中央空调PLC控制系统的设计（含CAD图纸）
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中央空调PLC控制系统的设计（含CAD图纸）,中央空调,PLC,控制系统,设计,CAD,图纸
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信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 毕业设计(论文)中英文资料 信 电 系 工业电气自动化 专业 04 级 1 班课题名称：MCS-51单片机智能温度控制系统设计毕业设计(论文)起止时间：2006年 2月10日6月8日(共17周)学生姓名： 学号： 10 指导教师： 报告日期： 2007年3月 1日 摘要：本文根据模糊控制和PID控制的特点及其原理，把模糊控制和PID控制结合起来，形成模糊PID控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中模糊PID控制器的实现方法、系统的各种控制、故障检测以及状态显示。 模糊PID控制器实际上跟传统的PID控制器有很大联系。区别在于传统的控制器的控制前提必须是熟悉控制对象的模型结构，而模糊控制器因为它的非线性特性，所以控制性能优于传统PID控制器。对于时变系统，如果能够很好地采用模糊控制器进行调节，其控制结果的稳定性和活力性都会有改善。但是，如果调节效果不好，执行器会因为周期振荡影响使用寿命，特别是调节器是阀门的场合，就必须考虑这个问题。为了解决这个问题，出现了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一个固定的初始域，这样相当程度上简化了模糊控制的设定问题以及实现。文中分析了振荡的原因并分析如何抑制这种振荡的各种方法，最后，还给出一种方案，通过减少隶属函数的数量以及改善解模糊化的方法缩短控制信号计算时间，有效的改善了控制的实时性。模糊控制器的一个主要缺陷就是调整的参数太多。特别是参数设定的时候，因为没有相关的书参考，所以它的给定非常困难。众所周知，优化方法的收敛性跟它的初始化设定有很大关联，如果模糊控制器的初始域是固定的，那么它的控制就明显的简化了。而且我们要控制的参数大多有其实际的物理意义，所以模糊控制器完全可以利用PID算法的控制规律进行近似的调整。也就是说最简单的模糊PID控制器就是同时采用几种基本模糊控制算法（P+I+D或者PI+D），控制过程中它会根据控制要求，做出适当的选择，保证在处理跟踪以抗阶跃干扰问题上，其控制性能接近于任何一种PID控制。假设模糊集的初始域是对称的，两个调节器的参数采用Ziegler-Nichols方法。为了改善上述设计的模糊控制器，我们有必要考模糊控制器的参数问题，有两种方法可以采纳，一种采用手动的方法改变，另一种就是采用一些相关的优化算法。其中遗传算法就是一种。控制器采用的参数不同，其收敛的优化值也会不一样。这些参数包括模糊集的分布，模糊集的个数，映射规则，基本模糊控制器的参数和不同的算法组合等。要注意的是在优化前必须选定模糊推理及解模糊的方法。很明显，优化过程很耗时，更有甚者，有些优化方法要已知系统的精确模型，但是实际过程中难以得到系统的精确模型，所以在大多数情况下，这些优化算法不能直接应用在实际过程。也就是说模型不精确直接影响优化成败。模糊控制的主要思想就是针对那些传递函数未知的或者结构难以辨识的系统进行控制，这也是模糊控制的性能为什么优于传统方法的原因。同时，把模糊控制和传统的PID控制算法结合起来，更能体现这种算法的优点，因为它大大简化实际过程的调整。 参数集的启发式优化法也适用于模糊PI控制器，它采用固定的定义域，其参数的选取和传统的PI控制器都一样。我们采用的控制方法是结合模糊PI算法和PD算法并利用启发式优化法处理参数集，特别要注意这里的调节器出现了两个比例环节，所以它的控制可能不同于传统的PID算法。但是我们调整的参数它们本身具有实际的物理意义，值得一提的是前面所提到的控制可以通过改变采样时间而不改变定义域的范围实现调整。 关键词：单片机；热处理温度控制；模糊 PIDAbstract:This paper adopts fuzzy PID control algorithm which combines fuzzy control and PID control according individual characteristic and theory effectively gets over their disadvantage, at the same time, preserving their merits. The methods of the fuzzy-PID controller, system-controlling, failure-detecting，states-displaying are described in details. A fuzzy PID controllers are physically related to classical PID controller. The settings of classical controllers are based on deep common physical background. Fuzzy controller can embody better behavior comparing with classical linear PID controller because of its non linear characteristics. Well tuned fuzzy controller can be also more stable and more robust for the time varying systems. On the other hand, when the fuzzy controller is tuned badly it can exhibit limit cycle which can decrease lifetime of the actuator. This phenomenon is critical especially when the actuator is valve. Knowing about these problems, more analytical methods of tuning fuzzy controllers can be found. The method with unified universe considerably simplifies the setting and realization of fuzzy controllers. This paper tries to analyze causes of oscillations and it outlines the possibilities how to reduce them. The paper also shows solution how to reduce time needed for computation of control signal by decreasing the number of membership functions and by changing defuzzification method. 