基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要隨著我國各行業(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。本文介紹了醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計過程。文中首先對中央空調(diào)系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和原理進行了簡單介紹，然后設(shè)計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進行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的無人值守。PLC通過RS-485總線與工控機進行通信。溫度變量經(jīng)溫度傳感器采集后，送入PLC 的模擬量擴展模塊，對采集到的溫度模擬量數(shù)據(jù)進行模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換。工控機采用組態(tài)王開發(fā)人機界面，實現(xiàn)水溫數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)報表輸出等功能。關(guān)鍵詞 中央空調(diào) 變頻調(diào)速 PLC PIDTHE DESIGN OF HOSPITAL CENTRAL AIR CONDITIONING SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTWith 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 demand for central air-conditioning control system is essential.This article describes the design process of hospital central air conditioning system. In the first part we give the central air-conditioning 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 PLC go on data acquisition and system control,which can realize the central air-conditioning systems unattended.PLC via RS-485 bus to communicate with the IPC.Temperature variation after collectioned by the temperature sensor,to send into the PLCs analog expansion module,then converse the collected temperature analog data module (A/D). IPC using software Kingview develop the HMI,realizing real-time monitoring of water temperature data、data report output and other functions.KEY WORDS Central Air-condition Variable Voltage Variable Frequency PLC PID1緒論1.1引言中央空調(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)都是按最大負載并增加一定余量設(shè)計，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天，甚至十多個小時，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機的負荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調(diào)節(jié)負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調(diào)節(jié)負載，幾乎長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調(diào)的運行環(huán)境和運行質(zhì)量。醫(yī)院是一種特殊公眾聚集場所，也是空氣污染較為嚴重的場所之一。我國中央空調(diào)通風系統(tǒng)有47.1屬嚴重污染，有46.7為中度污染，合格只占621。醫(yī)院室內(nèi)空氣中浮游的致病細菌種類多、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?？茖W、安全地設(shè)計中央空調(diào)系統(tǒng)對減少細菌傳播途徑、防止污染擴散、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、使用、管理作出研究。PLC是20世紀80年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置，是自動控制、計算機和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不僅具有優(yōu)越的控制性能，良好的性能價格比，而且具有較高的可靠性和抗干擾能力，在自動控制各個領(lǐng)域應(yīng)用相當普遍2。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結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，為達到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。1.2中央空調(diào)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀在變頻調(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：1.冷卻水系統(tǒng)的不足從設(shè)計角度考慮，冷卻水泵電機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數(shù)目的不足，實際換熱量遠小于設(shè)計值，因此，電機容量遠大于實際負荷，出現(xiàn)了大馬拉小馬的情況。在從冷卻水流量來考慮，冷卻水的作用是要及時將冷凝器中的熱量帶走以保證制冷機能正常工作。