基于PLC的变频中央空调温度控制系统的毕业设计

1、唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：基于PLC的变频中央空调温度控制系统设计 系 别： 智能与信息工程学院 班 级： 姓 名： 指 导 教 师： 田丽欣 2016年6月1 日基于PLC的变频中央空调温度控制系统设计摘 要为了保证环境温度和湿度的舒适，大多酒店、大型商场、工厂车间、写字楼甚至学校等都装有中央空调系统，方便管理以及节约能源。但传统的中央空调能源利用率还是相对较低，普遍存在30%左右的无效能耗。传统的中央空调能源消耗大，而效率相对低下，无论负荷的大小，电机已及系统都是在全负荷的状态下工作的，当用户不需要这么大的负荷时，就造成了资源的浪费。中央空调系统由空调主机，冷却水泵、冷却塔，冷

2、冻水泵、风机、盘管系统等组成。冷冻水是流过空调主机后，经过空调主机制冷降温，通过冷冻泵输送到各个房间中，然后通过盘管系统，和室内的空气进行热交换，最后再流回空调主机，形成循环。而冷却水系统则主要是给空调主机降温，在冷却泵的作用下，冷却水流经空调主机，把空调主机的热量带走，再在冷却塔处经由却塔风机进行散热，最后再流回空调主机，形成循环。冷冻水、冻却水作为热量的载体，不断地把室内的热量带到室外。本论文所研究的中央空调系统可在PLC的控制下，利用PT-100温度变送器采集室内温度，通过EM235模拟量输入输出模块将采集到的温度度数转化为模拟量，进行PID计算，转化后输送给变频器，变频器再带动电机做出

3、相应的加减速转动，使室内温度发生变化，从而形成闭环控制，实现最优控制，低能源高效率，保证居住、工作环境的温度和湿度的同时，最大空间的节约能源，提高能源利用率。关键词：中央空调温度控制 PLC EM235 变频器 PID控制 Design of Variable frequency central air conditioning temperature control system based on PLCAbstractIn order to ensure the comfort of the temperature and humidity environment, many hotels

4、, large shopping malls, factories, office buildings, and even schools have been installed central air-conditioning system, to facilitate the management and energy conservation. But the traditional central air conditioning energy utilization is still relatively low, there are about 30% of the invalid

5、 energy consumption. The traditional central air-conditioning energy consumption, and efficiency is relatively low, regardless of the size of the load, motor and system are working under the state of full load, when users do not need such a big load, causing the waste of resources.The central air co

6、nditioning system by the air conditioning host, cooling water pump, cooling tower, chilled water pump, fan coil system, etc. Chilled water is through the air conditioning host, after a cool air conditioning refrigeration host, through the frozen pump into the rooms, and then through the coil system,

7、 and indoor air heat exchange, and then flow back to the air conditioning host, form a circle. Cooling and cooling water system are mainly for air conditioning host, under the effect of cooling pump, cooling water flowing through the air conditioning host, and take away the quantity of heat of air c

8、onditioning host, through the tower fan for cooling in cooling tower place again, and then flow back to the air conditioning host, form a circle. Chilled water, frozen water as heat carrier, constantly brought the indoor quantity of heat to outdoor. This paper studied the central air conditioning sy

9、stem is under the control of PLC, using the PT - 100 temperature transmitter collection and indoor temperature, by EM235 analog input/output module collected temperature readings can be converted to analog, the PID calculation, conveying the converted to frequency converter, frequency converter to d

10、rive the motor makes the corresponding rotational acceleration and deceleration, make indoor temperature changes, thus forming a closed loop control, realize the optimal control, low energy efficiency, guarantee the living and working environment of temperature and humidity at the same time, the big

11、gest space to save energy, improve energy efficiency.Key words: Control of central air conditioning temperature; PLC; EM235; Frequency changer; PID control;目 录1 引言11.1 课题研究的意义11.2 中央空调控制系统研究现状11.3 设计的任务和要求22 中央空调系统的构成及工作原理32.1 中央空调系统的工作原理32.2 中央空调系统的构成32.2.1 冷冻水循环系统32.2.2 冷却水循环系统32.2.3 空调主机42.2.4 风机

12、盘管系统43 中央空调系统控制原理53.1 传统控制方式介绍53.2 中央空调的变频调速原理53.3 电机的软启动73.3.1 电机普通启动电流73.3.2 软启动设备介绍73.3.3 软启动的应用73.3.4 软启动的优点83.3.5 软启动器与变频器的区别83.4 中央空调的电机频率的PID控制93.4.1 PID控制原理93.4.2 PID参数整定的常规方法及手段103.4.3 温度控制回路114 中央空调系统硬件设计124.1 变频器介绍124.1.1 变频器原理124.1.2 变频器的选择124.1.3 施耐德ATV312系列变频器124.1.4 使用注意事项134.2 可编程逻辑控