1. INTRODUCTIONOne of the main drawbacks of fuzzy controllers is big amount of parameters to be tuned. It is especially difficult to make initial approximate adjustment because there is no cookery book how to do it. Also it is very well known that good convergence of optimum method is strongly dependent on initial settings. The adjustment of fuzzy controllers is considerably simplified when fuzzy controller with a unified universe is used. The parameters to be tune then have their physical meaning and fuzzy controller can be approximately adjusted using known rules for classical controllers. Probably the easiest way how to implement fuzzy PID controller is to create it as a parallel combination of basic fuzzy controllers (P+I+D 4 or PI+D 5). Suitable choice of inference method can ensure behavior which is close to one of classical PID controller for both the tracking problem and the step disturbance rejection. The fuzzy sets are assumed to have initially symmetrical layout and the parameters of both regulators are tuned using for example by Ziegler- Nichols method.To improve behavior of such designed fuzzy controller it is necessary either to manually change the quantities of fuzzy controller or to use some optimum methods which do this operation. One which can be implied are genetic algorithms. Different quantities can be changed to reach the optimum values. These quantities are fuzzy set layout, number of fuzzy sets, rule base mapping, the parameters of basic fuzzy controllers and their various combinations. Note that all the optimum must be always performed according to the chosen inference and defuzzification method. It is apparent that process of optimum can take a lot of time. Moreover this method is contingent on existence of accurate mathematical model of the process because in vast majority of the cases it is not possible to perform any kind of optimum directly on real process. The model usually does not correspond to real system which limits the success of optimum methods. The prime idea of fuzzy control was to apply it at the place where there is no deep knowledge of transfer function of controlled system and where this knowledge can be hardly identified. These are often the cases where the fuzzy control leads to better performance comparing with classical approach. Also for this instance it seems to be advantageous to have physical connection between fuzzy controller and its classical counterpart because it can significantly simplify the adjustment of regulator for real process.The heuristic optimum of parameters settings is also suitable for fuzzy PI controller with unified universe where the parameters are the same as the ones of classical PI controller. The parallel combination of fuzzy PI and PD controllers can be used for heuristic optimum of parameters settings but it should be noted that because of the presence of double proportional part in this regulatorthe adjusted parameters will differ from the ones of classical PID controller. But important thing is that the adjustment of this parameters is still in the same physical meaning. Note that for all previously mentioned controllers it is also possible to employ time transformation (sample time modification) without having to change the scope of universes.Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.3江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 基于PLC的中央空调控制系统的设计毕 业 设 计（论 文）设计题目：基于PLC的中央空调控制系统的设计专 业：班 级：学 号：姓 名：指导老师：起讫日期年 月 日 年 月 日31江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 基于PLC的中央空调控制系统的设计摘 要 中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房中的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷选定的，且再留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，能量的浪费是显而易见的。近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运成本费用中占据越来越大的比例，加之目前各生产、服务业竞争激烈，多数企业利润空间不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负荷调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性，而且得到越来越多的被广泛推广与应用。随着PLC技术和变频器的发展，采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，还能节省不必要的电能和水资源的浪费。 本文采用三菱PLC控制系统设计中央空调的控制系统，因为采用PLC控制系统对中央空调的操控很简单，抗干扰能力强，输入和输出接口，运行速度快，稳定可靠，维护和维修方便，此外，该中央空调控制系统具有高可靠性，低功耗，长寿命，良好的环境适应性，适用于中央空调的开发，以及中央空调利润也很高，从而使PLC的机可以得到更好的发展，因此，本次的基于PLC的中央空调控制系统的设计在某种程度上面来说具有重大的经济和社会意义。关键词：中央空调 资源 PLC 意义AbstractWith development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The pneumatic part of the design is primarily to reasonablepneumatiatcompressedneceengththdirectionprocedurework.Theinvertedpendulumisatypicalhighordersystem,withmultivariable,non-linear, strong-coupling,fleetandabsolutelyinstable.Itisrepresentativeasanidealmodeltoprovenewcontroltheoryandtechniques.Duringthecontrolprocess,pendulumcaneffectivelyreflectmanykeyproblemssuchasequanimity,robust,follow-upandtrack,therefore. Thispaperuse Plccontrolmethodofdoubleinvertedpendulum.This severaltestmatrixvaluetheresultsarenotsatisfactoryresponse,thenweoptimizematrixbyusingGeneticAlgorithm.Simulationresultsshow:ThesystemresponsecanmeetthedesignrequirementseffectivelyafterGeneticAlgorithmoptimization.Small twisted paper broken machine for ordinarhome.Keywords：sewingmachine, assembly,Plc,meaning目 录摘 要I目 录II1 绪 论1 1.1 中央空调系统简介2 1.2 应用PLC控制系统的优点32 PLC控制系统简介6 2.1 PLC简介7 2.2 PLC的控制过程7 2.3 变频器的控制方式及分类9 2.4 变频器的选型10 2.4.1 变频器简介103 基于PLC的中央空调控制系统硬件的设计10 3.1 主电路的控制设计11 3.2 变频器的控制方式11 3.3 元器件的选型12 3.4 I/O分配表的设计12 3.5 PLC控制接线图的设计13 4 基于PLC的中央空调控制系统软件的设计13 4.1 梯形图程序的设计14 4.2 系统工作流程图的设计14结 论15致 谢16参考文献17151 绪 论我国是一个人均能源相对贫乏的国家，人均能源占有量不足世界水平的一半，随着我国经济的快速发展，我国已成为世界第二耗能大国，但能源使用效率普通偏低, 造成电能浪费现象十分严重。尽管我国电网总装机容量和发电量快速扩容，但仍赶不上用电量增加的速度，供电形势严峻, 节能节电已迫在眉睫。 中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。 随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术条件。窗体顶端1.1 中央空调系统简介中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中,在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7。C）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12。C），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中,在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37。C）被送到冷却塔，经风扇散热后（32。C）再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。如图一所示。 