從節(jié)能的角度看，只要能保證制冷機正常工作，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，并且會引起機械振動和產(chǎn)生噪音。冷卻水是用冷卻水泵將其送到冷卻搭中去的，由冷卻塔風扇對其進行噴淋冷卻，與大氣進行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中去，這樣會對中央空調(diào)系統(tǒng)周圍的環(huán)境造成熱島效應(yīng)。2.冷凍水系統(tǒng)的不足冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調(diào)的各出風口處的風機盤管組件中，對環(huán)境起降溫作用，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時，冷凍水的流量大，流速也快。因此，當冷凍水流過風機盤管組件時，還沒有充分的時間將所攜冷量全都釋放完，就又返回到制冷機去了，因此冷凍水泵電機做了很多無用功，這些都是不必要的能耗。若能夠調(diào)節(jié)冷凍水泵電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實際熱負荷的大小來調(diào)節(jié)冷凍水的流量（實際上是調(diào)節(jié)交換冷量的大?。┖土魉伲员阕尷鋬鏊陲L機盤管組件中有充分的時間釋放與熱負荷大小相當?shù)睦淞?，冷凍水泵電機的功耗可大大降低。3.水泵頻繁開啟的不足通過水泵開啟臺數(shù)的控制，造成電機起停頻繁，對設(shè)備長期安全運行帶來不利影響，起動電流通常為額定值的5倍左右，電機在如此大的電流沖擊下，進行頻繁的起停，對電機、接觸器觸點、空氣形狀觸點產(chǎn)生電弧沖擊，也會給電網(wǎng)帶來一定沖擊，起動時帶來的機械沖擊和停止時的承重現(xiàn)象也會對機械傳動、軸承、閥門等造成疲勞損傷。原國家經(jīng)貿(mào)委于1994年下發(fā)了763號文件關(guān)于加強風機、水泵節(jié)能改造的意見，鼓勵支持變頻節(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)交流電機的特性，要實現(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)，變頻器是將標準的交流電轉(zhuǎn)成頻率、電壓可變的交流電，供給電機并能對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的裝置。采用變頻調(diào)速技術(shù)對風機、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，而且還會極大提高控制和調(diào)節(jié)的精度，從而方便地實現(xiàn)恒溫空調(diào)系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。在近年來出現(xiàn)一些對中央空調(diào)系統(tǒng)實施變頻改造的項目，取得不錯的節(jié)能效果。而如何采用更先進的控制方法實現(xiàn)系統(tǒng)更加節(jié)能而高效的運行值得進一步研究。設(shè)計優(yōu)良的控制系統(tǒng)要能在各種供冷負荷條件下高效運行，水泵風機等的流量可以隨著負荷變化而自動調(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。1.3 中央空調(diào)在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢我國是一個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)濟的快速發(fā)展，使我國的能源顯得越來越緊張。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的轉(zhuǎn)速使制冷量和環(huán)境達到一個平衡，具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點。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25。據(jù)統(tǒng)計，我國電動機裝機總?cè)萘考s4億KW，其用電量占當年全國發(fā)電量的60%70%，而風機、水泵設(shè)備裝機總功率達1.6億KW，年耗電量3200KW.h，約占當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13年，經(jīng)濟效益相當可觀。所以大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當前推進企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量重要手段，而且也是實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的必然要求。1.4本設(shè)計的主要工作本設(shè)計的主要研究工作包括：（1）設(shè)計基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)；（2）采用PLC模擬量輸入單元采集中央空調(diào)水泵水溫數(shù)據(jù)，PLC通過RS-485與工控機通信；（3）編寫PLC程序，控制中央空調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)備，實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的無人值守；（4）在工控機上采用組態(tài)王開發(fā)人機界面，實現(xiàn)水溫數(shù)據(jù)的實時顯示，監(jiān)測并控制中央空調(diào)系統(tǒng)運行狀況。2系統(tǒng)簡介2.1中央空調(diào)系統(tǒng)簡介所謂“中央空調(diào)”是由一臺主機通過風道過風或冷熱水管或管線連接多個末端的方式來控制不同的房間以達到室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)。 一般酒店，大型商場用的是風管式的中央空調(diào)，它的原理是主機通過通往各個空間區(qū)域的通風管道將處理后的冷熱空氣輸送到位。它的優(yōu)點是成本低、操控簡便、噪音低，最主要的缺點是：各個區(qū)域（房間）控溫不準確。中央空調(diào)的工作原理與家用一樣，都是利用冷媒（運輸熱量的媒質(zhì)叫冷媒）的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達到制冷的效果。中央空調(diào)工作過程如圖2-1所示。