毕业设计（论文）-公共建筑智能空调控制系统设计.docx

武汉科技大学毕业设计本科毕业设计题目：公共建筑智能空调控制系统设计学 院:信息科学与工程学院专 业:自动化学 号:学生姓名:指导教师:日 期:二一六年六月摘 要 在如今越来越快速发展的社会中，人们更加享受科技所带给我们舒适便捷的生活。电力在生活中无处不在，空调的普及让我们摆脱了夏天的炎热酷暑，特别是现在商场中出现了越来越多的中央空调。然而很多空调虽然能够保持在设定的温度范围但是却在节能减排以及舒适度方面做得还不够。因此本文是着重研究中央空调控制系统，为设计出节能舒适的空调系统提供技术支持。本文主要介绍了公共建筑智能空调的国内外的发展状况，中央空调系统的分类、自动控制的工作原理。由于整个空调系统是由控制系统的硬件PLC、监控系统等部分组成，所以本章着重讲解了控制空调系统的PLC的分类特点及其组成部分以及监控系统的工作原理。在这些理论基础之上，本文研究通过PLC设计来模拟空调系统的工作情况。在对PLC硬件的选择以及PLC程序设计的基础之上，绘制出了PLC控制电路的接线图，运行了PLC程序来模拟空调运转。最后利用WinCC组态软件来设计出人机交互的界面，用更加清晰简洁的方法对空调系统进行控制和监视。该系统采用西门子S7-300PLC作为主控制单元，利用传统PID控制算法，通过现场PLC控制水阀开度，保证系统根据实际负荷的情况调整流量实现恒温控制。最后通过WinCC flexible实现人机界面的设计。经实验验证，PLC程序运行良好能够正确模拟空调系统工作原理，整个调试运行结果验证了WinCC flexible和现场PLC能实现互相控制。关键词：中央空调系统；PLC控制；PLC编程；WinCC flexible 25AbstractIn todays increasingly rapid development of society, people enjoy more comfortable and convenient life which science and technology brought to us. Electricity in life everywhere, the popularity of air conditioning let us get rid of the heat of the summer heat, especially the emergence of a growing number of the central air conditioning in shopping malls nowdays. However, although a lot of air conditioning can be maintained at a set temperature range but in terms of comfort and energy saving what have done is not enough. Therefore, this article focuses on the central air-conditioning control system, to provide technical support for the design of energy-efficient comfort air conditioning system.This paper describes the development of domestic and public buildings intelligent air-conditioning, central air conditioning system of classification and the principle of automatic control works. Since the whole air-conditioning system consisits of the hardware PLC control system, monitoring system, etc, so this chapter focus on the control characteristics of the air conditioning system of classification of the PLC and its components as well as the monitoring system works. In these theoretical basis of this paper to simulate the operation of the air conditioning system by PLC design. On the basis of the choice