中央空调节能控制系统本科毕业设计.doc

第一章 绪论1.1 中央空调节能研究背景随着中国经济的发展和人民生活水平的提高，空调作为一款重要的家用电器，在国民经济生产和人们社会生活中扮演的角色也越来越重要。中国空调工业在发展的同时，一些问题也日益显露出来。特别是空调行业规范标准不健全，生产企业繁多但未能相成规模效应，科研开发能力弱，市场培育能力差，产品的附加值低等导致经营效益不佳，严重制约了行业的进一步发展和品质的提高。与此同时，我国的建设业保持迅速的增长，平均每年增长1520%。GDP的增长每年超过7%。在今后几年里，国外私营资本的继续不断进入，以及2008奥运会和2010上海博览会推动了北京和上海的发展，促使中央空调有了较大发展。因此，中国空调企业必须抓住新的发展形势，加大科技创新，注重空调节能，提高技术含量，加强自主研发能力，打造有效推广策略，对空调行业的国家标准进行统一规划，只有这样才能在新形势下立于不败之地。1.2 中央空调节能研究意义我国民用、公用及商用建筑的中央空调普遍存在着能耗高的问题,一般中央空调的能耗约占整个建筑总能耗的50%,而商场和综合大楼更高达60%以上1。随着电能紧缺问题的日益严重,节能技术已被政府、各行各业所重视并推崇。现代高层建筑及智能大厦的飞速发展,中央空调由于其高能耗性已成为令人最为关注的难题之一,其节能技术的研究日益加强。1.3 中央空调耗能原因引起水系统高能耗运行的原因有多方面，诸如设计规范、设计计算、水泵质量、工程安装及运行管理等等，主要表现在以下几个方面：1.系统设计选用的水泵偏大（大马拉小车），引起水泵处于“大流量、低效率、高功耗”的不利工况运行。2.对于有多台水泵并联或串联的较为复杂系统，运行配置不合理，增加水送能耗。3.系统回路水力严重不平衡，或存在局部阻力偏高的不正常现象，增加水送能耗。4.系统回路漏渗，增加无效流量，增加水泵能耗。5.水泵质量偏差，效率偏低，增加能耗10。可以通过流体力学计算来说明高能耗的程度及节电潜力。对闭式循环管路系统，输送能耗可以从水泵轴功率计算得出：N=QH/=KQ3/367, (KW) (1-3-1)式中：N为水泵功率 KW，Q为扬程地流量 m3/h，为水泵的效率，K为管路特性阻抗（在管路及阀门开启不变前提下是常数）。由此可以看出，输送能耗完全可以从水泵流量和水泵效率计算出，与流量的三次方成正比,与水泵运行时效率成反比。对开环式循环管路系统，计算相仿8。举例说明：100万kcal/h氟冷水机冷冻水额定流量200M3 /h，冷却水为240T/h，选用的水泵名牌流量Q=200M3/h，最佳工况运行的效率1=0.75，那么最佳工况运行的水送能耗：N1= KQ3/367=K2003 / 3670.75，(KW) (1-3-2)如果冷冻水泵选用偏大，按水泵运行性能特性，势必处于大流量、低效率的点运行，在实际运行当中流量就不是200M3/h而是300M3/h，同时引起水泵效率降低到2=0.6，那么实际运行的水送能耗：N2= KQ3/367=K3003 / 3670.6，(KW) (1-3-3)两者能耗比为：N2/ N1=30030.75 / 20030.6=4.2从中可以看出水泵实际运行（300M3/ h）的能耗是最佳工况运行（200M3 /h）能耗的4.2倍，即说明有75%的能耗是白白浪费的，同时也说明节电潜力有75% 。1.4 中央空调节能原理解决空调水系统高能耗的主要方法：1.根据电机额定电流，调节水泵出口阀门，单纯地让水泵恢复到额定功率运行。这种方法，尤如“一边踏油门，一边踩刹车”，只能减少过载部分功率，起到保护水泵电机正常运转作用。2.切割水泵叶轮，直接降低流量、降低运行功率。这种方法只有在过载现象严重情况下使用，但叶轮切割后，水泵效率也随之降低，况且叶轮靠估算切割准确度差，成功率不高。3.采用变频技术。变频技术根据“频率、转速、流量”三者成线性关系，通过改变频率来调节流量，同时达到降低能耗目的。变频技术应用于末端流量精确配送，或变流量的系统流量微调，作用非常明显。由水泵、风机的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）根据上述原理可知：改变水泵、风机的转速就可改变水泵、风机的功率18。例如：将供电频率由50Hz降为45Hz，则P45/P50=453/503=0.729，即P45=0.729*P50（P为电机轴功率）；将供电频率由50Hz降为40Hz，则P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512*P50（P为电机轴功率）。 在现有的大多数中央空调中,由于其中的压缩机自身带有PLC可以实现自行控制,所以对中央空调中的其它部分进行控制就是我们所要研究的重点27，而其它部分如冷冻循环水系统、冷却循环水系统和冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷需求选定的,且留有充足余量26。无论季节、昼夜和用户负荷怎样变化,各电机都长期固定在工频状态下全速运行,其能量的浪费是显而易见的。