基于PLC的中央空调控制系统.docx
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基于PLC的中央空调控制系统
毕业论文
课题名称:
基于PLC的中央空调控制系统
学生姓名:
学号:
专业:
电气自动化技术
班级:
电气自动化技术
指导老师:
2011年12月25日
摘要
中央空调系统是大型建筑物不可缺少的配套设施之一,其电能的消耗非常大。
由变频器、PLC构成的控制系统应用在中央空调的冷却水泵和冷凝水泵的节能改造中,使冷却水泵和冷冻水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行,达到显著节能效果。
本文介绍了中央空调的主要组成,分类以及工作原理;介绍了中央空调的控制技术的特点、结构和类型;分析了中央空调的控制要求,给出了其设计流程图,编写了PLC梯形图,设计中央空调的PLC控制系统,并进行调试运行。
随着变频技术的日益成熟,利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合,构成温差闭环自动控制系统,自动调节水泵的输出流量,达到节能目的提供了可靠的技术条件。
关键词:
中央空凋;变频器;PLC
ABSTRACT
Thecentralairconditioningsystemisalargebuilding,oneoftheindispensablefacilities,itspowerconsumptionisveryheavy.Bythefrequencyconverter,PLCcontrolsystemcomposedofthecentralairconditioningcoolingwaterpumpandCondensatepumpenergy-saving,allowingthecoolingwaterpumpandCondensatepumpcancopewithchangesinairconditioningloadoftheautomatictransmissionoperation,toachievesignificantenergysavings.Thispapermainlyintroducesthemaincompositionofcentralair-conditioning,classificationandworkingprinciple.Itintroducesthecontroltechnologyofcentralairconditioningthecharacteristics,structureandtype.Itanalyzesthecentralairconditioningcontrolrequirements,givesthedesignflowchart,writePLCladderdiagram,thedesignofcentralair-conditioningandPLCcontrolsystem,testandoperation.WiththefastmaturityofFrequencyConversionTechnology,usingorganiccombinationofinverter,PLC,digitalanalogconversionmodule,temperaturesensorandtemperaturemoduletothermoelectricclosed-loopautomaticcontroltechnologywhichcanadjustoutputflowrateautomaticallytosaveenergy.
Keywords:
centralairconditioning;convener;PLC;
目录
摘要................................................................Ⅰ
ABSTRACT............................................................Ⅱ
前言...............................................................Ⅴ
第一章、绪论
1.1中央空调系统简介.......................................1
1.2、中央空调原理图及各结构的作用..................5
1.3、空调控制系统国内外研究现状.........................................8
1.4、中央空调控制系统设计中的一般控制方法和技术
……………………………………………………………
第二章、中央空调控制系统的设计
2.1、基于PLC的控制系统设计方案............................................9
2.2、中央空调变频调速系统的控制依据.................................11
2.3、中央空调使用PlC、变频器的总体方案设计.....................................19
2.3.1、总体控制原理..............................................19
2.3.2、冷冻水泵和冷却水泵控制原理..............................................21
2.2.3、变频器变频调速.............................................23
2.4、PLC,变频器的I/O分配及系统外部接线.................................................36
第三章、软件设计
3.1、系统软件开发环境介绍......................................39
3.2、系统软件开发语言介绍......................................41
3.3、系统软件设计主流程图.....................................44
3.4、按键模块程序设计............................................46