of PLC hardware and PLC programming, to map out the PLC control circuit wiring diagram, run the PLC program to simulate the air conditioning operation. Finally ,using winCC configuration software to design human-computer interaction interface, with a more clear and concise method of air-conditioning control and monitoring systems.The system uses Siemens S7-300PLC as the main control unit ,using conventional PID control algorithm, through on-site PLC control valve opening, ensure that the system adjust the flow according to actual load conditions to achieve temperature control. The experimental verification, PLC programs can run good and air conditioning system works can be properly simulated, the results of running verify the entire WinCC flexible and on-site PLC to achieve mutual control.Key words: Central Air Conditioning System; PLC Control; PLC Programming; WinCC flexible 目 录1 绪论11.1 中央空调在国内外的发展11.1.1 中央空调在国外的发展11.1.2 中央空调在国内的发展11.2 研究目的及意义21.3 课题研究内容及结构21.4 本章小结32 中央空调控制系统基本原理42.1 中央空调的分类42.1.1 按空气处理设备的设置情况分类42.1.2 按负担室内负荷所用介质分类42.1.3 按处理空气的来源分类42.2 中央空调工作原理52.2.1 中央空调系统52.2.2 制冷与制冷原理52.3 中央空调控制系统52.3.1 中央空调自动控制的内容52.3.2 中央空调控制系统的结构62.3.3 中央空调控制系统自动控制的原理及组成62.4中央空调系统中监控系统62.4.1中央空调的监控系统说明如下：62.4.2 空调机组的监控内容82.5本章小结83 控制系统硬件介绍93.1可编程序控制器PLC概述93.2 PLC的分类93.3 PLC的特点93.4 PLC的基本组成93.5 本章小结114 控制系统程序设计124.1 中央空调系统的程序设计124.2 PLC硬件的选择124.3 PLC 程序的设计174.4 PLC控制电路接线图184.5 S7-PLCSIM仿真184.6 本章小结195 中央空调系统的监控设计205.1 WinCC flexible简介205.2 人机界面设计205.2.1 WinCC与PLC 300的通讯205.2.2 WinCC的变量给定215.3中央空调控制系统的监视与控制235.3.1中央空调系统的控制235.3.2中央空调系统的监视235.4本章小结25结束语26参考文献27致谢28附录A29 1 绪论 1.1 中央空调在国内外的发展1.1.1 中央空调在国外的发展 二十世界初，世界上第一台空调出现了，其设计原由其实并非是为了让人享受适宜而又舒适的温度，而是因为由于不适宜空气温度与湿度变化令一印刷厂印刷的纸张质量不符合标准，为了解决这一问题，美国人威利斯开利设计了可调节室内温度与湿度的控制系统，并为其申请了专利，这就是世界上第一台空调的由来。从此，一扇新的大门为人类所打开，空调机开始被广泛应用于解决各个行业中所出现温度和湿度问题。在二十世纪二十年代以前，空调的是用对象都是机器。在二十世纪二十年代末，开利公司推出了全世界第一台家用空调，然而由于美国经济大萧条以及第二次世界大战的原因，空调并没有如预期般受到广泛的应用。日本人发明的燃气空调因其设备运用率高、低耗、低噪音、价格便宜、寿命长、省电等诸多优点而为日本政府大力推广，并受到人们的一致推崇。二十世纪八十年代，日本出现了变频空调，与传统空调相比，变频空调有着节能、低噪音、调温快、电压要求低等特点。在九十年代中期，太阳能空调得到了一次飞跃的发展，由于技术的不断创新，人们开始将真空管集热器和溴化锂吸收制冷机运用到其运行中。