基于PLC的中央空调控制系统设计毕业论文设计

毕 业 设 计

课题名称 可编程的中央空调控制系统的设计

姓 名 孙成彩 学 号

所 在 系 电子电气工程系 专业年级P10电气七班

指导教师 张德迪 职 称 讲师

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优秀论文 审核通过

未经允许 切勿外传

二O一三年四月十四

基于PLC的中央空调控制系统设计

摘要

中央空调现已广泛的应用在各大商场、办公大厦等场所中，传统控制系统中在控制较适宜的温度的同时，却消耗了大量的能量。如今，人们越来越重视中央空调的舒适性和节能性，本文重点研究了中央空调冷冻泵机组控制系统，为舒适的生活工作环境及有效节能提供了技术条件。

本文首先介绍了中央空调的结构和工作原理，总结了传统中央空调的缺点，即冷冻泵、冷却泵不能自我调节负载，长期处于满负荷运行，造成了极大的能源浪费，随着变频技术日趋成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器等器件的有机结合，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。该系统采用西门子的S7—200PLC作为主控制单元，利用传统PID 控制算法，通过西门子MM440 变频器控制水泵运转速度，保证系统根据实际负荷的情况调整流量，实现恒温控制，同时又可以节约大量能源。

通过对中央空调的理论分析，验证了以出回水温差为根据对其进行变流量控制的可靠性。对变频控制系统进行了设计，为实现温度信号远距离传送，设计了基于USS 协议的RS-485总线通讯的网络。通过西门子TD200 文本显示器实现人机界面的设计，最后使用MCGS 工控组态软件进行了系统的组态设计研究。关键词中央空调；PLC；变频器；PID；RS-485

基于PLC的中央空调控制系统设计目录

摘要................................................................................................................................. I 第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 中央空调控制的研究现状及发展 (2)

1.2.1 中央空调控制系统的发展 (2)

1.2.2 中央空调变流量控制的发展 (3)

1.3 本研究课题的主要工作 (4)

第2章中央空调变流量控制的原理 (5)

2.1 中央空调系统的结构和原理 (5)

2.1.1 概述 (5)

2.1.2 制冷原理 (5)

2.1.3 中央空调系统的构成 (5)

2.2 中央空调变流量控制的原理及特点 (5)

2.2.1 变流量空调系统概述 (5)

2.2.2 中央空调变流量控制的实现方式 (7)

2.2.3 中央空调系统变流量系统的特点 (9)

2.3 电机的软启动原理及应用 (10)

2.3.1 软启动设备介绍 (10)

2.3.2 软启动器的应用场合 (10)

2.3.3 软启动器与变频器之间的区别对比 (10)

2.4 PID控制的设计 (11)

2.4.1 PID控制原理 (11)

2.4.2 PID控制器的参数整定 (12)

2.4.3 PID的反馈逻辑 (12)

2.4.4 P、I、D参数调整原则 (13)

2.4.5 对空调系统的PID变频控制 (13)

2.4.6实现设定值的自动调节 (13)

2.4.7 PID控制器设计及实现 (13)

2.5 本章小结 (15)

第3章中央空调控制系统的硬件设计 (16)

3.1 变频器的原理 (16)

3.2 西门子MM440变频器性能介绍 (16)

3.2.1 主要特征 (17)

3.2.2 控制性能的特点 (17)

3.2.3 保护功能 (17)

3.2.4 变频器运行的环境条件 (17)

3.2.5 使用变频器设计系统时需注意的问题 (18)

3.3 PLC选型 (18)

3.3.1 PLC简介 (18)

3.3.2 PLC控制功能的选择 (18)

3.3.3 西门子S7-200PLC介绍 (20)

3.3.4 模拟量IO模块的种类 (20)

3.3.5 EM231技术指标 (21)

3.3.6 EM232技术指标 (21)

3.3.7 EM231 RTD接线及注意事项 (21)

3.4 PT100温度传感器 (21)

3.5 PT100温度变送器 (22)

3.6 人机界面设计 (22)

3.7 系统硬件设计 (23)