3.5、红外线接收部分程序设计....................................48
3.6、串口通讯部分程序设计.....................................50
3.7、游戏界面程序设计(VB程序设计).........................52
第四章、设计心得...................................................56
参考文献..............................................................58
致谢...................................................................59
附录
附录一元器件清单……………………………………………....60
附录二系统硬件原理图………………………………………....61
附录三系统硬件PCB图………………………………………....62
附录四硬件实物图……………………………………….......63
附录五游戏实物图………………………………………........64
前言
在传统的中央空调系统中,冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12%“14%,并且在冷冻主机低负荷运行中,其耗电更为明显,冷冻水、冷却水循环用电约达30%’40%。
因此对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调节能改造的重要组成部分。
本文着重介绍PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用。
中央空调采用变频调速技术,使电机在很宽范围内平滑调速,可将所有节流阀去掉,使管道畅通,可免去节流损耗。
通过改变电机转速而改变水的流速,从而改变水的流量,达到制冷机的正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求,从而达到节能的目的。
电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制的。
中央空调系统在设计时是按实际最大制冷需求量来考虑的,其冷却泵、冷冻泵按单台设备的最大工况来考虑,而在实际使用中有90%多的时间,冷却泵、冷冻泵都工作在非满载状态下。
以往通常用阀门、自动阀调节冷却水、冷冻水的流量和速度达到调节环境温度的目的,这不仅增大了系统节流损失,而且由于对空调的调节是阶段性的,造成整个空调系统工作在波动状态。
而在冷却泵、冷冻泵上加装变频器实现变频节能,则是一劳永逸解决问题的办法。
利用变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节,使系统工作状态稳定,并延长机组及网管的使用寿命。
本文讨论利用PLC自身可靠性高的优点实现对中央空调变频调速系统的高精度控制的一种方案。
同时,通过触摸屏和PLC结合使用,利用触摸屏强大的人机交互功能,对中央空调系统的运行状况进行实时监控。
通过变频控制调节,中央空调系统的水、风系统耗电水平可降低30%~60%,主机系统可节电10%以上,总体系统节电可达40%左右。
因此中央空调用户应用变频节能控制系统不仅有着良好的直接经济收益,还能达到节约能源消耗,有利于环境保护的社会效益。
第一章绪论
1.1中央空调系统简介
中央空调概念:
空气调节(简称空调),就是把经过一定处理后的空气,以一定的方式送入室内,使室内空气的温度、相对湿度、清洁度和流动速度等控制在适当的范围内以满足生活舒适和生产工艺需要的一种专门技术。
中央空调系统是由一台主机(或一套制冷系统或供风系统)通过风道送风或冷热水源带动多个末端方式来达到室内空气调节的目的的空调系统。
1.2、中央空调原理图及各结构的作用
中央空调结构原理图
如图,中央空调系统主要由以下几部份组成:
(1)冷冻机组
1.这是中央空调的“制冷源”,通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”,降温为“冷冻水”。
2.冷却水塔用于为冷冻机组提供“冷却水”;
3.“外部热交换”系统由两个循环水系统组成;
(1)冷冻水循环系统
由冷冻泵及冷冻水管道组成。
从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道,在各房间内进行热交换,带走房间热量,使房间内的温度下降。
从冷冻机组流出、进入房间的冷冻水简称为“出水”:
流经所有的房间后回到冷冻机组的冷冻水简称为“回水”。
(2)冷却水循环系统
由冷冻泵、冷却水管道及冷却塔组成。
冷冻机组进行热交换,使水温冷却的同时,必将释放大量的热量。
该热量被冷却水吸收,使冷却水温度升高。
冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔,使之在冷却塔与大气进行热交换,然后在将降了温的冷却水,送回到冷却机组。
如此不断循环,带走了冷冻机组释放的热量。
流进冷冻机组的冷却水简称为“进水”;从冷冻机组流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。
4.冷却风机有两种:
(1)室内风机
安装于所有需要降温的房间内,用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹入房间,加速房间内的热交换。
(2)冷却塔风机
用于降低冷却塔中的水温,加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
可以看出,中央空调系统是工作过程室一个不断地进行热交换的能量转换过程。
在这里,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便是中央空调控制系统的重要组成部份。
1.3、空调控制系统国内外研究现状
伴随着计算机控制技术的发展,世界上HVAC系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统,六十年代改进为电动单元组合仪表,七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制,直到1984年,美国哈特福德市第一栋采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现,标志着智能建筑时代的开始。
