plc在中央空调中的应用

机电控制与可编程程序控制器技术 课程设计任务书 课题名称：plc 在中央空调上的应用 学校： 专业： 姓名： 学号： PLC 在中央空调中的应用 2 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的同益提高，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。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能， 要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。 新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中 央空调控制系统在进行改造以实现节能、舒适的目的。 据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的 60以上，其中，仅水 泵的耗电量约占到空调系统耗电量的 2040，存在巨大的能源浪费。 传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、 冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负 荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的 怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户 负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用 户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空 前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成 中央空调系统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多 空调的经营管理者所关注的问题。故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机 系统和水泵的电能消耗，具有极其重要的经济意义。 1.2 PLC 控制国内外发展现状 1.2.1 PLC 的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动 作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传 统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用 汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司 （DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手 3 段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable ,是世界 上公认的第一台 PLC. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、 计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制 器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特 征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用， 可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加 运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继 电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了 方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC） 。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术 已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型 体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定 了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家 中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高 性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家 日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直 保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接 口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用 上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从 控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞 生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控 制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应 用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械 制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多 地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、 智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展； PLC 在中央空调中的应用 4 从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、 完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各 自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌 垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看， 可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器 技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程 控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业 以外的众多领域发挥越来越大的作用。 1.2.2 PLC 控制国外发展现状分析 目前，世界上有 200 多家 PLC 厂商，400 多种的 PLC 产品，PLC 产品可按 地域分成三大流派：一个流派是美国产品。一个是欧洲产品，一个是日本产品。 1.欧美 PLC 主要生产厂家及产品性能： （1）美国通用电气公司 GE-系列 PLC,GE 公司的代表产品是： 小型机：GE-1,GE-1/J,GE-1/P 中型机：GE- 大型机：GE- （2）德国西门子（SIEMENS）公司 S 系列 PLC 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程控制器在我国的应用也相当广 泛，在冶金，化工，印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的 P LC 产品包括 LOGO,S7-200,S7-300,S7-400,工业网络，HIM 人机界面，工业软件 等。 超小型：SIMATIC S7-200 PLC 中型：SIMATIC S7-300 PLC 工业通讯网络（SIMATIC NET） 人机界面（HIM）硬件 SIMATIC S7 工业软件：编程工具，基于 PC 的控制软件，人机界面软件 2.日本 PLC 主要生产厂家及产品性能： （1）日本三菱公司 PLC 小型：F1/F2/FX 系列 5 大中型：A 系列，QnA，Q 系列 （2）日本立石（OMRON）公司 PLC SYSMAC C 系列 PLC 整体式结构的微型 PLC 机是以 C20P 为代表的机型 OMRON 中型机以 C20H 系列最为典型 （3）日本松下公司 PLC 松下公司的 PLC 产品中，FPO 为微型机，FP1 为整体是小型机，FP3 为中型 机，FP5/FP10S（FP10 的改进型） ，FP20 为大型机，其中 FP20 是最新产品。 1.2.3 国内近几年 PLC 控制的发展 由于计算机网络技术和集成电路的迅速发展，PLC 向小型化、微型化和高 速化发展。在应用中，PLC 可与上位机联网，也可下挂 PLC，组成分布式控制 系统。PLC 已广泛应用于冶金、电力、石油、化工、建材、机械、轻工、食品、 市政、交通和军工等行业。 据美国 FROST&SULLIVA 公司的报告，全球 PLC 从 1993 年的 39 亿美元上升到 2000 年的 76 亿美元，由占工控机市场的 46%上升 到 50%。 1995 年国内市场销售 PLC 约为 6.6 万套，其中国产 1.6 万套，约为 4800 万人民币，进口约 5 万套，约有 7000 万美元；1996 年国内市场销售约为 9 万套，其中进口 8 万套，总计约合人民币 15 亿元。专家估计，2000 年 PLC 的国内市场销售达到 15-20 万套，约 25-35 亿元，其中进口占 90%左右。上述 数据表明：我国 PLC 市场几乎被国外产品占领，国内 PLC 产品的市场占有率不 足 10%。（以上 PLC 统计数据包括小型 PLC） 据专家估计，国内 PLC 产品的年 增长率为 12%，以满足石油、化工、电力、市政等行业技改的需要，到 2005 年 全国 PLC 需求量将达到 25 万套左右，约人民币 35-45 亿元。 PLC 产品的主要 生产厂家 目前，全世界 PLC 生产厂家约 200 家，生产 300 多个品种。主要的 国外生产厂家包括 Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE、富士、日立、 光洋等等。据电子部 98 年调查结果表明，国内应用 Siemens 产品的用户占 20.8%，Modicon 占 14%左右，A-B14%左右，OMRON14%占 14 左右，三菱 8.3%，GE6.25%，富士 4.2%；其他（日立、光洋等）4%。 目前，我国的 PLC 生 产有一定的发展，小型 PLC 的有些品种已批量生产，中型 PLC 已有产品，大型 PLC 也开始研制，合资企业得到发展，有的产品不仅供应国内市场，而且还有 出口。国内 PLC 形成产品化生产的企业约 30 多家，年产量超过 1000 台的不到 10 家。主要有苏州机床电器厂、上海香岛机电制造有限公司、机械部北京机械 PLC 在中央空调中的应用 6 工业自动化所、江苏嘉华实业有限公司、苏州电子计算机厂、杭州机床电器厂、 辽宁无线电二厂等。国内产品的市场占有率不到 10%。 从以上数据可知，国内 PLC 产品仍以国外产品为主，并以 Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE 的产品为主。 