圖2-1 中央空調(diào)工作過程中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍主機、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風機盤管系統(tǒng)、風機和冷卻塔等組成。工作原理：冷凍主機是中央空調(diào)的致冷源，從冷凍主機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提供冷卻水，冷卻水經(jīng)管道盤旋流過冷凍主機后，將帶走冷凍主機所產(chǎn)生的熱量，使冷凍主機降溫。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)復雜、功耗高等明顯的缺點已逐漸被人們淘汰；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)以其運行可靠、使用與維護方便、抗干擾能力強、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等顯著優(yōu)點而逐步得到廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計的中央空調(diào)系統(tǒng)由3臺冷卻水泵、3 臺冷凍水泵、1 臺冷卻塔風機、2 臺冷水機組等主要設(shè)備組成。如圖2-2所示，其中，冷水機組由壓縮機、冷凝器與蒸發(fā)器組成，由微處理器自動控制。圖2-2 系統(tǒng)原理圖2.2工藝流程冷水機組壓縮機把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷劑進入冷凝器，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入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收熱量，使冷凍水降溫，然后冷凍水進入冷風機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，達到降低環(huán)境溫度的目的3。2.3控制要求控制系統(tǒng)的基本操作功能設(shè)置為手動和自動兩種選擇，手動功能主要是對設(shè)備單機試運轉(zhuǎn)和維護保養(yǎng)時所選用，而自動功能是由車間內(nèi)的各組空調(diào)處理機組或新風機組的啟停來控制泵組工作的。在手動或自動的啟停操作時，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、制冷機組在設(shè)定的時間內(nèi)，按照順逆程序進行啟動和停止，并且在任何功能中有操作錯誤時均為無效，以確保各組設(shè)備保持正常的操作狀態(tài)。主要的控制要求有以下幾點：（1）測量冷凍水供回水溫度及流量，從而計算空調(diào)實際的冷負荷，根據(jù)實際的冷負荷來決定冷水機組的開啟臺數(shù)，達到最佳節(jié)能狀態(tài)。（2）各設(shè)備的程序聯(lián)動。啟動：冷卻塔風機冷卻水泵冷凍水泵冷水機組；停止：冷水機組冷凍水泵冷卻水泵冷卻塔風機。當其中一臺冷卻水泵/冷凍水泵出現(xiàn)故障時，備用冷卻水泵/冷凍水泵會自動投入工作。（3）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。3系統(tǒng)設(shè)計3.1設(shè)計原則（1）最大限度地滿足被控對象的控制要求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PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計人員在設(shè)計前就要深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關(guān)先進的國內(nèi)、國外資料。同時要注意和現(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)計中的重點問題和疑難問題。（uQUK2）保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠P+b0g#a bLu保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行，是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計、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行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯等），也能正常工作。（MnCIeNm1s|3）力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便一個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)濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓、設(shè)備的維護也將導致運行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。（Nm HR14）適應(yīng)發(fā)展的需要&A EU ucS?Dv)W/dTd3nD由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會不斷地提高，設(shè)計時要適當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點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。硬件電路主要實現(xiàn)：信號采集，控制信號輸出，水泵控制，故障報警等功能。其系統(tǒng)邏輯框圖如圖3-1所示。3.2硬件設(shè)計3.2.1 PLC選型空調(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EM231模塊(4AI)和模擬量輸出EM232模塊(2AO)三部分組成。 圖3-1 系統(tǒng)邏輯框圖S7-200系列PLC功能強、速度快、擴展靈活，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雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括電力設(shè)施、民用設(shè)施、機械、機床等領(lǐng)域。S7-200系列PLC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、實時特性，強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。