13、制器介绍134.2.1 可编程逻辑控制器134.2.2 PLC的工作原理144.2.3 西门子S7-200 PLC144.2.4 模拟量输入输出模块144.3 PT100温度传感器154.4 三相异步电动机155 中央空调系统软件设计175.1 主程序设计175.2 程序设计185.2.1 PLC编程软件STEP7Micro185.2.2 I/O点分配185.2.3 程序中存储器分配195.2.4 部分程序设计205.3 EB8000触摸屏编程软件255.4 仿真界面256 结论29谢辞30参考文献31附录一 电气原理图32附录二 源程序34唐 山 学 院 毕 业 设 计1 引言1.1 课题研

14、究的意义随着我国经济的飞速发展，大家的生活水平明显提高，生活条件也是越来越好。在夏天，为了保证环境温度和湿度的舒适，很多酒店、大型商场、工厂车间、写字楼甚至学校等都已经安装了中央空调系统，方便管理以及节约能源。但传统的中央空调能源利用率还是相对较低，普遍存在30%左右的无效能耗1，因此采用新型的节能技术已经成为了当务之急，响应国家节能减排的低碳生活的号召。传统的中央空调是通过手动调节阀门的大小来控制水的流量的大小的，而冷冻水系统和冷却水系统中水泵就已经消耗了大量的能量，而水泵是一直处于工频，即满负荷的状态下工作的2。而频繁的启停也对设备有一定的损伤，电机的启动电流是额定电流的5到7倍，如此大的

15、电流冲击不仅对电机、接触器等有影响，也给电网带来了一定的冲击，同时也会减少机械设备的寿命3。本文通过对冷冻水供回水温、压差，冷却水的流量等工艺参数进行优化整定；使用变频调速技术，实现电机的连续平滑速度调节，减少电机频繁的启停以及大大的降低了电机启动时的电流，实现电机的无级调速，大大提高温度控制的精度，从而实现高效的恒温调节的中央空调系统。创造出一个适合人居住、工作、学习的环境的同时，还减少了对环境的污染。1.2 中央空调控制系统研究现状我国从90年开始研究空调的智能控制，现已研究出多种控制方式的变频空调或者智能控制空调，随着楼宇智能化的发展，楼宇自动化控制技术也得到了飞速的发展，在实现办公生活

16、舒适、方便的前提下，还要实现高效节能4。中央空调是在系统的各种末端提供能量的交换，在保证能量交换正常的情况下再考虑如何节能。循环水系统有几十的发展历史了，但依然存在着一些问题，需要不断地完善，比如水压不平衡问题，出水温度和回水温度温差过小问题，传输过程中能量的损失问题5，这些问题都推动了当代变流量技术的发展。而这些全得靠于变频技术的发展，正是有了变频技术，才可以更高效地控制水流量，实现节能控制。在变频技术出现之前，水泵都是恒工频工作，冷水以固定的流量输送到管道各处，在不需要这么大的流量的场合下，这将是一个很大的能源浪费。随着变流量技术的成熟，现在国内外侧重于采用多级PID调节的控制方法6。多级

17、PID调节因其鲁棒性强、自我调节能力强、控制迅速准确等特点，不依赖于被控对象具体的模型，而被广泛利用于中央空调的控制技术中。1.3 设计的任务和要求中央空调广泛应用于商用与民用建筑中，本设计应用PLC和变频器实现对中央空调的温度控制。该设计涉及可编程控制器原理及应用、变频器技术、传感器与检测技术等课程知识及应用。在设计中以PLC作为主控单元，采用PID控制算法，通过变频器控制水泵运转速度，实现恒温控制，并完成上位机设计。可编程逻辑控制器，是一种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

18、或生产过程。设计的主要内容是利用变频器、PLC、模拟量输出模块、温度传感器、模拟量输入模块等器件，构成温度闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量。可以手动设定定时吹风，温度的控制器采用PLC内部控制。水泵通过PLC控制，处于一个最合适的频率下，温度稳定时水的流量也稳定，通过变频器控制风机转速，达到变频控制目的，实现最优控制。2 中央空调系统的构成及工作原理2.1 中央空调系统的工作原理中央空调系统由空调主机，冷却水泵、冷却塔，冷冻水泵、风机、盘管系统等组成。冷冻水是流过空调主机后，经过空调主机制冷降温，通过冷冻泵输送到各个房间中，然后通过盘管系统，和室内的空气进行热交换，最后再流回空调主机，