技术发展趋势 开放式的设计和网络成为主流；PLC 技术正与 PC 技术融合；系统控制向分散发展；容错系统；小型化、智能化。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。 最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备 及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控 制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州电子计算机厂生产的 YZ 系列 等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。目前中国 PLC 市 场主要厂商为 Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE- Fanuc 等国际大公司，欧美公司在大、中型 PLC 领域占有绝对优势，日本公司 在小型 PLC 领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型 PLC 领域 也有一定市场份额，中国大陆 PLC 厂商的市场份额几乎可以忽略。 大型 PLC 的目标用户在选用 PLC 时一般不会把价格作为首要考虑因素，而 是更关注产品性能、质量和品牌，对价格不是十分敏感，故日本产品很难进入 该领域。韩国和中国台湾的产品从一开始就是模仿日本产品，基本沿袭日本产 品的技术路线，其在中国的市场策略、行业影响基本是步日本厂商的后尘，只 不过比日本产品滞后一段时间。 对中、小型 PLC 的目标用户而言，市场上主 要厂商的 PLC 产品均能满足其要求，所以在产品选型时价格是十分重要的因素。 因此，日本产品在该领域占有绝对优势。Siemens 在推出新一代小型 PLC 产品 S7200 后其价格与日本产品相差不大，最近几年其小型 PLC 的市场增长迅速， 已经与日本主要产品（Mitsubishi 和 Omron）在小型 PLC 领域取得了类似的市 场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国台湾的部分 PLC 厂商在小型 PLC 领域发展势头十分强劲，抢占了原来日本产品的一部分低端市场。此外， 无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂 家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天 地。 1.3 本文的主要研究内容 7 PLC在中央空调中的应用可以从2个方面考虑，一方面是中央空调系统原理 分析及控制要求；另一方面是可编程控制器(PLC)系统的设计。 各章节的主要内容如下： 第一章绪论：阐述了PLC的发展和研究现状；提出了论文的研究内容。 第二章：通过分析中央空调的工作原理，将PID算法及变频技术引入中央 空调的控制。 第三章：分析各厂家PLC的特性，选定西门子PLC，再根据中央控制系统的 具体要求选定西门子PLC的具体型号S7-200。并对其选定的S7-200进行简单的 阐述。并画出中央空调系统的PLC控制的硬件图。 第四章：根据选定的S7-200，选定与其相对应的编程软件STEP- 7MICRO/WIN32 V3.1，并画出流程图。 第五章总结：总结了本文的主要工作，包括得出的主要结论。 PLC 在中央空调中的应用 8 2 系统工作原理及控制要求 2.1 系统的工作原理 图 2-1 中央空调系统原理图 Fig.2-1 The schematic of the central air conditioning system 中央空调系统如图 2-1 所示，是由一系列驱动流体流动的动件（如水泵及 压缩机） ，各种型式的热交换器（如冷却风机，蒸发器，冷凝器及中间热交换 器等）及连接各种装置的管道，阀件和电气控制装置组成。 冷水机组是中央空调的“制冷源” ， “心脏” ，通往各个房间的循环水由冷 9 水机组进行“内部交换” ，在蒸发器中吸热后的制冷剂通过压缩机压缩成高温 高压气体，送至冷凝器与冷却水热交换后变成常温高压液体，经节流阀（膨胀 阀）进入蒸发器蒸发吸收冷媒水的热量，然后又回到压缩机，如此形成制冷剂 循环过程。冷媒水循环系统，由冷媒水泵及冷媒水管道组成，从冷水机组流出 的冷媒水由冷媒泵加压送入冷媒水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间 内热量。使房间内的温度下降。冷却水循环系统，由冷水泵和冷却水管道及冷 却塔组成，冷水机组进行热交换，在水温冷却的同时，必将释放大量的热量， 该热量被冷却水吸收，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将讲了问的 冷却水，送回到冷水机组，如此不断循环，带走冷水机组释放的能量。冷却风 机安装于所需要降温的房间内，用于将由冷媒水冷却了的空气吹入房间，加速 房间内的热交换。 2.1.1 PLC 控制下变频调速系统的工作原理 PLC 控制下变频调速系统的工作原理，可编程控制器 PLC 是变频调速控制 系统的关键部件。其作用的协调各机组与变频器柜之间的电气连接，通过接触 其与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC 的 输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷 冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号， 经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行， 以及声、光报警器件的动作。PLC 软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易 懂。 