S7-200系列的強大功能使其無論是在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復雜控制功能。所以它具有極高的性價比。CPU模塊不斷地采集輸入信號，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。通過一臺安裝有STEP7-Micro/WIN32編程軟件的計算機、一根連接計算機和PLC的PC/PPI通訊電纜，即可對S7-200進行用戶編程。為了滿足以上所介紹的空調(diào)控制工藝要求，整個控制系統(tǒng)需要的I/O 點分別是18 點和15點。為了便于今后系統(tǒng)的改造或者升級留出一定的I/O點以做擴展時使用。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：CPU226 為24 輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點；模擬量擴展模塊：4道模擬量輸入點；數(shù)字量擴展模塊：2道數(shù)字量輸出點；共計28道輸入點，實際用18道，10道備用；18道輸出點，實際用15道，3道備用。有RS485通訊端口，并配有STEP7編程軟件，可以通過PC 機對其進行編程輸入4。該軟件還能在PLC 運行時監(jiān)控其運行狀況。再有結(jié)合人機界面直接操作，配置結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置此外該控制器獨到之處還有強大的指令集令包括位邏輯指令、計數(shù)器、定時器、復雜數(shù)學運算指令、通訊指令以及和智能模塊配合的指令等；豐富強大的通訊功能，包括以太網(wǎng)通訊在內(nèi)等。3.2.2變頻器的選擇常規(guī)設(shè)計的交流電動機，通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。此時，軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率都可以達到額定值。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率是變化的，電機的實際輸出也會變化。由于變頻器有一定的通用性，因此在與不同拖動場合的電機配合時，需要選配相應(yīng)的變頻器。在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率。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。本系統(tǒng)所用的單臺水泵功率為2.2kW。三菱FR-A540變頻器的容量為0.4kW7.5kW。由于本系統(tǒng)采用的是一臺變頻器只為一臺電機提供電源，即一臺變頻器對應(yīng)一臺水泵，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。3.2.3輸入輸出點地址分配表3-1 輸入輸出地址分配表模塊號輸入端子號輸出端子號地址號信號名稱說明CPU2261I0.01號啟動按鈕2I0.11號停止按鈕3I0.22號啟動按鈕4I0.32號停止按鈕5I0.43號啟動按鈕6I0.53號停止按鈕7I0.6緊急停車按鈕8I0.7總啟動按鈕9I1.0控制溫度+1按鈕10I1.1控制溫度-1按鈕11I1.21號電機故障按鈕12I1.32號電機故障按鈕1Q0.0變頻器給電繼電器2Q0.11號泵工頻啟動繼電器3Q0.21號泵變頻運行繼電器4Q0.32號泵工頻啟動繼電器5Q0.42號泵變頻運行繼電器6Q0.53號泵工頻啟動繼電器7Q0.63號泵變頻運行繼電器8Q0.72號變頻器給電繼電器9Q1.0冷凍泵變頻運行EM2311AIW01號熱電阻PT1002AIW22號熱電阻PT100EM2321AQW01號變頻器電壓2AQW22號變頻器電壓3.3軟件設(shè)計系統(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。主程序主要對存儲區(qū)標志位、緩沖區(qū)、定時器和PID調(diào)節(jié)器進行初始化。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。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)的關(guān)鍵部件。其作用是協(xié)調(diào)各機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行邏輯切換來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案。PLC的輸入信號有機組選擇信號、運行方式選擇信號、冷卻塔和主機開/關(guān)信號、冷凍泵和冷卻泵的起/停信號等。輸入信號經(jīng)程序運算，發(fā)出相應(yīng)的動作信號，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)的運行，以及聲、光報警器件的動作。PLC軟件程序設(shè)計采用梯形圖語言編程，直觀易懂。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、水泵機組及溫度檢測裝置組成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。PLC用I/O擴展板接口分別接入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作時間要設(shè)置好。本系統(tǒng)是利用電壓信號控制變頻器，進而控制水泵轉(zhuǎn)速和溫度?？刂瞥绦虿捎肞ID控制算法控制輸出電壓。其中子程序SBR-0為1號變頻器的電壓控制參數(shù)；SBR-1為2號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)。定時中斷0為每10毫秒中斷一次，進入INT-0。中斷服務(wù)程序INT-0對2個變頻器分別控制。