3.8 本章小结 (25)

第4章控制系统软件设计 (26)

4.1 设备间通讯 (26)

4.1.1 RS-485介绍 (26)

4.1.2 USS协议 (26)

4.2 PLC的初始设定 (27)

4.3 PLC主程序流程图 (29)

4.4 PLC编程软件 (30)

4.5 程序设计 (30)

4.5.1 中央空调控制系统的IO分配表 (30)

4.5.2 程序中使用的存储器及功能 (31)

4.6 中央空调控制系统的MCGS组态 (32)

4.6.1 MCGS组态软件简介 (32)

4.6.2 MCGS 6.2通用版介绍 (32)

4.6.4 系统脚本程序编写 (34)

4.6.5 组态运行界面 (35)

4.7 本章小结 (36)

结论 (37)

致谢 (38)

参考文献 (39)

附录C (40)

第1章绪论

1.1 课题背景

随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，为了保证温度恒定，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，例如酒店、宾馆、办公大厦、商场、工厂厂房等场所。随着时间的推移，人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了。舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求，希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度。

统计数字显示，传统的中央空调控制系统耗电量极大，且存在巨大的能源浪费。中央空调系统普遍存在着30％以上的无效能耗，有些中央空调系统的无效能耗甚至可以高达50％以上。采用新技术降低系统能耗成为当务之急。因为能源是发展国民经济的重要因素，我国近年来能源短缺的现实，节能减排才是重中之重。建设节能型社会，促进经济可持续发展，是实现全面建设小康社会宏伟目标，构建和谐社会的重要基础保障[1]。

在传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔风机系统、风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的，且留有充足余量。不管在什么时间，负荷的多少，各电机都长期处在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节的功能，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。有个例子可以很好的说明这些，中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵，一年四季长期在固定的最大流量下工作，但由于季节、昼夜和用户负荷的变化，在绝大部分时间内，空调的实际热负载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比，一年中负载率在50％以下的小时数约占全部运行时间的60%以上。一般冷冻水设计温差为5～7℃，冷却水的设计温差为4～5℃，在系统流量固定的情况下，全年绝大部分运行时间温差仅为1～3℃，即在低温差、大流量情况下工作，从而增加了管路系统的能量损失，严重浪费了水泵运行的输送能量。也就是说，中央空调系统存在着至少30％以上的节能空间。这至少30%的节能空间来源于很多方面：第一，负荷估算值偏大，系统消耗能量大大增加，现在的新型制冷主机可以根据负载的变化自动加载、卸载，而水泵的流量却不能随制冷主机而调节，必然存在很大的能量浪费；除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的，系统并不能做出相应的调节，许多环节上都留有节能空间。

第二，空调主机选型容量加大，在冷负荷估算值加大后，空调主机制冷量也相应的加大。

第三，水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，冷冻水系统和冷却水系统中消耗了水泵较大的输送能量。在传统的运行方式下，只要启动水泵，就会在工频满负荷状态下运行。

第四，起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响。起动电流通常为额定值的5倍左右，电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触

点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。

为此，如果能通过冷冻水供回水温度、压差，冷却水泵的流量等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起停，使空调系统高效、节能运行，将产生非常明显的经济效果。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频器调速，采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高调节和控制的精度，从而方便地实现恒温空调系统[2]。空调节能的目的是有效利用能源，以最小的能耗创造出一个适合人居住、工作的室内环境。空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗，提高能源利用率，对减少温室气体排放，减轻环境污染，实现人类社会的可持续发展。

1.2 中央空调控制的研究现状及发展

1.2.1 中央空调控制系统的发展

1、在单室内机的房间空调器方面

变频技术、微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件。我国自90年代初开始研究空调器的智能控制，现已研制出多种形式的变频空调器或智能空调器，对推进我国空调业的进步作出了贡献。西安交大朱瑞琪于1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术。李家朋针对我国房间空调器普遍采用单相压缩机的现状，探索开发出两相变频器，并应用电子膨胀阀进行变流量控制，利用16位微机并引进模糊概念提高空调器的控制功能，为变频空调器国产化作出了大胆的探索。李家朋在空调器舒适性和节能运行的控制中，提出了用表征房间热负荷大小的“热容C”和表征房间漏热程度的“热阻R”进行模糊辩识的方法。研究表明，用此方法研制的模糊控制空调器会按季节、气温、漏热情况等条件，自动地选择合适的工作模式，保证了空调环境的舒适度和制冷系统的节能要求。

