PLC在中央空调中的应用

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1、机电控制与可编程程序控制器技术课程设计任务书课题名称：plc在中央空调上的应用学校：专业：姓名：学号：1 绪 论1.1 选题背景及研究意义随着国民经济的发展和人民生活水平的同益提高，中央空调系统己广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造以实现节能、舒适的目的。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60以上，其中，仅水泵的耗电量约

2、占到空调系统耗电量的2040，存在巨大的能源浪费。传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。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，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系统功率的特性，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。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多空调的经

3、营管理者所关注的问题。故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵的电能消耗，具有极其重要的经济意义。1.2 PLC控制国内外发展现状1.2.1 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。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一

4、台PLC. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为

5、Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年

6、增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长

7、足的发展。 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统D

8、CS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 1.2.2 PLC控制国外发展现状分析目前，世界上有200多家PLC厂商，400多种的PLC产品，PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品。一个是欧洲产品，一个是日本产品。1.欧美PLC主要生产厂家及产品性能：（1）美国通用电气公司GE-系列PLC,GE公司的代表产品是：小型机：GE-1,GE-1/J,GE-1/P中型机：GE-大型机：GE-（2）德国西门子（SI

9、EMENS）公司S系列PLC德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金，化工，印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的P LC产品包括LOGO,S7-200,S7-300,S7-400,工业网络，HIM人机界面，工业软件等。超小型：SIMATIC S7-200 PLC中型：SIMATIC S7-300 PLC工业通讯网络（SIMATIC NET）人机界面（HIM）硬件SIMATIC S7 工业软件：编程工具，基于PC的控制软件，人机界面软件2.日本PLC主要生产厂家及产品性能：（1）日本三菱公司PLC小型：F1/F2/FX系列大中型：A系列

10、，QnA，Q系列（2）日本立石（OMRON）公司PLCSYSMAC C系列PLC整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型OMRON中型机以C20H系列最为典型（3）日本松下公司PLC松下公司的PLC产品中，FPO为微型机，FP1为整体是小型机，FP3为中型机，FP5/FP10S（FP10的改进型），FP20为大型机，其中FP20是最新产品。1.2.3 国内近几年PLC控制的发展由于计算机网络技术和集成电路的迅速发展，PLC向小型化、微型化和高速化发展。在应用中，PLC可与上位机联网，也可下挂PLC，组成分布式控制系统。PLC已广泛应用于冶金、电力、石油、化工、建材、机械、轻工、食品、市

11、政、交通和军工等行业。 据美国FROST&SULLIVA公司的报告，全球PLC从1993年的39亿美元上升到2000年的76亿美元，由占工控机市场的46%上升到50%。 1995年国内市场销售PLC约为6.6万套，其中国产1.6万套，约为4800万人民币，进口约5万套，约有7000万美元；1996年国内市场销售约为9万套，其中进口8万套，总计约合人民币15亿元。专家估计，2000年PLC的国内市场销售达到15-20万套，约25-35亿元，其中进口占90%左右。上述数据表明：我国PLC市场几乎被国外产品占领，国内PLC产品的市场占有率不足10%。（以上PLC统计数据包括小型PLC） 据专家估计，

12、国内PLC产品的年增长率为12%，以满足石油、化工、电力、市政等行业技改的需要，到2005年全国PLC需求量将达到25万套左右，约人民币35-45亿元。 PLC产品的主要生产厂家 目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多个品种。主要的国外生产厂家包括Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE、富士、日立、光洋等等。据电子部98年调查结果表明，国内应用Siemens产品的用户占20.8%，Modicon占14%左右，A-B14%左右，OMRON14%占14左右，三菱8.3%，GE6.25%，富士4.2%；其他（日立、光洋等）4%。 目前，我国的PLC生产有一定的发展