通常情况下，变频调速系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水 泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。每台电机都可以运转在工频和 变频两种状态下，这由 PLC 系统根据需要进行切换控制。可编程控制器用 I/O 扩展接口分别接入 A/D 和 D/A 模块。A/D 模块通过 PLC 将温度模拟量转换为数 字量，D/A 模块将 PLC 输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器升速过程及 江苏过程。需要注意的是，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快， 各接触器间互锁和动作时间要设置好。 使用可编程控制器取代继电接触器控 制系统，电气系统故障大为减少。有完善的故障处理功能及电源顺停（或大幅 降压）后自动再启动功能。 2.1.2 PID 算法在变频调速中的应用： PLC 在中央空调中的应用 10 1） 常规 PID PID 在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单， 易于理解和实现，且一些高级控制都是以 PID 为基础改进的。在工业过程控制 中，40%以上的控制系统回路具有 PID 结构。在目前的温度控制领域，应用时 分广泛。 PID 调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调 节，可见，温度 PID 调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常 数、微分时间常数。对一个控制系统而言，合理的设置这三个参数，可取得较 好的控制效果。 PID 控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下： 1.比例曾一部分（P）用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系 的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例 环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数 过大将导致系统不稳定。 2.积分部分（I）表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有 关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差 存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此 积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 T，T 越大，积分作用越弱，反之则越强。 然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。 3.微分部分（D）可以对输入的变化趋势作出反应，即它的输入与输出的 大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的震荡，减小 超调量，使系统趋向稳定，见笑调节时间，用来改善系统的动态特性。由于微 分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。 PID 的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响 一种调节作用，不会影响其它的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独 使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用 作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制 效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如 PI 控制算法，PD 控制算法和 PID 控制算法。 2）PLC 的 PID 模块分析研究 在我们使用的 PLC 中，是通过 PID 调节器来调节输出，保证偏差值为零， 11 使系统达到稳定状态。在系统中，偏差，是给定值 SP（希望值）和过程变量 PV（实际值）的差。PID 控制的原理基于公式（4.1）所示的方程，它描述了输 出 M(t)作为比例项、积分项和微分项的运算参数关系。 （4.1）00)( MdteKetKt cCc 式中： -PID 回路的输出，是时间的函数；)(tM -PID 回路的增益；cK -PID 回路的偏差（给定值与被控制变量只差） ；e -PID 回路输出的初始值。0 为了在计算机中实现这一控制功能，公式（4.1）所描述的连续函数必须 进行离散化，即对误差进行周期性的采样并计算输出值。离散方程如公式 （4.2）所示： （4.2）nnMDIP 式中： -第 n 采样时刻的计算值；nM -第 n 采样时刻的比例项值；P -第 n 采样时刻的积分项值；nI -第 n 采样时刻的微分项值。D 1.比例项 比例项 时增益和偏差 的乘积。其中 决定系统输出对偏差的灵敏nMPecK 度，偏差 是给定值 与过程变量 之差。CPU 采用的计算比例项的方程如eSnPV 式（4.3）： （4.3）)(ncnSk 2 积分项 积分项值 与偏差的累积和成正比。CPU 采用的计算积分项的方程如nMI PLC 在中央空调中的应用 12 式（4.4） (4.4)MXPVSTKMPntscn )( 3 微分项 )(1nncnsdD （4.5）式中： -采样时刻 n 的给定值；nSP -增益；cK -采样时刻 n 的过程变量值；nPV -采样时刻 n-1 的积分项（积分项前值） ；1 -采样时间；Ts -积分时间；t -微分时间常数。