基于PLC的中央空调自动控制系统设计毕业论文
毕业论文（设计）
基于PLC的中央空调自动控制系统设计The design of automatic control system of central air conditioning based on PLC
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目录
摘要 (1)
Abstract (2)
第一章前言 (3)
1.1 研究目的和意义 (3)
1.2 国内外研究现状 (3)
1.2.1 国外空调控制系统的发展 (3)
1.2.2 国内空调控制系统的发展 (4)
1.3 研究内容与方法 (4)
第二章中央空调控制系统基本原理 (6)
2.1 中央空调原理与结构 (6)
2.1.1 空调制冷与制热原理 (6)
2.1.2 中央空调结构介绍 (6)
2.2 同步电动机工作原理 (7)
2.3 变频器工作原理 (8)
2.4 PID作用概述 (9)
第三章控制系统硬件介绍 (10)
3.1 PT100温度传感器和变送器 (10)
3.2 西门子MM440变频器 (11)
3.3 西门子S7-200系列PLC (11)
3.3.1 S7-200系列PLC简介 (11)
3.3.2 CPU226技术指标 (12)
3.3.3 EM231模块及EM232模块技术指标 (12)
第四章控制系统程序设计 (13)
4.1 STEP7-MICRO/WIN软件介绍 (13)
4.2 空调启动流程图 (13)
4.3 送风量调节PID程序设计 (14)
4.4 加热器顺序启停梯形图 (17)
第五章监控系统画面的组态软件设计 (19)
5.1 WinCC flexible2008简介 (19)
5.2 画面及说明 (19)
结论 (23)
致谢 (24)
参考文献 (25)
附录 (26)
摘要
可编程逻辑控制器（PLC）作为一种新型的工业控制装置，因为其优越性被广泛应用于自动控制系统当中，正逐步取代由传统继电器、接触器所组成的控制系统。本文以大连某铁路医院中央空调系统为对象，对其基于PLC的自动控制系统进行了研究，完成了以下内容。
（1）分析了中央空调系统的工作原理及结构。
（2）分析了电动机的变频调速原理，选取同步电动机作为空调送风机，采用西门子MM440变频器变频调节风机转速。
（3）根据大连某铁路医院的实际需要，选取S7-200小型PLC作为系统的调节单元，实现风速，湿度，温度的PID控制。
（4）根据中央空调的实际工作环境，用STEP-7MICRO/WIN软件编写了PLC程序，并运用WinCC flexible软件完成了系统的组态设计，制作了应用于触摸屏的监控画面。
关键词：可编程逻辑控制器,中央空调，变频调速，同步电动机，PID控制
Abstract
Programmable logic controller (PLC) as a new type of industrial control equipment has been widely used in automatic control systems for its plenty of advantages,it gradually replaces traditional relay, contactor control system. This paper takes a railway hospital central air conditioning system in Dalian as an object,studied its automatic control system based on PLC , completed the following content.
(1) the structure and working principle of central air conditioning system are analyzed.
(2) this paper analyses the basic principle of the frequency changing control of motor speed, chose synchronous motor as the air blower, adopted Siemens MM440 frequency converter regulating fan speed.
(3) based on the actual needs of railway hospital, we selected S7-200 PLC(a minitype of series) as the control unit system, realize PID control of the wind speed, the humidity and the temperature.
(4) according to the actual working environment, we utilized STEP 7 micro/WIN software to write the PLC program, and used WinCC flexible software to complete the configuration design of the system, and fabricated the appearance in touch monitor screen.
