冷冻水温差控制.doc

西安建筑科技大学课程设计（论文）目录1 绪论11.1 设计说明11.2 设计思路21.2.1系统原理图21.2.2 PLC设计思路22 MATLAB仿真42.1 MATLAB简介42.2 Simulink42.2.1 启动42.2.2 Simulink仿真52.3 试凑法确定PID参数62.4仿真结果图83 PLC设计93.1 S7-200选型93.1.1 CPU选型93.1.2 EM23593.2 I/O分配103.3 梯形图113.3.1 主程序113.3.2 调用程序123.3.3 中断程序144 组态界面设计175 总结18参考文献191 绪论1.1 设计说明随着变频技术的发展和变频器在水泵上的广泛应用，变流量空调水系统成为工程师设计空调水系统的首选而且在实践应用中已经取得了很好的节能效果。冷冻水泵变频方式主要分为压差控制和温差控制，本次课程设计主要是冷水机组中冷冻水定温差控制系统设计，在分、集水处分别设置温度传感器，通过检测供回水温差控制，得到结果后调节阀门开度，从而实现冷冻水的温差控制。本次课程设计师空调冷冻水温差控制系统的设计，核心控制阀门的开度，方法为PID控制。要实现PID控制，首先必须要用MATLAB中的Simulink确定值，并且满足调节时间小于8S，超调量低于5%，然后对PLC进行I/O分配，将值代入编写梯形图，从而实现阀门开度的控制，最后进行的是组态王的设计，本人将主要负责使用MATLAB中的Simulink进行仿真。由于本人水平有限，设计中难免出现问题，还望老师能给出宝贵的意见。1.2 设计思路1.2.1系统原理图如图1-1为冷水机组图，分为冷却水机组和冷冻水机组，冷却水机组不予考虑，冷冻水机组循环为从集水器到制冷机，再到分水器。在设计温差控制系统的情况下，只需要设计两个温度传感器，一个泵和一个阀门即可满足要求。图1-1 冷水机组监控图1.2.2 PLC设计思路图1-2 PLC设计思路PLC设计思路如图1-2所示，两个温度传感器分别检测供回水温度，并与控制器温差控制值进行比较，用PID进行调节。当设定值大于检测值时，通过变频器减少频率，从而减小阀门的开度；当设定值小于检测值时，通过变频器增大频率，从而增大阀门的开度。因此采用定温差控制系统，最大温差为10摄氏度，设定温差为5摄氏度。2 MATLAB仿真2.1 MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。有四大特点：高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来； 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。2.2 SimulinkSimulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。2.2.1 启动1）在MATLAB命令窗口中输入simulink结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。2）在MATLAB命令窗口中输入simulink3结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library :simulink3的Simulink模块库窗口。两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。2.2.2 Simulink仿真创建模型的步骤：首先根据需要从模块库添加所需的模块，然后将模块进行连接，最后双击示波器模块，打开Scpoe窗口。双击窗口菜单中的SimulationStart，执行仿真。一个典型的SImulink模型包括以下三种类型的元素：信号源模块、被模拟的系统模块和输出显示模块。信号源为系统的输入，它包括常数信号源、函数发生器和用户自己在MATLAB中创建的自定义信号。系统模块作为中心模块是Simulink仿真建模所要解决的主要部分。系统的输出由显示模块接受。输出显示的形式包括图形显示、示波器显示和输出到到文件或MATLAB工作空间中三种。输出模块主要在SInks库中。如图2-1为仿真连线图，传递函数为图2-1 仿真连线图2.3 试凑法确定PID参数增大比例系数，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间。有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只须用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时首先置积分时间。为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小(如缩小为原值的0.8倍)，然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数。