基于PLC中央空调控制系统设计
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基于PLC的中央空调控制系统设计
目 录
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英文摘要2 1
引 言3 1.1 研究背景与意义3 1.2 国内外研究概况4 1.3 本文主要研究内容4 2 控制器件和控制原理6 2.1 中央空调系统的控制器件6 2.1.1 水蓄冷中央空调的工作原理6 2.1.2 变频器7 2.1.3 PT100温度传感器7 2.1.4 中央空调组成8 2.2 变流量控制原理8 2.2.1 空调系统变流量概述8 2.2.2 中央空调变流量控制的实现方式9 3 空调控制系统的硬件设计11 3.1 PLC系统简介11
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3.2 PLC系统选型11 3.3 I/O分配12 3.4 I/O接线图13 4 系统软件设计16 4.1 编程软件16 4.2 系统工作流程16 4.3 程序设计17 5 仿真调试27 5.1 实验室设备27 5.2 程序仿真调试27 结 论34 谢 辞35 参 考 文 献36 图表目录 图2-1中央空调系统运转流程图6 图3-1PLC的输入I/O 分配表12 图3-2PLC的输出I/O分配表12 图3-3主回路接线图13 图3-4PLC原理图14 图3-5SM1223扩展模块接线14 图3-6模拟量扩展模块接线图15 图4-1空调动作流程图17 图5-1主线路仿真接线图27 图5-2系统启动28 图5-3水泵自动启动29 图5-4冷冻泵故障30 图5-5冷却泵故障31 图5-6温度参数的修改32 图5-7冷却水回水水温检测33 基于PLC的中央空调控制系统设计 摘 要：本课题主要是对中央空调控制系统进行设计，本文主要是对中央空调中水蓄冷中央空调进行设计。本文 选用西门子S7-1200PLC、变频器以及温度传感器来实现对中央空调的硬件控制。该程序设计分为手动模式以及自动 模式，当选择手动模式时，需手动控制各个设备启停，选择自动模式时，自动控制设备启停。该中央空调冷冻泵和 冷却泵两端都有温度传感器对进出水进行温度检测。当冷冻水回水温度大于37℃时系统发出警报，当冷却水温度大 于25℃时系统发出警报。该系统可以根据冷却水和冷冻水之间的温度差来调整冷冻泵、冷却泵、盘管风机以及冷却 塔风机的频率来维持温度恒定。
关键词：水蓄冷中央空调;PLC;变频器;温度传感器 Design of Central Air Conditioning Control System Based on PLC Abstract:This topic is mainly on the central air conditioning control system design, this paper is mainly on the central air conditioning water storage cold central air conditioning design. This paper selects Siemens S7-1200 PLC, frequency converter and temperature sensor to realize the hardware control of central air conditioning. The program design is divided into manual mode and automatic mode. When the manual mode is selected, each device needs to be manually controlled. When the automatic mode is selected, the automatic control device starts and stops. There are temperature sensors at both ends of the freezing pump and cooling pump of the central air conditioning to detect the temperature of the inlet and outlet water. When the chilled water return temperature is greater than 37 °C, the system alarms, when the cooling water temperature is greater than 25 °C. The