Key words: programmable logic controller, central air conditioning, frequency changing control, synchronous motor, PID control
第一章前言
1.1 研究目的和意义
为了保证空气环境的合理舒适，中央空调已经广泛地应用于生产生活当中，例如：学校，写字楼，工厂，各种公共场所等。随着自动控制水平、精度的提高，中央空调的舒适性、节能性已经作为评定空调性能的重要指标。如何在舒适节能的条件下，实现最佳的温度、湿度、送风量控制是当今空调研究的热门话题。
传统的中央空调因为本身的缺陷消耗很大，十分不经济。据统计数字显示，传统的中央空调系统普遍存在着20%以上的无效能耗。这是因为在传统的中央空调系统设计中，每一个系统都是按照最大负荷设计制造的，并且留有一定的余量，无论负荷的多少，电机都处于满负荷运行状态，这样虽然能满足最大负荷用户的需求，却不能随负荷大小进行动态的调节，造成了没有必要的能源浪费，因此，寻求一种能够随负荷变化动态调节的控制系统成为中央空调发展的当务之急。
可编程逻辑控制器（PLC）是一种专门为工业环境而设计的数字运算电子操作系统【1】，它具有可编程的逻辑存储器，可以在其内部进行定时、技术、顺序控制、逻辑运算、PID运算等多种复杂运算，通过数字量结合动态模拟量的输入方式，动态地控制各种机械生产过程【2】。对于中央空调，也能很好地实现动态的调节，达到节能的目的，目前已经广泛应用于中央空调的控制系统当中，逐步取代继电器控制电路成为主流控制系统。
本文研究了基于S7-200的PLC在大连某铁路医院中央空调控制系统中的具体应用，研究其如何通过动态的控制过程以达到节能且舒适的目的，设计了其控制系统PLC的主要程序，用编程语言实现了加热器的顺序控制，互锁，冷却水阀门，风机的PID调节，用WinCC flexible软件对PLC程序进行组态，将程序写入PLC控制器，一个完整的PLC控制系统就实现了，相比于传统的中央空调控制系统，它具有节能减排，更舒适的重大意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外空调控制系统的发展
在五十年代及之前，气动控制是世界上热力与空调控制系统主要采用的方式，至今气动的PID控制在很多领域特别是船用控制系统中仍有广泛应用【3】，到了六十年代，开始采用电动单元组合式仪表，相比启动控制更加快捷且提高了精度，七十年代小型微型计算机被引进到这一领域，开始采用微型计算机的集中式控制，1984年，第一栋采用微型计算机集散控制的楼宇在美国诞生，标志着自动控制开始向智能方向迈进。采用DDC（direct digital control）是集散式控制的主要特征，目前国内外主要采用的PID调节是通过可编程逻辑控制器实现的。
上个世纪八十年代，Shaviet等人对PID控制的锅炉排气温度调节系统进行了仿真学的
研究【4】。1995年，Kaltman将PID控制应用于对空调制冷压缩机的控制，建立了用于系统仿真的数学模型，给出了关于PID调节的两种控制策略【5】。
虽然现在大部分空调的控制系统采用的都是PLC的PID控制，但PID控制原理决定了它本身具有一定的局限性，只有在参数不随时间变化时才能取得理想的效果。基于种种局限性，研究者们把研究重点转向了更为高级的控制方法，及最优化控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。
智能控制的优点在于不需要精准的数学模型，具有自寻优的特点。因为空调系统不本身的大惯性、大滞后性，所以获取精准的数学模型是不可能做到的，因此，如何实现智能化控制成为了各国科研人员研究的趋势。上个世纪八十年代，日本三菱重工开发出的模糊空调控制器能够初步实现温度不变，但因为其成本太高，反应时间较长，无法投入生产【6】。1994年，Albert.R.So开发出了空调机组恒温的模糊控制器【7】。1999年，自适应的PID控制器被日本人Kaisahara设计出。
虽然智能控制理论取得了很多优秀的研究成果，但因其成本较高，技术不够成熟，所以还未被广泛地投入生产之中。
1.2.2 国内空调控制系统的发展
