其應用范圍。第三，PLC控制系統(tǒng)，相對于前面兩種方式而言，它運行穩(wěn)定可靠，維護容易，具有極好的抗干擾能力等優(yōu)點決定了它在控制系統(tǒng)中的廣泛應用。目前，中央空調水系統(tǒng)循環(huán)水泵采用的是自耦變壓器降壓啟動的方式，這種方式是在電機啟動時借助于自耦變壓器以降低啟動電壓，啟動后再將自耦變壓器和電機分離，隨后電機滿負荷工頻工作，這樣的工作方式不僅能耗大而且嚴重縮短了電機的壽命，不能實現(xiàn)自動控制的目的，只能通過人工觀察和經驗判斷來控制運行水泵的加減，人力成本和勞動復雜度都提高而且不能保證系統(tǒng)運行的可靠性。因此，在能源緊張、國家大力提倡節(jié)能減排的背景下，中央空調水系統(tǒng)采用變頻技術有巨大的經濟和社會效益。本文中我們保留了系統(tǒng)自耦變壓器降壓啟動的方式，在這個基礎之上，我們探究利用變頻技術來實現(xiàn)調節(jié)循環(huán)水泵轉速、加減機的時機以及運行的數(shù)目，以達到提高中央空調水系統(tǒng)能源利用效率和保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。為實現(xiàn)自動控制：首先，我們使用PLC（可編程邏輯控制器）作為核心的變頻控制柜，從而我們就可以用PLC和變頻器實現(xiàn)對水系統(tǒng)進行控制；再次，在水循環(huán)系統(tǒng)回水處添加溫度傳感器對回水溫度進行采樣作為反饋信號；最后，采用模糊PID控制策略對中央空調系統(tǒng)進行變頻智能控制。在本文中我們將PLC選作循環(huán)水系統(tǒng)的CPU，它起了總體控制的功能，中央空調水系統(tǒng)中將通過安裝在出回水管道口的溫度傳感器得到的出水和回水的溫度轉換完成后輸入到PLC中，它將得到的信號跟設定值進行比較，將得到的結果進行相應的模糊PID運算，處理完成后將最后的結果傳送到變頻器中，其將得到的信號按照相應的程序來改變輸入的電源頻率達到調整水泵轉速的目的。變頻器調速電流信號和輸出的頻率信號都必須經過A/D轉換模塊進行轉換。2.2系統(tǒng)設計原則及步驟基于PLC的系統(tǒng)或設備裝置普遍應用于環(huán)境相對比較惡劣的、被控對象相對比較復雜的現(xiàn)場，系統(tǒng)的總體設計一般遵循以下幾個原則：（1）能夠滿足控制要求。在進行設計之前，我們必須對相關的行業(yè)有一定的了解，尤其是具有特殊性行業(yè)的特點，這就需要在進行設計之前的必須跟現(xiàn)場的操作及機械設計人員進行密切的交流請教，這樣才能克服設計過程中可能會出現(xiàn)的設計漏洞等各種問題，才能提高工作的效率。（2）在達到工藝控制要求的基礎之上，力求整個系統(tǒng)結構的簡單化、節(jié)儉化的原則，盡可能的發(fā)揮PLC自身所具有的功能，盡量避免硬件的浪費，進而減少硬件的成本。（3）應用PLC的工廠企業(yè)一般會在企業(yè)的發(fā)展中不斷對系統(tǒng)進行大規(guī)模的升級改造，這就會使PLC的控制對象數(shù)以及控制的復雜度都會增加，在系統(tǒng)設計之初就應該注意到系統(tǒng)的可擴展性，以便后期的擴展改造。（4）系統(tǒng)的安全性以及穩(wěn)定性是關鍵，系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)功能，還應在復雜的工業(yè)環(huán)境中能安全穩(wěn)定有效的工作，尤其是在一些具有特殊性的行業(yè)當中，這更是需要優(yōu)先考慮的問題。采用PLC作為控制器核心的控制系統(tǒng)或設備裝置在設計的進程中，必須要考慮到PLC工作特點來進行整體的設計，不能用繼電器控制的思路來進行PLC編程等設計，用軟件來代替繼電器等硬件是最突出的特點。