19、形成循环。而冷却水系统则主要是给空调主机降温，在冷却泵的作用下，冷却水流经空调主机，把空调主机的热量带走，再在冷却塔处经由却塔风机进行散热，最后再流回空调主机，形成循环。冷冻水、冻却水作为热量的载体，不断地把室内的热量带到室外。空调原理如图2-1。图2-1 空调原理图2.2 中央空调系统的构成2.2.1 冷冻水循环系统本部分由冷冻泵、冷冻水管组成。从主机蒸发器出来的冷冻水通过冷冻泵压入冷冻水管道，进入房间内，利用室内的风机进行热交换，带走房间内的热量，同时使冷冻水的温度上升，最后回到空调主机的蒸发器。2.2.2 冷却水循环系统本部分主要由冷凝器、冷却水管、冷却塔、冷却泵等部分构成。冷冻水循环系

20、统在室内热交换，温度上升，然后把这热量在空调主机处传递给冷却水，冷却水的温度上升。在冷却泵的作用下，冷却水进入室外的冷却塔，最后在冷却塔风机下散热，与大气进行热交换，温度下降后的冷却水再流回空调主机，从而形成循环系统。2.2.3 空调主机本部分主要是由空气压缩机、冷媒体、冷凝器、蒸发器组成。它的工作原理如下：气态的冷媒体会在空气压缩机内被压缩成液体，物体从气体状态冷凝成气体的时候会放出热量，而冷媒体在冷凝器中冷凝成液体的时候所放出来的热量会被冷却水所吸收，然后冷却水在冷却泵的作用下输送到室外的冷却塔，在风机下与大气进行热交换，把热量散发到室外。在冷凝器中液化的冷媒体会进入蒸发器，在蒸发器内由于

21、压力的变化，液态的冷媒体会汽化，液体变成气体会吸收周围的热量，流经蒸发器的冷冻水的热量被冷媒体吸收，冷冻水的温度下降，达到制冷效果。升温后的变成气体的冷媒体最后又进入压缩机，进行下一个循环。2.2.4 风机盘管系统本部分主要由盘管、室内风机组成。在风机的作用下，室内的空气不断地与盘管内的冷冻水进行热交换，经过盘管后，室内的空气温度下降，直到达到设定的温度并保持动态平衡。同时新风系统的风机还会把部分室外的空气引进到室内，保持室内的空气的清新，不会混浊。3 中央空调系统控制原理3.1 传统控制方式介绍中央空调在设计的时候容量是按照最大的来设计的，也就是说是按照全年最热的时候以及负荷最大的时候设计的

22、。虽然空调主机可以随着负荷的大小而改变，但是冷冻水机组和冷却水机组却不行。他们一旦运行，就是工作在工频下，不能对负荷的变化做出反应，以满载的状态运行，这样会造成很大的能源浪费现象。水的流量过大，而出水温度与回水温度的温差很小，即不需要如此大流量的冷冻水。而且传统的控制是直接使用接触器起动电机的，这样子电机启动时的电流会很大，不但对电网有冲击，如此大的电流会还会对接触器的使用寿命有一定的影响。启动时的大力转还会对电机有一定的冲击，还会对轴承、阀门等机械部件都有一定的影响，从而降低了寿命，增加了维修的成本。而且冷泵机组不能自动调节温度，只能由人工来调节，会造成一种时而温度过高，时而温度过低的现象，

23、会给人带来不适。人工调节冷冻水流量的大小不达不到准确的控制效果，还会浪费人力资源，提高了空调的运行成本。3.2 中央空调的变频调速原理三相异步电动机的调速方式主要有：变极调速以及变频调速、变转差率调速三大类，而变转差率调速又包括串级调速、转子串电阻调速、调压调速等。变频调速，顾名思义，是通过改变电源的频率进而改变同步转速实现的。同步转速改变，电机转子的速度也会随之而改变。在三相异步电机众多的调速方法中，变频调速是在工业中运用得最广泛的。由于其使用简单，接线方便，调速范围大，而且效率高，转矩不会随着频率的下降而下降而得到广泛的应用。在现在电力电子技术越来越成熟的现在，变频器的价格也日趋下降，更推