我国在自动控制领域紧跟国际步伐。目前，微型计算机控制的集散式控制系统已经广泛地被应用于我国生产生活的各个领域，智能化楼宇建筑被广泛地应用在生活之中，其自动监视、检测、控制和管理的功能十分优越【8】。
在智能控制的研究领域，我国也取得了很多可观的研究成果。上个世纪九十年代，我国在空调控制领域提出了两项节能技术，及将PLC和变频器应用于自动控制系统当中的方法，大大提高了控制的精准性，并节约了能源。吴爱国等人研究了自寻优模糊控制器在温控系统中的应用，输入比例因子合并调节权衡因子的创造性方法被首次应用在控制器当中，极大地优化了控制结果【9】。张韬等多位学者首次提出将数学自回归平均法应用于空调控制系统之中，并对其进行了分析，提出了提高预测法准确性的若干设想。目前，我国各科研机构研究的核心内容都集中单相压缩机变频调速和智能控制研究。
智能空调是多种技术工业的综合，其研制难度相对较大，无论是在样机还是产品上，我国自行研制的智能控制系统相比于国外先进技术都会出现不稳定，鲁棒性差的特点。因此，我国在此领域还需做出进一步的努力。
1.3 研究内容与方法
本文在分析和综合了中央空调的控制特点和PLC(可编程逻辑控制器)工作特点及PID控制特点的基础上，结合对大连某铁路医院AP4中央空调控制系统具体实例的研究，在本文中对中央空调冷冻水阀门、空调送风机转速采用传统PID控制，对冬季空调加热器采取顺序启动的互锁控制，编辑了主空调机系统的PLC程序，并运用WinCC flexible软件进行了组态设计，最终完成了中央空调控制系统的设计。
研究工作的具体内容如下：
（1）对中央空调各系统工作原理进行了分析。
（2）对选取的硬件做了具体介绍及技术规格说明。
（3）采用STEP7-micro/win32 V4.0编程软件设计了中央空调控制系统控制程序。
（4）采用西门子SMART700触摸屏作为人机界面，用WinCC flexible软件对系统进行了组态。
第二章中央空调控制系统基本原理
2.1 中央空调原理与结构
2.1.1 空调制冷与制热原理
空调运用液化气体制冷的方式进行制冷，其运用的主要制冷制热原理是液体汽化吸热和冷凝放热效应。当制冷剂处于一密闭容器中时，液体和蒸汽会在某一压力下达到平衡，此时为饱和状态，液体不会汽化。如果此时把抽走密闭容器中的蒸汽，势必会打破这一平衡，液体会继续汽化以达到新的平衡。液体汽化是需要吸收能量的，此过程中吸收的热量叫做汽化潜热，液体吸收热量的来源就会被冷却。在此的过程中，此时蒸汽压力对应的是常温下的饱和压力【10】。
空调制热的过程为制冷过程的逆过程，从压缩机出来的高温气体经过散热过程变成常温高压的液体，同时将热量散发出去进行制热。高压常温的液体经过膨胀节流阀进入蒸发器蒸发，从冷源吸热，变成低压的蒸汽被压缩机吸入完成整个循环。在这个循环过程中，制冷剂不断地通过散热器将从冷源和压缩机吸收的热量释放出去进行制热。但是，这一过程的效率十分低下，所以往往在空调主机中内设电加热器进行制热，简化了空调结构且制热效率较高。
空调制冷系统，主要是由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和节流膨胀阀四个基本部件组成。他们形成一个密闭的系统，在整个系统当中，不断流动的制冷剂相当于循环系统的血液，起着交换热量的作用；压缩机相当于系统的心脏，不断地从蒸发器中吸入气体并进行压缩将高压的气体泵出，推动这整个循环的进行；冷凝器起着降温的作用，将高压气体的温度降低使其冷凝成高压的液体；节流膨胀阀对制冷剂起着降压的作用，同时通过开度大小调控着制冷剂进入蒸发器的流量，进而调节制冷效果强弱；蒸发器是输送制冷量的装置，可以将冷源的热量吸收到系统当中。
2.1.2 中央空调结构介绍
在生产生活中，中央空调系统由于体积大，工作负荷也大，因而无法像家用小型空调一样直接采用冷凝器空气流通散热。一般建筑的的中央空调系统都采用冷却塔散热的方式，冷却塔通过淋喷的方式将冷却水中的热量释放到大气中，被冷却的冷却水再对中央空调冷凝器进行冷凝，散热效果较好。因此，大型建筑空调系统除空调主机房外还需增加冷却水循环的泵房。在大型空调系统中，中央空调蒸发器一般不直接与表冷器接触，往往对冷冻水进行制冷，冷冻水再经过表冷器或风机盘管对送风空气进行制冷，可以通过调节冷冻水节流阀限制进入风机盘管的冷冻水流量，进而调节制冷量。具体结构如图2-1所示。