所以节约中央空调在低负荷时冷冻水循环系统、冷却水循环系统和冷却塔风机系统的电能消耗,具有极其重要的经济意义。第2章 中央空调2.1 中央空调的种类在我国，家用空调和中央空调本是两个独立的概念。家用空调一般是指窗式机、分体壁挂式等用于家庭单个空间的空调机组；而中央空调则是指具有集中的冷热源和冷热媒的空调系统，主要应用于宾馆、写字楼等，能够为较多的独立划分的空间提供冷量和热量的空调系统。中央空调几乎不存在上述问题：由于冷源集中，中央空调的能效比一般在45。多风口的送风和回风可以保证室内有良好的空气流场和温度场；由于远离制冷机房，所以噪音污染得到有效的抑止；可以加入新风并通过及时更换过滤器，保证室内空气质量；鉴于上述原因。家用空调中央化的方案引起了业界的关注，陆续提出了“户式中央空调”或“小型家用中央空调”等概念。按照中央空调的输送介质的不同，常见的有三种型式：风管式系统、冷热水机组和VRV(变制冷剂流量)系统。据专家介绍,现在建的写字楼项目空调系统主要分为三大类:普通分体式空调、大型中央空调、小型商务中央空调。分体式空调主要在住宅和低品质写字楼项目中应用，分为室内、室外机两部分。应用在写字楼中主要优点是易于装修改造，单独控制温度及计量耗电量；缺点是，外挂机不美观且室内空气质量差，冷热气流不均匀。 大型中央空调单独设置空调机房，由风道将处理后的空气送入各办公空间。主要优点是楼宇外立面美观，室内基本无噪音；缺点是风道占用空间且不易于改装，难实现分别计量和控制，容易造成能源浪费。 小型商务中央空调即户式中央空调，适用于较小的或分隔式的办公空间，如600平米以内的房间。且通过技术可引入新风系统，实现分户控制与计量，易于室内装修改造。在国外应用较为普遍，也正逐渐为国内许多写字楼项目采用。该产品缺点在于初始投资达，安装、维护技术要求较高。 而现使用的小型商务空调主要分为三类：风管式系统、冷/热水机组、制冷剂系统。 2.1.1 风管式系统风管式系统以空气为输送介质，其原理与大型全空气中央空调系统的原理基本相同。它利用室外主机集中产生冷热量，将从室内引回的回风（或回风和新风的混风）进行冷却加热处理后，再送人室内消除其空调冷热负荷。相对于其它的家用小型中央空调型式，风管式系统最初投资较小。如若引人新风，其空气品质能得到较大的改善。但风管式系统的空气传输分配系统所占用建筑物空间较大，一般要求住宅要有较大的层高。而且它采用统一送风的方式，在没有变风量末端的情况下，难以满足不同的房间不同的空调负荷要求。而变风量末端的引人将会使整个空调系统的最初投资大大增加。风管式系统易引入新风系统，初始投资较小；但占用空间，需较大层高；要实现各房间分别控制需安装变风量末端。 2.1.2 冷/热水机组 冷/热水机组的输送介质通常为水或乙二醇溶液。它通过室外主机产生空调冷/热水，由管路系统输送至室内的各末端装置，在末端装置的致冷/热水与室内空气进行热量交换，产生出冷/热风，从而消除房间空调负荷。它是一种集中产生冷/热量，但分散处理各房间负荷的空调系统型式。 冷/热水机组通过末端装置（通常为风机盘管）可调节送入室内的冷/热量，分别满足不同的房间的要求，其节能性很好，且其输配系统占用空间小，易于改装。缺点是难以引入新风系统。 制冷剂系统也称多联式空调系统，其末端是由直接蒸发式散热器和风机组成的市内机。使每个单元均可单独控制，先进的变频技术保证了空调的节能性和舒适性。简单精细的冷冻管配以超薄的室内机，可令对层高的要求降到最低。总的来说监控和计量都非常方便。但对材料和工艺都要求较高，初始投资较高。 2.1.3 VAV或VRV空调系统现在市场上许多高档写字楼项目均采用VAV或VRV空调系统 VAV(Variable Air Volume即变风量空调系统），实质是在保持空调送风温度的前提下，根据空调房间内实际温度的变化来调节空调送风量，达到控制房间温度的目的。末端装置及其所带风口用软管连接，易于装修或二次改造。近年美国学者提出新概念，TRAV（Terminal Regulated Air Volume，末端调节的变风量系统），和VAV一样也是一种变风量系统，通过调节风量来创造舒适环境，但TRAV不采用VAV中的静压调节，而由末端装置直接控制送风机。在相同的流量下，TRAV系统所要求的风机功率要VAV系统低得多。 2.2 中央空调的工作原理中央空调主要由制冷机组、水泵与空调水系统、空调末端设备与送风系统及调节控制系统等部分组成。制冷主机根据压缩、膨胀（或浓缩、蒸发）的放、吸热原理，通过消耗电能（或热能）来完成室内外高位和低位热能的转移，即通过冷冻水系统向室内空调末端设备提供冷源，同时通过冷却水系统把产生的热量带到冷却塔扇风冷却并被排到室外。空调末端设备以风作为介质，通过再次冷热交换，最终通过送风系统把冷量释放到需要空调的房间中，起到空气调节作用8。空调水系统、送风系统主要起冷（热）量输送及合理分布作用。冬季由锅炉取代制冷主机供应热源，原理与此相同。 221 冷热水机组形式家用中央空调原理这里以冷热水机组形式家用中央空调为例说明空调的工作原理。