24、动了变频调速在三相异步电机中的地位。电机的转速与电源的输入频率关系如下： (3-1)在公式3-1中，为同步转速，单位为r/min；为电源的频率，单位为Hz；为电机的极对数。异步电机同速转速与转子转速的关系可由下列公式给出： (3-2)在公式3-2中，为异步电机的转速，为异步电机的转差率。由式子可知，改变参数、，即可改变电机的转速，变频器就是通过改变频率而达到电机的变频调速的控制效果。在变频的同时，还要保持每极的磁通量为额定值。磁通量如果太大，会因为磁通饱和，励磁电流过大，甚至会把绕组给烧毁；如果磁通太弱，会浪费了电机的磁心，不能充分利用。三相异步电机定子每相的电动势的有效值是： （3-3）式3

25、-3中，为定子的频率，单位为Hz;为每极气隙的磁通量，为磁通在定子每相中所感应到的电动势的有效值，单位为V; 为基波绕组系数 ； 为定子每相绕组串联匝数。 由上式可知，只要控制好和两个参数，即可以把磁通控制在一定的范围内不变。但需要考虑基频以下和基频以上两种情况。（1）基频以下调速 由上式可知，若要保持一定的磁通量不变，由于频率比额定频率小，要同时把的值也调小，但感应电动势是一个难以控制的参数，在感应电动势较高的情况下时，和可以近似相等，即。为了克服定子阻抗的压降，可以适当地提高的值，这样的话可以维持/为恒值，则无论是在低频下还是接近于工频下，每极磁通都是常值，即可实现恒定/控制。（2）基频以

26、上调速基频以上的调速是在电机的额定频率以上，往上调速，是属于恒功率的调速，电机的转矩会随着频率的上升而下降。因为电压的磁通与频率是成比的，磁通也会随着下降。冷冻水泵的流量，扬程，功率与转速的关系如下： （3-4） （3-5） （3-6）由式3-4、3-5、3-6可知，功率与转速是成三次方正比的，而流量则是成一次正比，故当降低转速的时候，功率的变化量比流量的变化量大得多，所以控制水泵电机的转速可以有效地减少功率的损耗。3.3 电机的软启动3.3.1 电机普通启动电流普通的三相异步电机启动时的电流是很大的，可以达到工常时工作电流的5-7倍，这是电机的结构和工件原理所造成的。刚起动时，定子旋转磁场是

27、按照正常的速度旋转，而刚启动时转子是不动的，或者速度刚起步时很慢，此时它们的速度相差很大，旋转磁场切割转子的速度也就很大，于是在转子上产生了很大的感应电动势，所以它的起动电流也就很大了。转子感应电动势所产生的感应电流的频率是和定子是频率相同的，都是工频50Hz，此时转子的电抗比它自身的电阻要大很多，又因为转子本身的功率因素不大，根据公式可知，由于功率因素很小，电流I比较大，而磁通和电流二者的关系是有相位差的，电流很大时，磁通反而不大，因而电机的起动转矩M也不会很大。3.3.2 软启动设备介绍电机启动时，电压是从零逐渐地上升到额定电压，电流也是从零逐渐上升到额定电流，没有出现过大的超调，更不会出

28、现三相异步电机直接启动时的大电流现象，电机平衡平滑地启动，电机的转矩也是一个平滑上升的过程，不会对轴承等机械部件造成冲击，这个过程就是电机的软启动。电机的软启动可通过软启动器和变频器实现，但由于近十年来国产变频器技术越来越成熟，变频器的价格与之前相比大幅度下降，在大多数企业里已经逐渐用变频器替代了软启动器。软启动器是不但可以实现软启动功能，还可以实现电机的软停车、节能等功能。主要是由串接于电源与电机定子之间的三相反并联晶闸管构成，由其电子控制电路控制调压，实现软启动。变频器是通过改变电机电源的频率来控制三相交流异步电机的。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，还有过压、过流、过载等保护功

29、能，应用了现代的科学技术，价格相对昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。3.3.3 软启动的应用 鼠笼型的异步电机基本上都可以使用软启动器，前提是在不需要无级调速的情况下。电压的范围从380V到660V，电机的功率从几百瓦到几十千瓦，特别是在风机、水泵等负载下，需要软启动和软停车的场合，软启动器都可以适用。用在水泵时，可以完美的解决了硬启动和硬停止时水泵所产生的“水锤效应”。由于国家电网对电机的启动有规定，电机启动时电网的压降不能超过15%，增大配电容量虽然也能使压降小于