13、，小型PLC的有些品种已批量生产，中型PLC已有产品，大型PLC也开始研制，合资企业得到发展，有的产品不仅供应国内市场，而且还有出口。国内PLC形成产品化生产的企业约30多家，年产量超过1000台的不到10家。主要有苏州机床电器厂、上海香岛机电制造有限公司、机械部北京机械工业自动化所、江苏嘉华实业有限公司、苏州电子计算机厂、杭州机床电器厂、辽宁无线电二厂等。国内产品的市场占有率不到10%。 从以上数据可知，国内PLC产品仍以国外产品为主，并以Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的产品为主。 技术发展趋势 开放式的设计和网络成为主流；PLC技术正与PC技术融合；系统控制

14、向分散发展；容错系统；小型化、智能化。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。目前中国PLC市场主要厂商为Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等国际大公司，欧美公司在大、中型

15、PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型PLC领域也有一定市场份额，中国大陆PLC厂商的市场份额几乎可以忽略。 大型PLC的目标用户在选用PLC时一般不会把价格作为首要考虑因素，而是更关注产品性能、质量和品牌，对价格不是十分敏感，故日本产品很难进入该领域。韩国和中国台湾的产品从一开始就是模仿日本产品，基本沿袭日本产品的技术路线，其在中国的市场策略、行业影响基本是步日本厂商的后尘，只不过比日本产品滞后一段时间。 对中、小型PLC的目标用户而言，市场上主要厂商的PLC产品均能满足其要求，所以在产品选型时价格是十分重要的因素。因此，日本产品在该领

16、域占有绝对优势。Siemens在推出新一代小型PLC产品S7200后其价格与日本产品相差不大，最近几年其小型PLC的市场增长迅速，已经与日本主要产品（Mitsubishi和Omron）在小型PLC领域取得了类似的市场地位。近年来，由于具有明显的价格优势，中国台湾的部分PLC厂商在小型PLC领域发展势头十分强劲，抢占了原来日本产品的一部分低端市场。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.3 本文的主要研究内容PLC在中央空调中的应用可以从2个方面考虑，一方面是中央空调系统原理分析及控

17、制要求；另一方面是可编程控制器(PLC)系统的设计。各章节的主要内容如下：第一章绪论：阐述了PLC的发展和研究现状；提出了论文的研究内容。第二章：通过分析中央空调的工作原理，将PID算法及变频技术引入中央空调的控制。第三章：分析各厂家PLC的特性，选定西门子PLC，再根据中央控制系统的具体要求选定西门子PLC的具体型号S7-200。并对其选定的S7-200进行简单的阐述。并画出中央空调系统的PLC控制的硬件图。第四章：根据选定的S7-200，选定与其相对应的编程软件STEP-7MICRO/WIN32 V3.1，并画出流程图。第五章总结：总结了本文的主要工作，包括得出的主要结论。2 系统工作原理

18、及控制要求2.1 系统的工作原理图2-1 中央空调系统原理图Fig.2-1 The schematic of the central air conditioning system中央空调系统如图2-1所示，是由一系列驱动流体流动的动件（如水泵及压缩机），各种型式的热交换器（如冷却风机，蒸发器，冷凝器及中间热交换器等）及连接各种装置的管道，阀件和电气控制装置组成。冷水机组是中央空调的“制冷源”，“心脏”，通往各个房间的循环水由冷水机组进行“内部交换”，在蒸发器中吸热后的制冷剂通过压缩机压缩成高温高压气体，送至冷凝器与冷却水热交换后变成常温高压液体，经节流阀（膨胀阀）进入蒸发器蒸发吸收冷媒水的热

19、量，然后又回到压缩机，如此形成制冷剂循环过程。冷媒水循环系统，由冷媒水泵及冷媒水管道组成，从冷水机组流出的冷媒水由冷媒泵加压送入冷媒水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内热量。使房间内的温度下降。冷却水循环系统，由冷水泵和冷却水管道及冷却塔组成，冷水机组进行热交换，在水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将讲了问的冷却水，送回到冷水机组，如此不断循环，带走冷水机组释放的能量。冷却风机安装于所需要降温的房间内，用于将由冷媒水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。 2.1.1 PLC控制下变频调速系统的工作原理PLC控制下变频调速系统

