基于PLC与触摸屏的中央空调变频调速监控系统设计.docx

工业控制机电工程技术 2009 年第 38 卷第 06 期机电工程技术 2009 年第 38 卷第 06 期基于 PLC 与触摸屏的中央空调变频调速监控系统设计苏宏英， 肖永新， 庄焕伟（广东技术师范学院工业中心， 广东广州510665）摘要： 介绍了三菱 PLC、 触摸屏和变频器在中央空调系统节能改造中的应用， 并详述了实现参数设定、 参数显示、 报警和温度自 动控制的方法。关键词： PLC； 触摸屏； 变频调速中图分类号： TU8313文献标识码： A文章编号： 10099492 (2009) 060056021 引言中央空调系统在设计时是按实际最大制冷需求量来考 虑的， 其冷却泵、 冷冻泵按单台设备的最大工况来考虑 ， 而在实际使用中有 90多的时间， 冷却泵、 冷冻泵都工作 在非满载状态下 。 以往通常用阀 门 、 自动阀调节冷却水 、 冷冻水的流量和速度达到调节环境温度的目的， 这不仅增 大了系统节流损失 ， 而且由于对空调的调节是阶段性的 ， 造成整个空调系统工作在波动状态。 而在冷却泵、 冷冻泵 上加装变频器实现变频节能， 则是一劳永逸解决问题的办 法。 利用变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对 系统的平稳调节， 使系统工作状态稳定， 并延长机组及网 管的使用寿命 1。本文讨论利用 PLC 自身可靠性高的优点实现对中央空 调变频调速系统的高精度控制的一种方案。 同时， 通过触 摸屏和 PLC 结合使用， 利用触摸屏强大的人机交互功能 ， 对中央空调系统的运行状况进行实时监控。2 PLC 控制系统设计PLC 采用三菱公司生产的型号为 FX2n48MR 的 PLC， 变频器采用三菱 FRA540。 整个系统是以 PLC 为核心， 实 现中央空调机组启停控制、 水循环系统的水流保护、 制冷 系统高低压保护以及变频调速。21 中央空调机组启停控制机组的启停控制分为手动和自动方式 ， 自 动 方 式 为 中央空调系统联锁集 中 控 制 时 使 用 ， 手动方式为调试和 检 修 时 使 用 。 中 央 空 调机组各设备的启停有严格的顺序 要 求 ， 启 动 顺 序 为 ： 冷 却 塔 风 机 冷 却 水 泵 冷 冻 水 泵冷 水 机 组 ； 停 机 顺 序 为 ： 冷 水 机 组冷 冻 水 泵冷却水泵冷却塔风机。22 水流保护在两套水系统出水口加装流量开关， 用于检测流过管 道的水流流量变化。 流量开关的输出触点接入 PLC 输入端， 在水流不正常时起到断流保护作用， 防止牵连机组受损。 23 制冷系统高低压保护空调机组在正常运行时系统高低压力都须维持在一正 常范围内， 制冷系统高压过高， 低压过低都是机组不正常 的表现， 持续运行极有可能损坏机组， 因此采用压力传感 器来检测高低压信号 ， 压力传感器的触点接入 PLC 输 入 端， 在系统压力异常时断开空调机组。24 变频调速如果冷冻水的回水和出水温差大 ， 说明室内温度高 、 系统负荷大， 应提高冷冻水泵的转速， 加快冷冻水的循环 速度和流量， 加快热交换的速度； 反之若温差小， 则说明 室内温度低、 系统负荷小， 可降低冷冻水泵的转速， 以节 约 能 源 。 冷 却 水 的 进 水 出 水 温 差 大 ， 说明冷水机组负荷 大， 需冷却水带走的热量大， 应提高冷却泵的转速， 加大 冷却水的循环量； 温差小， 则说明冷水机组负荷小， 可降 低冷却泵的转速， 以节约能源。通过安装在冷冻水系统主管、 冷却水系统主管上的温 度变送器将出水 、 进水温度转换成 420mA 信 号 ， 再 经 A D 转 换 模 块 FX2n4AD 转换成数字信号反 馈 到 PLC， 由 PLC 定时采集温度值， 计算出冷冻水、 冷却水实际温差 值 ， 与 给 定 温 差值比较并进行 PID 运 算 ， 运 算 结 果 经 过 D A 转换模块 FX2n2DA 转换后输入到变频器的外部模拟 量信号控制端， 控制变频器的输出频率， 从而控制水泵的 收稿日期： 2009010456机电工程技术 2009 年第 38 卷第 06 期工业控制机电工程技术 2009 年第 38 卷第 06 期图 1PLC 控制系统结构框图运转速度， 实现冷却泵进出水和冷冻泵供回水的恒温差控 制， 达到节能的目的 2。 当冷冻水泵、 冷却水泵需要在工 频下运行时， PLC 可自动切换至工频运行接触器组。 控制 系统结构框图如图 1 所示。3 触摸屏监控系统设计监控系统采用上下位机的方式， 上位机采用日本三菱 公司的 F940GOTLWD 触摸屏， 下位机是 PLC， 其任务是 执行程序， 进行中央空调变频调速控制。触摸屏是上个世纪 90 年代出现的新型可编 程 终 端 ， 是新一代智能化的人机友好界面。 它可在恶劣的工业环境 中应用， 代替普通或工控计算机作为人机界面， 具有交互 性好、 可靠性高、 编程简单、 与 PLC 连结简便等特点。 触 摸屏主要用于实时显示设备或系统在操作状态方面的实时 信息， 触摸屏上的触摸按钮可产生相应的开关信号， 或输 入数值、 字符给 PLC 进行数据交换， 从而产生相应的动作 控制系统或设备的运行 ， 还可多幅画面重叠或切换显示 ， 显示图形、 字符串、 报警信息、 历史记录、 趋势图等 3。本系统中 F940GOTLWD 的主要任务是对空调机组进 行启停控制、 参数设置， 获取设备运行参数实际值， 与目 标值进行比较、 判断， 实现设备运行状态实时显示， 并对 故障 及 时 报 警 。 组态软件采用三菱 FXPCSDUWINC， 该软件基于 Windows 系统平台 ， 它的窗口界面直观形象 ， 功能完善， 可以方便地读取、 写入 PLC 端口及其存储器的 数据。 整个中央空调变频调速系统的组态画面由 6 个画面 组成， 如图 2 所示。 在组态画面中通过切换按钮进行画面 的切换， 进入不同的画面。 另外软件还对一些重要参数设 定访问权限， 从而保证了系统的安全。31 系统欢迎画面系统欢迎画面是触摸屏接通电源后出现的第一个组态 画面， 定义为画面 0， 画面上可放置文本 、 系统时间、 日 期等， 对系统进行说明与标注。 