毕业设计说明书定稿 -基于西门子LOGO!的机房空调节能控制系统设计（软件部分）

广西科技大学毕业设计（论文）说明书课题名称 基于西门子 LOGO!的机房空调 节能控制系统设计（软件部分） 系 别专 业班 级学 号姓 名指导教师2013 年 5 月 20 日广西科技大学本科生毕业设计说明书摘要在能源短缺的今天，保持可持续发展，改善能源过度浪费的现状刻不容缓。本课题应对国内存在的机房降温系统的不足，设计了一套基于西门子 LOGO!的机房空调节能控制系统。通过对室内温度，室外温度、湿度、粉尘度的采集和处理，智能控制空调和风机的启停，适宜的情况下优先使用风机利用室外冷源对机房进行降温，以减少空调的启动，达到节能降温的目的，同时也延长了空调设备的使用寿命。系统中设置的参数主要有：室内温度，室外温度，室外粉尘高限，室内上限温度，室内下限温度，上限湿度，空调停机温度，警报温度，风机工作最低温度。全部参数均可以自定义设置，以满足在不同环境中更合理的控制要求。此外系统具有完善的警报触发机制，温度、湿度、粉尘度等一旦超出设定范围和出现设备故障则声光警报。本系统稳定可靠，安装便捷。经过大量的调查统计，理论上在南方城市的车站机房中运行本系统每年可节省电能约 20%。对于常年处在低温环境的北方城市来说效果将更加显著。关键词：机房 节能降温 空调 风机广西科技大学本科生毕业设计说明书AbstractEnergy shortage of today, to keep sustainable development, improve the status of excessive waste of energy is not a moment to hesitate. This topic against the insignificancy of the room cooling system , design a room air conditioning energy saving control system based on Siemens LOGO!.This system can intelligent control the air-conditioning and the fan start or stop,by collect and deal with the indoor temperature, outdoor temperature, humidity, dust degree,encounter suitable conditions this system can take precedence use of Fan to cool the engine room by the outdoor cold source,thus can not only reduce the start times of air conditioning to energy-saving cooling, but also extend the life of air-conditioning equipment.System parameters set are: indoor temperature, outdoor temperature, outdoor dust, high limit, the indoor maximum temperature, minimum temperature indoors, limit humidity, air conditioning shutdown temperature, alarm temperature, fan working minimum temperature. You can customize all the parameters are set to meet in different environments more reasonable control requirements. Addition, the system has a complete alarm trigger