室内空调温度控制系统 ---毕业论文设计

扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计说明书(论文)作 者: 学 号： 教研室: 电气自动化教研室专 业:电气自动化 题 目:室内空调温度控制系统 指导者： 评阅者： 年 月扬州市职业大学电气与汽车工程学院毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号： 题 目： 室内空调温度控制系统 综合成绩： 指导者评语：该生能按时完成毕业设计（论文）任务书规定的工作，积极查阅有关文献资料，设计态度端正，能独立思考并解决有关技术问题，论文符合学校规定的格式，写作的规范化程度好。设计方案可行，有一定的创新性，如果再多参考一些外文资料，将会更加完善。建议成绩评定为 ，可以提交答辩。 指导者(签字)： 2016 年5 月 12日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 该生所选择的毕业设计课题具有较高的应用价值和现实意义，设计方案可行，方案具有一定的创新性，工作量饱满，完全符合毕业设计（论文）任务书规定的工作量要求，写作的规范化程度好。如果再多参考一些外文资料，将会更加完善。建议成绩评定为 ，可以提交答辩。 评阅者(签字)： 2016 年 5 月1 3 日答辩委员会（小组）评语：该生答辩思路清晰，知识掌握较全面，口头表达能力较好，回答问题正确率高，经答辩委员会评议，一致通过，该生成绩为 。答辩委员会负责人(签字)： 2016年5月 15日毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要本篇论文设计是使用变送器将在室内用温度传感器采集到的温度转化为模拟的输入电流或电压，PLC主模块会接收到数字量，它是温度模块将采集到的模拟量转化为数字量之后传输的，然后经过CPU处理后输出控制信号，控制两台压缩机和报警灯。本设计的控制要求：两台压缩机、空调均不工作的条件为温度要低于20摄氏度；只有压缩机Y0启动，空调也开始工作，有制冷效果的，此时温度高于25摄氏度；另一台压缩机Y1工作，制冷效果大大增强的条件为温度高于30摄氏度；压缩机Y0不工作，此时温度低于25摄氏度；当温度下降到21摄氏度时，另一台压缩机Y1也不工作，制冷效果完全没有；Y2会发出报警的条件为温度低于18摄氏度。关键词 PLC、数字量、制冷、报警、自动控制专科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 I 页目 录1.绪论11.1 课题背景11.2 方案论证22.PLC基础知识22.1 PLC的定义及特点22.2 PLC的功能与选型32.3 PLC的工作原理43.室内温度控制系统的软件设计53.1 FX0N-3A功能模块设计53.2 启停程序设计73.3 采集处理程序73.4 组态监控画面84. 室内温度控制系统的硬件设计114.1放大电路114.2 温度采集与监控系统PLC设计134.2.1 系统的组成与工作过程134.2.2 控制要求134.2.3 流程图134.2.4 元器件清单及输入/输出分配表154.2.5 PLC硬件接线图154.2.6 系统主电路图164.3 变频器使用简介165.总结17参考文献19致谢20附录21附录（1）完整梯形图21附录（2）指令表25专科毕业设计说明书（论文） 第29页 共 28页1.绪论1.1 课题背景空调机在我们平常的生产生活中的应用已经非常普遍了，本篇课题的目的是为了能够让空调的温度可控，消除连续不停地制冷造成的浪费和不稳定等问题的影响，进行了“室内空调温度控制系统”的研究与设计。在实际的社会生产生活中，我们经常使用到一类自动化控制系统，那就是温度控制系统，其中最常见的就是空调的温度控制，实现温度的自主控制调整是人们目前所追求的，一方面随着生活水平的提高，人们对环境的品质及舒适度提出了更高的要求；另一方面，在工业生产活动中，保障生产的安全，提高产品质量，节约人力、物力等成本，也要求实现对温度的自动控制。在温度的控制中，由于受到温度控制对象特性（如惯性大、非线性等）的影响，让控制效果大大缩水，达不到理想的要求，因此就有必要设计一种较为完美、有价值的温度控制系统。早期，人们发明了机械式的温度控制器，使用一段时间后，各种缺点暴露出来：1.陈旧老土的外观达不到审美要求；2.