同时， 画面上放置一个触 摸按钮， 其功能为切换画面， 当点击页面触摸按钮时即进 入运行控制画面。32 运行控制画面此画面定义为画面 1， 是对中央空调自动方式 、 手动 方式、 工频运行、 变频运行等情况的选择及控制。 这个画 面与 PLC 的程序相对应。 不同工作方式已经由 PLC 软件和 硬件进行互锁， 通过点击相应控制按钮， 即可对中央空调 机组进行启 停操作。33 参数显示画面在这个系统中， 用户需要观察的量为冷却泵进、 出水 温 度 、 冷 冻 泵 供 、 回水温度以及变频器的上 下 限 频 率 、 运 行 频 率 、 输 出 频 率 、 输 出 电 压 、 输出电流等参数 。 因 此， 设置相应数据显示部件， 与 PLC 相应数据寄存器地址 分别对应。 系统启动后， 由传感器、 变频器等将有关信号 送入 PLC 进行处理， 并存储在 PLC 相应数据寄存器中， 因 PLC 数据寄存器的地址与触摸屏数据显示部件相关联 ， 此 时， 触摸屏就可以实时显示数据 3。34 参数设置画面用户需要设定的量为变频器的上限频率 、 下 限 频 率 、 运行频率以及冷却泵的进出水温度、 冷冻泵的进出水温度 等参数， 这时设定输入区利用设定数值键盘， 用户可得到 需要的目标值。 设定之后点击 “确定” 按钮， 该数值送入 PLC 目标值保存单元， 点击 “取消” 按钮， 则维持原数值 不变。 由于参数的改动将引起系统的巨大变化， 此画面内 容只允许技术人员调出和修改 ， 因此为增强系统安全性 ， 此画面要求使用密码才能进入。35 主监控画面主监控画面是供值班人员进行监控和判别的画面， 这 个画面显示的信息有中央空调机组各组成设备的运行 停止 状态， 以及冷却泵、 冷冻泵的工频 变频运行状态等。 画面 上放置多个指示器部件， 与 PLC 中对应于各设备输出状态 的 位 元 件 绑 定 ， 根 据 PLC 的程序运行结果显示 不 同 的 颜 色， 从而让值班人员根据颜色的不同来判断设备运行状态。 36 报警信息画面图 2触摸屏组态画面结构报警信息包括冷却水、 冷冻水水流异常、 冷水机组的（下转第 100 页）57研究与开发机电工程技术 2009 年第 38 卷第 06 期机电工程技术 2009 年第 38 卷第 06 期热， 其优点是设备简单、 紧凑， 投资少， 便于安装、 维修 和使用， 且温度容易调节， 易于自动控制。 缺点是升温缓 慢 ， 并有加热滞后现象 ， 不能在模具中交替地加热和冷 却。 蒸汽水加热迅速， 能使模具保持恒定的温度， 当需要 冷却时在管道中改通 冷却水就能实现 ， 但加热系统投资 大， 模具结构复杂。 利用煤气加热模具的成本低， 但温度 不易精确控制， 而且劳动条件差， 污染严重。 目前， 一般 厂家都应用电加热中的电热棒加热方式。 电热棒已形成标 准件， 有多种成品规格可供选择。 在设计模具时， 先计算 好加热所需的电功率， 加工好安装电热棒的孔， 将购置的 电热棒插入其中加热即可。43 电加热系统设计对模具进行电加热， 应计算模具的加热功率， 合理分 布电热元件， 防止热量散失， 建立必要的温控系统， 使模 具型腔表面的温度均匀一致， 并且不会随时间发生明显波 动 4。 因此， 事先要对所需功率进行计算， 选择合适的电 热元件。 对模具进行加热所需的功率可根据模具的质量和 体积按以下经验公式计算 3：P qm，其中： P电功率 （W）；m模具质量 （kg）；q单 位质量的模具加热到成型温度所需要 的功率 （W kg）。5 小结塑料模具的温度直接影响到塑件的成型质 量 和 生 产 率。 对于大多数热塑性塑料， 为了缩短成型周期， 需要对 模具进行冷却， 在注射、 保压完成后在模具内的管道中循 环冷却介质， 带走塑件从熔融到模温所释放的热量， 以便 迅速冷却模具； 对于热固性塑料， 模具都要求有较高的温 度， 对于流动性较差的热塑性塑料 （ 如 PC、 POM、 PPO、 PSF 等）3， 也要求模具有较高的温度， 这些塑料成型时模 具需要有加热装置 。 塑料模具不仅要求有温度控制系统 ， 还要对温度控制系统进行较好的设计。 在理论的指导下进 行计算， 再根据现场调试的结果做适当调整， 才能确定最 合理的温度控制系统， 进而能更高效、 更经济的生产质量 更加稳定的产品。参考文献：1 陈万林 塑料模具设计与制作教程 M 北京： 北京希望电 子出版社， 2001 2 郭 新 玲 塑 料 模 具 设 计 M 北 京 ： 清华大学出版社 ，20083 朱光力， 万金保 塑料模具设计 M 北京： 清华大学出版 社， 20074 刘浪潮 浅析塑料注塑模热流道技术 J 科技资讯， 2008（11）： 235 郭新玲 注射模具排气系统设计 J 电加工与模具， 2008（4）： 5355所需的总功率计算出来后， 即可选择电热棒的型号并 确定电热棒的数量。 加热后应尽量减少热量散失， 可采用 减小接触面积法、 空气层隔热法， 必要时可安装隔热板来 减少热量的散失。第一作者简介： 陈建丽， 女， 1981 年生， 湖南常德人， 硕士， 助 教。 研究领域： 材料成型及控制工程。(编辑：向 飞)!（上接第 57 页）高低压异常等。 报警画面是由触摸屏部件库中的指示器组 成 ， 每个指示器都与 PLC 中表示报警有无的一个位 相 对 应， 这样根据每个指示 器 的 开 关状态就能确定是哪里的 故障， 从而采取相应的措施。4 组态的传送在个人计算机上， 经过组态软件制作完成的监控画面 通过 RS232 通信电缆 FX232CAB 传送到触摸屏， 触摸屏 通过 RS422 通信电缆 FX50DUCAB 可实现对 PLC 的程 序执行情况进行监控。 组态传送之前一定要合理设置相应 的通信参数， 如通信端口、 通信速率、 数据格式等 4。5 结束语中央空调变频调速系 统 采 用 PLC 控 制 ， 弥 补 了 继 电 器接触器控制系统可靠性差的不足 ， 利用 PLC 自身可靠 性高的优点， 实现对变频调速系统的高精度控制 。 同 时 ， 触摸屏的应用不仅可以使中央空调变频调速的运行过程得 到直观监控， 还可以通过触摸屏在线修改相关参数， 提高了控制系统的灵活性。 