若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加人微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间为0。在第二步整定的基础上，增大，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。调节后PID参数如图2-2所示。P=1.3、I=0.57、D=-0.1。图2-2 PID参数确定图2.4仿真结果图仿真结果如图2-3所示，通过计算，调整时间为3.6S，超调量为4.1%，负荷调整时间8S以内，超调量5%以内的要求。图2-3 仿真结果图3 PLC设计 3.1 S7-200选型3.1.1 CPU选型S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。S7-200系列的基本单元如表3-1所示。表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU221640S7-200CPU222862个扩展模块S7-200CPU22414107个扩展模块S7-200CPU224XP24167个扩展模块S7-200CPU22624167个扩展模块根据原理图的输入输出点数可知，此次CPU选择的是CPU224。3.1.2 EM235本次课程设计所用的模拟块是EM235，EM235的电路图如图3-1所示，它具有四个模拟输入量和一个模拟输出量。座位通用的模拟量转换单元，EM235能适用许多规格的输入、输出量需求。从输入来看，无论传感器输出是电压量，还是电流量都可以接入，如图3-2，电压量有单极性、双极性两类规格及毫伏到伏多个电压变化等。模拟输出既可以使电流量，也可以使电压量，为通用电量变化范围，能满足各类执行器件的需要。4路输入模拟量地址分别是AIW0、AIW2、AIW4、AIW6；1路输出模拟量是AQW0。图3-1 EM235电路图图3-2 EM235接线图3.2 I/O分配I/O地址分配如表3-2所示表3-2 I/O点分配表输入点对应信号输出点对应信号I0.0水泵的起动按钮Q0.0水泵I0.1水泵的停止按钮EM235分配点如表3-3表3-3 EM235分配点输入点对应信号输出点对应信号AIW0供水温度AOW0阀门开度AIW2回水温度3.3 梯形图3.3.1 主程序图3-3 主程序梯形图主程序梯形图如图3-3，由泵的启停和子程序的调用2部分组成，语句表由PLC编程软件导出，如下：LD SM0.1CALL SBR0LD I0.0O M0.0AN I0.1= Q0.03.3.2 调用程序图3-4 调用程序图3-4为调用程序，由于设定温差为5摄氏度，最大温差为10摄氏度，设定值占最大值的50%，因此将0.5给VD104，值给VD112、值给VD120、值给VD124，调节时间值给VD116，周期200ms给SMB34，语句表如下：LD SM0.1MOVR 0.5, VD104MOVR 1.37, VD112MOVR 3.6, VD116MOVR 0.57, VD120MOVR -0.1, VD124MOVB 200, SMB34ATCH INT0, 10ENI3.3.3 中断程序图3-5 中断程序图图3-5为中断程序图，是将检测的模拟量AIW0、AIW2进行PID输入参数的标准化处理、PID输出值向实际值的转换过程，之后输出AQW0，语句表如下：LD SM0.0MOVD 0, AC0ITD AIW0, AC0ITD AIW2, AC1-R AC1, AC0DTR AC0, AC0/R 32000.0, AC0MOVR AC0, VD100LD I0.0PID VB100, 0MOVR VD108, AC0*R 32000.0, AC0TRUNC AC0, AC0MOVW AC1, AQW04 组态界面设计组态王开发监控系统软件是众多组态软件里面的一种，组态王是一个具有丰富功能的HMI/SCADA软件。可用于工业自动化的过程控制和管理监控。它提供了集成、灵活、易用的开发环境和广泛的功能，能够快速建立、测试和部署自动化应用，来连接、传递和记录实时信息。使用户可以实时查看和控制工业生产过程。该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。图4-1即为组态王的组态设计图图4-1 组态设计图5 总结本次计算机控制技术课程设计是在课程学完结束后的一次实践环节。通过本次课程设计，我们加深了对课程基本知识的理解，提高了综合运用知识的能力，掌握了本课程的主要内容、工程设计或撰写论文的步骤和方法。围绕课本内容培养了我们独立进行设计。掌握了空调冷冻水机组的起停控制顺序及其工作原理，还根据冷冻水实际运行的要求，制定了合理的温差控制方案。并且在此次设计中绘制了冷水机组的监控原理图的图纸，掌握了PLC工作原理、编程、调试方法及PLC控制系统的设计方法以及在生产设备中的应用技术。并且使用了Simulink进行了对阀门开度的仿真，最后利用组态王进行了上位机组态设计。在本次设计过程中，感谢老师在百忙之中对我的设计给予