冷热水机组的制冷剂循环与普通家用空调和VRV形式的家用中央空调的不同在于：冷热水机组通过水冷换热器将制冷剂的冷热量传给专门的输送介质（载冷剂，这种载冷剂通常为水）送到用户端。冷热水机组的载冷剂循环为：从各用户换热器返回的高低温(供冷时为高温，供热时为低温)回水在集水器中混合，经空调水泵加压送入水冷换热器中换热成为低高温（供冷时为低温，供热时为高温)载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各图2-2-1、冷热水机组形式的家用中央空调原理图空调空间的供水管路，供水在各房间的换热设备(譬如：风机盘管)中向空调空间释放图2-1-2、为冷热水机组形式家用中央空调控制原理图冷热量后成为低温回水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。如图2-2-1。 222 冷热水机组形式家用中央空调的控制原理冷热水机组形式家用中央空调的控制原理与风机盘管中央空调系统基本类似。图2-1-2为冷热水机组形式家用中央空调控制原理图，图中E为执行器、C为控制器、T为温度测点。冷热水机组的控制方式如下：每个空调房间有自己独立的温度控制器，用户可根据需要设定室温度控制器上的温度传感器及时感知该房间的温度，温度控制器根据该温度和设定室温的差别来控制风机盘管中风机的转速，从而把室内温度稳定在设定值附近。各个温度控制器通过通讯环路(集中总线)与主控制器取得联系，不断把目前的状态包括用户的设定等信息及时反馈给主控制器。主控制器可单独接受用户的设定，也可根据用户对各房间温度控器设定的情况决定运行工况。在某一工况下，主控制器检测空调出水温度，并将其与设定值比较，根据差别来控制压缩机运行、从而调节系统整体制冷热量。此外，主控制器还要检验系统关键位置的压力、温度、电流等、发现异常立即采取措施并显示故障信息，准确、迅速的保护功能是系统能够长期安全稳定运行的保证。2.3 中央空调节能控制系统设计技术指标空调系统的基本要求是维持空调房间内的空气达到要求的空调参数，并且允许在微小范围内波动。以空调房间为主要调节对象，空调自动控制的任务是对空调系统的温湿度及其它参数进行自动检测、自动调节，完成有关信号报警、互锁保护控制，制冷系统的自动控制。硬件设计以可编程控制器为主，同时包含温度检测装置、湿度检测装置、变频器、中央空调系统；软件方面，PID控制算法和模糊控制技术为核心进行程序设计。 设计要求：在空调在工作状态下，温度、湿度保持在最合适的范围内，并使系统处于高度节能状态。该题目设计技术指标：温度25，湿度50，允许温度误差1，湿度误差5。节能在20。2.4 中央空调节能控制系统节能方案及方案论证中央空调机组是以满足使用场所的最大冷热量来进行设计的,而在实际应用中,冷热负荷是变化的,一般与最大设计供冷热量存在着很大差异,空调系统大部分时间运行在非满载额定状态。传统的中央空调水、风机系统均采用调节阀门或风门开度的方式来调节水量和风量,这种调节方式能耗较大8。空调能耗不仅给城市能源、环境保护带来巨大压力,也给经营者带来沉重的经济负担。中央空调系统能耗主要由三部分组成：制冷主机能耗，空调末端设备风机能耗，冷冻、冷却水泵能耗3。一个真正节能型中央空调要求设计做到，选用高能效的制冷主机，设计出高水送效率的空调水系统及高风送效率的风系统。具体讲，制冷主机、水泵与风机的选型及组合要合理，空调水系统及风系统设计布置要合理；同时，在满足空调使用效果前提下，所选用的高能效制冷主机、高机械性能的水泵与风机尽可能处于最佳工况点运行。根据节能技术原理以及适用情况不同,目前一般有几种不同的节能方案:1.热交换型(余热利用),是通过平隔板完成空调回风和新风透过型全热交换的,缺点是节能幅度低。2.水(冰)蓄冷型的原理是夜间将空调的冷冻水制冷并储存,白天不开空调主机仅使用水系统循环制冷,特点是避峰但不节电。3.通用变频器型是利用通用变频器实现对风机和水泵运转的PID控制,局限性在于一旦选定了比例常数KP、积分时间常数TI和微分时间常数TD之后,控制方式就已经确定,不可能跟随受控量值的变化而自动调整,也就是不可能达到最佳的节能效果。新型中央空调节能控制系统要求能够随动跟踪系统实时变换负荷量,调节系统中各能耗设备功率输出以适应空调负荷的变化,并保证主机系统始终处于优化的最佳工作点上,使空调系统的效率始终保持最大值。这就要求系统必须在采用一般变频节能技术的基础上,综合运用最优化控制原理、模糊控制技术、计算机技术,最后成为一种具有负荷随动跟踪节能控制功能的新型中央空调节能控制系统。当然,也必须从实际出发,使改造后的系统实用性高、性价比高,综合所需选择元器件和控制算法。第3章 控制算法3.1 常规PID结构及理论分析 3.1.1 PID控制技术控制算法是微机化控制软件系统得一个重要组成部分，整个系统得控制功能主要由控制算法来实现。PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。PDI(比例一积分一微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器29。 