2、在多室内机的房间空调器(一机多挂系统)方面

由于多室内机空调器的节能和舒适性控制，涉及到必须对系统中的工质循环量和进入各室内机的工质流量加以严格精确地控制问题，它不仅与系统的控制有关，同时也与系统的设计有着密切的关系。在这方面，目前国内主要是在研制一拖二和一拖三空调器，根据其结构形式和运转特点可分为如下四种方式。

(1)一台定速压缩机对应一台室内机的多制冷系统。这种机型在控制上难度最小，但结构复杂、体积大、成本高，不能体现一机多挂系统的价格优势和节能优势。

(2)单台定速压缩机多台室内机间歇供冷(热)系统。由于制冷工质按时间交替分配给各室内机，所以根本不能满足室内环境的舒适性要求。

(3)单台定速压缩机多台室内机同时供冷(热)系统。这种系统采用定速压缩机，降低了空调器成本，并能减少压缩机的启停次数，较好地实现房间的舒适性控制。但并不能从本质上解决压缩机的起停损失和对电网的冲击，不能提高空调

器的能效比和季节性能比。

(4)单台变频压缩机多台室内机同时供冷(热)系统。通过采用电子膨胀阀调节进入各室内机的工质流量，使之满足各室内的冷(热)负荷要求，改变压缩机的运转频率调节制冷系统所需要的工质循环量，并采用软硬件相结合的方式调节室内外风扇转速、四通阀、室内机的风向调节板等可控部件，实现室内环境的高舒适性和系统的节能控制。

随着智能建筑在中国的飞速发展，楼宇自动控制技术和装置也得到快速的发展。对于楼宇自动控制而言，在确保建筑内舒适和安全的办公环境的同时，还要实现高效节能目的。因此诞生了综合现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术和现代图形显示技术的集散型控制系统。集散型中央空调监控系统在我国的智能建筑中得到广泛应用，其自动监视、测量、控制和管理功能是相当优越的，自动化程度高，节约了大量的劳动力和运行费用[3]。20世纪90年代未至21世纪初，我国在中央空调系统的控制领域，同时推出两项节能技术和产品：中央空调变频调速控制节能系统和中央空调变流量控制节能系统。将这两项技术相结合，在集散型中央空调监控系统的基础上，增加PLC和变频技术，并且与智能控制方法相结合，将原有的定流量系统改为变流量控制系统，从而使中央空调的各泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化，就能够在保证负荷需求的前提下，实现中央空调系统的最大节能。

国内还有一些科研机构和企业的科研团体，也都开展了智能空调器的研制工作，其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的研究，其研究成果还未见公开发表。智能型空调器是一个综合技术的聚合体，开发难度较大，现在的样机或产品在控制模式上、控制系统的稳定性和鲁棒性方面相比国际先进技术还存在很大的差距，有待于进一步的研究和提高。

1.2.2 中央空调变流量控制的发展

空调水系统最重要的目的是为空调系统的各末端装置提供能量的交换，如何在满足这个要求的前提下尽可能的节能，是首先需要解决的问题。冷水系统的设计已经历了大约六、七十年的发展，并仍在不断地完善。在这个发展和完善的过程中总是不断的遇到新问题，如：冷水温差过小、水系统阻力损失过大、管网水力不平衡等问题，这些问题的不断解决最终推动了变流量技术的发展。

变流量空调技术的发展，与控制技术和水泵变频技术的发展是紧密相联的，可以说变流量技术是随着变频技术的出现才逐渐发展起来的[4]。这种技术在美国得到了广泛的研究和应用。在变频技术和数字控制技术出现之前，通常不考虑负荷的变化，冷冻水泵以固定的流量输运冷冻水到环路中。这种做法的后果不仅造成了能耗的浪费，还导致冷冻水系统的供、回水低温差运行。