表3-2 內(nèi)存變量分配序號名稱地址注釋序號名稱地址注釋11號啟動I0.0上升沿271號過程變量VD032bit21號停止I0.1上升沿281號設(shè)定值VD432bit32號啟動I0.2上升沿291號輸出值VD832bit42號停止I0.3上升沿301號增益VD1232bit53號啟動I0.4上升沿311號采樣時間VD1632bit63號停止I0.5上升沿321號積分時間VD2032bit7緊急停車I0.6上升沿331號微分時間VD2432bit8總啟動I0.7上升沿432號微分時間VD6032bit9溫度+1I1.0上升沿442號積分前項VD6432bit10溫度-1I1.1上升沿452號過程前值VD6832bit111號電機故障I1.2上升沿462號PID輸出VW41816bit122號電機故障I1.3上升沿47顯示存儲區(qū)VW10016bit13變頻器給電Q0.0“1”有效341號積分前項VD2832bit141號泵工頻啟動Q0.1“1”有效351號過程前值VD3232bit151號泵變頻運行Q0.2“1”有效362號PID表VB368bit162號泵工頻啟動Q0.3“1”有效372號過程變量VD3632bit172號泵變頻運行Q0.4“1”有效382號設(shè)定值VD4032bit183號泵工頻啟動Q0.5“1”有效392號輸出值VD4432bit193號泵變頻運行Q0.6“1”有效402號增益VD4832bit202號變頻器給電Q0.7“1”有效412號采樣時間VD5232bit21冷凍泵變頻運行Q1.0“1”有效422號積分時間VD5632bit221號熱敏電阻AIW012bit48EM232最大值VW40016bit232號熱敏電阻AIW212bit49EM232最小值VW40216bit241號變頻器控制電壓AQW012bit501號PID輸出VW41616bit252號變頻器控制電壓AQW212bit51中間值變量VD7232bit261號PID表VB08bit3.3.1 PLC編程軟件該軟件的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)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(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，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，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)計和運行維護人員所接受。PLC控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機上完成，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模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。S7-200的編程語言是STEP7，它是用于S7系列PLC進行編程、調(diào)試的全新軟件，它是在國際標準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)試運行時，還可以在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點的通斷狀況，給調(diào)試工作也帶來極大的方便。STEP7軟件的一個特點是調(diào)試功能很強大，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)試大型復雜控制程序非常有效。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，實現(xiàn)不同功能6。3.3.2主程序設(shè)計在本系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。PLC程序設(shè)計共有四個模塊：（1）控制按鈕模塊主要處理各電機和電磁閥的啟?？刂?。（2）報警處理模塊主要處理變頻器的故障報警和報警信息。（3）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。（4）變頻器設(shè)定模塊，是接受由模擬量輸入模塊(EM231)接受速度傳感器轉(zhuǎn)換而來的信號，與頻率給定值進行比較后再作為輸入信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量給變頻器PLC主程序設(shè)計，當PLC的主程序開始運行之后，就處于反復的循環(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，然后進行遙信自處理程序，若有通信要求，則進行通信處理，否則結(jié)束主程序，完成一次掃描工作7。PLC程序的運行方式為循環(huán)掃描式，因此將主要功能模塊設(shè)計成主程序，如圖3-3，在每一掃描周期內(nèi)該主程序均被執(zhí)行，而壓縮機啟停順序生成模塊則設(shè)計成子程序供調(diào)用。圖3-3 主程序流程圖3.3.3壓縮機啟停順序生成及實現(xiàn)用常規(guī)元件控制的電控箱，壓縮機的啟動順序一般是固定的，也有部分電控箱（進口機組居多）是由一撥動開關(guān)人為控制。采用PLC控制后，壓縮機的啟動順序有PLC按壓縮機運行時間的長短自動生成。當機組在第一臺壓縮機啟動前，調(diào)用壓縮機的啟停順序生成子程序，得到3臺壓縮機的啟停順序，分別存于開關(guān)數(shù)據(jù)單元。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。3.3.4參數(shù)設(shè)置、顯示、保護、報警等功能實現(xiàn)機組運行的各參數(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，系統(tǒng)可以最佳的狀態(tài)運行。機組設(shè)置總運行、故障輸出，壓縮機單機的運行、故障狀態(tài)可選項，其輸出可以接也可以不接。當程序檢測到某壓縮機有故障（高低壓保護、過載）時，會對故障自動進行統(tǒng)計，達到設(shè)定的故障次數(shù)后，將自動停止該臺壓縮機的運行，同時機組輸出故障報警信號6。3.3.5程序設(shè)計程序采用梯形圖的形式，它沿用了繼電器的觸點和線圈等符號，圖形表示易于理解。部分梯形圖程序如下：（完整程序見附錄）VD4VD0SBR-0CALLEN MOV-WIN OUT0.064VD72SM0.0ARQ2.3/中間過程變量值（32）/若VD0冷卻水過程變量小于VD4設(shè)定值I1.3Q2.3ARVD72VD0EN MOV-WIN OUTVW416AQW0Q0.4Q0.2Q0.6I1.3Q0.6ARQ2.1VD0VD4/若VD0冷卻水過程變量大于VD72設(shè)定值。/VW416冷卻水PID輸出送AQW0控制1號變頻器。/KM5接通2號泵變頻運行。/若2號泵故障，則3號泵代替。同時2號停機。/過溫保護。AQW0ARVD0VD72EN MOV-WIN OUTVW416Q0.2I1.2Q0.6I1.2Q0.6Q0.3R1/若VD0冷卻水過程變量小于VD72中間值。/1號泵變頻運行。/若1號泵故障，則3號泵代替，同時1號泵停機。/2號電機停止。