其設計步驟流程圖如圖4-1所示：圖3PLC系統(tǒng)設計步驟3中央空調控制系統(tǒng)的具體設計與分析3.1系統(tǒng)硬件選型介紹3.3.1PLC硬件及軟件介紹西門子S7-200系列PLC是西門子公司所生產的一類小型PLC，但是其功能都能達到大中型PLC的水平，因此是PLC當中性價比比較高的一款，在國內工業(yè)自動控制領域的占有的份額達到了80%以上，是國內應用最廣泛的PLC。STEP7-Micro/WIN編程軟件是西門子公司專門為旗下S7-200系列PLC所研發(fā)的一款功能極其強大的軟件，它是200PLC用戶必不可少的研發(fā)工具。軟件采用了WINDOWS程序界面，這使編程者掌握起來非常容易，編程窗口包括瀏覽條、指令樹、交叉引用窗口、數(shù)據(jù)塊/數(shù)據(jù)窗口、主菜單條、工具條。各個窗口之間切換非常方便，使用戶能夠方便的找到所需的數(shù)據(jù)或是符號及其使用情況，為編程調試提供了方便。與同類型的小型PLC軟件相比而言，軟件將主程序、子程序及中斷程序的編寫設定在不同的窗口，而且可以對自己編寫的程序編輯程庫文件，為編程者編寫同類型程序時可以直接調用屬于自己的庫文件，編輯為自己可以識別的名稱，避免了重復工作的必要，同時分窗口的設計使用戶在現(xiàn)場調試時能夠準確的找到問題所在的子程序并做出更改，這是許多編程軟件所不具有的功能。本文的設計采用200PLC中CPU型號最高的CPU226CNAC/DC/繼電器型作為控制器，其性能優(yōu)點主要包括：第一，輸入輸出點多，擴展能力強，24個輸入點、16個輸出點，擴展能力為7個I/O模塊；第二，輸入電源的輸入電壓85~264VAC，數(shù)字量輸入為24VDC，數(shù)字量的額定輸出電壓為24VDC或250VAC；第三，具有兩個RS-485通訊接口，PPI通訊波特率最高支持187.5kbaud，自由口通訊波特率1.2KBaud至115.2KBaud。本文采用的變頻控制柜選用CPU226CNAC/DC/繼電器PLC作為控制器，其輸入輸出點的個數(shù)及其相對應的功能如表4.1和表4.2所示，通過表格可以看出，中央空調水系統(tǒng)的輸入點個數(shù)為19個，輸出點的個數(shù)為14個，綜合上文所述的PLC系統(tǒng)設計原則，以便后期能夠進行改造升級要有一定的余量，我們才選擇了這個型號的PLC：表1PLC的輸入點編號輸入點信號輸入點1變頻器的頻率I0.02變頻器的運行信號I0.13變頻器的故障信號I0.241#泵停車I0.451#泵自動萬能轉換開關信號I0.561#泵手動萬能轉換開關信號I0.671#變頻輸出接觸器返回信號I0.782#泵停車I1.192#泵自動萬能轉換開關信號I1.2102#泵手動萬能轉換開關信號I1.3112#變頻輸出接觸器返回信號I1.4123#泵停車I1.6133#泵自動萬能轉換開關信號I1.7143#泵手動萬能轉換開關信號I2.0153#變頻輸出接觸器返回信號I2.1164#泵停車I2.3174#泵自動萬能轉換開關信號I2.4184#泵手動萬能轉換開關信號I2.5194#變頻輸出接觸器返回信號I2.6表2PLC輸出點編號輸出點信號輸出點1變頻器運行Q0.02變頻器復位Q0.131#泵工頻運行Q0.441#泵停車Q0.551#變頻運行Q0.662#泵工頻運行Q1.072#泵停車Q1.182#泵變頻運行Q1.293#泵工頻運行Q1.4103#泵停車Q1.5113#泵變頻運行Q1.6124#泵工頻運行Q2.0134#泵停車Q2.1144#泵變頻運行Q2.2由于CPU226CN自身沒有模擬量的輸入輸出點，所以在本文中我們采用了模擬量的輸入模塊EM231和模擬量輸出模塊EM232。