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system can adjust the frequency of freezing pump, cooling pump, coil fan and cooling tower fan according to the temperature difference between cooling water and freezing water to maintain constant temperature. Keywords:chilled water storage central air condition;PLC;frequency converter;temperature sensor 1 引 言 1.1 研究背景与意义 由于国家经济的发展和人门生活水平的逐渐提高,中央空调已经广泛应用到工业与民用建筑等领域,如酒店、宾 馆、写字楼、商场、厂房等场所,其用来维持指定场所的温度恒定。其已经成为人们生产生活中必不可少的工具。
目前,由于全球能源紧张,节约能源自然而然成为了全世界关注的首要问题。根据资源总量来看,虽然我们国属于 资源大国,但由于长期不合理的开发及粗放型的利用,已经使我国资源迅速减少,甚至已经接近枯竭,所以节能己成为 我国急需解决的问题。随着社会的进步与发展,和城市化的不断推进,人们对生活环境的要求也是越来越高,所以中央 空调系统已经被广泛应用于大型和超大型的公共建筑中。这虽然满足了人们对建筑空间的品质要求和提供高品质的 环境空间的要求,但也大大增加了电能的消耗。在建筑能耗中,一些欧洲发达国家中中央空调能耗大约占总能耗的60% -70%,而在我国建筑总能耗中,中央空调能耗大约也达到50%-60%。中央空调系统能源消耗在办公楼、酒店、医院、商 场的中占总能耗的比例分别为48%、46%、30%、40%而且明显呈现着上升趋势,其占据了大部分的能源消耗,所以我们 必须把中央空调的节能研究作为重要的着手点,从而达到节约能源和减少能耗的目的。当前大多数国家已经开始制定 节能计划,把建筑是否可以节约能源作为评价建筑是否合格的重要内容以及考察建筑质量优劣的标准,所以,积极开发 新能源和高科技节能控制技术的合理应用是节约能源,以及减少空调能源消耗的主要途径,这对节约能源以及维护良 好的生态环境,推动自然资源的可持续的发展,促进经济增长有着重要意义。
因此为了带来更大的效益和收益，减少不必要的开支，以及达到节能减排和低碳生活的目标，人们对中央空调 控制系统提出了新的要求，希望在保持舒适度的同时也能把能耗降到最低，所以设计一套基于 PLC 的中央空调控制 系统显得非常重要。该控制系统主要由 ：温度传感器、冷却泵、冷冻泵、可编程控制器（PLC）等组成。
基于 PLC 的中央空调控制系统采用 S7-1200PLC 控制变频器，从而控制冷冻泵和冷却泵的转速以及盘管风机和 冷却塔风机频率。本文设计主要添加了可编程控制器 PLC，温度传感器，变频器。从而加大对电机频率的控制从而 来减少对能源的浪费。
1.2 国内外研究概况 如今在我们的生活当中已经离不开空调了，而且各种新型空调也在不断涌现。空调从出生发展到今天，从简单 的空调扇到传统的制冷空调，再到今天节能化、智能化的超空调时代，已经走过了百余年的历程[1]。
1902年，美国人威利斯·开利研发出了第一个空调系统，1906年他使用“空气处理装置”申请了美国专利。
1922年由他创办的开利工程公司成功研制出了在空调史上具有里程碑意义的产品——离心式空调机，简称离心机。
离心式空调机的最大特点是效率高，这为大空间调节温度打开了大门。
1998年，人们在变频空调技术上取得了重大突破，日本成功研制出了直流变频技术，从而发明出了性能比交流 变频空调更加优异的直流变频空调。从这以后，直流变频空调成为现代空调的主流，目前直流变频空调已占据日本 和欧美家用空调市场90%以上。
在我国，继海尔在1998年率先生产出国内第一台直流变频空调以后，国内生产直流变频空调的厂家迅速增加， 中国变频空调市场尤其是直流变频空调市场开始了突飞猛进式的发展。
随着智能建筑在中国越来越普遍，楼宇自动控制装置和技术也进入了快速发展阶段。对楼宇自动控制而言，在 确保建筑内拥有舒适和安全的办公环境的同时，还需要实现高效节能的目的。因此衍生出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其在自动监视、测 量、控制和管理功能上是相当优越的，由于其自动化程度高，从而节约了大量的劳动力和运行费用使集散型中央空 调监控系统在我国的智慧型建筑中得到了广泛应用。20世纪90年代到21世纪初，我国于中央空调系统的控制领域取 得了巨大成就，并同时推出了两项节能技术和产品：中央空调变流量控制节能系统以及中央空调变频调速控制节能 系统。假如在集散型中央空调监控系统的基础上结合上述两种技术，并增加PLC和变频技术，并且把它与智能控制方 法相结合，将原来的定流量系统更改为变流量控制系统，从而使中央空调的冷冻泵、冷却泵和冷却塔风机的运行频 率可以随着负荷的变化而发生同步变化，就可以在保证负荷需求的前提下，实现中央空调的最大节能。
1.3 本文主要研究内容 本课题的研究对象是水蓄冷中央空调的设计，我们要求该空调可以监控冷冻水与冷却水的温度，并对所监测到
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的温度与设定温度进行比较来调节空调的运行。