d 从公式（4.5）可以看出，为了计算下一采样时刻的微分项值，必须保存 过程变量，而不是偏差。在第一采样时刻，初始化为 nnPV1 对于不同的控制系统，需要根据不同的控制对象，选用不同的控制环节。 而且，不同控制对象的给定值和过程变量都是现实世界的值，他们的大小、范 围和工程单位都可能不一样。所以在进行PID指令对这些值进行运算之前，必 须把他们转换成标准的浮点型实数，这样才能进行PID运算。同样，经过了PID 运算以后的回路输出值一般为控制变量，而且输出的也是经过标准化了的实数， 即通过标准化过程的逆过程，将回路输出值转换成相应的能驱动模拟输出的值。 2.2 控制要求 (1)设手动自动两种运行方式，并根据要求设定相应的压力、温度检测 点，并以开关量形式控制各回路的工作状况切换(运行停机)，达到制冷量自 动切换的目的。 13 (2)要求在计算机和控制柜上均能实现手动自动两种运行方式的控制， 在计算机上实时显示各检测点的状态参数及系统各设备的运行状态。 (3)压缩机依次启动并保持时间间隔，压缩机有吸、排气压力保护，温度 保护，过载保护。 (4)为保证系统的安全可靠运行，压缩机与水系统应设有联锁控制，即冷 却塔、水泵不运行，水回路断水，冷冻水出口温度过低等，压缩机均不能运行。 (5)机组采用真空停机方式。 (6)能实现远程控制。 3 系统硬件设计 3.1 系统方案的确定 3.1.1 确定PLC的型号 1) PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统相同。按结 构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元 （CPU） 、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成 主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核 心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程 器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、 智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上， 模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它 称为扩展地板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接。无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配置与组合。 各厂家PLC的特性比较: 三 菱 PLC 主 要 特 点 1.结 构 灵 活 不 受 环 境 的 限 制 ， 有 电 即 可 组 建 网 络 ， 同 时 可 以 灵 活 扩 展 接 入 端 口 数 量 ， 使 资 源 保 持 较 高 的 利 用 率 ， 在 移 动 性 方 面 可 与 WLAN 媲 美 。 2. 传 输 质 量 高 、 速 度 快 、 带 宽 稳 定 PLC 在中央空调中的应用 14 可 以 很 平 顺 的 在 线 观 赏 DVD 影 片 ， 它 所 提 供 的 14Mbps 带 宽 可 以 为 很 多 应 用 平 台 提 供 保 证 。 最 新 的 电 力 线 标 准 HomePlug AV 传 输 速 度 已 经 达 到 了 200Mbps； 为 了 确 保 QoS， HomePlug AV 采 用 了 时 分 多 路 访 问 （ TDMA） 与 带 有 冲 突 检 测 机 能 的 载 体 侦 听 多 路 访 问 （ CSMA） 协 议 ， 两 者 结 合 ， 能 够 很 好 地 传 输 流 媒 体 。 3. 范 围 广 无 所 不 在 的 电 力 线 网 络 也 是 这 种 技 术 的 优 势 。 虽 然 无 线 网 络 可 以 做 到 不 破 墙 ， 但 对 于 高 层 建 筑 来 说 ， 其 必 需 布 设 N 多 个 AP 才 能 满 足 需 求 ， 而 且 同 样 不 能 避 面 信 号 盲 区 的 存 在 。 而 电 力 线 是 最 基 础 的 网 络 ， 它 的 规 模 之 大 ， 是 其 他 任 何 网 络 无 法 比 拟 的 。 由 此 ， 运 营 商 就 可 以 轻 松 地 把 这 种 网 络 接 入 服 务 渗 透 到 每 一 处 有 电 力 线 的 地 方 。 这 一 技 术 一 旦 全 面 进 入 商 业 化 阶 段 ， 将 给 互 联 网 普 及 带 来 极 大 的 发 展 空 间 。 终 端 用 户 只 需 要 插 上 电 力 猫 ， 就 可 以 实 现 因 特 网 接 入 ， 电 视 频 道 接 收 节 目 ， 打 电 话 或 者 是 可 视 电 话 。 4. 低 成 本 充 分 利 用 现 有 的 低 压 配 电 网 络 基 础 设 施 ， 无 需 任 何 布 线 ， 节 约 了 资 源 。 无 需 挖 沟 和 穿 墙 打 洞 ， 避 免 了 对 建 筑 物 、 公 用 设 施 、 家 庭 装 潢 的 破 坏 ， 同 时 也 节 省 了 人 力 。 相 对 传 统 的 组 网 技 术 ， PLC 成 本 更 低 ， 工 期 短 ， 可 扩 展 性 和 可 管 理 性 更 强 。 目 前 国 内 已 开 通 电 力 宽 带 上 网 的 地 方 ， 其 包 月 使 用 费 用 一 般 为 50-80 元 /月 左 右 ， 这 样 的 价 格 和 很 多 地 方 的 ADSL 包 月 相 持 平 。 5.适 用 面 广 PLC 作 为 利 用 电 力 线 组 网 的 一 种 接 入 技 术 ， 提 供 宽 带 网 络 “最 后 一 公 里 ”的 解 决 方 案 ， 广 泛 适 用 于 居 民 小 区 ， 酒 店 ， 办 公 区 ， 监 控 安 防 等 领 域 。 