30、15%，但是从经济的角度出发并不现实，而传统的星三角降压启动，或者自藕降压启动等方法虽然可以起到限制电机启动电流的作用，但却没有从根本上解决问题。而此时新兴的由IGBT和单片机为控制核心的软启动器可替代传统的启动方法，实现电机的平滑启动，无冲击启动，还可以根据具体的实际工况来调节参数，比如电流的限制值、从零启动到额定电流的启动时间等等，还具备过载、过压等对电机的保护作用，可以说是从根本上解决了电机启动时电流过大的问题。3.3.4 软启动的优点（1）减小启动时由于起动电流过大对电网电压的影响。当电动机在标准电压下直接启动时，起动电流过大。电机容量较小时对电网影响较小，但当电机容量很大时，过大的起

31、动电流会使电网的电压急剧下降，同时使同一电网的其他设备不能正常运行。而在软启动时，起动电流是标准电流的2-3倍，对电网及其他设备的影响较小。（2）延长电机寿命，避免影响电机绝缘。直接起动电机时产生的5-7倍电流会散发出大量焦耳热，作用于导线外绝缘时，使绝缘老化，从而使电机的寿命降低。同时过大的标准电流产生的机械力会使导线之间摩擦，降低电机寿命。高压开关合闸时，触头产生抖动，对电机定子绕组造成操作过电压，对设备造成损坏，降低电机寿命。所以利用软启动时，从根源上抑制电流的过高，保护设备，实现延长电机寿命。3.3.5 软启动器与变频器的区别变频器是把电压频率都固定不变的电源变成了电压、频率可以调节改

32、变的设备。变频器和软启动器都能起到软启动的效果，降低电机启动时的电流，降低电机启动时对电网的冲击以及对机械部件发轴承等的冲击，延长机械部件的使用寿命。软启动器是用晶闸管来实现降压启动的，一般情况下只能提供电机短时间的降压启动限流启动；而变频器则主要运用于电机的变频无级调速，可以让电机长期运行在任一频率运行（低频时要电机的散热风扇需要要单独控制），而且能提供长时间的启动，能变频器的加速时间可以比软启动器的长很多。但是一般情况下同规格的变频器的价格也比软启动器的要贵，但随着现在国产变频器的技术越来越成熟，软启动器的价格已经不再是它的优势了。软启动器利用三相反并联晶闸管的导通角，可以使电机的电压发生

33、变化，实现不同的功能。其实软启动器就是一个调压器，而变频器把三相或单相交流电变换为直流电（DC），然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，还有制动单元、制动电阻实现快速以及频繁的停车，能根据负载的实际情况，来调节电机的运行频率，以达到节能的和调速的目的。两者在主要的运用上也不相同，变频器主要是运用于需要无级调速的三相异步电机中，在低频输出时也可以保持不变的转矩；而软启动器实际上是一个调压器，在电机启动时降低电机的感应电压和电机的启动电流，并没有改变电源的频率，只是用于电机的短时间启动。软启动器还自身还区别高压软启动器与低压软启动器。低压软启动器在市场

34、上占的份额比高压软启动器多很多。除开了低压电机占有大部分的市场之外，也有高压软启动器本身的一些特点所决定。由于高压软启动器工作在很高的电压下，这就要求各种元器件之间要有很好的绝缘性，而且控制芯片也要有一定的抗干扰能力，否则都会造成软启动器的失灵。综合考虑，本设计使用变频器是一个很好的选择，所以本设计采用的是变频器实现调速。3.4 中央空调的电机频率的PID控制3.4.1 PID控制原理PID控制是由比例控制、积分控制、微分控制三部分组成，其公式如下： (3-7)式3-7中为给定值减去反馈值的差，称为误差；是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数。比例控制：输出和输入的比值是一个常量。比例控制

35、可大大改善系统的响应速度。但若只采用比例控制，则会存在稳态误差。若比例系数取值过大可能会引起系统不稳定甚至发生振荡。积分控制：输出和输入的积分的比值是一个常量。在一般的自控系统中，系统最终进入平衡后会还是会存在一定的误差，称为稳态误差。此时我们可以加入一个积分调节，慢慢把误差给消除掉。所以，PI调节应用较为广泛，它可使系统进入稳态后自动消除误差。微分调节：输出和输入的微分的比值是一个常量。当系统中存在滞后性或惯性很大的环节时，若只使用比例积分调节，系统还是有可能会不稳定。此时应引入微分调节，因为微分调节它能够预测误差的变化趋势，具有“超前”调节作用。这样就能提前抑制减小误差的控制作用，甚至变成