mechanism, temperature, humidity, dust, etc. Once you exceed the set level range and equipment malfunctions make a sound and light alarm.The system is reliable and easy to install. After extensive survey, theoretically station in the southern city of room to run this system annual energy savings of about 20%. For year-round in a low-temperature environment of the northern city, the effect will be more significant.Keywords： machine room Energy-saving cooling air-conditioning fan广西科技大学本科生毕业设计说明书目录1 绪论 11.1 课题研究背景 11.2 机房制冷现状 12 系统设计 22.1 系统设计内容 22.1.1 机房对于环境的要求 22.1.2 主要技术指标 32.2 系统设计原理 32.2.1 系统框图 32.2.2 工作流程图 42.2.3 硬件接线 52.2.5 设计原理 62.2.2 警报触发机制 72.2.3 联网监控 73 软件实现 83.1 LOGO!Soft Comfort83.2 SIMATIC PC Access123.3 WinCCExplorer144 系统仿真与模拟安装测试 164.1 系统仿真测试 164.2 系统模拟安装测试 175 系统特点 19结束语 20广西科技大学本科生毕业设计说明书致谢 21参考文献 22广西科技大学本科生毕业设计说明书11 绪论1.1 课题研究背景随着我国社会经济和科学技术的迅猛发展，自动化水平日益提高，电子设备大量应用于各个领域。然而电子设备长时间在规定温度范围外的环境下运行，会导致设备的可靠型降低和缩短使用寿命，而且长期在极限环境下运行会导致设备的灾难性故障。以来宾站信号机械室的实测情况为例，当室外温度是 9时，室内温度已达22，所以不论室外温度的高低，每年的 4 月到 11 月，空调都必须处于开机状态，遇到暖冬时，还需要根据天气情况决定是否开机降温。因此常年开机不仅毫无必要，空调等设备损坏率也较高，维护和运行成本较大，也浪费了大量的能源。如果能有效的利用自然冷源如寒冬室外冷空气、夜间室内外温差对机房进行降温，那么对于能源的节约是很可观的。为此，我们确立了“基于LOGO!的机房空调节能控制系统”的课题任务。解决当前机房降温系统能源浪费过大的问题。通过大量的调查研究发现：广西的平均气温在 20.1220.45，在最为炎热的7、8 月份平均平均气温为 27.3，夜间温度 80%低于 25。于是得出结论，对机房等有降温要求的场所进行改造以达到节能降温是可行且有必要的。1.2 机房制冷现状如今社会正在全面智能化，计算机、服务器等电子设备的功能越来越强大也越来越完善。它们的体积虽然越来越小，但是功率密度却随着增大了。从而，机房内的制冷系统不得不承受越来越大的考验。机房专用精密空调（绝大多数）和舒适性空调，是目前在机房内应用得比较广泛的制冷系统。有些机房同时配备有加湿器，以替代机房精密空调加湿和制冷的双重作用。在实际的应用中我们也发现，使用舒适性空调机组的机房内产生问题的几率要比较高：高功率密度的电子设备因热交换不良或不及时，导致设备故障率提高和维广西科技大学本科生毕业设计说明书2护量增大。2 系统设计2.1 系统设计内容2.1.1 机房对于环境的要求1、温湿度及粉尘适宜的温度和湿度，可以保证机备设备长期稳定工作，适宜的湿度可以防止静电危害并降低浮尘。关于机房场地国家有一个国标 GB288789 计算机站场地技术条件中 4.4.1.3 条规定开机时机房内的环境温度、湿度标准，其中环境温度为：A 级 222，B 级1530，C 级 1035；环境湿度为：A 级 4565，B 级 4070，C级 3080；一般通信机房的标准均应达到 A 级标准。