2-1中央空调系统结构图
2.2 同步电动机工作原理
同步电机是一种常用的交流电机。它具有转子转速不变的特点，频率与转速之间的关系式为：n=ns=60f/p，f为电网频率，p是电机的极对数，ns称为同步转速，因为不像异步电动机一样存在转差率所以被称为同步电机。当电网频率不变时，同步电机的转速也不变，与负荷的大小并没有关系，这点与异步电动机不同，而异步电动机的转速和负荷是有关系的，按照转差率的的大小具有不同的工作转矩【11】。同步电机转子磁场与合成磁场模型如图2-2所示。
2-2 同步电动机磁场模型
同步电动机可以作为同步补偿机使用，这是因为它的功率因数是可调节的，通过调节励磁电流的大小进而改变功角，处于正常励磁状态的功角为0，处于过励状态时，电流会超前
电压，处于欠励状态时，电压会超前电流，生产中常常把处于过励状态的同步电动机接到电网上【12】。同步电动机励磁电流与定子电流的V形曲线如图2-3所示。
2-3同步电机V形图
2.3 变频器工作原理
变频器（Variable-frequency Drive，VFD），是用来改变交流电动机工作频率进而能够灵活地调节电动机同步转速的电力控制设备，微电子技术被广泛应用在变频器中【13】。
变频器分为：交--交型和交--直--交型。顾名思义，交--交型输入和输出均为交流，将输入的工频电流直接转变为电压、频率均可调的交流电；交--直--交型则是输入为工频交流电，通过整流变为直流电，再将直流电转变成电压、频率均可调的交流电，这种变频器的使用最为广泛。
在三相电机的变频调速中，变频器对电机调速原理是：n = 60f/p(1-s) n: 电机的转速 f: 电源频率 p: 电机磁极对数 s：电机的转差率。
变频器的优点体现在以下几个方面：（1）变频节能，对于风机、水泵之类的流量机械，传统的流量控制方法是调节出口挡板阀门开度节流调节，造成大量的能量损失在节流的过程中，运用变频器可根据实际需要调节电机转速进而调节流量大小，避免了节流损失。（2）功率因数补偿，无功功率会增加设备的发热，会使整个电网功率因数降低，浪费资源，变频器的内部滤波电容可以使无功功率降低。（3）软启动，电机硬启动对电网会造成严重的冲击，在电动机启动时，瞬间产生的电流会比额定电流高5-6倍，这是因为电机在运转之前相当于一个线圈电阻，对设备，管路极为不利，空气断路器容易跳开。使用变频器启动，可以使启动电流从零开始，减小了对电网的冲击【14】。
在生产生活中针对不同的负载，选用的变频器也是不同的，人们在实践中主要将负载分为三类：（1）恒转矩负载，如传送带、挤压机等，这类负载最大的特点就是转矩与转速无关。（2）恒功率负载，如造纸机、机床主轴等，这类负载的最大特点是转矩与转速大体成反比，因此功率是恒定的。（3）流体机械负载，如风机、水泵等。这类负载随叶轮的转动，此类负载所需的功率与速度3次方正比。
2.4 PID 作用概述
PID 作用，及比例（proportion ）、积分（integration ）、微分（differentiation ）作用，是工业控制中应用最广泛的反馈调节，PID 作用由比例单元、积分单元、和微分单元组成。其输入e (t ）与输出p (t ）的关系为：
])()(1)([)(dt
t de TD dt t e TD t e k t p ++
=? 式中积分的上下限分别是0和t ，因此它的传递函数为：
]11[)()()(s TD s
TI k s E s P s G ?+?+==
其中k 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数【15】。
比例作用规律是成比例地反应变差大小的作用规律，偏差一经出现，比例作用立刻响应，但当只有比例作用是，系统却会出现静态偏差。在实际情况中，由于系统具有惯性，所以当偏差出现时，过一段时间才有输出，因此比例作用不能太强，否则会造成系统震荡。
积分作用是输入偏差积分的正比，作用是用于消除静态偏差，弥补比例作用的不足。积分作用是只要存在着误差，该作用就一直存在，直到误差为0，因此可以消除静态偏差。积分作用的强弱由积分时间TI 决定。相比于比例作用规律，积分作用规律是不及时的，容易造成被控量的大起大落，所以在参数整定的过程中，TI 一般是按照宁大勿小的原则。