36、负值，从而避免了过大的超调量。PID控制就是同时拥有这三种特性，响应快，使误差趋于零，超前调节。当误差信号变化较大时，微分控制立刻动作，抑制误差的过大变化，比例控制也同时作用，使误差减小，而积分控制则是慢慢地把误差最终消除掉。3.4.2 PID参数整定的常规方法及手段由于工业上过程控制很复杂，很难求出具体的数学模型，因此不能直接采用书本上的理论计算法来算出PID参数，一般有以下几种方法。（1）经验法（试凑法）经验法又称为试凑法，是通过观察系统的响应曲线，不断地修改参数，最终得到一个比较满意的参数。一般的整定顺序为“1比例，2积分，3微分”。整定比例控制：将比例系数由小变大，并且同时观察系统的输

37、出响应，当出现超调量较小，而响应速度又快的曲线时，记下P的参数。 整定积分控制：将上一步得到的比例系数缩小到大概一半到八成，然后加入一个积分时间常数，取值稍为大点，观察输出响应曲线。然后慢慢把积分时间调小，加强积分作用，且同时调整比例系数，直到出现满意的响应曲线为止。整定微分控制：比例积分控制能消除稳态误差，但动态性能却不如人意，此时可加入微分控制。一点一点地增大微分时间常数，同时改变P和I的值，观察输出响应曲线，不断地修改参数，直到出现满意的输出响应为止。（2）临界比例度法采样周期的时间取一个比较小的值，只采用比例调节，即纯比例控制器。让比例系数慢慢地变大，直到输出响应出现等幅振荡时，记录下

38、此时的比例系数，则临界比例度，以及测量出振荡周期，然后根据表3-1算出PID参数。表3-1 临界比例度法控制规律表控制规律PPIPID（3）衰减曲线法衰减曲线法即输出响应曲线的衰减率为0.75。只采用纯比例作用的控制调节，慢慢地调大比例系数，直到响应曲线出现0.75的衰减率，即前一个波形的幅值是后一个波形的四倍，记下此时的比例度和周期，然后根据表3-2算出PID参数。表3-2 衰减曲线法控制规律表控制规律PPIPID3.4.3 温度控制回路图3-1 温度控制系统方块图根据中央空调系统的温度控制原理可知，最终的温度是由风机盘管处的冷冻水与空气进行热交换控制的。如图3-1，通过PT100温度变送器

39、，把PT100的阻值变化通过转化成4-20mA的电流模拟量输入到EM235扩展模块，然后再经过模块内自动把模拟量转换成数字量，PLC通过FROM指令读取模块内的数据，得到当前的室内温度值。在PLC的内部，当前温度测量值与设定值作比较，得到误差，能过PLC内的PID功能进行误差计算，自动控制输出，把误差不断缩小，以达到最终使室内温度与设定温度一样后趋于稳定。当温度比设定值高时，水泵转速加快，冷冻水的流量增加，使空气降低得更快；当温度比设定值低时，水泵的转速则减慢，冷冻水的流量减小，甚至直接关闭冷冻水泵和空调主机。温度的控制要求比较高，要求误差小，所以要有积分作用。同时温度也是一个滞后性很强的变量

40、，所以要加入微分作用以超前调节，故温度控制器采用比例积分微分（PID）的控制规律。4 中央空调系统硬件设计中央空调系统的硬件部分主要包括PLC、变频器、温度传感器等。主要作用如下。变频器主要输出给电机，控制电机的转速调节水量，还有实现软启动功能。PLC是系统的中央控制单元，整个系统的控制核心。通过温度传感器测量出当前温度，并通过与设定温度比较得出的误差和温度的变化率，能过PID控制算法算出当前的变频器的最佳频率值，以控制电机的转速从而调节水量，从而快速而精确地控制室内的温度。温度传感器可以将温度实时反馈给PLC，以实现闭环控制。4.1 变频器介绍4.1.1 变频器原理变频器是应用变频技术与微电

41、子技术，通过改变电机的电源频率，从而控制电机的转速的设备。通常，把额定电压和额定频率固定不变的交流电变成电压或频率可变的交流电的设备称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。 变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的

42、功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。4.1.2 变频器的选择变频器是这次中央空调系统设计的一个重要器件，变频器的选择很关键。变频器的选择原则：（1）根据负载特性选择。（2）以实际电机电流值作为选择变频器的依据。（3）选择合适容量的变频器，避免由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象。（4）当用于高速电动机时，应比普通电动机的变频器稍大。4.1.3 施耐德ATV312系列变频器本次设计采用的变频器是施耐德ATV312系列变频器。施耐德变频器是由法国施耐德电气集团研发的变频器品牌。施耐德ATV312 系列小型通用变频器可以实现交流异步电机的高精度的速度和转矩控制，适合功率范围为0