当前信号机械室执行 B级标准，车站通信机房执行 A 级标准。洁净度：符合标准 ASHRAE52-76，空气中 0.5nm 的尘粒数少于 18000 粒/升。噪声：关闭主设备的条件下，在工作人员正常办公位置处测量不高于 68dB(A).(GB)。2、需解决的问题（1）监测机房室内外的温度和湿度，在湿度满足要求的情况下，且室内外的温差达到 3以上，方可进行室内外空气交换。（2）交换的空气必须是洁净的，因此流入室内的空气要进行过滤。（3）有些机房位于货场和公路附近，为保证空气滤网的使用周期，要监测室外空气的粉尘度。（4）要能实现与设备的可靠联动。（5）要有警报功能。（6）安装维护要方便。根据以上要求，并进行了大量调查研究后，对机房空调节能系统的设计主要分2 个部分：广西科技大学本科生毕业设计说明书3室内温度、湿度、粉尘度自动控制，空调自动控制，净化通风机自动控制：系统根据环境温度、湿度和粉尘度自动控制空调或者净化空气通风设备，保证室内温度、湿度和粉尘度在给定的范围内。尽量利用机房室外的冷空气进行通风降温，减少空调开机时间，实现节能目的。通信管理及警报监控：通过联网通信，实时监控，减少维护和运行成本。也可通过联网火警警报、烟雾警报、防盗警报系统，远程监控电务机械室、各种机房中设备的安全。2.1.2 主要技术指标1、可对任何种类空调进行自动控制，不需要对机房设备进行大的改造。2、采用净化风机进行机房通风降温，风机空气虑网维护清洁周期在 1 个月以上。无沙尘及空气质量好的地区可达 3 个月以上。3、机房温度控制范围 2230 度，湿度：3080%；可根据需要设置控制范围。4、采用以太网通讯，实现机房联网，数据监控，警报及控制管理。5、空调节能每年 2060左右，南方地区节能较北方少些，昼夜温差大的地区节能效果较好，同时不同的季节节能效率不同。6、电源：交流 220V，50Hz。2.2 系统设计原理2.2.1 系统框图系统框图如图 1；广西科技大学本科生毕业设计说明书4室外温度室外湿度警报器空调风机室外粉尘空调控制器风机控制器室内温度上位机主控制器2.2.2 工作流程图工作流程图如图 2；图 1：系统框图广西科技大学本科生毕业设计说明书5主控制器数据处理判断后控制信号输出空调控制器 风机控制器警报器空调 风机开始室外温度 室外湿度 室外粉尘上位机 显示屏数据采集室内温度数据处理判断逻辑详见 2.2.5 章节。2.2.3 硬件接线主电路，如图 3；图 2：工作流程图广西科技大学本科生毕业设计说明书6空 调室 内温 度过 高空 调故 障断 电警 报风 机故 障室 外粉 尘过 高室 外湿 度过 高 2 2 0 V风 机警报器S 2S 1K A 1 K A 2 K A 3 K A 4 K A 5 K A 6 K A 7 K A 8所有输出控制均采用继电器隔离，有效隔离强电、弱电，抗干扰能力强。绝大部分情况下均不直接控制强电设备，而是以信号控制为主，大大提高控制可靠性。风机、空调控制均为闭环控制模式。控制电路，如图 4；控制端口分配详见 3.1 章节表 1；温湿度、粉尘度采集之后通过运算，判定空调或风机启停与警报：1、空调及风机启停控制过程；空调启停控制过程；图 4；控制电路图 3：主电路广西科技大学本科生毕业设计说明书7LOGO!控制器干触点 Q1 闭合继电器 K1 线圈通电继电器 K1 常开触点闭合空调控制器 S1 线圈通电空调控制器 S1 常开触点闭合空调启动。风机启停控制过程；LOGO!控制器干触点 Q2 闭合继电器 K2 线圈通电继电器 K2 常开触点闭合风机控制器 S2 线圈通电风机控制器 S2 常开触点闭合风机启动。2、警报触发过程；LOGO!控制器干触点 Q3（Q4,Q5，）闭合继电器 K3（K4,K5，）线圈通电继电器 K3（K4,K5，）常开触点闭合相应警报。2.2.5 设计原理1、控制原理每个机房的节能系统至少包括一个室外温湿度传感器、室内温湿度传感器、风机控制器和空调控制器组成的最小系统。室内温度高于下限温度是启动降温系统，温度下降到停机温度时关闭降温系统。当室外温度较低，湿度和粉尘度都符合通风要求时，则开启风机通风降温；当室外温度较高或与室内温度差别不大时，则开启空调进行降温。