它 是 利 用 电 力 线 作 为 通 信 载 体 ， 使 得 PLC 具 有 极 大 的 便 捷 性 ， 只 要 在 房 间 任 何 有 电 源 插 座 的 地 方 ， 不 用 拨 号 ， 就 立 即 可 享 受 4.545Mbps 的 高 速 网 络 接 入 ， 来 浏 览 网 页 拨 打 电 话 ， 和 观 看 在 线 电 影 ， 从 而 实 现 集 数 据 、 语 音 、 视 频 ， 以 及 电 力 于 一 体 的 “四 网 合 一 ”。 西门子 PLC 的特点： 1西门子 PLC 可靠性高，抗干扰能力强，西门子 PLC 高可靠性是电气控 制设备的关键性能。西门子 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格 的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从 西门子 PLC 的机外电路来说，使用西门子 PLC 构成控制系统，和同等规模的继 电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障 15 也就大大降低。此外，西门子 PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可 及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断 程序，使系统中除西门子 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样， 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2西门子 PLC 配套齐全，功能完善，适用性强，西门子 PLC 发展到今天， 已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制 场合。除了逻辑处理功能以外，现代西门子 PLC 具有完善的数据运算能力，可 用于各种数字控制领域。近年来西门子 PLC 的功能单元大量涌现，使西门子 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、西门子 PLC 等各种工业控制中。加上西门 子 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用西门子 PLC 组成各种控制 系统变得非常容易。 3西门子 PLC 易学易用，深受工程技术人员欢迎西门子 PLC 作为通用工 业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工 程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近， 只用西门子 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功 能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业 控制打开了方便之门。 4西门子 PLC 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，西门 子 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一 设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场 合。 5西门子 PLC 体积小，重量轻，能耗低，以超小型西门子 PLC 为例，新 近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小 很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 欧姆龙 PLC 特点 1.应用简便 （1）应用灵活、安装简便 （2）编程简化 （3）操作方便，维修容易 2.可靠性高 3.抗电磁干扰性能好，环境适应性强 PLC 在中央空调中的应用 16 4.功能完善 5.成熟的工控网路体系，通信便捷，易于远程实时监控 （1）设备层网络 （2）控制层网络 （3）信息层网络 通过各厂家 PLC 的性能及特点的比较，中央空调系统选定西门子 PLC 作为 控制器。 2） CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中 心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：接受并存储从编辑器输入 的用户的程序和数据；诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误： 用扫描的方式接受输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；PLC进入运行状 态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程 序中规定的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。 1） 结构描述 图3-1 CPU结构示意图 Fig3-1 The structural representation of tne Central Processing Unit CPU型号的比较，如表3-1所示。 