20、的工作原理，可编程控制器PLC是变频调速控制系统的关键部件。其作用的协调各机组与变频器柜之间的电气连接，通过接触其与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。PLC软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。通常情况下，变频调速系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。每台电机都可以运转在工频和变频两

21、种状态下，这由PLC系统根据需要进行切换控制。可编程控制器用I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块。A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器升速过程及江苏过程。需要注意的是，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，各接触器间互锁和动作时间要设置好。 使用可编程控制器取代继电接触器控制系统，电气系统故障大为减少。有完善的故障处理功能及电源顺停（或大幅降压）后自动再启动功能。2.1.2 PID算法在变频调速中的应用：1） 常规PIDPID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

22、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，应用时分广泛。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，合理的设置这三个参数，可取得较好的控制效果。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.比例曾一部分（P）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

23、系统不稳定。2.积分部分（I）表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。3.微分部分（D）可以对输入的变化趋势作出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的震荡，减小超调量，使系统趋向稳定，见笑调节时间，用来改善

24、系统的动态特性。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。PID的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其它的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。2）PLC的PID模块分析研究在我们使用的PLC中，是通过PID调节器来调节输出，保证偏差值为零，使系统达到稳定状态。在系统中，偏差，是给定值SP（希望值）和

25、过程变量PV（实际值）的差。PID控制的原理基于公式（4.1）所示的方程，它描述了输出M(t)作为比例项、积分项和微分项的运算参数关系。 （4.1）式中：-PID回路的输出，是时间的函数； -PID回路的增益； -PID回路的偏差（给定值与被控制变量只差）； -PID回路输出的初始值。为了在计算机中实现这一控制功能，公式（4.1）所描述的连续函数必须进行离散化，即对误差进行周期性的采样并计算输出值。离散方程如公式（4.2）所示： （4.2）式中：-第n采样时刻的计算值； -第n采样时刻的比例项值； -第n采样时刻的积分项值； -第n采样时刻的微分项值。1.比例项 比例项时增益和偏差的乘积。其中

26、决定系统输出对偏差的灵敏度，偏差是给定值与过程变量之差。CPU采用的计算比例项的方程如式（4.3）： （4.3）2 积分项 积分项值与偏差的累积和成正比。CPU采用的计算积分项的方程如式（4.4） (4.4)3 微分项 （4.5）式中：-采样时刻n的给定值； -增益； -采样时刻n的过程变量值； -采样时刻n-1的积分项（积分项前值）； -采样时间； -积分时间； -微分时间常数。从公式（4.5）可以看出，为了计算下一采样时刻的微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差。在第一采样时刻，初始化为对于不同的控制系统，需要根据不同的控制对象，选用不同的控制环节。而且，不同控制对象的给定值和过程变量都是

27、现实世界的值，他们的大小、范围和工程单位都可能不一样。所以在进行PID指令对这些值进行运算之前，必须把他们转换成标准的浮点型实数，这样才能进行PID运算。同样，经过了PID运算以后的回路输出值一般为控制变量，而且输出的也是经过标准化了的实数，即通过标准化过程的逆过程，将回路输出值转换成相应的能驱动模拟输出的值。2.2 控制要求(1)设手动自动两种运行方式，并根据要求设定相应的压力、温度检测点，并以开关量形式控制各回路的工作状况切换(运行停机)，达到制冷量自动切换的目的。(2)要求在计算机和控制柜上均能实现手动自动两种运行方式的控制，在计算机上实时显示各检测点的状态参数及系统各设备的运行状态。(