控制温度的精度很差；3.容易打火；4.结构功能单一；5.容易在极小的温差内频繁打火。过多问题的暴露会使机械式的温度控制器逐渐会被淘汰。目前正处于电子科技信息时代，新型的温度控制器控制方式已经多样化，包括数字式、电子式、集成化、智能化、网络化。因此，温度控制器的发展趋势必然是智能电子式温度控制器全面的取代机械式温度控制器。 空调是空气调节器(room air conditioner)的简称，是一种用于提供处理空气温度变化的机组，主要功能是处理一个房间或封闭空间、区域内空气的温度，湿度，纯净度，空气的流速，并调整至可以达到人体舒适或工业生产的要求。空调的广泛使用能够让人们得到理想中的舒适生活环境，也满足了生产工艺过程中对精度的要求。国外的研究现状：20世纪70年代以后，世界工业生产发展迅速，在某些领域，特别是计算机技术和自动化控制技术发展的特别迅猛，因此带动了温度控制系统的发展。在国外，温度控制系统控制方式在智能化、自适应、参数自整定等方面取得了一定的成果，一些发达国家，如德国、美国等，技术设计领先全球，已经发展推出了商业化、性能非常优异的温度控制器，并广泛应用于各行各业，进一步推动了工业的发展。国内的研究现状：温度控制系统方面，我国的起步较晚，总体发展水平不高，与国外的德国、美国等技术设计领先的国家相比还是有较大差距。我国生产的一些较为成熟的产品只能用于一般的温度控制系统，它的控制方式主要是以“点位”控制和常规的PID控制器为主的，然而在高智能化场合、自适应控制仪表方面，国内的技术还远远达不到。但是由于国家和企业的高度重视，近些年来我国温度仪表工业得到了飞速的发展，与世界先进水平的差距进一步缩小。1.2 方案论证在温度控制系统方面，目前具有多种的控制方式，比如单片机控制方式、PLC控制方式、继电器控制方式等。单片机：单片机具有多种优点，比如处理能强、运行速度快、功耗低等，在温度控制系统的控制方面，灵活简单，精度较高，是比较常见的控制方式。在日常的生产生活中，单片机温度控制系统，稳定性好，无振荡幅度，主要是保证温度在一定温度范围内变化。PLC：PLC经过了几十年的不断发展，已经是一种成熟的控制手段，具有高性能、实用性强、抗干扰能力强等特点，利用PLC温度控制模块进行温度控制是一种常用的方法。PLC模块温度控制系统具有精度高、价格低廉、性能稳定，使用的非常广泛。继电器：通过继电器的组合成不同的联接方式能实现非常复杂的控制，进行温度控制时，利用机械触电的吸合来控制系统，但可靠性差，寿命短，不容易维护的缺点。通过各方面的比较，择优选择以及结合本课题的要求，决定使用PLC来进行本课题的设计。现代生活中,各行各业的发展离不开PLC的应用,它在工业生产的某些领域中一直处于非常重要的地位。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，实现广泛的应用，满足各用户的需求。控制器的硬件是一个标准的、通用的。利用PLC编程，将控制要求利用程序来实现，再将程序存入控制器的用户程序存储器中,实现控制器和被控对象之间的连接方。它可以迎合现代工厂的某些要求，提供完美的解决方案。本篇论文设计是使用变送器将在室内用温度传感器采集到的温度转化为模拟的输入电流或电压，PLC主模块会接收到数字量，它是温度模块将采集到的模拟量转化为数字量之后传输的，然后经过CPU处理后输出控制信号，控制两台压缩机和报警灯。本设计的控制要求：两台压缩机、空调均不工作的条件为温度要低于20摄氏度；只有压缩机Y0启动，空调也开始工作，有制冷效果的，此时温度高于25摄氏度；另一台压缩机Y1工作，制冷效果大大增强的条件为温度高于30摄氏度；压缩机Y0不工作，此时温度低于25摄氏度；当温度下降到21摄氏度时，另一台压缩机Y1也不工作，制冷效果完全没有；Y2会发出报警的条件为温度低于18摄氏度。 PLC作为一种通用的工业控制器，是工业实践生产过程的核心，具有可靠性高、应用灵活、功能强、通用性好、控制系统完善等特点，通过PLC技术对温度控制系统进行研究改良具有重要意义，对于设计出一种较为理想的温度控制系统提供了途径。2.PLC基础知识2.1 PLC的定义及特点（一）PLC的定义可编程控制器是属于PC中的一类,直接应用于工业环境，具有超强的实用性和抗干扰能力。它使用一个可编程的存储器，可以完成逻辑运算,顺序运算,定时,计数与算术运算等操作,利用模拟输出输入信号或数字信号控制各项工业生产过程。