全部控制参数均可自定义设置。2、控制逻辑假设系统参数作如下表示：室内温度 ，室外温度 ，室外粉尘高限 ，室内iTohF上限温度 ，下限温度 ，上限湿度 ，下限湿度 ，空调停机温度 ，警报温hTl hHhsT度 ，风机工作最低温度 （室外温度过低时，如霜露，停止通风系统） ；g gT 不论室外温度高低，开启空调系统降温。ih 关闭空调、通风系统。iTs 时：il当 或 开启空调系统降温。o2/)(lhoTt当 ，若室外湿度、粉尘度以及室内外温差容许则开启通风系tTl统降温；否则开启空调系统降温。广西科技大学本科生毕业设计说明书8任何时候，室外粉尘大于 ，均强行切换到空调降温系统。hF任何时候，一旦出现通风系统故障则自动根据需要切换到空调系统降温。任何时候，一旦出现空调系统故障则自动根据需要切换到通风系统降温。空调系统一旦开启，最小运行时间有一定限制，可自行设定，一般不小于 60 分钟，避免空调频繁启动造成温度波动过频及空调损坏。当到达最小运行时间后若 ，判断为空调系统故障，开启通风系统，并输出警报。iTh2.2.2 警报触发机制系统出现如下情况时自动警报：当空调处于开启状态，运行超过设定的最小时间，室内温度无法降低时，声光警报。当空调出现故障时无法运行时，声光警报。当风机出现故障时无法运行时，声光警报。室内温度过高时，声光警报。室外湿度过高时，声光警报。室外粉尘过高时，声光警报。2.2.3 联网监控系统可通过有线以太网与远程监控主机联网实现远程监控。3 软件实现为减少布线，更方便维修及维护，本系统的主控制器与上位机之间采用以太网广西科技大学本科生毕业设计说明书9通讯，而为降低系统复杂程度室内外温湿度传感器及粉尘传感器采用传统的模拟量输入方式与主控制器连接。这需要对 LOGO!0BA7、LOGO!Soft Comfort、SIMATIC PC Access、WinCCExplorer 分别进行配置：3.1 LOGO!Soft Comfort（1）软件编程程序输入输出端口设置如表 1；输入 说明 输出 说明AI1 空调互感 Q1 空调控制器AI2 风机互感 Q2 风机控制器AI3 室内温度 Q3 室内温度过高警报AI4 粉尘 Q4 室外湿度过高警报AI5 断电检测 Q5 粉尘过高警报AI6 室外温度 Q6 空调故障警报AI7 室外湿度 Q7 风机故障警报表 1：程序输入输出端口设置 Q8 切换后备电源系统参数设置如表 2；系统参数设置警报温度 gT粉尘高限 hF上限温度 hT下限温度 l上限湿度 hH下限湿度 l停机温度 sT风机低限 t35 设定 30 22 80 30 18 5表 2：系统参数设置实现系统功能的程序，如图 5；广西科技大学本科生毕业设计说明书10（2）通讯配置LOGO!0BA7 IP 地址的查看与编辑：图 5：控制逻辑程序图广西科技大学本科生毕业设计说明书11按下 LOGO!0BA7 上的下箭头翻到“网络” ，按下 OK 键后箭头指向 IP 地址再按下 OK 键即显示出 IP 地址。LOGO!Soft Comfort IP 地址的配置：打开程序后，点击工具传输配置网络地址，如图 6；在打开的对话框中的目的 IP 地址出输入在 LOGO!0BA7 中查找到的 IP 地址。如图7；点击图中新 IP 配置旁边的选择，在打开对话框点击编辑即可输入新的 IP 地址，此处输入上位机的 IP 地址及子网掩码和当地网关。点击确定后显示如图 8，则 IP 地址配置成功。LOGO!Soft Comfort 以太网通讯的配置：图 6图 7图 8广西科技大学本科生毕业设计说明书12在 LOGO!Soft Comfort 的工具栏中选择以太网连接，如图 9；然后在打开的标签页中输入 LOGO 的 IP 地址及子网掩码，并在点对点连接窗口中右键以太网连接，点选创建连接，生成连接 2 和连接 3，如图 10；接着双击连接 2，进入组态标签页进行设置，如图 11；启用服务器连接；输入上位机的本机 IP 地址；输入 LOGO!的 TSAP：20.00最后，然后点击下载图标 ，将已经编写好的程序下载到 LOGO!0BA7 中，同时完成了与 LOGO!0BA7 的通讯设置。