3.1.2 模拟控制系统与微机控制 图3-1-1、基本模拟反馈控制框图系统图3-1-2、微机过程控制系统基本框图如图3-1-1所示，在模拟过程控制系统中,基本控制回路是简单的反馈回路,被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较后得到偏差，模拟调节器依一定控制规律（通常采用比例,积分,微分关系或由此作出的简化形式）,使操作变量变化,以使偏差趋近于零,其输出通过执行机构作用于过程。因为这些关系的实现，必须通过相应的硬件来完成。而且各部分的功能和实现这些功能的硬件几乎是一一对应的关系。因此,设计方案必须能用现有的模拟硬件来实现,控制规律的修改后需要更换模拟硬件。这些局限性使模拟控制系统缺乏灵活性，在控制规律的实现,系统最优化,可靠性等方面难以满足很高的要求。如图3-1-2所示，在模拟控制系统中,以微型计算机来代替模拟调节器,就构成了微机过程控制系统。计算机的引入，可以充分利用计算机在对采集数据加以分析并根据所得结果作出逻辑判断等方面的能力,编制出符合某种技术要求的控制程序，管理程序，实现对被控参数的控制与管理。在计算机控制系统中，控制规律的实现，是通过软件来完成的。 3.1.3 数字PID调节器随着计算机技术的发展，在控制工程中，用计算机PID控制算法来实现数字PID控制器，组成计算机控制系统。可以灵活的改变PID参数，同时可以改位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。数字PID控制算法通常分为:1.位置式PID控制算法由于计算机不能对连续的控制算式直接进行运算,故在计算机控制系统中，必须首先对控制规律进行离散化的算法设计。为将模拟PID控制规律按式（3-1-1）离散化,我们把r(t),e(t),u(t),c(t)在第n次采样时刻的数据分别r(n),e(n),u(n),c(n)表示,于是(3-1-1)变成： e(n)=r(n)c(n) （3-1-2） 当采样周期T很小时，,积分用求和近似代替, （3-1-3） （3-1-4）这样,式(3-1-1)便可离散化成为以下差分方程式 (3-1-5) 其中，比例(P)项：。积分(I)项：。微分(D)项： 。PID控制： (3-1-6)由于控制器的输出的u(k)直接去控制执行机构(如阀门)，u(k)的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的，所以通常称式(3-1-5)为位置式PID控制算法。这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要e(k)进行累加，计算机运算的工作量大。而且，因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID算法。增量式PID控制算法：根据式(3-1-5)不难写出u(k-1)的表达式, (3-1-7)将式(3-1-5)和式(3-1-7)相减,即得数字PID增量型控制算式为 (3-1-8) 式中：Kp 称为比例增益。 Ki=Kp*Td/Ti称为微分系数。 Kd=Kp*Td/T称为微分系数。增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点：1.由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去除。2.手动/自动切换时冲击小，便于实际无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能依然保持原值。3.算式中不需要累加，控制增量e(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得较好的控制效果。但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。因此，再选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可以采用位置控制算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式算法30。3.2 模糊控制 3.2.1 模糊控制技术模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透、理论性很强的技术，它是智能控制技术的重要分支。模糊控制系统是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑的规则推理为基础，采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。图3-2-1所示为模糊控制系统原理框图，其中具有智能性的模糊控制器是模糊控制系统的核心。模糊控制器(FCFuzzy Controller)也称为模糊逻辑控制器，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此，模糊控制器是一种语言型控制器，故也被称为模糊语言控制器9。 