PLC使用极其方便，只需按照说明书安装完成，再接线和编程即可应用到所需的实践中。在最初期时，可编程序控制器全称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。它是在继电器后新兴的一种控制方法，具有许多优点，可以满足工业生产中复杂多样的要求，因而得到了广泛的应用。现在PLC的发展日新月异，许多功能被开发出来，集丰富的功能优点于一身，这是别的控制系统所没有的，为工业的发展提供了强有力的工具。PLC的结构主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）接口、电源及外围设备等几大部分构成。PLC的硬件结构框图如图1.1所示。 图2.1 PLC硬件结构框图总体来说,可编程控制器是为工业生产而专门的一类PC，基本上控制要求所需的接口PLC都可以满足，因为它具有很多输入输出接口。可编程序控制器产品可以应用于各行各业中，它有硬件设置和软件设计要求，这都需要根据具体的实际要求来完成。PLC模块化可以实现更多种需求，随着科技的不断发展，PLC也发展的更加完备。（二）PLC的特点1、高可靠性。2、编程简单，使用方便。3、控制程序多样，适用广泛。4、功能完善，适应面广。5、扩充方便，组合灵活。6、体积小，重量轻。 7、安装简单，维修方便。2.2 PLC的功能与选型（一）功能1、逻辑控制2、定时控制3、计数控制4、步进(顺序)控制5、PID控制6、数据控制：PLC具有数据处理能力。7、通信和联网8、其它：特殊功能模块，如：定位控制模块，CRT模块。（二）选型在确定课题并决定使用PLC完成任务时，选择使用何种PLC就成了最重要的事情。进行PLC系统设计时,第一步是要制定完整的控制方案要求,第二步是对PLC的进行选型以满足工程控制的各种需要。PLC选型的依据有很多，最主要的就是根据工艺流程的特点来选型。在选型的时候，要考虑PLC是否是一个发展完整及可靠的系统，原则上来说，它要与工厂生产系统形成一个集成、标准的整体，并且其功能在拓展时要容易扩充。在进行编程时，了解PLC输入输出点数分布、功能表图和梯形图、SFC等编程语言会大大减少在程序编写时所花费的时间。所以,PLC设计选型和估算时,对实际生产过程的特点、系统要求进行简单有效的分析，明确需要做的任务目的，然后按照系统需求估算输入输出点数、存储器所需的容量等,最后综合这些条件选择一个适合并且高性能价格比的PLC以及与之相对应的控制系统。以下为选型时需要注意的方面：（1）功能方面早期的PLC只有逻辑运算、定时和计数功能,平常的PLC的运算功能除了这几个功能以外，还有数据移位、比较等；运算功能更多的PLC还具有代数运算、数据传送等；一般大型PLC具备模拟PID算法和其他高级操作功能。所有的PLC都会具有一些比较普遍的功能，当有特殊的控制要求时，就要考虑所选择的PLC是否有能力胜任任务。因此，我们在PLC设计选型的时候要根据工业生产的具体需求，选择自己需要的运算功能。本课题设计的室内温度控制系统的要求有以下几种功能的选择：a.控制功能b.编辑功能c.诊断功能d.机型的选择e.对PLC响应时间的要求（2）价格方面输入和输出点数的多少会影响其价格的大小。在选择PLC时，要充分考虑各种情况，不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似，质量相当，I/O点数相当，PLC价格却相差很大，在使用PLC较多情况下，这样的差价是必须考虑的因素。因此，根据以上所述，结合本课题的各项要求，应该选用PLC类型为FX2N-20MR：20点I/O接口，电源为220V，存储器为8K。三菱FX2N的主要特点：较高的可靠性；丰富的指令集；丰富的内置集成功能；实时特性强和强大的通信能力 。2.3 PLC的工作原理 PLC的工作方式是从上到下按照顺序依次扫描，然后按照指令无限循环。当PLC开始工作后，进入扫描周期循环阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。三个阶段全都完成即可视为一个扫描周期。PLC的CPU在整个的工作运行中会按照一定的扫描速度循环执行无数个扫描周期。 PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，一个扫描周期分为自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等步骤进行，这些步数所花费的时间加在一起就是一个扫描周期的时间。