43、.18KW-15KW的三相异步电机，适用于许多常规应用中，包括物料处理（起重机等）、包装机器（贴标机等）、通用机器（纺织机械等）、泵、压缩机、风机。具有功能强劲、结构紧凑、易于安装的特点。ATV312变频器内置Modubs 和CANopen协议，提供CANopen菊花链、Profibus DP、DeviceNet。它是由不同的功能单元组成的模块化的变频器，包含控制单元、功率模块和基本操作面板。控制单元：控制单元可以通过不同的控制方式，如总线控制、模拟量控制模式、外部端子开关量控制等方式来对功率模块和所连接的电机进行控制，还可以通过中央控制的通信来监控变频器的运行状态，方便管理和监控。功率模块单

44、元：功率模块是驱动电机运转的模块单元。它由控制单元的微处理器来控制，质量可靠的高性能IGBT和电压脉冲宽度调节技术，以及可以调节的脉冲宽度调制频率，使得变频器和电机的运行更加的稳定可靠。基本操作面板为全新的用户界面，支持中文操作面板。模块化的设计理念，可以使变频器在带电的状态下进行热插拨，使模块的更换更加简单，节省成本，维护更加方便友好。可并排安装，大大节省了空间。具备集成了安全保护功能，输入电源缺相保护，欠压保护，电机热保护，电机过载、短路、堵转、缺相保护等，具有较高的可靠性。创新的电路设计允许负载的再生能量回馈到电网，不再是通过制动电阻转化成热能消耗掉，因而大大地提高了节能能力。有USB接

45、口可以连接电脑，使本地的调试和故意的诊断更为方便。变频器的参数可以通过MMC卡还有操作面板的配合进行参数复制，使得设备大量安装或更换设备时更加简单方便。变频器采用高频率的脉冲频率，保证电机在低噪音下运行。可以通地数字量的二线控制或三线控制完成常用的简单控制功能。4.1.4 使用注意事项物理环境：工作温度一般要求为0-55；避免腐蚀性气体；避免振动和冲击；变频器如果安装应安装在控制柜内部；如需取掉键盘，应防止粉尘进入变频器内部。电气环境：防止电磁波干扰；防止输入端过电压。4.2 可编程逻辑控制器介绍4.2.1 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执

46、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。工程师可以通过编程软件，编写PLC的控制程序，通过以太网、RS485等端口把程序下载到PLC中，来改变PLC的控制功能。由于PLC具有很强的抗干扰性、稳定性，能在恶劣的工业现场环境中无故障地长时间工作，还有体积小、编程简单容易等优点，而得到广泛的发展和应用。在各个行业中均有使用，如机械制造、装配、轻工业以及过程控制中也得到广泛运用。4.2.2 PLC的工作原理PLC的工作过程一般分为输入采样、用户程序执行、刷新输出三个阶段，成为一个周期。PLC进入运行模式后，CPU按照一定的扫

47、描速度重复执行该三个阶段。在输入采样阶段，PLC控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段，PLC控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算。当扫描用户程序结束后，PLC控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC控制器的真正输出。4.2.3 西门子S

48、7-200 PLC西门子S7-200系列PLC是西门子S7系列PLC中的小型PLC，能通过各种模块构成各种网络通讯、模拟量输入与输出、位置控制等功能，无论是单独运行还是搭建网络组态，均能出色地完成复杂的控制功能，具有很高的性价比。S7-200内置时钟功能与电池模块，内部数据可以备份200天；支持存储卡模块，程序可以传送和备份，数据记录文件、配方，以及文件和通用文件的存储。电源有20-28VDC的直流输入与85-264VDC的交流输入两种。有RS232和RS485双通讯端口。S7-200系列的应用领域极为广泛，适用于各种场合中的监测、检测及控制的自动化控制有关的领域，如电力设施、环境保护设备、机

49、械、机床等。本文中所选用的S7-200系列PLC的 CPU型号为 S7-226 CN，内置了24点数字量输入和16点数字量输出，最大可扩展到128点输入和128点输出，有4个中断输入，6个高速输入通道（最高可支持30kHz）,2路脉冲输出（20kHz），电源有直流和交流两种，可拆卸的端子排，利用EM277可扩展为4个串行接口，2个模拟设置调整器，内置实时时钟，支持运行中编辑模式，支持浮点运算。可以存储24576B的程序；网络功能强大，有串行通讯、AS-Interface、Profibus-DP从站，以太网、GPRS和Modbus主站/从站功能。4.2.4 模拟量输入输出模块在过程控制中经常会用