28、3)压缩机依次启动并保持时间间隔，压缩机有吸、排气压力保护，温度保护，过载保护。(4)为保证系统的安全可靠运行，压缩机与水系统应设有联锁控制，即冷却塔、水泵不运行，水回路断水，冷冻水出口温度过低等，压缩机均不能运行。(5)机组采用真空停机方式。(6)能实现远程控制。3 系统硬件设计3.1 系统方案的确定3.1.1 确定PLC的型号1) PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统相同。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主

29、机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展地板。CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接。无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配置与组合。各厂家PLC的特性比较:三菱PLC主要特点1.结构灵活不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。

30、 2. 传输质量高、速度快、带宽稳定可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。最新的电力线标准HomePlug AV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保QoS，HomePlug AV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。 3. 范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号盲区的存在。而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。由此，运营商就可以轻

31、松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话。 4. 低成本充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。目前国内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。 5.适用面广PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，

32、提供宽带网络“最后一公里”的解决方案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电力线作为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.545Mbps的高速网络接入，来浏览网页拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。 西门子PLC的特点：1西门子PLC可靠性高，抗干扰能力强，西门子PLC高可靠性是电气控制设备的关键性能。西门子PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从西门子PLC的机外电路来说，使用西门子PLC构成

33、控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，西门子PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除西门子PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2西门子PLC配套齐全，功能完善，适用性强，西门子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，现代西门子PLC具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来西门子PLC的功能单元大量

34、涌现，使西门子PLC渗透到了位置控制、温度控制、西门子PLC等各种工业控制中。加上西门子PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用西门子PLC组成各种控制系统变得非常容易。3西门子PLC易学易用，深受工程技术人员欢迎西门子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。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用西门子PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4西门子PLC系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，西

35、门子PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5西门子PLC体积小，重量轻，能耗低，以超小型西门子PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。欧姆龙PLC特点1.应用简便（1）应用灵活、安装简便（2）编程简化（3）操作方便，维修容易2.可靠性高3.抗电磁干扰性能好，环境适应性强4.功能完善5.成熟的工控网路体系，通信便捷，易于远程实时

36、监控（1）设备层网络（2）控制层网络（3）信息层网络通过各厂家PLC的性能及特点的比较，中央空调系统选定西门子PLC作为控制器。 2） CPU在PLC中的作用类似于人体的神经中枢，它是PLC的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：接受并存储从编辑器输入的用户的程序和数据；诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误：用扫描的方式接受输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。1） 结构描述图3-1 CPU结构示意图Fig3-1 The

37、structural representation of tne Central Processing UnitCPU型号的比较，如表3-1所示。表3-1 S7-200 CPU型号的比较Table 3-1 S7-200 comparison of CPU type特征CPU221CPU222CPU224CPU226CPU226XM物理尺寸程序内存4096字节4096字节8192字节8192字节16384字节数据内存2048字节2048字节5120字节5120字节10240字节内存备份50小时典型的50小时典型的190小时典型的190小时典型的190小时典型的本地板载I/O6输入/4输出8输入/

38、6输出14输入/10输出24输入/16输出24输入/16输出扩充模块0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块高速计数器单相双相30kHz时为420kHz时为230kHz时为420kHz时为230kHz时为620kHz时为430kHz时为620kHz时为430kHz时为620kHz时为4脉冲输出（DC）20kHz时为220kHz时为220kHz时为220kHz时为220kHz时为2模拟调整11222实时时钟部件部件内置内置内置通讯端口1 RS-4851 RS-4851 RS-4852 RS-4852 RS-485浮点数学是数字I/O图像大小256（128输入，128输出）布尔型执行速度0.37微

39、秒/指令西门子提供不同的S7-200CPU型号，具有多种特征和性能，其中CPU226集成了24输入，16输出，共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点，或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的2kHz高度脉冲输出，具有PID控制器，2个RS485通信编程口，具有PPI通信协议，MPI通信协议和自由方式通信能力，可完全适应于一些复杂的中小型系统。根据控制系统的实际情况计算系统的输入输出点数，本着节约元器件，降低成本的原则，选用一台西门子S7-226型PLC作为控制器。其技术规格如表3-2所示。表3-2 S7