在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%20%余量作为设计安全系数。据统计，在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%40%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。其具体系统结构图如下图所示：1.2 应用PLC控制系统的优点与传统中央空调控制系统相比，PLC中央空调控制系统的优点突出体现在有以下几个方面： （1） 可靠性高，抗干扰能力强 PLC由于采用现代大规模集成电路技术，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 （2） 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 (3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 2 PLC控制系统简介2.1 PLC简介 PLC即可编程控制器（ProgrammableLogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC最基本最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机，订书机，智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等各个行业，使用广泛。 随着应用领域的日益扩大，PLC技术及其产品仍在继续发展，主要朝着以下的方面发展。2.2 PLC的控制过程可编程控制器执行程序的过程有三个阶段。(1) 输入采样阶段 PLC通过扫描把输入端口的输入状态按顺序保存在输入映像寄存器中，然后控制器对采集的信息进行处理，因为输入信号存在输入映像寄存器中，即使程序在执行过程中输入状态发生了变化，对程序的执行和处理也无任何影响。当一次扫描结束，映像寄存器被刷新，输入端信号才再次被采集进入输入映像寄存器中，进行程序执行。再次扫面刷新，再次执行处理。 (2) 程序执行阶段 PLC梯形图程序扫描遵循从左到右，从上到下的步骤顺序执行。所谓用户程序的执行，并非是系统将CPU的工作交由用户程序管理，CPU仍执行系统程序中的指令。输入端每次采集数据都会寄存在输入端映像数据存储区内，CPU执行时将存储区内的信号数据进行处理。当用户程序管理程序后，程序执行一次扫描周期后进行刷新，所有的输出映像都被依次刷新，系统进入下一输出刷新阶段。 (3) 输出刷新阶段 当所有的指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段存到输出锁存器中，通过输出端子和外部电源，驱动外部设备。其中输出锁存器一直将状态保持到下一个循环扫描周期的开始，所以输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的。该中央空调PLC控制系统流程图如下图所示： 2.3 变频器的控制方式及分类 变频器的启停及频率自动调节由PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制。2.4 变频器的选型随着微电子技术，电力电子技术，全数字控制技术的发展，变频器的应用越来越广泛。变频器能均匀的改变电源的频率，因而能平滑的改变交流电动机的转速，由于兼有调频调压功能，所以在各种异步电动机调速系统中效率最高，性能最好。 变频器分为间接变频和直接变频，变频水泵采用间接变频方式。间接变频装置的特点是将工频交流电源通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变成频率可控的交流电。变频器以软启动取代Y 降压启动，降低了启动电流对供电设备的冲击，减少了振动及噪音。2.4.1 变频器简介Pr.160 : 0 允许所有参数的读/写 Pr.1 : 50.00 变频器的上限频率为50Hz Pr.2 : 30.00 变频器的下限频率为30Hz Pr.7 : 30.0 变频器的加速时间为30S Pr.8 : 30.0 变频器的减速时间为30S Pr.9 : 65.00 变频器的电子热保护为65A Pr.52 : 14 变频器DU面板的第三监视功能为变频器的输出功率 Pr.60 : 4 智能模式选择为节能模块 Pr.73 : 0 设定端子25间的频率设定为电压信号010VPr.79 : 2 变频器的操作模式为外部运行 3 基于PLC的中央空调控制系统硬件的设计3.1 主电路的控制设计根据具体情况，同时考虑到成本控制，原有的电器设备尽可能的利用。冷冻水泵及冷却水泵均采用两用一备的方式运行，因备用泵转换时间与空调主机转换时间一致，均为一个月转换一次，切换频率不高，决定将冷冻水泵和冷却水泵电机的主备切换控制利用原有电器设备，通过接触器、启停按钮、转换开关进行电气和机械互锁。确保每台水泵只能由一台变频器拖动，避免两台变频器同时拖动同一台水泵造成交流短路事 故；并且每台变频器任何时间只能拖动一台水泵，以免一台变频器同时拖动两台水泵而过载。3.2 变频器的控制方式变频器的启停及频率自动调节由PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制。3.3 元器件的选型考虑到设备的运行稳定性及性价比，以及水泵电机的匹配。选用三菱FR-F540-37K-CH变频器；PLC所需I/O点数为：输入24点、输出14点，考虑到输入输出需留一定的备用量，以及系统的可靠性和价格因素，选用FX2N-64MR三菱PLC；温度传感器模块FX2N-4AD-PT，该模块是温度传感器专用的模拟量输入A/D转换模块，有4路模拟信号输入通道（CH1、CH2、CH3、CH4），接收冷冻水泵和冷却水泵进出水温度传感器输出的模拟量信号；温度传感器选用PT-100 3850RPM/电压型温度传感器，其额定温度输入范围-100600，电压输出010V，对应的模拟数字输出-10006000；模拟量输出模块型号为FX2N-4DA，是4通道D/A转换模块，每个通道可单独设置电压或电流输出，是一种具有高精确度的输出模块。3.4 I/O分配表的设计3.5 PLC控制接线图的设计以下为PLC控制接线图的设计图：4 基于PLC的中央空调控制系统软件的设计4.1 梯形图程序的设计X14为冷却泵手动频率上升， X15为冷却泵手动频率下降，每次频率调整0.5Hz，所有手动频率的上限50Hz，下限30Hz。 温差采样周期，因温度变化缓慢，时间定为5秒能满足实际需要；当温差小于4.8时，变频器运行频率下降，每次调整0.5Hz；当温差大于5.2时，变频器运行频率上升，每次调整0.5Hz；当冷却进出水温差在4.85.2时不调整变频器的运行频率。从而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。 6、冷冻泵和冷却泵的变频器运行和停止控制 2台变频器驱动的冷却泵和2台变频器驱动的冷冻泵的起停控制用简单逻辑顺序的控制，PLC程序此处略。 7、变频器的保护和故障
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