表3-1 S7-200 CPU型号的比较 Table 3-1 S7-200 comparison of CPU type 17 特征 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 物理尺寸 628096280962805.119628019 程序内存 4096字节 4096字节 8192字节 8192字节 16384字节 数据内存 2048字节 2048字节 5120字节 5120字节 10240字节 内存备份 50小时典型 的 50小时典型 的 190小时典型 的 190小时典型 的 190小时典型 的 本地板载 I/O 6输入/4输出 8输入/6输出 14输入/10输 出 24输入/16输 出 24输入/16输 出 扩充模块 0个模块 2个模块 7个模块 7个模块 7个模块 高速计数 器 单相 双相 30kHz时为4 20kHz时为2 30kHz时为4 20kHz时为2 30kHz时为6 20kHz时为4 30kHz时为6 20kHz时为4 30kHz时为6 20kHz时为4 脉冲输出 （DC） 20kHz时为2 20kHz时为2 20kHz时为2 20kHz时为2 20kHz时为2 模拟调整 1 1 2 2 2 实时时钟 部件 部件 内置 内置 内置 通讯端口 1 RS-485 1 RS-485 1 RS-485 2 RS-485 2 RS-485 浮点数学 是 数字I/O图 像大小 256（128输入，128输出） PLC 在中央空调中的应用 18 布尔型执 行速度 0.37微秒/指令 西门子提供不同的S7-200CPU型号，具有多种特征和性能，其中CPU226集 成了24输入，16输出，共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至 248路数字量I/O点，或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间，6个独立 的30kHz高速计数器，2路独立的2kHz高度脉冲输出，具有PID控制器，2个 RS485通信编程口，具有PPI通信协议，MPI通信协议和自由方式通信能力，可 完全适应于一些复杂的中小型系统。根据控制系统的实际情况计算系统的输入 输出点数，本着节约元器件，降低成本的原则，选用一台西门子S7-226型PLC 作为控制器。其技术规格如表3-2所示。 表3-2 S7-226 PLC的技术规格 Table 3-2 S7-226 PLC technical specifications 技术规格 CPU226 功率 11W 尺寸（宽 高 深） mm6280137 存储器特性 程序存储器 数据存储器 超级电容（典型值） 16384 bytes 10240 bytes 100小时 定时器总数 1ms定时器数 10ms定时器数 100ms定时器数 256 4 16 236 计数器数量 256（由超级电容备份） 内存存储器位 256（由超级电容备份） 19 掉电保持 112 时间中断 边沿中断 ms 分辨率12 4个上升沿/4个下降沿 模拟电位器 2个8位分辨率 逻辑运算速度 浮点运算速度 0.17us 8us 时钟 内置 集成的通信功能 通讯接口 1个RS232/RS485兼容通讯口 1个RS485通讯口 PPI/MPI波特率 1.2kbaud至115.2k 最大站点数 每段32个站，每个网络126个站 最大主站数 32 点到点（PPI主站模式） 是（NETR/NETW） ，共4个，2个保留 MPI连接 1PG/1OP 本机I/O特性 本机数字量输出点数 输出类型 10 固态MOSFET PLC 在中央空调中的应用 20 数字I/O映像区 模拟I/O映像区 256（128输入/128输出） 64（32输入/32输出） 最大扩展I.O模块数 7 脉冲捕捉输入 脉冲数出 14 KHz20 高速计数器数量 单相计数器 两相计数器 6 KHz3 KHz4 数字量输入特性 额定电压 24V(DC) 逻辑1信号（最小） 逻辑0信号（最大） 15VDC，2.5 mA 5VDC,1mA 隔离（现场与逻辑） 光电隔离 隔离组数 有 500VAC，1分钟 2（一组8点/一组6点） 可同时接通的输入 14 最大电缆长度 屏蔽 非屏蔽 500米（标准输入） 50米（高速计数器输入） 300米（标准输入） 数字量输出特性 额定电压 24VDC 输出电压范围 20.4至28.8VDC 21 逻辑1信号（最小） 逻辑0信号（最大） 20VDC，最大电流 0.1VDC，10KW 负载 每点额定电流（电流） 每个公共端的额定电流（最大） 漏电流（最大） 浪涌电流（最大） 0.75A 3.75A 10uA 8A，100ms 灯负载（最大） 5W 接通电阻（接点） 0.3W典型值（0.6最大值） 隔离（现场与逻辑） 光电隔离 隔离组 有 500VAC，1分钟 2 延时（最大） 断开到接通 接通到断开 2ms(Q0.0,Q0.1)，15ms（其它） 10ms(Q0.0,Q0.1),130ms（其它） 脉冲频率（最大） 20KHz（Q0.0和Q0.1） 可同时接通的输出 10 两个输出并联 是，仅输出同组时 最大电缆长度 屏蔽 非屏蔽 500米（标准输入） 150米（标准输入） 根据中央空调系统的控制特点和节能要求，设计的主要控制对象为6台压 缩机组和两台水泵的变频控制，另外还有相关的保护装置。压缩机和水泵都采 用变频器控制，以降低能耗和提高控制精度，各种触点和逻辑控制则选用现在 广泛使用的可编程控制器（PLC） ，系统框图如下： PLC 在中央空调中的应用 22 操作台信号 现场信号 C P U 2 2 6 E M 2 3 2 E M 2 3 2 E M 2 3 1 E M 2 3 1 E M 2 3 1 电磁阀 继电器线圈 指示灯等 2 台压缩机 变频器 2 台水泵 变送器 压力给 定 压力变送器 Q H E 6 1 . 2 温度变送器 P X 9 温度变送器 R C W 3 2 冷凝器进水 温度给定 冷媒水温度 给定 图3-2 中央空调系统框图 Fig3-2 The diagram of the central air conditioning system 该压缩机组型号为LSZ-42，采用全自动运行方式，单台输入功率22W，具 有高压安全阀、高低压控制器、冷却水和冷媒水断水、电机过载等主要的安全 保护装置。两台水泵电机功率分别为18.5kW和22kW。两块EM232模拟量输出模 块，三块EM231模拟量输入模块。 