图 19图 9图 10图 11广西科技大学本科生毕业设计说明书133.2 SIMATIC PC Access由于 LOGO!0BA7 与上位机界面 WinCC 的连接需要使用 OPC，所以需进行 OPC参数配置，本设计采用的 OPC 服务器软件为 SIMATIC PC Access。打开 PC Access，如图 12；右键 MicroWin（TCP/IP）选择 PG/PC 接口，打开窗口，如图 13；选择对应网卡，并确认。右键 MicroWin（TCP/IP） ，在弹出菜单中选择新 PLC，如图 14；图 12图 13图 14广西科技大学本科生毕业设计说明书14名称处填写 LOGO!（可自定义） ，输入 LOGO!的 IP 地址，并在 TSAP 处于LOGO!Soft Comfort 中的 TSAP 交叉对应填写，点击确定。双击新建 PLC，在右边空白处右键弹出菜单，选择新目录下的项目选项，打开以下页面，如图 15；填写各输入输出的名称，内存地址（内存地址总览见附表） 、数据类型，点击确定。回到最初的工程页面，将新建的项目拖拽到测试客户机下面的空白处，如图 16；点击测试客户机按钮 ，观察测试窗口，如图 17；此处的数量出现对应数值及质量为“好”时 OPC 配置完成；点击保存按钮，保存为 OPC.pca。图 15图 16图 17广西科技大学本科生毕业设计说明书153.3 WinCCExplorer打开 WinCCExplorer 软件，在 Tag Management 标签处右键添加新的驱动，如图18；在打开的标签页中，OPC.chn 文件添加驱动，如图 19；右键新添加的驱动，选择系统参数，如图 20；图 18图 19广西科技大学本科生毕业设计说明书16在弹出的标签页中选择 LOCAL 菜单下的 S7200.OPCServer，如图 21；在打开的页面下选择 Browse Server，然后点选 NEXT，在弹出的标签页选择 LOGO菜单，在右边显示框中将所有输入输出框起并选择 Add Items。结果如图 22；在弹出的菜单中输入连接名称，点击确认，在下一个页面选择完成，配置结束。图 20图 21图 22广西科技大学本科生毕业设计说明书174 系统仿真与模拟安装测试4.1 系统仿真测试利用 LOGO!Soft Comfort 自带的仿真功能，对所有能够进行模拟实际的功能作了严谨的仿真测试；仿真输入输出端口设置如表 3：输入 说明 输出 说明AI1 空调互感 Q1 空调控制器AI2 风机互感 Q2 风机控制器AI3 室内温度 Q3 室内温度过高警报AI4 粉尘 Q4 室外湿度过高警报AI5 断电检测 Q5 粉尘过高警报AI6 室外温度 Q6 空调故障警报AI7 室外湿度 Q7 风机故障警报表 3：仿真输入输出端口设置 Q8 切换后备电源仿真效果如图 23；广西科技大学本科生毕业设计说明书18注释：室内温度 28.3，室外温度 27.1，室外湿度 56.7；此时室内温度高于下限温度 22，室外湿度正常，室内外温差 1.23；依据设定的控制逻辑应开启空调关闭风机。即 Q1 输出为 1，Q2 输出为 0。显然，仿真结果达到了预想结果。如上，我们对不同室内温度、室外温度、室外湿度、粉尘度的各种可能出现的组合乃至能够模拟的故障都作了仿真测试，均达到了控制要求。4.2 系统模拟安装测试设计完成后，对系统进行了模拟测试，测试过程如下；由于缺少空调设备，以风机作为控制对象，实验室作为机房，利用手掌贴握温湿度传感器的方式模拟机房温度的上升，测试现场如图 24；图 23：仿真效果图广西科技大学本科生毕业设计说明书19整个控制线路被安装在一块控制板上，模仿现实中的控制室，如图 25；图 24：模拟安装现场概览广西科技大学本科生毕业设计说明书20测试过程及结果：测试时，室温为 27.4。为缩短测试等待时间，合理利用手掌余温作用，系统参数暂时设定如下；当温度上升至 28.0时，开启风机；当温度下降至 27.7时，关闭风机；结果：风机的启停达到了预想的效果，系统可正常运行（附视频） 。图 25：模拟安装控制室广西科技大学本科生毕业设计说明书215 系统特点1、性能稳定可靠：所有输出控制采用继电器隔离，有效隔离强电、弱电，抗干扰能力强。