3.2.2 模糊控制的基本原理模糊控制的核心部分为模糊控制器。模糊控制器的控制规则由程序实现：通过采样获取被控量的精确值,然后将此值与给定值相比较得到偏差量E,将偏差量进行模糊化得到模糊变量,用相应的模糊语言表示,得到偏差的一个模糊子集.用此模糊子集和模糊控制规则R(模糊关系)推理合成得到模糊控制量u=。为了对被控对象施加精确的控制,还要通过非模糊化处理将模糊量转换为精确量,然后经数模转换成模拟控制信号对被控对象进行控制。 3.2.3 模糊控制算法的步骤1.选择系统的输入变量：将被控量的偏差E、偏差变化EC作为模糊控制器的输入,这样的模糊控制器称为二维模糊控制器。2.将输入变量的精确值模糊化为模糊量：一般情况下,如果把闭区间a,b上的精 （3-2-1）确量x转换为-n,m区间的模糊离散量y(其中n为不小于2的正整数),则容易推出3-2-1式。 3.模糊控制规则的设计的确定根据输入模糊变量和模糊控制规则合成模糊控制规则,计算出模糊控制量：是设计模糊控制器的关键,一般包括三部分设计内容：选择描述输入输出变量的词集,定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。（1）.选择描述输入输出变量的词集：模糊控制规则表现为一组模糊条件语句,将大、中、小在正、负2个方向并考虑变量的零状态,共有7个词汇,即：负大,负中,负小,零,正小,正中,正大,一般用英文字头缩写为：NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。（2）.定义模糊变量的模糊子集：隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高,控制灵敏度也较高；曲线形状变化较缓慢,则控制特性也较平滑,系统稳定性较好。因此,在选取隶属函数时,在误差较大的区域采用低分辨率的模糊集,在误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集。（3）.建立控制规则：模糊控制器的控制规则是基于操作者的手动控制经验。手动控制策略一般都用条件语句加以描述,将这些条件语句用模糊关系和模糊逻辑来表达就可以生成模糊控制规则。常用的模糊控制语句的形式为“若A且B则C”(if A and B then C),与其对应的模糊关系为：R=(AC)(BC)。4.将计算出的模糊控制量非模糊化后得到精确的控制量：本文采用重心法(又称加权平均值法),即用隶属度的加权平均值作为输出的清晰值。假设输出模糊集可表示为： （3-2-2）可按如下公式计算最后输出清晰量： （3-2-3）式中的“”仅表示对各个模糊量作“或”运算。 由于此次毕业设计中的硬件原则的比较先进实用，所以，在控制算法中采用简单的PID就可以达到系统的设计指标。若采用模糊PID控制算法，可能会浪费大量的时间在系统模糊控制上，不利于及时控制偏差量的变化。第4章 温、湿度控制对空调系统的基本要求是维持空调房间内的空气达到要求的空调参数，并且允许在微小范围内波动。以空调房间为主要调节对象，空调自动控制的任务是对空调系统的温湿度及其它参数进行自动检测、自动调节、完成有关信号报警、联锁保护控制、制冷系统的自动控制。按设备不同，空调系统可分为中央式、局部式及混合式三种型式23。对于电厂、棉纺厂等，它们的各车间相对比较集中，需求空调面积大，最适宜采用中央空调。这种型式节省能源，可以实现高精度的恒温恒湿控制25。4.1 温度控制模块温度模块采用FX2N-4AD-PT和FX2N-2AD。温度模块采用FX2N-4AD-PT,FX2N-4AD-PT可以连接四通道的铂电阻温度测量传感器输入并进行A/D转换,这是一种用于温度测量输入与显示的特殊功能模块。FX2N-2AD的作用将PLC内部的数字转换位外部控制用的模拟量输出，转换的通道为2通道5。 4.1.1、FX2N-4AD-PT的工作原理 FX2N-4AD-PT工作原理框图如图4-1-1，模块通过扩展电缆与PLC基本单元或扩图4-1-1、FX2N-4AD-PT工作原理框图展单元相连接，并通过PLC的FORM/TO指令PLC与模块间的数字量与控制指令的传送。四通道铂电阻11器从模拟量输入端CH1CH4输入，通过由PLC通道控制命令控制的复用器，可选择需要进行A/D转换的输入通道，选定的输入被送入模块的A/D转换器中，并转换为12位数字量。在FX2N-4AD-PT模块内部，A/D转换器转换完成的数字量被传送到模块CPU的缓冲存储器（BMP）中寄存，A/D转换器输出与模块CPU数据总线间采用了光电隔离措施6。PLC可以通过FORM指令读取CPU的缓冲存储器中的数据，或者通过TO指令将数据或控制指令写入模块CPU的缓冲存储器中。 4.1.2、FX2N-4AD-PT的模块连接 FX2N-4AD-PT的模块通过扩展电缆与PLC基本单元或扩展单元相连接,通过PLC内部总线传送数字量。模块与外部传感器、DC24V电源间的连接如图4-1-2。使用PT100传感器的电缆或是双绞屏蔽电缆作为模拟输入电缆，并且和电源线或其他可能产生电器干扰的电线隔开。