图2.2表示一个扫描周期：3.室内温度控制系统的软件设计3.1 FX0N-3A功能模块设计三菱PLC模拟量输入和输出模块有许多种类，本课题用到的是FX0N-3A控制模块。它是有输出通道和输入通道的输入输出混合模块（1个输出通道，两个输入通道）。1个输出通道可以将0-10V的电压或4-20mA的电流输出；2个输入通道可以将0-10V和0-5V的电压或者4-20mA的电流输入。表3.1 FX0N-3A概述 通过本篇课题的研究，FX0N-3A功能模块进行初始化的程序编程设计如下图3.1所示：图3.1 初始化程序程序的说明：第一行程序的作用是先将一个输入通道选择出来，第二行程序的作用是启动所选择的通道的，第三行程序的作用是将在室内采集到的采集到的数据传输到主模块中去。3.2 启停程序设计启动系统在进行温度采集时主要是由启动按钮通过中间的继电器KM1来控制的，程序设计如图3.2所示：图3.2 启停程序程序的说明:X1、X2是控制系统的启动与停止按钮，按钮M50、M51是进行人机界面上的启动与停止按钮。PLC是由继电器来控制的，这是因为X通道是只读的。3.3 采集处理程序PLC主模块通过对功能模块的控制，将采集到的模拟量转换为PLC可以识别的二进制码存到数据寄存器中，将其和给定值比较，再输出控制信号来达到控制压缩机的目的。程序设计如图3.3所示： 图3.3 采集处理程序程序的说明：上图的程序看到，压缩机1的启动与停止是由Y0输出继电器来控制的而压缩机2的启动与停止是由Y1输出继电器来控制的；输出继电器Y2是用来控制报警器的，满足条件即发出报警指示。3.4 组态监控画面进行组态画面时，本课题选择的是MCGS6.2的软件系统。这个MCGS系统全称Monitor and Control Generated System，主要用于构造和生成上位机监控系统，它包括两个部分：组态环境和运行环境。两个部分各有用处，各司其职，用户可以在组态环境中设计编写自己需要的程序，而用户环境是将用户在组态环境中编写好的程序进行运行，也可以对出现的各种问题进行处理，完成自己想要的设计。两个部分结合起来，构成整个MCGS系统，使用方便，简单灵活。如图3.4所示，组态环境和用户环境两者的关系： 图3.4 组态环境向运行环境的过渡整个MCGS组态软件有许多部分构成，每一个部分可以完成不同的属于自己的操作，具有自己的特性，如下图3.5所示： 图3.4 MCGS软件构成下面是本课题进行温度采集时的组态画面：如图3.4的组态画面所示，人机界面中有一台中央空调，它可以显示采集到的温度数值，还有传感器、PLC模块、两个压缩机和一个报警指示灯。下图表明了空调还未开始工作，采集温度也没有采集，所有器件均为初始停止状态，等待温度的采集。图3.5 初始状态的组态监控画面如图4.5所示，中央空调显示温度为27.6摄氏度，该温度大于25摄氏度但是小于30摄氏度，因此压缩机1启动，其指示灯变绿，开始运行。图3.6 压缩机1启动时的组态监控画面如图4.6所示，中央温度显示为34.9摄氏度，该温度大于30摄氏度，所以压缩机2启动，其指示灯变绿，两台压缩机同时运行。图3.7 压缩机2启动时的组态监控画面如图4.7所示，中央空调显示的温度为17.4摄氏度，表示的温度比18摄氏度小，不满足报警指示灯Y2启动条件。图3.8 报警指示灯Y2启动时的组态监控画面4. 室内温度控制系统的硬件设计4.1放大电路本篇课题设计在进行温度采集时用到的温度传感器的型号是PT-100。热电阻的种类有许多种，比如普通型热电阻、铠装热电阻、端面热电阻等，本篇课题在温度控制系统中选择使用的热电阻是PT-100，在实际应用中，它是一种铂热电阻，在0摄氏度时其阻值为100欧姆，温度上升时阻值也会随之增长，阻值与温度呈现正比关系。PT-100的典型应用就是隔离变送器，除此之外还应用于多项场合中，它是比较适合本课题设计的。以下是PT-100温度与阻值对照表。表4.1 PT-100温度与阻值对照表 本课题设计的温度控制系统是将PT-100温度传感器放入室内，采集室内的温度大小，随着时间推移，温度会出现变化，需要将这些温度的变化转换成电阻的变化，通过变送器进行放大后变化为模拟输入电流或电压的变换，最后传输到接下去的电路中。如图4.1： 图4.2 温度采集放大电路4.2 温度采集与监控系统PLC设计4.2.1 系统的组成与工作过程本课题研究设计的温度控制系统是由PT-100温度传感器、PLC、温度模块、两台压缩机、报警灯等组成的。