九八年，日本开始将直流变频技术运用到空调中，使用了新技术的空调性能变得更为优秀。从此之后，直流变频空调占领了空调市场，成为了市场主流，为消费者所青睐。由于早期电力基础设施发达，在相当长的一段时期内，燃气空调在美国的发展并不乐观。然而，由于九九年七月美国出现连续高温导致的空调用电剧增，推广使用燃气空调的呼声在美国国内高涨，燃气空调开始在美国得到进一步的发展壮大1。1.1.2 中央空调在国内的发展二十世纪二十年代初期，修建于上海的嘉道理爵士公馆使用了没过约克公司氨立式2缸和4缸活塞式冷水机组，该建筑是开创了中国使用中央空调的先河。二十世纪三十年代初期，上海某纺织厂采用地下井水进行喷雾加湿，成为我国最早采用喷淋式的空调调节系统工厂。二十世纪中叶，暖通空调专业开始在中国萌芽，大量与之相关的专业课程如雨后春笋般出现在各大高校中，我过的空调高等教育背景就是在这种背景下产生和发展的。之后，这些高校吸收了大量来自苏联的高等技术专家以及出国深造的学生，为今后的教育研究事业奠定了基础。二十世纪七十年代以前，我国的空调主要采用由喷水室对空气冷却加湿的全空气系统。而在七十年代，由于高档旅馆的兴建，空调进入客房，从而使市场主流空调进入空气水系统时代。与此同时，我国开始研究空调的风量系统，但是研究成果甚微。由于全世界范围内的能源枯竭，如何是空调更加节能开始引起人们的大量关注。二十世纪八十年代初期，人们的研究开始逐步转向变流量系统。九十年代中期以后，我国开始对变风量系统有了更加细致深入的研究，同时也有大量的成果开始显现。二十一世纪初，美的公司继成功研发生产出MDV多联机后，通过与韩国三星集团合作，开发研究出采用数码涡旋制冷压缩机的变制冷剂流量系统。不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。正是经由几代人的不断努力，开拓创新，中国的空调事业得到了飞速而蓬勃的发展。2015年的数据显示，国内现有正规中央空调生产企业市场总容量已经达到650亿元。专家分析，国产品牌核心技术垄断成功突围以及国家层面的标准规范发布，国内市场日趋成熟规范，理智消费正在形成。1.2 研究目的及意义随着社会的不断进步，人们日益追求更为安逸的室内生活环境，在大型公共建筑，例如商场、车站、医院、写字楼、酒店等建筑中，人们需求适宜的温度和新鲜的空气，在这样的要求之下，中央空调应运而生。近几年来我国的空调行业取得了前所未有的发展时机，社会上无论是家庭还是公共场所对于中央空调的需求正在逐年攀升,各大品牌纷纷推出各种型号的空调以满足人们的需求。制冷行业的迅速发展表明我国空调市场在未来几年内市场潜力巨大，因此研究中央空调控制系统的工作原理然后对其技术的改进有很大的必要。由于当今社会范围内的产业结构调整以及人民生活水平的显著提高，整个社会对空调的需求量正在逐渐增加，这其中所潜在的商机是巨大的。在如今所提倡的建设人与自然和谐社会、绿色社会的进程中，智能空调系统正在朝着更加绿色化、智能化、舒适化的方向发展。未来的空调在对环境的感知灵敏度方面有所提高，利用变频技术使空调更加省电。可编程逻辑控制器因其可靠性高、有丰富的I/O接口模块、运行速度快、维修方便、价格低而被广泛运用于现代工业生产中。本文主要通过研究将PLC作为中央空调的控制系统，模拟公共建筑为酒店，以达到中央空调智能制冷制热和控制湿度的目的。1.3 课题研究内容及结构本文共分为五章六部分，其内容与结构如下所示：第一章引言，主要概述了公共建筑智能空调控制系统的研究背景以及目前中央空调系统在国内外的发展状况，同时阐明了该研究的目的与意义所在，最后理清了本文大体的研究内容与文章结构2。第二章介绍了中央空调系统的工作原理，大致讲解了中央空调的分类、制冷工作原理、系统的自动控制部分的结构以及组成部分，还介绍了系统中的监控系统部分内容3。这些概念及原理为本文的研究设计做了理论上的准备工作。第三章对控制系统中用到的硬件是由于PLC是本设计中的关键部分，因此本章关于PLC的分类和特点以及其组成做了简要介绍。第四章详细讲解了控制系统的程序设计。程序设计包括硬件的选择、控制电路接线图以及PLC的仿真。第五章详细讲述了该系统中监控系统的设计过程，主要包括人机界面交互的设计以及系统的监控与控制设计。第六部分是对全文的总结，以及对本研究领域未来的发展与展望。1.4 本章小结本章论述了空调系统的研究背景和现状、研究的目的及意义以及全文的内容结构，对文章起到了承上启下的关键作用。2 中央空调控制系统基本原理2.1 中央空调的分类2.1.1 按空气处理设备的设置情况分类第一种，集中式空调系统：将主要的空气处理及输送设备设置在集中的空调机房内的系统。这种系统诞生时间最早，且至今仍被大量使用着4。第二种，混合式空调系统：用于调节室内的空气，在每个房间都会安装一个空气调节装置。这种系统是当今空调市场上使用面积最广、使用量最大、且生命力最强的系统5。