从九十年代术期开始，随着计算机及电子技术的高速发展，变流量技术也得到深入的发展。水泵、变频驱动器、控制器等设备性能的提高大大满足了水系统控制的要求。随着变流量技术的成熟，在国外应用变流量技术开始成为暖通行业的标准。在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行管理控制方法，具体控制方法上，基本上采用多个回路的PID控制[5]。各种类型的PID控制器因其参数物理

意义明确、易于调整，并且具有一定的鲁棒性，因而得到了广泛的应用。PID控制器之所以能够在过程控制领域获得广泛地应用，是因为在实际的应用中PID控制器的设计可只借助于系统输出等反馈信息进行控制，从而减少了控制系统对对象模型的依赖性。

目前，中央空调控制方法有双位ONOFF控制、PID控制、最优控制、模糊控制等方法。以PID算法为核心的各种DDC控制系统是目前中央空调工程和设备较普遍的使用方法，这种控制方法在工况较稳定的情况下，可以得到较好的控制效果。

1.3 本研究课题的主要工作

本文在分析和综合了PID控制的特点、发展趋势以及中央空调控制任务的基础上，对中央空调冷冻水机组采用传统PID控制，对基于USS通信协议的RS-485总线设计的控制系统进行了研究，并进行了组态设计，最终设计了中央空调变频节能控制系统。

研究工作的具体内容如下：

1、对空调系统变频控制进行了理论分析。

2、对变频控制系统进行设计，以实现工频变频切换功能。

3、设计了基于RS-485网络的控制系统。可将采集的出回水温度等数据信号通过网络送到主控系统，实现远距离传送。

4、文中对冷冻水机组的控制系统进行了硬件和软件的设计，采用西门子TD200文本显示屏作为人机界面，西门子S7-200 PLC作为主控制器，用一台变频器结合工频供电的方式，灵活的驱动冷冻水机组的三台水泵。

第2章中央空调变流量控制的原理

2.1 中央空调系统的结构和原理

2.1.1 概述

空调即空气调节器，挂式空调是一种用于给空间区域提供处理空气温度变化的机组。它的功能是对该房间或区域内空气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求。

中央空调系统是一种大型的对建筑物进行集中空气调节并进行管理的设备，一般由空气处理设备、送(回)风机、送(回)风通道、空气分配装置及冷、热源等组成。根据需要，它们能组成不同形式的系统。在工程实际中，应从建筑物的用途和性质，热湿负荷特点、空调机房面积和位置、初投资和运行维修费用等许多方面去考虑，选择合理的空调系统。

2.1.2 制冷原理

气态制冷工质(如氟利昂)经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器，与水(空气)进行等压热交换，变成低温高压液态。液态工质经干燥过滤器去除水份、杂质，进入膨胀阀节流减压，成为低温低压液态工质，在蒸发器内气化。液体气化过程要吸收气化潜热，而且液体压力不同，其饱和温度(沸点)也不同，压力越低，饱和温度越低。例如，1kg的水，在绝对压力为0.00087MPa，饱和温度为5℃，气化时需要吸收2488.7KJ热量；1kg的氨，在1个标准大气压力(0.10133MPa)下，气化时需要吸收1369.59KJ热量，温度可抵达-33.33℃。因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的气化获取所要求的低温。依此原理，气化过程吸取冷冻水的热量，使冷冻水温度降低(一般降为7℃)。制冷工质在蒸发器内吸取热量，温度升高变成过热蒸气，进入压缩机重复循环过程。

2.1.3 中央空调系统的构成

中央空调系统包括空调主机，风机盘管系统、水系统及相应的控制系统。空调主机由压缩机、蒸发器和冷凝器组成，风机盘管系统为房间内的末端，水系统出冷冻水循环系统、冷却水循环系统组成[7]。典型的中央空调系统的结构如图2-1所示,冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制是中央空调控制系统的重要组成部分。