微分作用是输入偏差的微分的正比，能够实现提前控制，也可以理解为防止偏差产生的能力。参数微分时间TD 是用于调节微分作用强弱的参数。但是，微分时间不能单独作用于调节器对系统进行调节，一般是和PI 作用结合到一起组成PID 作用
【16】。
第三章控制系统硬件介绍
3.1 PT100温度传感器和变送器
PT100是一种温度和阻值成正比的铂热电阻【17】。其具体对应关系如图3-1所示：
3-1PT100温度阻值关系图
PT100阻值会随着温度的增加而做线性均匀的增加，被广泛地应用于高精度的设备当中。PT100温度传感器就是PT100热电阻。PT100变送器又被称为信号转换器，由测量单元、信号处理和信号电路组成，有的直接安装在PT100电阻的接线盒内，称为一体化的温度变送器，变送器将不同温度的电阻阻值转变为相应的4-20mA标准电流信号输出。
有些时候，因为热电阻是安装在生产现场之中的，通过导线把电阻信号传递到控制装置，所以导线会对测量信号有一定的影响【18】。为了消除影响，国际上把热电阻的引线分为三种方式：
二线制：热电阻只于一根导线串联来引出电阻信号的方式叫二线制，接线简单，但由于引线电阻r的存在，测量精度势必会降低，r的大小与导线的长度和材料有关。
三线制：所谓三线制，是在热电阻一端连接两根引线，另一端连接一根引线。通常作为一个电桥桥臂，此种接线方式因为可以较好地消除引线电阻的影响，所以作为最常用的接线方式应用于工业控制当中。
四线制：四线制即是在电阻两端各接两根引线，一般工业上很少使用，主要用于高精度温度检测中。
采用三线制接法的热电阻是最常见的。采用三线制的目的是为了消除连接导线电阻所引起的测量误差。此接线电路为不平衡电桥。热电阻和其连接导线作为电桥的一个桥臂，因为导线电阻也随温度变化不可忽略不计，所以会造成测量误差。采用三线制，电阻一端引出的两根导线分别接到电流计及与其相邻的桥臂上，另一端则与电源相连，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差。三线制接线方法是工业上应用最广泛的PT100电阻接线方法。
PT100传感器的三种接线接线方式如图3-2所示。
3-2PT100温度传感器三种接线图
3.2 西门子MM440变频器
MICROMASTER440变频器简称MM440变频器，它是一个变频器的系列，此系列变频器主要用来控制三相电动机转速，本系列有很多种型号，恒转矩控制额定功率范围从120W~200W，可变转矩控制可达到250kw【19】。
MM440变频器内部包含微型计算机，采用双极晶体管作为功率输出器件。因此，它具有很多功能而且运行可靠。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电机运行的噪声。它具有强大的保护功能。
MM440变频器既可以驱动单机工作，用于自动化系统【20】。
其主要特点有：
（1）安装简便，参数设置容易；
（2）EMC设定可靠；
（3）可由中性点不接地电源供电；
（4）快速响应信号；
（5）参数设置的范围很广；
（6）电缆连接简便；
（7）输出继电器数量众多；
（8）模拟量输出（0~20mA）端口很多；
（9）有两个模拟输入AIN1(0~10V，0~20mA和-10~+10V) AIN2(0~10V,0~20mA)；
3.3 西门子S7-200系列PLC
3.3.1 S7-200系列PLC简介
S7系列PLC是西门子生产的可编程逻辑控制器，S7-200是该系列下的一种小型PLC，常用在小型的自动化设备当中。根据使用的CPU模块不同，S7-200系列PLC可分为CPU221、
CPU222、CPU224、CPU226等类型，除CPU221无法扩展之外，其他类型的都可以通过增加扩展模块来增加功能【21】。
S7-200作为一种小型工业应用控制器具有以下特点：（1）抗干扰能力强，十分可靠。（2）控制程序可变，通用性强。（3）适应性强，功能强大。（4）梯形图编程简单且门槛低。（5）系统设计、调试和维修方便。