第三种，全分散空调系统：在所需的空调房间各自安装能独立处理空气参数的空调器，以满足空调房间的温度和车间内在生产工艺过程中所需的温、湿度要求6。2.1.2 按负担室内负荷所用介质分类第一种，全空气式空调系统：室内负荷全部由经过处理的空气来负担的空调系统。此系统配置简单，初期投资较小，但是安装难度大，对住宅的楼层高度有要求。第二种，冷/热水式机组空调系统：可以制取冷热水的机组，也就是冷暖两用的主机。风冷冷热水机组，就是说散热形式是风冷的，可以冷暖两用7。第三种，空气-水式空调系统：空调房间内的热湿负荷由水和空气共同负担的系统。其典型的装置是风机盘管加新风系统。 第四种，制冷剂式空调系统：这种系统把制冷或制热泵设备的蒸发器（冷凝器）直接放在室内，由制冷剂来负担房间或区域的热湿负荷。该系统由节能、舒适、运转稳定等优点。2.1.3 按处理空气的来源分类第一种，封闭式空调系统：所有的空气都是经过再循环得到的，没有新鲜空气进入。这种系统冷量消耗最少，但是卫生效果极差。 第二种，直流式空调系统：所有的空气全部来源于新鲜的空气，不使用任何的新鲜空气。这种系统卫生条件好，但是能耗大、经济性差。第三种，混合式空调系统：混合式空调系统处理的空气来源一部分是新鲜空气，一部分是室内回风8。2.2 中央空调工作原理2.2.1 中央空调系统中央空调通常包括的主要有冷冻水循环系统、冷却水循环系统、室外和室内空气循环系统、冷媒循环系统等几大部分9。2.2.2 制冷与制冷原理冷水机组作为系统的核心部分，吸收掉往返于室内的循环水的温度，使其成为“冷冻水”。冷却塔用于为冷水机组提供冷却水。冷冻水循环系统把被吸收掉热量的冷冻水泵入冷冻水管道，通过与室内空气接触，达到降低室温的作用。冷却水循环系统吸取掉冷水机组热交换后放出的热量，经由冷却塔冷却后再送回冷水机组。室内风机起加速热交换的作用10。冷却塔风机起降低冷却塔温度的作用。空调制热的过程为制冷过程的逆过程，从压缩机出来的高温气体经过散热过程变成常温高压的液体，同时将热量散发出去进行制热11。高压常温的液体经过膨胀节流阀进入蒸发器蒸发，从冷源吸热，变成低压的蒸汽被压缩机吸入完成整个循环。在这个循环过程中，制冷剂不断地通过散热器将从冷源和压缩机吸收的热量释放出去进行制热。但是，这一过程的效率十分低下，所以往往在空调主机中内设电加热器进行制热，简化了空调结构且制热效率较高16。2.3 中央空调控制系统2.3.1 中央空调自动控制的内容中央空调的自动控制系统应包括以下几个方面的内容：（1）室外温湿度监测。（2）电动两通阀进行PID调节。（3）新风阀、回风阀调节与控制。（4）过滤器前后压差及报警，以防堵塞。（5）表冷器防冻报警。（6）送/回风机的启动与停止、手/自动状态、运行状态、过载警报、故障警报。（7）控制加湿阀的调节。（8）风机运行时间积累等。（9）在中央工作站上对系统中各种温度进行监测和设定。2.3.2 中央空调控制系统的结构为了实现远距离准确无误差控制房间内的温湿度的目的，中央空调系统被分为以下几个子系统：中央监控系统：中央监控系统由远程计算机和组态软件组成负责设定值得给定、实时数据分析、历史数据存储等功能。通信系统：远程通信系统采用光纤通信，将现场PLC采集的数据迅速的传递给监控计算机降低了数据传输延迟时间，达到高效、快捷的数据处理。控制系统：由PLC模块以及各种仪器仪表（温度和湿度传感器、变频控制器、电动执行器以及静态压力传感器）等一起组合而成。这些组合装置能够提供稳定的输入输出数据，为数据的采集提供了有利的条件。UPS系统：UPS不间断电源能提供高质量的电源，没有瞬变和谐波，即使当电网断电时，它也可以由后背电池供电，使PLC、计算机有多余时间解决问题。中央空调控制系统的结构框如图2.1：2.3.3 中央空调控制系统自动控制的原理及组成空调自动控制系统的结构图如下图2.2所示，现分析其工作过程的原理。当在室温条件下时，利用温度传感器去检测出室内温度为2，系统给定的温度为 g,经过偏差分析后会得到一个比较偏差为=g-2把偏差送入到调节器中，调节器经过调节后输出信号y到执行器中，执行器进行分析综合后执行相应动作产生输出信号t来控制调节阀的开度，调节阀执行相应动作后产生输出信号g到盘管，盘管会对冷量和热量进行调节产生输出信号q，冷量或热量q会散播到房间中，最后房间的输出温度为r。在闭环控制系统中，就是经过偏差信号来进行调节使房间温度始终维持在一个恒定的值左右。影响此系统的温度因素主要有室外温度、墙体散热度以及房间内负荷的变化等，这些外部干扰因素用f来表示12。2.4中央空调系统中监控系统2.4.1中央空调的监控系统说明（1）空调机组由PLC控制器进行控制，风机控制箱有手/自动选择，同时具备手动启停按钮。（2）在回风管内安装有空调机组的温度和湿度传感器，通过将设定的湿度（温度）与实际检测到的湿度（温度）相比较得出误差，然后与湿度(温度)相关联的调节阀会自动进行相关动作，使相对应的变量维持在稳定的值。