2.2 中央空调变流量控制的原理及特点

2.2.1 变流量空调系统概述

早前，国内的中央空调系统，基本上都采用传统的定流量控制方式。也就是说，只要启动空调主机，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在50Hz工频状态下运行。定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持恒定，当负荷发生变化时，通过改变供水或回水温度来满足要求。定流量供水方式最主要的优点是系统简

单，不需要复杂的自控设备。但这种控制方式存在以下问题：

(1)中央空调系统是一个多参量、非线性、时变性的复杂系统，由于末端负荷

的频繁波动，必然造成系统的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态，导致主机

热转换效率大大降低，系统长期在低效率状态下运行，也会增加系统的能源消耗。

(2)无论末端负荷大小如何变化，空调系统均在设计的额定状态下运行，系统

能耗始终处于设计的最大值。而由于受多种因素不断变化的影响，如：季节交替、

气候昼夜变化、使用频率、人流量增减等。空调负荷的这种不恒定性，决定了系

统对空调冷量的需求也是一个随机变化的量。若不进行系统优化，定会造成能源

浪费。

(3)在工频状态下启停大功率水泵和风机，冲击电流大，不利于电网的安全运

行，且水泵、风机等机电设备长期在工额额定状念下高速运行，机械磨损严重，

导致使用寿命缩短和设备故障大幅度增加。

综上来看，定流量控制凸显出来的问题很多。变流量系统则是根据实际负荷的大

小改变冷冻水流量，水泵也可以根据系统实际所需流量自动调节其转速或运行台

数，从而达到节约水泵能耗的目的[7]。如图2-2所示： 空调主机

用户风机

盘管冷却塔

冷冻泵冷却泵

风机

图2-1 中央空调系统结构 温度调节变频器温度

设定电

机冷冻泵

用户

温度反馈

盘管

图2-2 冷冻水变流量控制系统

2.2.2 中央空调变流量控制的实现方式

中央空调循环水变流量控制系统，是将整个中央空调系统从节能、高效、环保、健康、安全、管理等方面进行全面综合考虑，把科学的节能理念和方法与成熟的控制理论技术、网络通讯技术、检测技术、变频技术及其产品进行融合，形成了一个完整的节能与管理体系。

1、变频调速的原理

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

(2-1) 式中：

——为同步转速，单位为rmin；

——为电源频率，单位为Hz；

——为磁极对数。

异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出：

(2-2) 式中：

n——电动机实际转速；

s——异步电动机的转差率。

由式(2.2)可知，改变参数，s中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。

在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通量不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的[8]。

三相异步电机定子每相电动势的有效值是：

(2-3) 式中：

——气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V;

——定子频率，单位为Hz;

——定子每相绕组串联匝数；

——基波绕组系数；

——每极气隙磁通量。

由式(2.3)知只要控制好和，便可以控制磁通不变。

需要考虑基频以下和基频以上两种情况：

1)基频下调速

即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持磁通量不变，但频率从额定值向

下调节，必须同时降低，然而绕组中的感应电动势是很难控制的，但电动势较高，

可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认定定子相电压=E ，则得常数。

低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显着，不能在忽略。这

时，可以人为的把电压抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的

恒压频比控制特性为b 线，无补偿的为a 线。如图2-3所示。

U1/V

f/Hz fm 0a

b

图2-3 恒压频比控制特性

2)基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但电压磁通与频率成反比的降低，

相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制

特性，如图2-4所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都

能长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调

速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。 U1/V

Um 恒转矩调速

恒功率调速

fm f/Hz 0

图2-4 异步电动机变频调速控制特性

在中央空调水系统中，最主要的运行设备是水泵。水泵调速运行节电的理论

之一是水泵学比例律。幽水泵学比例律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运

行时，水泵的流量Q ，扬程H ，轴功率P 与转速n 有如下关系[9][12][13]：

(2-4)