圖3-5 冷卻水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序梯形圖4監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計4.1軟件選取4.1.1組態(tài)軟件的特點隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設(shè)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，當工業(yè)被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統(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)，完成最終的自動化控制工程。4.1.2常見組態(tài)軟件的比較從目前國內(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并存的局面。這種局面，應(yīng)該說在今后相當長的一段時期內(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，目前正處在一個蓬勃發(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)軟件市場對新進入者會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：（1）國際品牌：iFix 、Intouch 、WinCC。（2）國內(nèi)品牌：組態(tài)王、MCGS 、力控、FameView 、世紀星。從使用方便和性價比的角度來說，選取國內(nèi)組態(tài)軟件還是不錯的。組態(tài)王是國內(nèi)最早、裝機量最多的組態(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；(3)驅(qū)動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)計的組態(tài)部分。4.2仿真本設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)的部分監(jiān)控仿真圖如下圖所示：圖4-1 系統(tǒng)運行主界圖在系統(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)備的運行狀況以及所需要的信息。圖4-2空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)束語本文闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)自動化控制和節(jié)能設(shè)計的基本思路和方法，介紹了交流電動機變頻調(diào)速的特點，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)用進行了詳細介紹，完成硬件和軟件的設(shè)計，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@示器顯示。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，PLC主模塊及擴展模塊的選擇能滿足系統(tǒng)的需要，輸入、輸出點數(shù)留有一定的裕量，以滿足系統(tǒng)擴展的要求。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，精度方面都能達到要求。由于邏輯功能通過軟件實現(xiàn)，從而減少了大量的中間連線，完善了連鎖保護功能，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。因此系統(tǒng)具有開放性好、可擴充能力強、可靠性高、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。本課題主要是對空調(diào)出口溫度進行檢測，采用變頻器調(diào)節(jié)中央空調(diào)的轉(zhuǎn)速，使其高效運行，達到節(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)進行自動控制，可以大大節(jié)約電能，對系統(tǒng)的起動特性和運行特性都有很大的改善。并且頻率下調(diào)后，電機避免了長期高速的運行，有效地延長了電機和機組的壽命。本課題具有較好的實用價值和發(fā)展前景，值得進一步的研究和完善。致 謝大學四年，人生經(jīng)歷與知識都受益良多，我滿懷感激。首先感謝鄭州輕工業(yè)學院電氣工程學院提供給我這次難得的學習機會，因此在大學的學習過程中，無論是基礎(chǔ)課、專業(yè)課，還是課程實踐，我都盡全力而為，收獲甚多。通過近4年的學習，我的專業(yè)知識水平無論在理論上，還是在實際研究能力上，都進了一大步。我將永遠記住我的母校。 其次，感謝導師李金城老師給予我們的悉心指導和照顧，他嚴謹?shù)目茖W研究態(tài)度與治學精神仍將是我今后學習的方向。在本畢業(yè)設(shè)計過程中李老師從生活上、資料收集上給予了我們大力支持，給我們提供了一個優(yōu)越的實驗環(huán)境；更是從選題、到修改、直至設(shè)計上都不斷的給予我關(guān)鍵性的點撥，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修改過程中提出的中肯建議，拓展了本文的思路，加強了論文的邏輯性，亦令我受益匪淺。這些都是本論文得以完成的基礎(chǔ)。在畢業(yè)設(shè)計結(jié)束之際，我在此對電氣信息工程學院，對李金城老師以及所有為我們的畢業(yè)設(shè)計提供幫助的老師們致以崇高的敬意和真心的感謝。參考文獻1陳曉東.中央空調(diào)系統(tǒng)對室內(nèi)空氣質(zhì)量和健康的影響J.中國公共衛(wèi)生,2004,20(12):14-34.2王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京：北京航空航天大學出版社,2008.3李正熙，白晶.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.北京：冶金工業(yè)出版社,2000.232-239.4廖常初.PLC編程及應(yīng)用M.北京：機械工業(yè)出版社，2007.6-16,22,83-108.5陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)M.北京:機械工業(yè)出版社,2003.159-170.6王兆義.小型可編程控制器實用技術(shù)M.上海:機械工業(yè)出版社,2006.194-204.7蔡軍,曹慧英.PLC溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與研究J.微計算機信息,2007,2:7-15.8王樹青.工業(yè)過程控制工程M.北京：化工工業(yè)出版社，2007.62-63.9閆軍,周志霞.Siemens 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