（3）空调机组送风机与电动风阀,电动水阀,加湿电磁阀联锁。（4）监测空调机组状态和报警。（5）防冻措施(仅用于寒冷地区)当室外温度低于0停机时，打开热水阀保持30%的开度。2.4.2 空调机组的监控内容(1) 回风温、湿度。(2) 电动两通阀进行PID调节。手自动转换主位机监视系统风道温湿度防冻报警压差报警电机报警电动阀门反馈通讯系统PLC现场控制系统UPS系统回风温度回风湿度防冻报警压差报警预热阀水阀加湿阀风机图2.1 中央空调KtKzKyKbKrKc调节器执节器调节阀盘管房间传感器ygqr2fg图2.2 空调自动控制系统(3) 新风阀、回风阀调节与控制。(4) 过滤器前后压差及报警，以防堵塞。 (5) 表冷器防冻报警。(6) 送/回风机的启动与停止、手/自动状态、运行状态、过载警报、故障警报。(7) 控制加湿阀的调节。(8) 编制时间程序自动控制风机启停。2.5本章小结本章奠定了本研究的理论基础，讲解了空调系统的相关概念及原理。其中包括中央空调在不同条件下的分类，空调的制冷工作原理，空调自动控制系统的内容结构和原理以及监控系统的相关内容。3 控制系统硬件介绍3.1可编程序控制器PLC概述 PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对确定了PLC的定义17。PLC可编程控制器由以下几大部分构成：电源、总线、存储结构。其中总线是有地址总线、数据总线和控制总线三个部分组成。存储结构包括输入接口和输出接口、中央处理器、存储器以及数据存储器。其中的输入接口包含有各种开关、継电器节点、行程开关、模拟量输入等；而输出开关有照明、电磁装置、执行机构等组成13。3.2 PLC的分类（1）按I/O点数分类 PLC按I/O点数不同可分为超小型机、小型机、中型机、大型机和超大机等5种类型。（2）按功能分类 按功能可以分为低档机、中档机、高档机。（3）按结构形式分类 按结构形式不同，PLC可分为整体式、模块式和软PLC（即集成的PLC）等三类。3.3 PLC的特点PLC具有以下的特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）配套齐全，功能完善，实用。（3）简单，受工程技术人员欢迎。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。（5）体积小，重量轻，能耗低。3.4 PLC的基本组成PLC的最小系统主要一下四部分组成：1）中央处理单元（CPU）2）存储器（RAM、ROM）3）输入/输出单元（I/O接口）4）电源（开关式稳压电源）其结构框图如图3.1所示： 输入接口中央处理单元CPU输出接口电源存储单元 l图3.1 PLC基本组成（I） CPU（中央处理器）中央处理器是PLC的核心，是PLC不可缺少的组成单元。主要功能包括以下几个方面：1）接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。2）检查、效验用户程序。3）执行用户程序4）故障检测不同型号的PLC的中央处理单元芯片是不一样的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、8086、80826等，多数采用厂家自行设计的CPU芯片，如西门子公司的S7-300/400PLC均采用自行设计的专用芯片。（II） I/O接口输入输出接口采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电器隔离，减少了电磁干扰。其中输入接口的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号转换成数字信号送入主机。而输出接口的作用是将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等点电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。（III）存储器存储器分为RAM和RAM两部分。其中RAM存储各种暂存数据、中间结果以及用户正在调试的程序。ROM存放监控程序以及用户已经调试好的程序。（IV）电源模块电源分为直流电源和交流电源两种。一般情况下，交流电源就是我们通常用的220V，直流电源就是24V。（V） 编程器 编程设备可以使专用的手持式编程器，也可以是专门安装了编程软件的个人计算机。用户可以通过键盘输入和调试程序，另外在运行时还可以对整个控制过程进行监控。3.5 本章小结PLC在本研究的设计中具有十分重要的作用，因此本章详细介绍了PLC的分类及其特点。PLC系统是由中央处理器CPU、I/O接口、存储器以及电源模块四部分组成。同时也介绍了作为PLC最重要的外部设备编程器。