由公式(2-4)知，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。由此可见，当降低转速时，功率的减少量远比流量的减少量大得多。因此，控制水泵的转速可以有效地控制水泵的消耗功率，这就是中央空调系统高效节能的基础。

通过频率变化来改变电机转速与传统变速方法相比有以下优点：

1.启动为软启动，减小了启动电流对电网的冲击；

2.调速范围广可实现；

3.无级平滑调速；

4.能做到与直流调速不相上下的程度。

2、变频技术的应用

交流变频调速技术是将电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术集成的一项高新科技。它以其优异的调速性能、显著的节能效果以及在国民经济各领域广泛的适用性，被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，是电气传动的发展方向。它为提高产品质量和产量、节约能源、降低消耗，提高企业经济效益提供了重要的新手段。

2.2.3 中央空调系统变流量系统的特点

变流量节能控制系统是目前最先进的节能控制技术，它与普遍使用的定流量中央空调控制模式相比，具有以下技术特点：

(1)实现中央空调综合性能最优，必须针对空调系统的各个环节(包括主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机等)统一考虑，全面控制，使全系统协调运行，才能实现最佳综合节能。变流量控制系统对中央空调的运行进行优化控制，实现最佳节能效果。

(2)实现空调系统负荷的跟随性变流量控制系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式，通过对中央空调运行系统的动态监测和闭环控制，将空调主机的定流量运行改为变流量运行，实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化，在空调系统的任何负荷条件下，既能确保中央空调系统的舒适性，又实现最大的节能。

(3)空调主机始终保持高的热转换效率众所周知，随着中央空调系统负荷的变化，必将导致整个空调系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数，导致主机热转换效率降低，这一直是传统中央空调运行方式无法解决的一大难题。变流量控制系统的一个基本思想就是按照中央空调主机所要求的最佳运行参数去控制中央空调系统的运行，根据系统的运行工况及制冷剂工质参数的变化，通过PID控制调节，确保空调主机始终处于优化的最佳工作点上，使主机始终保持较高的热转换效率，有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转换效率下降的难题，提高了系统的能源利用率[10]。

随着变频器技术的成熟及其价格的大幅下降，越来越多的设计师开始认识到在空调水系统中应用变频器改变水泵转速所带来的巨大效益。

这里说到了软启动方式，下面来介绍下。

2.3 电机的软启动原理及应用

2.3.1 软启动设备介绍

电压由零慢慢提升到额定电压，使电机启动的全过程都不存在冲击转矩，而是平滑的启动运行。这就是软启动。电机的软启动可以通过软启动器或者变频器来实现。

软起动器是一种集软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。

运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。

变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

2.3.2 软启动器的应用场合

原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。目前的应用范围是交流380V(也可660V)，电机功率从几千瓦到800kW。软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车的场合。

同样对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载场合，应用软起动器(不带旁路接触器)则具有轻载节能的效果。

2.3.3 软启动器与变频器之间的区别对比

软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。软启动器是通过星三角转换来降低启动电流；而变频器是通过改变频率来调节电机的转速的，能降低能耗。变频器也有软启动功能，是通过改变电源频率实现。软启动器只能通过晶闸管调压实现电机软启动、软停车，但不具备调速功能。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电机控制调速装置。通过变频控制电机运行，是真正的高效调速方式，效率很高。变频器能够实现真正的软启动、软停止和高效调速。两者可以配合使用，大中型供水设备中，常由变频器带动一台泵变速运行，由一台软启动器完成其余各泵开、停操作，变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡，运行中变频与工频可实现平稳切换。

2.4 PID控制的设计

在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多优点[11]。1.适应性强，可以广泛的应用于各种行业；2.算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现。由于其有这些优点，PID控制直到现在仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。

温度是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里，人们需对温度进行测量和控制，长期以来，国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如：性能成熟、应用广泛的PID调节器、智能控制PID 调节器、自适应控制等。

2.4.1 PID控制原理

PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单，易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。在工业过程控制中，40%以上的控制系统回路具有PID结构。在目前的温度控制领域，应用十分广泛。

PID调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节，可见，温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数，可取得较好的控制效果。