集散式(即集中管理、分散控制)自控系统,目前技术趋于成熟,主要技术特征是采用了DDC(DirectDigitalControl)。
作为控制系统中的主要单元控制器,目前国内外主要采用的是常规PLC的PID控制,因其控制简单,实用,成本低、技术成熟,易于实现,参数调整方便,并且具有一定的鲁棒性,在空气调节中的应用比较广泛。
1982年Shavit和Brandt等对由控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。
1984年Shavit和Brandt对PID控制的废气温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。
1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节,以实现制冷去湿,并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数的解析整定方法,同时给出了系统的两种控制策略。
实际上,现在大多数空调都是采用PID控制。
虽然PID控制在空气调节中广泛使用,但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。
当一个己经调整好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时,系统的性能就会变差,甚至不稳定。
再加上空调系统高度:
:
11二线性以及温湿度之间的强梢合关系,研究者们又转向了其他高级控制方法,如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。
智能控制与传统的PID控制相比,它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型,同时具有自寻优特点。
并且在整个控制过程中,计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策。
通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式。
以获取整体最优控制性能。
由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统,获取它的精确模型很困难,所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。
1985年日本"三菱童工"就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。
香港的Albert.R.So等人于1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。
同年,香港的S.Huang和美国的Nelso对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究,给出了建立和校正模糊控制规则的策略,并分析了控制器的多阶继电器特性。
1999年Kasahara等设计了自适应PID控制器,此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。
Ghiaus则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊控制来较好的实现,并且可以克服PID控制过程出现的超调。
国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。
吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用,该控制器在综合输入的的比例因子和输出的比例因子对系统中央空调控制系统的影响后,采用了在输入的比例因子后加入加权因子的方法,优化了控制效果,同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。
采用空调负荷预测作为优化控制的手段,张韬等对自回归平均法在空调系统中的应用进行了分析和研究,并在此基础上就如何提高预测算法的准确性和实用性提出了一些想法,该方法可以实现空调系统的在线识别和预测,但其预测结果的精度还不太理想,所以还有待改进。
综上可知,智能控制是今后控制界发展的必然趋势,随着计算机技术和智能控制理论的发展,智能控制必将在空调系统中得到广泛的应用。
1.4、中央空调控制系统设计中的一般控制方法和技术
控制方法
1.模糊控制
模糊控制是近年来发展最快的一项控制技术,已成功地应用于各种各样的控制系统中。
因为引入了人类的逻辑思维方式,使得模糊控制器具有一定的自适应控制能力,较强的鲁棒性和稳定性,因而特别适用于难以用精确数学模型表示的实际系统。
模糊控制的核心是模糊控制器,它是按照人的实际操作经验通过模糊算法模仿人的操作策略,实现以机器代替人的生产过程的自动控制设备。
实质上反映的是输入语言变量和输出语言变量以及语言规则的模糊定量关系和算法结构。
2.神经网络控制
神经网络是模仿人脑神经系统,它是以一种简单计算——处理单元(神经元)为节点,采用某种网络拓扑结构构成的活动网络,能从微观结构和性能上对人脑抽象、简化,反映人脑功能的信息处理、学习、联想、模式分类、记忆等若干基本特征。
神经网络在控制领域中的应用主要有两种,一是用于系统建模,二是用于构造控制器。
神经网络控制对环境变化具有极强的自学习能力的优点,可以引入设计者的经验,对非线性对象以及时变参数对象都可以取得较好的控制效果,具有较好的鲁棒性。
3.PID控制
目前在空调控制系统中采用最多的依然是PID控制,这种方法简单,便于实现,但参数整定较为困难,在实际中我们往往是根据经验来手动设定空调对象的特性参数,且一组整定的参数只能在较少的控制范围内有较好的控制效果,这样往往设定的参数并不完全符合实际工程所需的对象特性参数,PID控制对这类对象的控制效果并不理想。
控制技术
中央空调系统的控制有3种控制方式:
早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。