这些关于PLC方面的理论介绍为下一章空调控制系统中PLC系统的详细设计做了铺垫。4 控制系统程序设计4.1 中央空调系统的程序设计基于PLC和winCC的中央空调控制系统的设计分为硬件设计（外部各种装置设备的设计）和软件设计（梯形图程序的设计）两个部分。整个系统的设计分以下5步进行。(1)熟悉被控对象对所需要控制的程序系统进行透彻分析。设计工作者应该走进现场，对被控系统进行实际了解，做到心中有数，并广泛采纳意见，掌握所需求的资料，彼此协调好工作，一起解决设计中的问题。在这个过程中，要求工作者所需控制对象的功能进行全方位、立体的掌握，对对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护；电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系；PLC和其他装置之间所存在的联系，PLC彼此有没有通信联网；程序的实现方法及MHI，要求显示的物理量及显示方法等。(2)硬件选择系统的输入单元有各种开关、继电器节点、行程开关、模拟量输入等；系统的输出单元有照明、电磁装置、执行机构等。PLC的选择包含了对PLC的机型、容量、输入/输出单元、电源等的选择。PLC的I/O端口分配表中应该包含符号、地址、状态、数据类型和注释等。 (3)编写应用程序用梯形图编程要注意的问题是用电路变换减少程序（减少指令的个数）逻辑关系应尽量清楚（避免左轻右重）避免出现无法编程的梯形图(4)程序调试程序调试分为2个阶段，第一阶段是模拟调试、第二阶段是现场调试。程序模拟调试是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。现场调试。当控制台和现场施工完毕，系统模拟调试成功后，就能够开始现场调试，要是不可以，应该再次检查程序和接线，立刻修改软硬件方面的问题。其具体流程图如图4.1：4.2 PLC硬件的选择本中央空调控制系统选择德国西门子公司的S7-300系列的PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。模块彼此之间可以通过不同的组合结合成为能够满足不同需求的系统。S7-300 PLC相对于S7-200 PLC具有模块化程度高、运算速度快、实现复杂运算等特点；同时S7-300人机界面设计，使可视化程度高、编程简便、便于阅读等特点。 评估控制任务PLC机型的选择控制柜设计及布线程序设计联机调试PLC安装程序检查、调试控制流程的设计程序备份修改软、硬件模拟运行投入使用是否满足要求 图4.1 程序设计流程图本中央空调控制系统由于输入/输出点数不太多，本可以使用CPU314的类型，其中还包括8点DI模块1个、8点DO模块1个、8点AI模块3个、8点AO模块2个。(1)CPU的型号选择S7-300系列的标准CPU模块有CPU312、CPU314、CPU315-2DP、CPU315-2PN/2DP、CPU317-DP CPU317-2PN/2DP、CPU318-2DP等类型。此系统选用S7-300 CPU314， CPU 314 用于对处理能力和响应速度有很高要求的场合。处理器对每条二进制指令的处理时间大约为 60 ns，每个浮点预算的时间为 0.59 s。 与执行相关的程序段的 128 KB 高速 RAM（相当于约 42 K 指令）可以为用户程序提供足够的空间；有灵活的扩展能力最多可达 32 个模块。 有MPI多点接口；集成的 MPI 接口最多可以同时建立与 S7-300/400 或编程设备、PC、OP 的 12 条连接。 (2)数字量输入输出模块1)数字量输入模块（DI SM321）的作用是为了保证机械触电和与电子数字式传感器的关联。其技术数据如表4.2： 表4.2常用SM321数字量输入模块技术特性技术特性直流16点直流32点交流8点交流16点输入点数1632816额定负载电压（V）DC24DC24负载电压范围（V）20.428.820.428.8额定输入电压（V）DC24DC24AC120AC120输入电压为1的范围（V）133013307913279132输入电压为0范围（V）3535020020输入电压频率（Hz）47634763隔离（与背板总线）方式光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器输入电流为1的信号（mA）77.5621最大允许静态电流（mA）1.51.514典型输入延迟（ms）1.24.81.24.82525背板总线最大消耗电流25251629功率损耗（W）3.544.14.02）SM 321直流输入电路的内部结构如图4.3所示： 图4.3 SM321直流输入内部框图3)数字量输出模块被用来驱动小功率电动机、接触器、灯和电动机启动器、电磁阀等负载。数字输出模块把S7-300里的信号电平转换为控制过程所要求的外部信号电平，同时有隔离和信号放大的作用。