EM231具有四路模擬量輸入，輸入信號可以是電流信號和單極性或雙極性的電壓信號，分辨率為12位，外部信號過濾后由運算放大電路進行處理，然后由內置的A/D轉換部分完成模擬量到數(shù)字量的轉換，可用于復雜的控制現(xiàn)場。EM232具有兩路模擬量輸出，輸出信號可以是電流信號或是電壓信號，分辨率電壓為12位，電流為11位，其內部集成了運算放大電路，輸出信號可以不用外界放大電路就可以跟外部安裝的傳感器建立聯(lián)系，可用于復雜的控制現(xiàn)場。3.1.2變頻器選型介紹變頻器可以簡單的認為是能夠使電機電源頻率大不和電壓大小變化的設備。本文中我們所選用的是西門子的MM440變頻器，這是西門子公司最新開發(fā)的用于控制三相交流電動機的變頻器類別。當負載為恒轉矩時，其額定功率范圍120KW至200KW，若負載為變轉矩時，額定功率可以達到250KW。MM440變頻器是由微處理器控制的，應用的是目前技術領先的IGBT作為功率輸出器件，其運行可靠，功能多樣化。MM440放入脈寬調制的開關頻率可選，從而降低了電機的運行噪音。完善的保護功能保護了變頻器和電動機。PLC在系統(tǒng)運行時對MM440進行實時控制，PLC和變頻器的接線圖如圖4-4所示，Q0.6為變頻器啟動信號，其為高電平時變頻器啟動。輸入量在PLC中進行模糊PID運算得到的數(shù)字量轉化為模擬量，被送往變頻器實現(xiàn)對電機的有效控制，將擴展模塊EM232的輸出與變頻器的輸入端相連接，進而實現(xiàn)了變頻控制得目的。圖4PLC變頻器連接圖3.2控制柜回路設計用第一臺泵進行說明，如圖4-5所示，萬能開關的作用是用作自動和手動切換，將出電信號輸送到水泵的先前自耦降壓啟動控制柜中，回路中PLC輸出點Q0.4的常開觸點連接的1MQ是自動工頻控制繼電器，1MQ的常開觸點連接到先前的自耦降壓啟動控制柜中，當Q0.4接通表示需要工頻運行時常開觸點接通，工頻運行。常開觸點Q0.6控制中間繼電器1ZJ0，從而控制1ZJ0常開觸點的通斷來控制1KM0，從而實現(xiàn)變頻運行。當需要自動停機或閉鎖時，常開觸點Q0.5接通從而1MT的常閉觸點斷開，常開觸點閉合，信號傳輸?shù)?#泵的啟動柜中，從而使泵停止變頻運行。圖5變頻控制柜控制電氣圖3.3程序設計3.3.1主程序設計PLC上電后會開始循環(huán)掃描，輸入刷新完成后會從主程序從左往右從上往下順序執(zhí)行程序，每完成上述的過程一次就是一個掃描周期。用戶程序應該先進行系統(tǒng)初始化，進行參數(shù)的設定等，然后將通過傳感器采集到的溫度信號與設定值進行比較，得到的偏差和偏差的變化率會在PLC中進行模糊PID運算得到輸出量結果，通過所編寫的控制程序來決定水泵的工頻或是變頻運行狀態(tài)，隨后通過輸出模塊將控制量輸出，PLC會重新開始掃描程序并返回到子程序當中，重復如此步驟，其具體流程如圖4-6所示：圖6主程序流程圖3.3.2初始化及模糊PID控制子程序初始化的目的是為了完成給定值的設定，對水泵電機的初始狀態(tài)、啟動的順序以及在模糊PID控制子程序當中需要用到的一些參數(shù)值進行設定，初始化程序一般只會在第一個掃描周期起作用。模糊PID控制子程序的作用主要是將設置在各處傳感器所采集的實時數(shù)值跟給行值進行比較所產生的偏差以及變化率作為數(shù)據(jù)，通過規(guī)定的模糊控制規(guī)則計算出相應的PID參數(shù)的變化，重新調整PID各個參數(shù)的大小，并計算出相應的控制量，其過程如圖7所示：圖7模糊PID控制子程序流程圖3.3.3電機變頻和工頻控制程序在中央空調的冷水系統(tǒng)中采用四臺水泵，由一臺變頻器進行控制，系統(tǒng)運行時只有一臺泵是工作在變頻狀態(tài)的，所以這種設計即簡單又能節(jié)約硬件成本。通過對給水和回水溫度進行比較來調整四臺泵所投入的總功率。在室內負荷較高時，當某臺水泵的運