配线方法以降压补偿的方式来提高传感器的精度；如果存在电气干扰，将外壳地线端子（FG)接FX2N-4AD-PT的接地端与FX2N主单元的接地端，可行的话，在主单元是用3级接地。 4.1.3、FX2N-4AD-PT的模块连接图4-1-2、模块连接图PLC的尾部或内部24V电源可使用。图4-1-3、转换特性 4.1.4、FX2N-2AD模块连接FX2N-2AD通过扩展电缆与PLC基本单元或扩展单元相连接，通过PLC内部总线传送数字量。模块模拟量输出与外部的连接要去内部接口原理如图：图4-1-4、模拟量输出与外部的连接图4-1-5、D/A转换精度4.2 湿度传感器选择高分子湿度传感器由于湿度量程宽、响应时问短、湿滞回差小、制作工艺简单、成本低等优点，成了其它湿度传感器激烈的竞争对手，在气象、纺织、集成电路生产、家用电器、医疗保健、人工培养、食品加工及蔬菜保鲜等方面得到了广泛的应用。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。由于湿敏电阻的阻值不只会根据环境的相对湿度变化而变化，还会根据环境温度的不同发生变化。这样，就会产生不必要的误差，因此在使用湿敏电阻时，要对其进行相应的温度补偿；而使用湿敏电容时，由于湿敏电容对温度的响应非常弱不用对其进行温度补偿，而且，使用湿敏电容可以，可以制作成脉冲发生器，图4-2-1是使用湿敏电容HS1101及时基芯片NE555制成的相对湿度传感器THS1101，其工作原理如下：图4-2-1、 THS101相对湿度传感器电路原理图由于湿敏电容的电容值与环境的相对湿度值成正比，当环境的相对湿度发生变化时，电容值也相应的发生变化，而电容值又与脉冲发生器的输出频率成反比，因此，当相对湿度低时，脉冲发生器的输出频率将升高，当相对湿度高时，脉冲发生器的输出频率将降低。图4-2-2是在25时，对相对湿度进行测试时的曲线，从图中可以看出，相对湿度传感器THS1101的线性度非常好，在相对湿度在20% RH80%RH范围内线性度较好，而两端的线性度稍差一些。表4-2-1是在25时对环境相对湿度检测时的数据，该数据表与图4-2-1是对应的。图4-2-2、25时相对湿度（RH）与振荡频率（f）的关系曲线表4-2-1、25时相对湿度（RH）与振荡频率（f）的测量值相对湿度（RH）0102030405060708090100输出频率（Hz）74737344721970926967684067106575643562916133由于计数器模块的输入频率最高可达到500kHz，因此，选用相对湿度传感器THS1101作为系统的相对湿度传感器是完全可行的。在系统误差方面，相对湿度传感器THS1101的在20%RH80%RH之间的精度在1%RH，在0%RH100%RH范围内的精度为2%RH，完全符合系统设计的误差范围。第5章 PLC5.1 PLC的产生与发展为了解决“继电接触器控制系统”存在的通用性差、灵活性差、功能局限性大与通信、网络方面的不足而开发的一种工业计算机控制装置，即PLC13。PLC的发展大致经历了结构定型阶段（1970 1980年）、普及与系列化阶段（19801990年）、高性能与小型化阶段（19902000年）与当前的功能开发的网络化阶段。 5.1.1 、PLC的主要功能（1）.基本控制功能：它可以对开关量进行逻辑运算与处理，并实现定时、计数、代码转换、数据比较等功能。（2）.特殊控制工能：通过PLC的特殊功能模块，PLC可以用于温度、速度、电压、位置等控制的场合，对模拟量与数字量进行处理与控制。（3）.通信与网络功能：PLC可以与外部设备进行数据通信，并组成PLC网络系统与工厂自动化系统。 5.2 PLC的组成与工作过程和PLC系统的运行方式 5.2.1、PLC的组成1.PLC控制系统图5-2-1、典型PLC结构简图完整的PLC系统包括：控制对象（机器）、执行元件（受PLC输出控制）、检测元件（受PLC输出控制）、检测元件（连接PLC输入）、PLC（由电源模块、CPU模块、输入/输出模块等组成）、编程/操作设备等组成。习惯上把电源模块、CPU模块、输入/输出模块等组成称为PLC主机（以下简称PLC）,而将执行元件、检测元件、编程/操作设备等成为PLC的外设。2.PLC硬件组成图5-2-2、 PLC的硬件组成框图如图5-2-2，PLC主要有中央处理器（CPU）、存储器、输入接口电路、输出接口电路、通信接口、内部电源部分组成。3.PLC软件组成PLC控制软件（系统程序）根据生产厂家、型号的不同有所区别，但总体上说，可以分为系统程序和应用程序两大部分，两者相互独立。系统程序由管理程序、指令译码程序、标准程序块三部分组成，其用途各不相同。管理程序由系统运行管理、系统内存管理、系统自诊断组成。应用程序是指PLC的使用者根据各种控制要求与控制条件编程的PLC用户控制程序，也称“用户程序”。有梯形图、指令表、功能快图、顺序功能图、流程图等。 5.2.2、PLC工作的主要过程不考虑PLC的公共处理过程，PLC正常执行用户程序的工作过程分为三步：1.PLC一次性将全部输入端的状态（输入信号）读入输入缓冲存储器。