输出电流的典型值为0.52.0A。其技术数据如表4.4：表4.4 SM322数字输出模块技术数据技术特性8点晶体管16点晶体管32点晶体管16点晶闸管32点晶闸管8点继电器16点继电器输出点数816321632816额定电压DC24DC24DC24AC120AC120AC120AC120与总线隔离方式光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器输出组数4888828最大输出电流(A)0.50.50.50.5122短路保护电子保护电子保护电子保护电子保护熔断保护熔断保护熔断保护最大消耗电流(A)6012020018427540100功率损耗（W）6.84.959252.24.54）SM 322继电器输出电路的内部结构如图4.5所示：图4.5 SM322 继电器输出框图(3)电源模块电源模块PS307是西门子公司为S7-300专配的24 V DC电源。电源模块将AC120/230V电压转化为DC24V电压，为S7300、传感器、执行器供电。输出电流有2A、5A、10 A三种)，其工作原理和各种参数都相同。本设计选用5A的电源模块。电源接线图如图4.6所示：图4.6 PS307 电源模块接线图(4)硬件组态 完成硬件的选型后对PLC硬件进行组态，硬件组态图如图4.7所示：图4.7 系统硬件组态4.3 PLC程序的设计根据系统控制要求对PLC进行输入输出点的分配，总共有7个输入点，22个输出口分配表如图4.8所示：图4.8 PLC输入输出分配表完成PLC的输入输出口之后根据系统控制要求编写PLC程序，STEP7 标准软件包中，提供了LAD（梯形图）、STL（语句表）、FBD（功能快图）三种编程语言，三种语言之间可以相互转换。梯形图直观易懂，本设计用的是梯形图，本设计主要的程序为冷热源的顺序启停程序和空调机组的启停控制程序。具体程序在附录里给出。4.4 PLC控制电路接线图PLC的外部接线控制原理接线如4.9所示：图4.9 PLC 控制原理图4.5 S7-PLCSIM仿真完成PLC的程序设计之后对程序进行离线仿真，仿真软件用的是西门子的S7-PLCSIM仿真软件。本仿真实现了中央空调开启并自动调温调湿与关闭空调，同时在当有警报时能够自动打开报警指示灯等一系列功能。模拟开启空调的仿真S7-PLCSIM如图4.10所示，当打开与I0.0相对应的SB1：启动按钮时，Q0.0(新风阀)、Q0.1(回风阀)、Q0.2(水阀)相继打开，接着Q0.3（风机运行）打开，最后Q1.5（空调运行）开启，从而实现了空调系统启动的功能。图4.10 S7-PLCSIM空调监控仿真4.6 本章小结基于PLC的中央空调控制系统设计包括硬件以及软件设计。在进行硬件设计时硬件的选择是相当重要的，由于S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单，所以本设计中采用S7-300，CPU的型号选择S7-300 CPU31414。在程序设计中，对PLC进行输入输出点配置，画出PLC控制的外部原理接线图，并用西门子的S7-PLCSIM仿真软件对程序图进行仿真。5 中央空调系统的监控设计由于自动化的飞速发展，控制过程变得日益复杂，程序的操作最大透明化已经成为一种迫切需要。人机界面（HMI Human Machine Interface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。5.1 WinCC flexible简介WinCC flexible支持多个不同自动化概念的组态。如：HMI设备通过过程总线直接与PLC连接的单用户系统，多台HMI设备通过过程总线连接至一个或多个PLC的多用户系统。此外，HMI设备通过以太网连接至计算机构成的具有集中功能的HMI系统18。在操作员和WinCC flexible（位于HMI设备端）之间以及WinCC flexible 和PLC之间均存在一个接口。HMI系统承担下列任务：1）过程可视化2) 操作员对过程的控制3) 显示报警4) 归档过程值和报警5) 过程值和报警记录5.2 人机界面设计HMI监控系统的主要构成部分是监控主画面和与其相对应的功能子画面，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView、wondware公司的intouch及国产的组态王、力控等。在本研究设计中，选择了winCC组态软件来设计监控画面winCC软件操作简单，具有丰富的图形画面功能。 5.2.1 WinCC与PLC 300的通讯要实现WinCC 与PLC的通讯应该先实现两者的通讯。西门子常用的通信方式通常分为以下几种：自由口通信、PPI（PointtoPoint点对点接口协议）通信、MPI（MultiPointinterface多点接口协议）通信、PROFIBUS（ProcessFieldBus过程现场总线协议）通信、工业以太网通信等。