40、-226 PLC的技术规格Table 3-2 S7-226 PLC technical specifications技术规格CPU226功率11W尺寸（宽高深）mm存储器特性程序存储器数据存储器超级电容（典型值）16384 bytes10240 bytes100小时定时器总数1ms定时器数10ms定时器数100ms定时器数256416236计数器数量256（由超级电容备份）内存存储器位256（由超级电容备份）掉电保持112时间中断边沿中断ms 分辨率4个上升沿/4个下降沿模拟电位器2个8位分辨率逻辑运算速度浮点运算速度0.17us8us时钟内置集成的通信功能通讯接口1个RS232/RS485兼

41、容通讯口1个RS485通讯口PPI/MPI波特率1.2kbaud至115.2k最大站点数每段32个站，每个网络126个站最大主站数32点到点（PPI主站模式）是（NETR/NETW），共4个，2个保留MPI连接1PG/1OP本机I/O特性本机数字量输出点数输出类型10固态MOSFET数字I/O映像区模拟I/O映像区256（128输入/128输出）64（32输入/32输出）最大扩展I.O模块数7脉冲捕捉输入脉冲数出14KHz高速计数器数量单相计数器两相计数器6KHzKHz数字量输入特性额定电压24V(DC)逻辑1信号（最小）逻辑0信号（最大）15VDC，2.5 mA5VDC,1mA隔离（现场与逻

42、辑） 光电隔离 隔离组数有500VAC，1分钟2（一组8点/一组6点）可同时接通的输入14最大电缆长度屏蔽非屏蔽500米（标准输入）50米（高速计数器输入）300米（标准输入）数字量输出特性额定电压24VDC输出电压范围20.4至28.8VDC逻辑1信号（最小）逻辑0信号（最大）20VDC，最大电流0.1VDC，10KW 负载每点额定电流（电流）每个公共端的额定电流（最大）漏电流（最大）浪涌电流（最大）0.75A3.75A10uA8A，100ms灯负载（最大）5W接通电阻（接点）0.3W典型值（0.6最大值）隔离（现场与逻辑） 光电隔离 隔离组有500VAC，1分钟2延时（最大） 断开到接通

43、接通到断开2ms(Q0.0,Q0.1)，15ms（其它）10ms(Q0.0,Q0.1),130ms（其它）脉冲频率（最大）20KHz（Q0.0和Q0.1）可同时接通的输出10两个输出并联是，仅输出同组时最大电缆长度屏蔽非屏蔽500米（标准输入）150米（标准输入）根据中央空调系统的控制特点和节能要求，设计的主要控制对象为6台压缩机组和两台水泵的变频控制，另外还有相关的保护装置。压缩机和水泵都采用变频器控制，以降低能耗和提高控制精度，各种触点和逻辑控制则选用现在广泛使用的可编程控制器（PLC），系统框图如下：图3-2 中央空调系统框图Fig3-2 The diagram of the centr

44、al air conditioning system该压缩机组型号为LSZ-42，采用全自动运行方式，单台输入功率22W，具有高压安全阀、高低压控制器、冷却水和冷媒水断水、电机过载等主要的安全保护装置。两台水泵电机功率分别为18.5kW和22kW。两块EM232模拟量输出模块，三块EM231模拟量输入模块。 压缩机变频器选用IEI本安川公司的电流矢量控制通用变频器CIMRF7A2075，额定输出容量为1 10kVA，它的调制方式为优化空间矢量PWM控制，控制方式为VF控制，具有转矩提升，点动、制动、多速运行、自动电压调整、任意设定VF曲线及与上位机通讯等功能，完全可以满足改造系统的要求，其频率

