基于plc的中央空调自动控制系统设计

北京航空航天大学毕业设计(论文 ) 第 I 页I基于 plc 的中央空调自动控制系统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；控制北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 II 页IIDesign of automatic 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 consumption. 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 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 algorithm, 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; control北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 III 页III目 录摘要 .I1 绪论 .11.1 课题的研究背景 .11.2 国内外中央空调控制系统的研究现状 .22 中央空调控制的原理 .42.1 中央空调系统的结构和原理 .42.2 中央空调电机的软启动原理及应用 .43 中央空调控制系统的硬件设计 .63.1 变频器的原理 .63.2 西门子 MM440 变频器性能介绍 .63.2.1 主要特征 .73.2.2 控制性能的特点 .73.3PLC 选型 .73.4 人机界面设计 .83.5 系统硬件设计 .94 控制系统软件设计 .124.1PLC 的初始设定 .124.2 PLC 主程序流程图 .144.3 程序设计 .144.3.1 中央空调控制系统的 I/O 分配表 .144.3.2 程序中使用的存储器及功能 .16结论 .17参考文献 .18致 谢 .20附录 PLC 软件源程序 .22北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 1 页1 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，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，从而使剩北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 2 页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。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。北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 3 页空调末端设备的热惰性是变风量运行控制调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，需要进行技术经济性比较。北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 4 页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 Soft Starter。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。北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 5 页变频器（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。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。北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 6 页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：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）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。北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 7 页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；电缆连接