目前该控制方案在实验室的小型中 央空调系统中取得良好的运行效果， 但在实际使用中还是 有 一 些 限 制 的 ， 如 PLC 与触摸屏之间距离不能过大 等 问 题， 还有待进一步研究。参考文献：1 刘星平 PLC 及变频器在高层建筑中央空调节能改造中的应 用 J 低压电器， 2008 （10）： 5759 2 龚 仲 华 ， 史 建 成 ， 孙 毅 三 菱 FX Q 系 列 PLC 应 用 技 术M 北京： 人民邮电出版社， 20063 岳庆来， 周锋， 吴启红， 等 变频器、 可编程序控制器及触 摸屏综合应用技术 M 北京： 机械工业出版社， 20064 F940GOTSWD LWDC 触摸式图形显示终端硬件手册 Z 1999第一作者简介： 苏宏英， 女， 1978 年生， 广西上林人， 硕士， 讲 师。 研究领域： 检测技术与自动化装置。 已发表论文 10 篇。(编辑：梁 玉)100Abstractsimplementation principle of the module. Practices have proved plastic cup-cylindrical printing wheel. Finally, the key points are that the controller is easy to use, reliable operation, requirements presented that must control the temperature of the printing in line with the industrialization, and worth popularizing.rubber in the mode of conical plastic cup-cylindrical printing Key words: automatic control; circuit design; water pumps; wheel in order to raise the printing precision.MCUKey words: conical cup printer; conical plastic cup; thermal analysis in FEA09-06-56 Design of Centralized Conditioning VVVFControl System Based on PLC and Touch Screen09-06-67Dual-resource Constrained Job ShopSU Hong-ying, XIAO Yong-xin, ZHUANG Huan- wei(Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China)Abstract: The application of PLC, touch screen and transducerScheduling Algorithm Based on Efficiency Function REN Hui-yuan, JIANG Li-li, XI Xiao-ying, PENG He- ping(Faculty of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)in centralized conditioning control system is introduced in thisAbstract: In study of job shop scheduling problem inpaper. And the realization of setting parameters, displaying data,manufacturing field, job shop scheduling environment cannot be giving an alarm and temperature automatic controlling is alsomirrored in the traditional study considering only machine described in details.resource. A dual-resource (machines and moulds) constrained job Key words: PLC; touch screen; varying frequency speedshop scheduling problem model whose objectives are adjustmentminimizing the completion time and tardiness was establishedaccording to the actual multiple resources environment. The09-06-58 Design of the Motion Control Board andControl Algorithm Based on DSPLIAO Yong-zhong(Hunan First Normal University, Changsha 410205, China)reverse scheduling algorithm based on efficiency function was proposed to solve the model. Finally, an example is illustrated to verify the algorithm and the comparison result is given.Key words: dual-resource constrained; job shop scheduling;Abstract: A hardware development platform for the system wasefficiency functions; reverse scheduling built based on the DSP in this paper. CPLD is