50、到一些模拟量，如压力、温度、重量等，而一些执行机构也是需要模拟量来驱动的，如变频器、电动阀门等。而PLC只能处理数字信号，模块量输入输出模块就是把这些模块量转化成数字信号，在PLC中处理过后，再相应地通过模拟量输出模块，把PLC的数字信号转化成电压或者电流的模拟量信号，进而控制模拟量执行机构。EM235连接在S7-200可编程控制器上，是4通道模拟量输入和1通道模拟量输出模块，可设置成单极性或者双极性，单极性时行程所对应的数字量为032000，而双极性时行程所对应的数字量为-32000+32000，电压输入时输入阻大于等于2M，电流输入时阻抗为250，最大电流输入为32mA，单极性时精度可达1

51、2位，而双极性时精度为11位，加1位符号位。输入类型为差分输入，模拟量到数字量的转换时间小于250微秒。还可以通过DIP开关设置不同的量程及分辨率等。4.3 PT100温度传感器温度是最为人们所熟悉的物理量之一，从模拟量转化成数字量的方法很多，这里主要介绍PT100。PT100是铂热电阻，是一种以白金Pt做成的电阻式温度检测器，它的阻值会随着温度的变化而改变，属于正电阻系数。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长，如图4-1。但他们之间的关系其实

52、并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。人们便利用它的这一特性，研发并生产了PT100热电阻温度传感器。图4-1 PT100铂电阻RT曲线4.4 三相异步电动机三相异步电动机主要由定子和转子组成，分为绕线使电动机和鼠笼型电动机。本次设计用的是鼠笼式异步电机。电动机的定子上为三相镶嵌式分布绕组，转子为笼式的导条（因该导条形状与鼠笼相似，所以又称鼠笼式异步电动机）。电动机在定子绕组加三相交流电后，会形成旋转磁场，其转子上的闭合的导条会因为切割定子磁场的磁力线而感应出电动势和电流，而带电（电流）的导体在磁场中就会产生运动，电动机转子就得以旋转。鼠笼式异步电动机的起动方式有：直接起动，降压气

53、动。一般中小型鼠笼式异步电动机可以直接起动。鼠笼式异步电动机结构简单，运行可靠，维护方便，维护成本低，使用寿命长，被广泛地应用在工农业生产中，作为电力拖动的原动机。同时它也有一定的缺陷，调速性能差，功率因数较低，启动时力矩较小。5 中央空调系统软件设计本系统采用3个冷却水泵和3个冷冻水泵，正常工作时启动2个冷却水泵和2个冷冻水泵，1组泵为备用。当其中一个冷却水泵或冷冻水泵出现故障不工作时，备用的水泵则工作，并且提示相关维修人员去检查故障泵。在手动模式下还可以对风机的吹风时行定时；通过按钮可以手动启动以及停止各个冷却泵和冷冻泵、风机，通过按钮可以设定变频器的频率上升或者下降。在自动模式下，按下了

54、启动按钮后系统则投入自动模式，系统会根据设定的温度，通过PID自动调节变频器的频率，以达到最优控制。无论在自动模式下，还是手动模式下，当电机或者变频器出现故障的时候，系统都会报警，以提示维修人员进行维修。5.1 主程序设计为了方便编写程序，流程图的设计也必不可少，如图5-1。该设计有两个模式：手动模式，自动模式。程序设计的初始状态是手动模式。在手动模式下，所有变频器处于关闭状态，通过各个变频器的开启和关闭控制变频器的状态。通过各个变频器的故障按键模拟故障报警，当变频器报警或急停时，报警红灯和蜂鸣器以1s的频率亮，同时所有变频器停止运行。通过切换按键来关闭手动模式，通过自动模式启动按钮转换自动模

55、式。启动自动模式后，所有变频器开启，PLC随时扫描当前室内温度，程序内部做出相应计算，输送给变频器。当变频器报警或急停时，报警红灯和蜂鸣器以1s的频率亮同时所有变频器停止运行。图5-1 程序流程图5.2 程序设计5.2.1 PLC编程软件STEP7MicroSTEP7MicroWIN是西门子S7-200的编程软件，软件使用梯形图进行程序的编写。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。通过STEP7编程软件，可以方便的使用梯形图进行离线编程，编译后通过转接电缆下载到PLC内执行。同时在运行时，可以在线监控输入输出的通电状况，使调试过程变得更为便捷。5.2.2 I/O点分配中央空调温控设计中输入输出分配情况如表5-1。表5-1 I/O分配表输入输出I0.0手自动Q0.0自动运行指示灯I0.1自动启动Q0.1黄灯手动指示灯I0.2停止Q0.2报警红灯I0.3复位Q0