生成“输入映像”。2.执行PLC用户程序，进行逻辑运算处理，运算结果立即写入制定标志寄存器、数据寄存器、输出缓冲寄存器中。3.用户程序处理完成，PLC一次性将全部“输出映像”输出到PLC的输出端。5.2.3、PLC控制系统应用设计PLC系统设计的一般性原则：1.在保证安全可靠的前提下，最大限度的满足被控对象（系统或设备）的控制及其自动化要求。2.在满足生产工艺控制的要求的前提下，力求控制系统简单、经济、便于使用及维修方便。3.适当考虑在未来的生产的发展和工艺改进等因素，对PLC的配置应按相关的规定留有一定的裕量。 5.2.4、PLC控制系统设计的基本内容PLC控制系统设计的基本内容包括以下几条：1.外围电路的世纪及设备的选型（1）.输入设备：操作开关、限位开关、各种感应式开关及传感器等。（2）.输出设备：继电器、接触器、指示灯、控制电动机、电磁阀等执行驱动及显示元件。（3）.控制台或控制柜（箱）：最基本的就是能保证按规范要求摆放，在其内部固定安装所有电器元件。 5.2.5、PLC系统的运行方式用PLC构成的控制系统有3种运行方式，即自动、半自动和手动。1.自动运行方式自动运行方式是控制系统的主要运行方式。它的主要特点是在系统工作过程中，系统按给定的程序自动完成对被控对象的控制动作，不需要人工干预。系统的启动可由PLC本身的启动系统进行，即通过对系统上电进行，也可以由PLC发动启动预告，由操作人员确认并按下启动响应按钮后，PLC自动启动系统。2.半自动运行方式这种运行方式的特点是系统在启动和运行过程中的某些特定步骤需要人工干预才能继续进行下去。半自动方式多用于检测手段不完善、需要人工判断的场合，或某些设备不具备自控条件、需要人工干涉的场合。3.手动运行方式手动运行方式并不是控制系统的主要运行方式，而是用于对设备调试、系统调整和特殊情况下的运行方式，因此它可以称之为自动运行方式的辅助方式。所谓特殊情况就是指系统在故障情况下运行。由于PLC本身的可靠性很高，如果控制系统设计合理，可靠性设计措施有效，应用控制系统可以设计成自动或半自动运行方式中的任意一种，调试用的程序亦可进入PLC。5.3 PLC供电系统基本电源设计 5.3.1、PLC的基本电源主要类型PLC的基本电源一般又AC100V/240V与DC24V两种类型。一般而言，当PLC采用AC100V/240V供电时，允许输入电源电压波动范围为-15%+10%。如：选择额定输入电压为AC100V时，通常允许输入电压的变化范围为AC85100V；PLC对外部交率电源的频率要求较低，允许的频率变化范围为3Hz，如：选择额定输入频率为50Hz是，允许输入频率的变化范围为4753Hz。交流AC100V/240V供电的PLC，为了保证PLC的正常工作，抑制线路干扰，应在电源输入回路加入隔离变压器、浪涌吸收器、或采用稳压电源措施。PLC输入电源要与设备动力电源、控制回路电源、输出电源分离配线，并具有独立保护回路与独立的隔离变压器。由图5-3-1可以看出，系统电源为三相电网电源，通过系统电源总开关接入PLC控制器组成的控制系统中。系统电源总开关实现整个电源系统的开断控制，此开关可以是刀闸开关也可以是空气开关，可按实际需要选择。PLC系统所需电源一般AC220V，可取自三相电源的一相。取自相电压的AC220V电源通过电源开关接入隔离变压器，此处的电源开关可选择刀闸开关。经过隔离变压器后，通过交流稳压器或UPS不间断电源为系统供电。一般情况下选择了交流稳压器就不必再选择UPS不间断电源，在电网电压较稳定的情况下也可以不采用交流稳压器或UPS不间断电源，直接为系统供电。图5-3-1、 PLC系统供电设计图 5.3.2、供电系统设计还要注意下述几点在工程实际中，供电系统设计还要注意下述几点：1.电源模块的接线。一般的PLC电源模块都有一个进线端子，在图5-3-1中分别用L1、N、PE表示。其中L1和N为AC220V进线端子，PE为系统的地，与机壳相连。2.系统接地连接。PLC电源模块的接地端应选择不小于10mm2的铜导体并尽可能短的与交流稳压器、UPS不间断电源、隔离变压器和系统接地相连。3.要注意选择交流稳压器、UPS不间断电源的容量，它们应包括所有可PLC模块所需的容量，并留有一定的余量。4.要注意PLC电源模块的输入电压。有些产品分别包括220V交流、110V交流和24V直流的输入电压，在我国使用较多的是220V交流，但也有24V直流的情况。如果电源模块输入为24V直流，供电系统的设计就要在电源模块和交流稳压器或UPS不间断电源之间直流稳压电源，且直流稳压电源容量的选择也要考虑全部所需容量。这一点在实际使用中必须加以注意，否则易造成电源模块的损坏。 5.3.3、本设计中的PLC系统基本单元供电本设计中PLC电源模块选用AC220V，在PLC和三相电源之间，连接隔离变压器和交流稳压电源。图5-3-1给出了本设计中PLC控制系统得供电设计。本设计中的系统是由一台主机PLC组成。5.4 PLC的输入输出接口电路输入输出单元是可编程控制器与工业过程控制现场设备之间的连接部件，即PLC的输入输出接口电路是与外部控制电路联络的主要通道。