used to implement4-axis servo coder signal processing circuit. It is characterized by the high integrity and robust stability, meets the requirements of the production process on high speed and high precision. The reconstructable design based on the CPLD was realized to09-06-69 Design of Automatic Transfer Switching EquipmentFENG Cheng-an(Xinhui Electric Control Equipment Factory CO., LTD, Jiangmen 529100, China)which combines single neuron PID with CMAC to controlenhance the flexibility of the system. For the control algorithm,Abstract: This paper presents an automatic transfer switchingsystem is used. Indication through the simulation shows that the control algorithm has better dynamic performance, control precision and strong capability of anti-jamming compared to the traditional PID.Key words: DSP; computer numerical control system; single neuron; CPLD09-06-61 Monitoring System of Navigation Mark Based on GSM and GPSequipment, which uses 51 MCU in the control system to realize the conversion. It also talks about the presentations of the entire system of composition and function. This dual-power conversion device has practical value in many areas and can be used on the airport, hotels, hospital and so on, to ensure the power supply constantly.Key words: double power; SCM; automatic conversion; voltage09-06-73 The Design of CAN Node Based onQIU Zhen-zhen, QIU Wen-hua, YU Xiao-hua(ZengchengSJA1000College of South China Normal University, Guangzhou 511363, China) Abstract: The paper expounds the way of realizing monitoring system of navigation mark based on GSM communication technology, GPS technology and computer network technology. It introduces contribution and principle of the overall system and the structure of monitoring center, puts forward the design method of the hardware and software of monitoring terminal. Experiments show that it is stable and feasible.Key words: GSM; GPS; Lantern09-06-64 Analysis of the Thermal Influence to Printing Precision by Difference of Velocity of Printing Wheel for Conical Plastic Cup PrinterWANG Xian-huai1, CHEN Zhong2, WANG Chang-you1, ZHANG Xian-min2(1.Longxing Company of Color Printing Industrial Trade Limited, Chaoan 515638, China; 2.Mechanical & Auto Engineering College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)LI Wei-guang, CHEN Gang, ZHANG Song(South ChinaUniversity of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract: The main features of CAN-bus and the stand-alone CAN controller SJA1000 are introduced. The composition of the CAN node is also shown in the article. Finally, the design of the hardware combining with the typical circui