45、控制由PLC输出的模拟量来决定。对于两台水泵的控制，由于其功率的不同，采用两台变频器分别控制，选用适合于风机泵类负载使用的三菱新一代FR一700型变频器，此种变频器内置噪声滤波器，带有浪涌电流吸收回路，还具有最先进的寿命诊断及预警功能，安全系数大，具有自动和手动两种操作方式，手动信号由控制柜门板上的电位器给定，自动信号通过压力变送器(420mA)电流构成。更为方便的是，FR700自带有节能监视功能，通过操作面板，输出端子(0-10V，4-20mA)和人机通信即可显示出节能的效果。系统设置了超温延时报警，因此，当冷凝器进水温度高于警报功能中设定的温度上限值时，计时功能启动，延迟一段时间后，如水温

46、仍偏高，温控器发出报警信号，输入PLC，相应保护环节动作。冷媒水系统中系统进、出水压力差的测量采用西门子公司的QBE612差压型智能变送器，该变送器精度达01级，并具有遥控设定、数据通信、自诊断等功能。其余的部分显示电路和辅助电路的控制依旧保留原来系统。而对冷媒水温度的检测元件则选用西门子公司生产的专门用于暖通空调系统的温度控制器RWC32，该控制器是完全独立作业的电子式温度控制器，带有用于暖通空调的P或PI调节，可接两组Nil000传感器温度输入及一组无源数字输入，输出信号电压范围是DC010V，温度检测范围可达一35130，精度05，所有数据参数的设置、修改均可直接通过控制器上的按键进行，

47、并具有LcD显示3.1.2 SiemensS7-200主要功能模块介绍SiemensS7-200主要功能模块介绍：（1）CPU 模块CPU226具有24KB RAM，40KB(RAM)的装载存储器，可用存储卡装载存储器容量最大到512KB，最大可扩充到512点数字I/O或54路模拟I/O通道。CPU226内硬件实时时钟自带后备电源，在正常电源被关掉的情况下，CPU的时钟仍能正常工作。CPU226的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU响应那些事件，操作系统就会去调用相应的该事件的组织块OB,CPU226可调用128个功能块FB(0-127)；OB,FB,FC,DB的容量很大。另外，由34

48、个系统功能SFC集成在操作系统中。（2）I/O扩展模块S7-200由多种型号I/O模块用来进行扩展。在这里主要介绍我所用到的模拟量输入模块EM231和模拟量输出EM232.1)模拟量输入扩展模块：西门子S7-200系列PLC模拟输入模块EM231有4路输入电路，可以外接4路模拟量输入信号。外接信号经过滤波后，由多路开关控制，依次由运算放大器进行放大后，送给模块的A/D转换部分，转换成CPU可以识别的数字信号。其参数如表3-2所示，其模拟量信号接线图如图3-3所示。表3-3 西门子S7-200系列PLC的模拟量输入模块EM231Table 3-3 Siemens PLC S7-200 Serie

49、s Analog Input Module EM231项目EM231模拟量输入点数4隔离（现场与逻辑电路间）无隔离输入类型差分输入输入范围电压（单极性）0-10V , 0-5V电压（双极性）5V , 2V电流0-20mA模数转换时间250us最大输入电压30VDC最大输入电流32mA分辨率12位图3-3 EM231的模拟量信号接线Fig3-3 The analog signal wiring of the EM231一般来说，输入信号有电压信号和电流信号两种，电压信号是可以被直接检测并处理的，但是电流信号一般是不能直接被测量队。因此电流通常会被转换成电压信号进行采集，最常用的方法就是在电流的回

50、路上串联一定组织的电阻，检测电阻两端的压降来代替电流的测量。2)模拟量输出扩展模块: 西门子S7-200系列PLC模拟输出模块EM232，有2路输出模拟量通道，且具有多种输入、输出信号范围。其内部集成看D/A转换器、放大器等多种功能的电路，可用于复杂的控制场合。它能够不用外接放大器而与传感器直接相连，可根据输出模拟量的大小，通过其外值得DIP开关选择不同的档位及分辨率，且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。其参数如表3-3所示,其外部接线示意图如图3-4所示。表3-4 西门子S7-200系列PLC的模拟量输出模块EM232Table 3-4 Siemens S7-200 series P