对于一个酒店来说要控制多台空调，因此本此设计用的MPI通信，确保多台空调的通讯。WinCC与PLC 300之间的通讯如图5.1所示：图5.1 WinCC与PLC 300的通讯设置WinCC组态的连接实现与PLC 300的通讯如图5.2所示：图5.2 WinCC与PLC 300的通讯5.2.2 WinCC的变量给定用给定的变量来实现对PLC300的控制，进而检控整个空调的运行系统，本设计用PLC 300的一个数据块来给定WinCC 的控制变量15。PLC 300的DB1（数据块）的地址分配如图5.3所示：图5.3 PLC 300的DB1的地址分配通过DB1分配地址后，WinCC的变量可以通过与这些地址的连接实现对整个空调机组的控制。WinCC的变量如图5.4所示：图5.4 WinCC 变量5.3中央空调控制系统的监视与控制5.3.1中央空调系统的控制(1)完成了PLC程序设计和人机界面设计之后，进入系统运行测试阶段。首先在SIMATIC Manager编程软件中将设计好的程序下载到PLC中，然后打开WinCC，切换到运行模式。在SIMATIC Manager编程软件中运行的结果如图5.5所示：图5.5 PLCSIM 仿真画面5.3.2中央空调系统的监视整个组态包括2部分：1.冷热源组态监控画面；2.空调机组组态监控画面（1）整个中央空调首先要启动冷热源系统，在其开启后，再启动室内的空调机组或是新风机组，冷热源是空调机组或是新风机组提供冷热或是热源对新风进行加热或是降温处理。冷热源组态监控画面如图5.6所示：图5.6 冷热源组态监控画面冷热源系统是按下启动按钮后按照冷却塔风机 冷却水泵 冷冻水泵 冷水机组的顺序启动；按停止按钮后按照相反的顺序停止；运行或是停止都有指示灯。冷却塔风机、冷却水泵、冷冻水、冷水机组都有故障报警，发生报警后按停止顺序停止整个系统，当发生故障后之后消除故障后才能再次启动系统，若是故障未消除无法启动整个系统。 此界面还包括一个用户管理视图，可以对用户的密码和权限进行更改设置。（2）空调机组运行系统包括对新风阀、回风阀的控制监控，通过回风温度与设定温度的比较通过PID控制水阀的开度，进而控制室内的温度，根据室内的湿度与设定值进行比较确定是否开启加湿阀（或是除湿阀），北方冬天空调机组运行时若温度太低会损坏机组，因此设有一个预热阀，当温度低于设定值时预热阀开启对新风进行与热处理。整个空调监控机组有滤网报警、风机故障报警，当滤网发生堵塞，或是风机发生故障都会发出报警，使风机停止运行，进而停止整个系统的运行。传感器的检测把数据传送给PLC上位机，通过PLC的中央处理器来控制空调机组，组态画面可以实时检测控制空调机组的运行状态。空调机组的监控画面如图5.7所示：武汉科技大学毕业设计图5.7 空调机组的空调监控画面5.4本章小结本章对中央空调系统的监控设计进行了详细的介绍，监控设计使用的软件是winCC flexible，要实现人机界面的交互设计就必须要使winCC与PLC300建立起通讯，其次是用PLC 300的一个数据块来给定WinCC 的控制变量，进而检控整个空调的运行系统。利用设计好的组态软件画面来模拟对中央空调控制系统，实现对其进行控制和监控的功能。结束语本研究详细阐述了利用PLC技术和winCC组态软件来设计智能空调控制系统。总体介绍了空调控制系统的研究背景及其现状、研究的目的及意义。详细介绍了空调控制系统的基本工作原理以及PLC硬件的分类与实验器材的选择。这些为控制系统的程序设计和监控设计做了理论上的铺垫。本研究的设计大致分为两大模块，即系统的PLC程序设计以及控制电路接线图、空调系统的监控设计。这两个模块两者相互结合，二者缺一不可。在PLC设计中，利用LAD梯形图编写程序，对PLC进行输入输出点分配，设置了各变量的地址和数据类型，本设计主要的程序为冷热源的顺序启停程序和空调机组的启停控制程序。在监控设计中，利用人机界面设计将PLC与组态软件winCC在逻辑上连接起来，使两者之间相互通讯。利用组态软件绘制出冷热源组态监控画面和空调机组组态监控画面，便于人进行识别和控制。空调系统存在于我们生活中的方方面面，因此对空调系统工作原理进行分析并设计是非常有必要的。在西门子S7-300系列PLC和组态软件WinCC flexible的基础上，我们成功设计出了中央空调的控制系统，该系统达到了快、准、稳的效果，也达到了预期的目标。在人机交互界面的设计中，组态软件绘制的两种监控画面可视化程度高，操作简便同时又满足了本设计所需要的功能。虽然本文完成了了该系统的设计并且基本实现了各项功能，但是在使空调更加省电节省资源方面做得还不够好。在我们现在所提倡的建设人与自然和谐社会、绿色社会的环境下，未来的智能空调控制系统会朝着更加绿色化、智能化、舒适化的方向发展。未来