PLC是根据继电器控制系统研究创造的中央调节单元，所以为了方便工程人员理解控制过程，它也具有像继电器线路的元件，如中继器，时间继电器等等，只不过这类元件是通过软件实现的，作为PLC的主要编程元件也被称作软元件。PLC编程元件有输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、数据寄存器等。
3.3.2 CPU226技术指标
集成的数字量输入输出：24入/16出；可连接的扩展模块最大数量为6个；最大可扩展数字量输入/输出：248点；最大可扩展模拟量输入/输出：35点；用户程序区大小：16KB；数据储存区大小：10KB；数据后备时间（电容）：100h；后备电池（选件）：200d；布尔运算执行时间：0.22微秒；标志寄存器/计数器/定时器：256/256/256；高速计数器：6个30kHz；高速脉冲输出：2个20kHz；通信接口：2个RS485；外部硬件中断：4；支持的通讯协议：PPI,MPI,PROFIBUS DP,自由口；模拟电位器：2个8位分辨率；时钟类型：内置时钟；外形尺寸（宽*高*长）：196*80*62。
3.3.3 EM231模块及EM232模块技术指标
EM231模块
（1）具有4个模拟量输入通道。（2）电压输入范围：单极性0~10V、0~5V；双极性±5V，±2.5V。（3）电流输入范围：0~20mA。（4）每个通道占用存储器AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。（5）输入信号经模数转换后的数字量数据值是12位二进制数。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。（6）模拟量输入数据字格式有单极性数据格式和双极性数据格式。前者的全量程范围设置为0~32000.后者为-32000~+32000。
EM232模块
（1）提供2路模拟量输出。（2）输出信号的范围：电压输出为±10V，电流输出为0~20mA。（3）每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节，用户程序无法读取模拟量输出值。（4）PLC运算处理后的数字量信号(BIN数)为12位，最高有效位是符号位：0表示正值，1表示负值。（5）电流输出数据格式为0~+32000。（6）电压输出的数据格式为-32000~+32000[22]。
第四章 控制系统程序设计
4.1 STEP7-MICRO/WIN 软件介绍
此程序是用STEP-7MICRO/WIN 软件编写的，该软件是西门子公司为S7-200系列PLC 专门打造的编程软件，采用简明易懂的梯形图作为编程语句，提供了丰富的指令，具有向导功能，方便PID 程序制作。能够对PLC 和PC 进行通讯设置，既可以从PLC 上传程序，也可以将PC 中编写好的程序下载到PLC 中。
4.2 空调启动流程图
中央空调控制柜上电以后，PLC 控制空调设备顺序启动，并实现设备的互锁。空调关闭的顺序为此过程的逆顺序。其具体流程图如图4-1所示。
4-1 空调设备顺序启动流程图 启动空调 冬夏季选择 开启新风阀 开启加热器 开启排风阀
开启排风机
开启送风机 正常运行 正常运行
开启冷冻水阀 开启新风阀 开启送风机 开启排风机 开启排风阀 启动泵房设备 冬季
夏季
4.3 送风量调节PID程序设计
在程序的设计中，PID调节是用STEP7-MICRO软件的PID向导功能制作的，本身加密不可见。为直白地理解PID调节的编程方法，现以送风量调节为例，手动编程了一个PID 调节程序。
首先，设置PID控制回路参数表，包括给定值的设定、增益的设定、采样时间、积分时间、微分时间。在本例中，以为VB200为首地址，每个参数占32位，依序设定，设定程序如图4-2所示。
4-2参数设定程序
如上图所示给定值的标准量为0.7，增益是0.3，采样时间为0.1，积分时间为30s，微分时间为0.0，及不产生微分作用。
下一步，将从AIW0传来的输入量进行标准化，标准化数值是0.0~1.0之间数值。转换的表达式为：输入量的标准化值=输入量的实数值/跨度+偏移量。单极数值跨度常取32000，
偏移量为0.0，送风量的输入为单击数值。程序如图4-3所示。
4-3输入值标准化程序
然后，调用PID指令，对预先定义的PID0回路进行运算，将输出的标准化数值存入VD208,具体程序如图4-4所示。
4-4PID调用程序