第二章节主要是以理论准备为主，阐述水蓄冷中央空调的组成及工作原理，对控制 系统中的器件如：PLC、变频器等器件进行说明。
第三章是对空调控制系统的硬件进行介绍以及PLC的接线。
第四章是系统的软件部分，首先对编程软件进行简单的说明，然后按照流程图的需求进行程序设计。
第五章是对设计出的部分程序在实验室里进行仿真调试，验证程序的可靠性。
本文的最后一部分是对中央空调控制系统的总结，其中包括总结本人在该设计中的主要工作，以及对整套控制 系统的总结，并提出本控制系统的不足之处，以及展望水蓄冷中央空调在未来的发展趋势。
2 控制器件和控制原理 2.1 中央空调系统的控制器件 2.1.1 水蓄冷中央空调的工作原理 本文设计的中央空调由两个不同的系统组成，依照其所处位置和作用的不同，可以分主机系统和末端系统。一 般由冷冻泵、冷却泵，盘管风机以及冷却塔风机组成。其可以根据实际需求和环境需要来组成不同形式的系统。水 蓄冷型的中央空调的主要组成部分可分为：制冷机组、蓄冷槽、供冷水泵、蓄冷水泵、板式换热器、冷冻水泵、冷 却塔和冷却水泵等。与常规的中央空调制冷系统相比，水蓄冷系统比常规系统多出了蓄冷槽、板式换热器、冷冻水 泵和冷却水泵等设备。图2-1为水蓄冷中央空调系统运转时的流程图：
图2-1 中央空调系统运转流程图 当中央空调系统处于工作状态时，阀门K热和 K冷处于开启状态，阀门 K旁处关 闭状态。于此同时，其可以根据楼宇不同时段对温度的需求，从而控制供冷水泵的启停和各个阀门的开启角 度，以此来减少水蓄冷中央空调对能量的损耗。
2.1.2 变频器 变频器就是把电压和频率无法改变的交流电变换为电压或频率可以随意变化的交流电的一种装置，其在实际的 生活生产中有着十分广泛的应用。它的主电路由三部分构成，即整流电路、直流中间电路以及逆变电路，并分为电 流型变频器和电压型变频器。电压型变频器是将电压源的直流电变换为可调交流电，直流回路的滤波是电容。电流 型变频器也是将电流源的直流电变换为可调交流电，其直流回路滤波是电感。
它具体由三部分构成，一是可以将工 频电源转变为直流功率的“整流器”，二是吸收在变流器和逆变器中产生的电压脉动的“平波回路”，三是可以将 直流功率转变为交流功率的“逆变器”。
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变频器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的方式来控制交流电动机的电力控制设备 [2]。变频器主要由整流(交流电变直流电)、滤波、逆变(直流电变交流电)、制动单元、驱动单元、检测单元以及微 处理单元等组成。变频器是依靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需求来提供其所需 要的电源电压，从而达到节能、调速的目的，另外，变频器还具有很多的保护功能，如过流保护、过压保护、过载 保护等。而随着工业自动化程度的不断提高，变频器在生活生产中也得到了广泛的应用。
2.1.3 PT100温度传感器 在中央空调的运行和试验中，对温度的检测和采集是非常关键的一个操作，可以说中央空调控制系统的根本性 能是由我们对温度这个物理量的控制程度来决定的。在当今科学环境下，对温度值的检测更加偏向于远程监测，所 以如果要在试验室和生活环境当中取得温度这一参量，一般采取的都是网络控制来检测温度值，并配备报警装置。
由于温度这个物理量在中央空调控制系统中具有无法想象的重要性，以及温度在日常生活中也与人们拥有密不可分 的关系。而在中央空调控制系统中为了使中央空调控制系统具有良好的根本性能，就需要用到精确度高的温度控制 器或温度传感器，来实时监测温度并将其反馈到 PLC 模块中。
PT100温度传感器是一种可以将温度变量转换成一种可以传送的标准化输出信号的仪器。其主要用于工业生产过 程中温度参数的测量以及控制。而本身就带传感器的变送器通常是由两部分组成:传感器和信号转换器。传感器部分 主要是热电偶或热电阻;信号转换器部分主要由测量单元、信号处理和转换单元组成(因为工业用热电阻和热电偶分 度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也可称为变送器)，有些信号转换器增加了显示单元，有些信号转 换器还具有现场总线功能。
PT100是一种铂热电阻，可以简称为:PT100铂电阻，它的阻值会随着温度的变化而变化。PT后的100这一数字表 示当它在0℃时阻值为100欧姆，而当其在100℃时它的阻值大约为138.5欧姆。它的工业原理:PT100铂电阻的的阻值 随着温度上升呈现成匀速增长的。因此在医疗、电机、工业、温度计算、卫星、气象等需要精确计算阻值的高精温 度设备中应用范围是非常广泛的。
2.1.4 中央空调组成 本文设计的中央空调主要由冷却泵、冷冻泵、盘管风机以及冷却塔风机所构成。
其中冷冻泵、冷冻水管和盘管组成了冷冻水循环系统。冷冻水会从冷冻主机中流出，然后经过冷冻泵加压送到 冷冻水管道当中，再通过各个房间...