其中PLC型号为FX2N-20MR，PLC温度模块选用的是FX0N-3A。本课题的设计是把利用温度传感器采集房间内的温度，温度会随着时间而变化，需要将此变化转换为电阻的变化，为了更加明显的显示出来，还需要利用变送器再将转化的电阻变化转化为模拟的输入电流或电压，最后，将采集到的模拟量的电流电压利用温度模块转化为数字量传输到PLC的主模块，两台压缩机和报警灯是由CPU处理数字量后发出的控制信号来控制它们的启动与停止的。4.2.2 控制要求本设计的控制要求：两台压缩机、空调均不工作的条件为温度要低于20摄氏度；只有压缩机Y0启动，空调也开始工作，有制冷效果的，此时温度高于25摄氏度；另一台压缩机Y1工作，制冷效果大大增强的条件为温度高于30摄氏度；压缩机Y0不工作，此时温度低于25摄氏度；当温度下降到21摄氏度时，另一台压缩机Y1也不工作，制冷效果完全没有；Y2会发出报警的条件为温度低于18摄氏度。4.2.3 流程图 图4.3 程序流程图如图4.3所示，两台压缩机、空调均不工作的条件为温度要低于20摄氏度；只有压缩机Y0启动，空调也开始工作，有制冷效果的，此时温度高于25摄氏度；另一台压缩机Y1工作，制冷效果大大增强的条件为温度高于30摄氏度；压缩机Y0不工作，此时温度低于25摄氏度；当温度下降到21摄氏度时，另一台压缩机Y1也不工作，制冷效果完全没有；Y2会发出报警的条件为温度低于18摄氏度。4.2.4 元器件清单及输入/输出分配表本系统使用的元器件如表4.1所示：元器件名称三菱FX2NFX0N-3A按钮MCGS软件导线通讯线数量1台1个2只一套若干1根表4.1 温度采集与监控系统的元器件清单输入/输出分配情况如表4.2所示：输入输出输入元件电路元件作用输出继电器电路元件作用X0SB1启动按钮Y0KM1控制压缩机1X1SB2停止按钮Y1KM2控制压缩机2Y2HL1报警灯表4.2 输入输出分配表4.2.5 PLC硬件接线图 图4.4 硬件接线图如上图4.3所示，按下SB1按钮，X0输入信号，Y0输出继电器会接收到此信号，并开始启动，控制压缩机1的启动；按下SB2按钮，X0输入信号，Y1输出继电器会接收到此信号，并开始启动，控制压缩机2的启动；另外，采集到的温度低于18摄氏度时，Y2输出继电器会接收到信号发出报警指示。4.2.6 系统主电路图如下图4.5所示，输出继电器KM1闭合的时候，压缩机1开始工作；输出继电器KM2闭合的时候，压缩机2工作。图4.5 系统主电路图 4.3 变频器使用简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转换为另一频率的电能控制装置。本篇课题需要利用变频器将电阻变化转换为模拟的输入电流或电压，与PLC相连进行课题的设计。一般的，要想实现电动机进行变速运行的转换，就要通过变频器将50或60赫兹的电源变换为各种频率的交流电源。变频器的功能有很多，比如利用变换电源频率的方式来改变电源电压；通过过流、过载、过压等方式来保护电路系统的正常运行。在进行选型时要根据自己的需要，选择合适的品和型号，一般国外的比较贵，但是质量相对来说比较可靠。在目前的工业生产实践中，变频器的使用日趋广泛，尤其是和工业自动化的核心-PLC的结合使用，更是让变频器应用到了更多的场合中，在中国，它的市场潜力非常巨大，各个行业的发展都与变频器密不可分，特别是在节能减排等战略的推动下，变频器的前景无限。变频器与PLC通讯模板的接线模范如图4.6： 图4.6 变频器与PLC通讯模板接线图变频器与电机的连接方法如图4.7： 图4.7 变频器与电机接线图 5.总结通过对本论文的设计，感觉自己在大学中掌握的知识还是不够的，写本篇论文的时候遇到了很多解决不了的问题，经过指导老师以及同学的帮助，才克服了困难。同时我也对三菱PLC的指令有了更深的认识。在设计时，要清楚其运行要求，按照流程一步步来，编程会简单方便很多。本篇论文设计是利用PLC控制来实现对室内温度的控制，并通过空调制冷效果来改变温度的大小，基本上是根据PLC和一些电气知识来完成的。PLC生产出来就是为了方便工业的生产，而且工业生产未来的趋势一定是高度的自动化，PLC的应用也会更加得广泛。而选用PLC来实现本设计，主要是考虑到PLC具有许多特点，例如方便修改与调试等。进行论文设计时，首要的就是根据老师建议，结合自身情况选好课题，接下来就是具体分