通过输入单元，可编程控制器能够获得生产过程的各种参数；通过输出单元，可编程控制器能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。由于输入/输出单元中工业过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的信号适应能力和抗干扰性能。通常，在输入/输出单元中，配有电平转换、光电耦合和电阻和电容滤波等电路，以提高PLC工作的可靠性，对各种型号的输入输出接口模块，我们可以把它们以不同形式进行归类。按照信号的种类归类有直流信号输入、输出，交流信号的输入、输出；按照信号的输入、输出形式分有数字量输入、输出，开关量输入、输出，模拟量输入/输出。下面通过开关量输入、输出模块来说明外部设备与CPU的连接方式。 5.4.1、开关量输入接口模块输入形式有两种：源型(公共端COM接极)和漏型(公共端COM接极)。开关量输入设备也有两种型式：一种是无源开关，如各种按钮、继电器接点、控制开关等；一种是有源开关，如各种接近开关、传感器、编码器、光电开关等。图5-4-1、PLC的开关量输入接口电路按照输入端电源的不同类型，开关量输入单元分为直流输入单元和交流输入单元。直流输入单元：图5-4-2、直流输入单元电路原理图图5-4-2中，R1与R2组成分压器，电阻R2和电容C组成阻容滤波。二极管VD禁止反击向电压输入，发光二极管LED知识输入信号状态。光电耦合器输入电路与可编程控制器内部电路的电器连接，并使外部信号经光电耦合转换成为内部电路能接受标准信号。当现场开关闭合后，外部的支流电压经分压和阻容滤波后加到光电耦合器的发光二极管上，经光电耦合，电光三极管接受光信号，并输出一个对内部电路来说是接通的信号，输入端的发光二极管LED发光，指示现场开关处于闭合状态。 5.4.2、开关量输出接口模块开关量输出模块通常有三种形式：继电器输出可驱动直流30V或交流250V负载，驱动负载大，但响应时间慢。常用于各种电动机、电磁阀、信号灯等负载的控制。晶体管输出属直流输出，能驱动530V直流负载，驱动负载较小，但响应时间快。多用于电子线路的控制。双向晶闸管输出为交流输出。能驱动85240V交流负载。驱动负载较大，响应时间较慢。继电器输出方式如图5-4-3：表5-4-1、负载电源的选择输出方式继电器输出电压AC250V以下、DC30V以下最大负载电阻负载2A/点电感负载80VA灯负载100W响应时间从断到通约10ms响应时间从通到断约10ms回路隔离继电器继电器作为开关器件，同时又作为隔离器件。图中R和LED组成输出状态显示器。可编程控制器输出一个接通信号时，内部电路使继电器线圈通电，继电器触点闭合使负载得电，同时输出状态指示发光二极管点亮。根据负载需要，负载电路供电电源可采用交流电源和直流电源。 5.4.3、PLC一般的接口和通讯模的注意事项PLC一般的接口和通讯模块还需要5.2V和24V直流电源。这些电源都由PLC本身的电源模块供给，所以在实际应用中要注意电源模块的选择。在选择电源模块时一般应考虑以下几点：1.电源模块的输入电压。PLC电源模块可以包括各种各样的输入电压，有220V交流、110V交流和24V直流。在实际应用中要根据具体情况选择，此时要注意，确定了输入电压后，也就确定了系统供电电源的输入电压。2.电源模块的输出功率。在选择电源模块时，其额定输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总的消耗功率之和，并且要留有30%左右的余量。当同一电源模块既要为主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。3.扩展单元中的电源模块。在有的系统中，由于扩展单元中安装有智能模块及一些特殊模块，就要求在扩展单元中安装相应的电源模块。这时相应得电源模块输出功率可按各自得供电范围计算。4.电源模块接线。选定了电源模块后，还要确定电源模块的接线端子和连接方式，以便正确进行系统供电的设计。一般的电源模块输入电压是通过接线端子与供电电源相连的，而输出信号则通过总线插座与PLC的CPU的总线相连。 5.4.4、本设计中PLC一般的接口和通讯模块电源PLC组成的控制系统中，广泛的使用着24V直流I/O模块。对于工业过程来说，输入模块包括各种接近开关、按钮、拨码开关、接触器的辅助点等；输出模块包括控制中间继电器、伺服阀、显示灯等。要使系统可靠的工作，I/O模块和现场传感器、负载之间的供电设计必须安全可靠，这是控制系统能够实现所要完成的控制任务的基础。本设计中采用DC24V作为PLC一般的接口和通讯模块电源。通过变压器把三相电转换成DC24V，再通过滤波电路，三项稳压电源，最后与PLC一般的接口和通讯模块相连接。图5-4-4、直流I/O模块的供电 5.5 PLC的编程语言和PLC控制系统类型 5.5.1、PLC的编程语言PLC的编程语言主要有梯形图、指令表、逻辑功能图、功能模块、顺序功能图、功能快图、顺序功能图、结构化文本等，其