继电器控制系统由于故|璋率高,系统复杂,功耗高等明显的缺点己逐渐被人们所淘汰,直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。
但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。
相反,PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便,抗干扰能力强,适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。
中央空调控制系统是由变频器、温度传感器、压力传感器、露点温度传感器、烟雾侦测器、室内静压传感器、滤网压差开关、风机压差开关、外气温湿度传感器、可编程控制器(PLC)以及人机界面等几部分组成。
它根据空调系统需要控制部位的参数(如冷却水温度等),由PLC来控制调整冷却水电机、冷冻水电机等机组动力单元的运行状态,在精确进行温度控制的同时,大幅度的节约了电能。
自动控制理论通过传递函数的数学描述,以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法求解不同生产过程的PID经典控制理论,发展到目前更高级的智能控制。
现代自动控制技术使空调控制技术由最初的手动调节发展到单环节的自动调节,再到各环节的联合控制,从而形成完整的中央空调的自动控制系统。
目前,在中央空调控制器的设计大体上有单片机控制和PLC控制两种形式。
这两种形式各有特点,单片机控制成本较低,生产制造容易;缺点是稳定性、可靠性和抗干扰能力较差,电子元件的质量无法保证,生产厂家和使用厂家维护费用较高。
PLC控制系统的最大特点是可靠性和稳定性高、抗干扰能力强。
它的许多的功能是依靠软件技术来实现的,这样可减少外围硬件的使用,从而减少了故障发生的几率,通常PLC都具有5~10万h的正常运行寿命。
随着PLC技术的不断发展,PLC已经逐步在暖通空调领域,特别在工艺性空调中得到广泛的应用,并且各PLC生产厂家推出适用于各类过程控制的智能专用模块,但是,这些专用模块价格昂贵,需使用专用编程设备,成本高,通用性差。
第二章中央空调控制系统的设计
2.1、基于PLC的控制系统设计方案
控制系统设计要求和内容如下:
1.控制要求
设计一个中央空调水系统的电气控制系统,并在实训室完成模拟调试。
其控制要求如下:
(1)循环水系统配有冷却水泵两台M1和M2,冷冻水泵两台M3和M4,均为一用一备,冷却水泵和冷冻水泵的控制过程相似。
(2)正常情况下,系统运行在变频节能状态,其上限运行频率为50Hz,下限运行频为30Hz,当节能系统出现故障时,可以进行手动工频运行。
(3)在变频节能状态下可以自动调节频率,也可以手动调节频率,每次的调节量为0.5Hz。
(4)自动调节频率时,采用温差控制,两台水泵可以进行手动轮换。
(5)上述的所有操作都通过触摸屏来进行。
2.控制系统的I/O分配及系统接线
根据控制系统的控制要求,确定I/O分配,模拟量处理模块采用FX2N-4AD-PT特殊功能模块、FX2N-2DA模块。
根据控制要求及I/O分配,画出控制系统接线图。
3.触摸屏画面制作
根据系统控制要求,制作触摸屏画面。
4.程序的编制
根据系统的控制要求,编制程序。
5.变频器参数设置
根据系统控制要求,设置变频器参数。
6.系统调试
(1)根据控制系统的控制要求,画出控制系统接线图。
(2)设定参数,按上述变频器的设定参数值设置变频器的参数。
(3)输入程序,将设计的程序正确输入PLC中。
(4)触摸屏与PLC的通信调试,将制作好的触摸屏画面传送给触摸屏,并将触摸屏与PLC连接好,通过操作触摸屏上的触摸键,观察触摸屏指示和PLC输出指示灯的变化是否按要求指示,否则,检查并修改触摸屏画面或PLC程序,直至指示正确。
(5)手动调速的调试,将PLC、变频器、FX2N-4AD-PT、FX2N-2DA连接。
调节FX2N-2DA的零点和增益,通过触摸屏手动操作,观察变频器的输出频率。
(6)自动调速的调试,在手动调速成功的基础上,将两个温度传感器放入温度不同的水中,通过变频器的操作面板观察变频器的输出是否符合要求,否则,修正进水、出水的温度值,使出进水温差与变频器输出的频率相符。
(7)空载调试,连接好各种设备(不接电动机),进行PLC、变频器、特殊功能模块的空载调试。
分别在手动调速和自动调速的情况下,通过变频器的操作面板观察变频器的输出是否符合要求,否则,检查系统接线、变频器参数、PLC程序,直至变频器按要求运行。
(8)系统调试,正确连接好全部设备,进行系统调试,观察电动机能否按控制要求运行,否则,检查系统接线、变频器参数、PLC程序,直至电动机按控制要求运行。
2.2、中央空调变频调速系统的控制依据
中央空调系统的外部热交换两个循环系统来完成。
循环水系统的回水与进(出)水温度之差,反映了需要进行热交换的热量。
因此,根据回水与进水(出)水温度之差来控制循环水的流动速度,从而控制了进行热交换的速度,是比较合理的控制方法。
(1)冷冻水循环系统的控制
由于冷冻水的回水温度是冷冻机组“冷冻”的结果,常常是比较稳定的。
因此,单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。
所以,冷冻泵的变频调速系统,可以简单地根据回水温度进行如下控制:
回水温度高,说明房间温度高,应该提高冷冻泵的转速,加快冷冻水的循环速度;反之,回水温度低,说明房间温度低,可降低冷冻泵的转速,减缓冷冻水的循环速度,以节约能源。
简言之,对于冷冻水循环系统,控制依据是回水温度,即通过变频调速,实现水的恒温度控制。
(2)冷却水循环系统的控制
由于冷却塔的水温是随环境温度而变的其单侧水温度不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。
所以,对于冷却泵,以进水和回水间的温差作为控制依据,宙实现进水和回水的恒温差控制是比较合理的。
温差大,说明冷冻机组产生的热量大,应提高冷却泵的转速,增大冷却水的循环速度;温差小,说明冷冻机组产生的热量小,可以降低冷却泵的转速,减缓冷却水的循环速度,以节约能源。
2.3、中央空调使用PlC、变频器的总体方案设计
设计方案结构图如下
1.总体控制原理
在图2中.PLC是采用三菱公司生产的型号为FX2N-48M的PLC.变频器也采用三菱公司生产的型号为FR-A5
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