比例

积分微分过程对象

r(t)

e(t)

-

U(t)c(t)

图2-5 PID控制系统原理图

PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下：

1、比例增益P

比例增益P就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置．或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。比例增益部分用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。

2、积分时间I

如上所述．比例增益P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致超调，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节I，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大(或减小) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。

因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。

3、微分时间D

微分时间D是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。D的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。

2.4.2 PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：

(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

2.4.3 PID的反馈逻辑

所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。例如中央空调系统中，用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速。冬天制热时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度低，要求提高变频器输出频率和电机转速，加大热水的流量；而夏天制冷时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度过低，可以降低变频器的输出频率和电机转速，减少冷水的流量。由上可见，同样是温度偏低，反馈信号减小，但要求变频器的频率变化方向却是相反的。这就是引入反馈逻辑的原由。

2.4.4 P、I、D参数调整原则

各参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。

2.4.5 对空调系统的PID变频控制

在近几年对中央空调系统的变频控制中多采用PI或PID来实现出回水定温差或定压差的水泵频率控制。对冷冻水控制通过检测制冷主机蒸发器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度，将其温差与设定值比对，通过PLC的PID 控制功能或PID控制器，调节冷冻泵变频器的频率值，最终使温差值保持在设定值[14]。

对冷冻水控制通过检测制冷主机冷凝器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度，通过PLC的PID控制功能，调节冷却泵变频器的频率值，最终使温度值保持在设定值附近。其比例积分系数凭经验设定。

2.4.6实现设定值的自动调节

由前面的分析可知，系统的冷负荷随着昼夜和季节的不同、大气环境的变化有很大的差异，室温等因素也会产生较大的影响。即使空调系统的水泵、风机等以同样转速等情况运行，其实际出回水温差也变化很大。因此随环境因素实时的修改设置参数，可更加节能，通过建立温度查询表并通过人机界面输入到PLC存储器中可实现自动控制。温度设置如下表：

表2-1温度值查询表

室温19℃以下19℃~23℃23℃~26℃26℃以上

设定值8 7 6 5

2.4.7 PID控制器设计及实现

西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215，CPU216开始增加了用于闭环控制的PID指令。西门予公司的S7-200系列的PLC都有配套的STEP7-MicroWIN32编程软件，该软件可以在PC机上运行，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。

STEP7-MicroWIN32提供了PID指令向导，指导使用者定义一个闭环控制过程的PID算法，该算法程序由编程软件自动插入到主程序中。PID的组态设计包括以下内容：

(1)确定所要控制的PID指令编号(回路编号)：(2)选择参数控制表存放的位置以及闭环控制的参数；(3)确定PID回路的输入和输出控制参数；(4)确定PID回路的报警选项以及报警参数；(5)指定用于计算的数据存储区域；(6)指定初始化子过程和中断的名称；(7)确认设计的PID算法名称。

PID设置向导过程如图2-9：

图2-6(a) PID 向导设置过程

图2-6(b) PID 向导设置过程

2.5 本章小结

本章介绍了中央空调的结构和原理，对变流量控制进行了研究阐述了变频调速原理，分别对比了软启动器和变频器的优缺点，最后对传统PID 控制进行了细致的研究和探讨可行性及PID 控制环节的实现。

第3章中央空调控制系统的硬件设计

中央空调控制系统硬件有变频器、PLC、温度变送器、人机界面。实现功能如下：

1、变频器：为了调速，并降低启动电流。

2、PLC：PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心，PLC 控制器通过温度传感器测量进出水温度，编入控制器内存，最后来控制变频器的频率，以控制电机的转速，调节水量，根据室内的温度高低，控制热交换的速度，达到节能目的。

3、温度变送器：将温度变量转化为可传送的标准化输出信号。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。

4、人机界面：系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

3.1 变频器的原理

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

3.2 西门子MM440变频器性能介绍

MICROMASTER 440全新一代用于控制三相交流电动机速度和转矩的多功能标准变频器。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护创新的BiCo(内部功能互联)功能有无可比拟的灵活性[15]。