压缩机变频器选用IEI本安川公司的电流矢量控制通用变频器 CIMRF7A2075，额定输出容量为1 10kVA，它的调制方式为优化空间矢量PWM 控制，控制方式为VF控制，具有转矩提升，点动、制动、多速运行、自动电 压调整、任意设定VF曲线及与上位机通讯等功能，完全可以满足改造系统的 要求，其频率控制由PLC输出的模拟量来决定。对于两台水泵的控制，由于其 功率的不同，采用两台变频器分别控制，选用适合于风机泵类负载使用的三菱 新一代FR一700型变频器，此种变频器内置噪声滤波器，带有浪涌电流吸收回 路，还具有最先进的寿命诊断及预警功能，安全系数大，具有自动和手动两种 操作方式，手动信号由控制柜门板上的电位器给定，自动信号通过压力变送器 (420mA)电流构成。更为方便的是，FR700自带有节能监视功能，通过操作 面板，输出端子(0-10V，4-20mA)和人机通信即可显示出节能的效果。 系统设置了超温延时报警，因此，当冷凝器进水温度高于警报功能中设定 的温度上限值时，计时功能启动，延迟一段时间后，如水温仍偏高，温控器发 23 出报警信号，输入PLC，相应保护环节动作。冷媒水系统中系统进、出水压力 差的测量采用西门子公司的QBE612差压型智能变送器，该变送器精度达01 级，并具有遥控设定、数据通信、自诊断等功能。其余的部分显示电路和辅助 电路的控制依旧保留原来系统。而对冷媒水温度的检测元件则选用西门子公司 生产的专门用于暖通空调系统的温度控制器RWC32，该控制器是完全独立作业 的电子式温度控制器，带有用于暖通空调的P或PI调节，可接两组Nil000传感 器温度输入及一组无源数字输入，输出信号电压范围是DC010V，温度检测范 围可达一35130，精度05，所有数据参数的设置、修改均可直接 通过控制器上的按键进行，并具有LcD显示 3.1.2 SiemensS7-200 主要功能模块介绍 SiemensS7-200 主要功能模块介绍： （1）CPU 模块 CPU226 具有 24KB RAM，40KB(RAM)的装载存储器，可用存储卡装载存储器 容量最大到 512KB，最大可扩充到 512 点数字 I/O 或 54 路模拟 I/O 通道。 CPU226 内硬件实时时钟自带后备电源，在正常电源被关掉的情况下，CPU 的时 钟仍能正常工作。CPU226 的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU 响 应那些事件，操作系统就会去调用相应的该事件的组织块 OB,CPU226 可调用 128 个功能块 FB(0-127)；OB,FB,FC,DB 的容量很大。另外，由 34 个系统功能 SFC 集成在操作系统中。 （2）I/O 扩展模块 S7-200 由多种型号 I/O 模块用来进行扩展。在这里主要介绍我所用到的模 拟量输入模块 EM231 和模拟量输出 EM232. 1)模拟量输入扩展模块： 西门子 S7-200 系列 PLC 模拟输入模块 EM231 有 4 路输入电路，可以外接 4 路模拟量输入信号。外接信号经过滤波后，由多路开关控制，依次由运算放 大器进行放大后，送给模块的 A/D 转换部分，转换成 CPU 可以识别的数字信号。 其参数如表 3-2 所示，其模拟量信号接线图如图 3-3 所示。 表 3-3 西门子 S7-200 系列 PLC 的模拟量输入模块 EM231 Table 3-3 Siemens PLC S7-200 Series Analog Input Module EM231 PLC 在中央空调中的应用 24 项目 EM231 模拟量输入点数 4 隔离（现场与逻辑电路间） ） 无隔离 输入类型 差分输入 输入范围 电压（单极性） 0-10V , 0-5V 电压（双极性） 5V , 2V 电流 0-20mA 模数转换时间 250us 最大输入电压 30VDC 最大输入电流 32mA 分辨率 12位 25 图 3-3 EM231 的模拟量信号接线 Fig3-3 The analog signal wiring of the EM231 一般来说，输入信号有电压信号和电流信号两种，电压信号是可以被直接 检测并处理的，但是电流信号一般是不能直接被测量队。因此电流通常会被转 换成电压信号进行采集，最常用的方法就是在电流的回路上串联一定组织的电 阻，检测电阻两端的压降来代替电流的测量。 2)模拟量输出扩展模块: 西门子 S7-200 系列 PLC 模拟输出模块 EM232，有 2 路输出模拟量通道，且 具有多种输入、输出信号范围。其内部集成看 D/A 转换器、放大器等多种功能 的电路，可用于复杂的控制场合。它能够不用外接放大器而与传感器直接相连， 可根据输出模拟量的大小，通过其外值得 DIP 开关选择不同的档位及分辨率， 且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。其参数如表 3-3 所示,其外 PLC 在中央空调中的应用 26 部接线示意图如图 3-4 所示。 表 3-4 西门子 S7-200 系列 PLC 的模拟量输出模块 EM232 Table 3-4 Siemens S7-200 series PLCs analog output module EM232 项目 EM232 模拟量输入点数 2 隔离（现场与逻辑电路间） 无隔离 输出范围 电压 电流 10V 0-20mA 分辨率 电压 电流 12位 11位 27 图 3-4 EM232 的外部接线示意图 Fig3-4 The external wiring diagram of the EM232 3.2 PLC 控制硬件连接图 PLC 的硬件接线图如图 3-5 所示： PLC 在中央空调中的应用 28 图 3-5 PLC 的硬件接线图 Fig3-5 The hardware wiring diagram of the programmable logic controller 29 4 中央空调系统的软件设计 4.1 PLC 编程软件 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司