51、LCs analog output module EM232项目EM232模拟量输入点数2隔离（现场与逻辑电路间）无隔离输出范围电压电流10V0-20mA分辨率电压电流12位11位 图3-4 EM232的外部接线示意图Fig3-4 The external wiring diagram of the EM2323.2 PLC控制硬件连接图PLC的硬件接线图如图3-5所示：图3-5 PLC的硬件接线图Fig3-5 The hardware wiring diagram of the programmable logic controller4 中央空调系统的软件设计4.1 PLC编程软件PLC控

52、制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7 MICRO/WIN32 V3.1编程。软件开发，该软件的SIEMENS指令集包含两种语言，即语句表（STL）语言、梯形图（LAD）语言。语句表（STL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图（LAD）语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受。但不管使用哪种语言，一个完整的用户程

53、序都应有主程序和子程序及中断处理程序，具体要求如下：1） 主程序应以MEND（主程序结束）指令作为结尾2） 如果使用子程序，那么子程序必须跟在主程序的后面。子程序的结束符为RET程序应有不重复的序号（SBRn），以便主程序调用。3） 如果使用中断处理程序，那么中断处理程序也应该跟在主程序后面。每个中断程序应该用RETI指令作为结束指令，并且应该有不同的序号（INTn），这样PLC可以在响应中断时调用相应的中断处理程序。4） 属于一个主程序的各个子程序和中断处理程序的位置没有严格规定，可以随意组合。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把

54、程序下载到PLC。控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连须执行用户程序来实现的。S7-200的编程语言是STEP7，它是用于S7系列PLC进行编程、调试的全新软件，它是在国际标准IEC1131-3的基础上建立的，可以用LAD，CSF和STL来编程。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的同段状态，给调试工作也带来极大的方便。SYEP7软件的一个特点是调剂功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程

55、序非常有效、STEP7软件还附带一些控制程序模块，如PID调节模块，这些模块可以从主控程序中直接调用，实现不同的功能。4.2程序流程图根据控制要求，对压缩机的控制方式可分为自动和手动两种当系统工作于自动状态时，控制系统根据冷媒水的温度反馈信号，使用变频器通过对压缩机电源频率的改变来对冷媒水的温度进行自动控制，使其达到空调系统所需要的温度。当冷媒水的温度降至9，系统将自动停机。此后以4分钟为单位延时，并不断检测冷媒水温度，待冷媒水的温度升至11.8时，系统将自动开机。当系统工作于手动状态时，压缩机电源的频率不能根据冷媒水的温度自动进行变化，它的频率将由控制箱门上的给定电位器设定和调节。当冷媒水的

56、温度降至7时，系统将自动停机，此后以4分钟为单位延时，并不断检测冷媒水温度，待冷媒水的温度升至11.8时系统将自动关机。根据控制要求编写的控制压缩机主程序流程图如图4-1所示，图4-1 压缩机变频控制主程序流程Fig4-1 The main program flow compressor frequency control4 总结本文主要阐述了以下几个方面的内容：（1）中央空调系统PLC控制的基本思路和方法，（2）压缩机变频调速的特点及节能原理，（3）在中央空调变频调速中的PID算法，（4）系统的主回路和控制回路的硬件设计，（5）流程图的编写。本课题主要是对冷媒水温度进行检测，采用变频器调节中央空调的转速，使其高效运行，达到节能的目的。将变频调速技术应用于中央空调系统，并且采用PLC和PID调节对系统进行自动控制，可以大大节约电能，对系统的起动特性和运行特性都有很大的改善。并且频率下调后，电机避免了长期高速的运行，有效地延长了电机和机组的寿命。本课题具有较好的实用价值和发展前景，值得进一步的研究和完善。31