绝大部分情况下均不直接控制强电设备，而是以信号控制为主，大大提高控制可靠性。风机、空调控制均为闭环控制模式，监控风机、空调工作电流、温度等参数，保证控制可靠、准确。2、容错性好，维护方便：如果要更改系统功能，不用将线路进行太大的改动，只需经过相关的设置更改，即可继续正常工作。3、智能化程度高：可充分利用室外温度、室内温度差进行工作；例如：当室外温度低于室内温度一定范围，系统先启动热交换风机进行预降温，然后再根据情况决定是否使用空调。4、安全性高：系统工作中，传感器信号、市电、各类警报信号实时监控，任何故障均有警报提示并通过网络传送到主机，确保系统可靠工作。5、具有监控功能，数据转输可靠：系统通过以太网接口进行工作情况监视，并可根据需要调整系统工作参数和直接控制系统运行。系统支持实时在线警报及工作状态传送。广西科技大学本科生毕业设计说明书22结束语经过两个多月的努力，基于西门子 LOGO!的机房空调节能控制系统论文终于完成。在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到：写论文是一个不断学习的过程也是一个与人合作交流的过程，从最初与同伴在设计理念上的分歧到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践与交流对于学习的重要性。没有过实践考察，再多的理论都是枉然。不和别人交流，也不可能发现自己设计中的不足。通过这次的设计实践，真正做到了理论实际相结合。总之，我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。广西科技大学本科生毕业设计说明书23致谢毕业设计已经接近尾声，在毕业设计的这段时间。我真正做到了认真和努力地学习。搜集材料，确定方案，程序修改调试的过程虽辛苦却值得回味。同时这段时间也是我收获最多的一段时光。当我遇到设计上的困难时，我不急于去盲目的寻求帮助，我知道只有自己才是自己最可靠的帮助。我相信只要从容、认真的对待它，没有解决不了的难题，只有更用心更认真去对待才是解决之道。虽然有的时候为解决一个难题而几乎崩溃的想放弃了。可喜的是我没有沮丧最后解决了问题。我意识到了这无关能力而是一种心境和态度。正如黄永捷老师所讲：作为一个即将毕业的大学生，我们所要面临的不是毕业设计，而是如何去对待自己的工作和人生。感谢指导老师黄永捷给予我的关怀和帮助。老师的悉心指导使我迅速解决了许多困难。老师高深的学术造诣、严谨的治学态度让我钦佩不已。寝室全体同学许久以来的照顾和帮助给予了我很大的鼓励，大学里的欢声笑语是永远的美好回忆。最后感谢父母多年来在学业和生活上给予我的物质帮助，感谢所有支持过我的人，你们的关心和鼓励将使我在工作和学习中不断进取。广西科技大学本科生毕业设计说明书24参考文献深入浅出西门子 LOGO!第二版 王志龙，北京航空航天大学出版社，2009深入浅出 WinCC 王志龙 李申伟 冯博，北京航空航天大学出版社，2009西门子 LOGO!手册 西门子（中国）有限公司，2009数字电路逻辑设计第二版 王毓银，高等教育出版社，2005传感器原理及应用 吴建平，机械工业出版社，2008自动控制原理 杜鹏，高等教育出版社，2010通信电路第二版 沈伟慈，西安电子科技大学出版社，2007模拟电子技术基础简明教程第三版 杨素行，高等教育出版社，2005电路第五版 邱关源，高等教育出版社，2006数字信号处理第三版 高西全 丁玉美，西安电子科技大学出版社，2008信号与系统 陈后金，高等教育出版社，2007大学计算机基础 唐培和，广西师范大学出版社，2009图解西门子 LOGO!应用技术 陈浩，中国电力出版社，2008数字电子技术基础 阎石，高等教育出版社，2006LOGO 可编程通用逻辑控制模块 杨宝金，1999西门子全集成自动化理念初探 吕增芳，山西电子技术，2006电力电子应用技术 叶斌，清华大学出版社，2006自动化专业英语 王军、宋舒，重庆出版社，2002电气工程及其自动化专业英语 戴文进，电子工业出版社，2004LOGO! Noumey Herpert T