基于PLC的中央空调温度控制系统设计 - 图文

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摘 要

中央空调已经广泛应用于商用与民用建筑中，用于保持整栋建筑温度恒定。传统的设计中，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，所以会造成极大的的能源浪费。

本设计采用变频器、PLC、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，从而最大程度的解决能源浪费问题。

本设计通过采用基于 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，使用 MCGS 工控组态软件，对系统进行理论分析。通过分析该设计，验证了该设计的可靠性，可以解决中央空调的能源浪费问题。

关键词：中央空调，PLC，PID，变频器

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ABSTRACT

The central air conditioning has been widely used in commercial and civil buildings, which are used to maintain constant temperature of the building. In traditional design, regardless of the season, day and night, and how the user load changes, the motor is fixed to run at full speed for a long time in the condition of power frequency. It will cause great waste of energy.

This design is developed based on the combination of frequency converter, PLC, temperature sensor. It makes up a temperature difference closed-loop automatic control system and automatically adjust the output flow of pump to achieve energy saving. The system adopts the Siemens S7-200 PLC as the main control unit, using the traditional PID to control algorithm, using Siemens MM440 inverter to control of pump speed, to guarantee system adjust load flow according to actual situation. All of these will bring out constant temperature control, so as to solve the problem of energy waste to a great extent.

This design use RS - 485 bus communication networks which is based on USS protocol and using the Siemens TD200 to realize the human-computer interface design, and using the software made from MCGS, to carries on the theoretical analysis to the system. Verified the reliability of the design, the design can solve the problem of central air conditioning energy waste through the analysis of the design.

KEY WORDS: The central air conditioning, PLC, PID, frequency converter

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目 录

摘 要.............................................................................................................................. I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第1章 绪论.................................................................................................................. 1

1.1 中央空调的发展.............................................................................................. 1

1.1.1 中央空调现在状况................................................................................ 1 1.1.2 中央空调发展趋势................................................................................ 1 1.2 本设计的意义.................................................................................................. 1

1.2.1 设计的主要内容.................................................................................... 1 1.2.2 设计的意义............................................................................................ 2

第2章 中央空调系统介绍.......................................................................................... 3

2.1 中央空调结构.................................................................................................. 3

2.1.1 中央空调概述........................................................................................ 3 2.1.2 中央空调结构........................................................................................ 3 2.2 中央空调系统工作原理.................................................................................. 4

2.2.1 制冷原理................................................................................................ 4 2.2.2 工作原理................................................................................................ 4 2.2.3 中央空调的控制原理............................................................................ 4 2.3 中央空调的评价.............................................................................................. 5 2.4 本章小结.......................................................................................................... 5 第3章 中央空调控制系统的硬件设计...................................................................... 6

3.1 变频器.............................................................................................................. 6

3.1.1 变频器的介绍........................................................................................ 6 3.1.2 变频调速的原理.................................................................................... 6 3.1.3 变频器的选择........................................................................................ 9 3.1.4 使用注意的问题.................................................................................. 10 3.2 电机的软启动原理及应用............................................................................ 11

3.2.1 软启动的介绍...................................................................................... 11 3.2.2 软启动工作原理.................................................................................. 11 3.2.3 软启动的优点...................................................................................... 11 3.2.4 软启动与变频器的对比...................................................................... 12 3.3 PLC选型 ........................................................................................................ 12

3.3.1 PLC的工作原理 .................................................................................. 12

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3.3.2 西门子S7—200介绍 ......................................................................... 13 3.4 温度传感器.................................................................................................... 14 3.5 温度变送器.................................................................................................... 15 3.6 人机界面选型方案........................................................................................ 15 3.7 总体硬件设计................................................................................................ 16 3.8 本章小结........................................................................................................ 18 第4章 软件设计........................................................................................................ 20

4.1 PID控制 ......................................................................................................... 20

4.1.1 PID控制简介 ....................................................................................... 20 4.1.2 PID参数整定 ....................................................................................... 20 4.1.3 对中央空调的PID控制 ..................................................................... 21 4.2 应用软件STEP7 ........................................................................................... 21 4.3 plc编程 ........................................................................................................ 22

4.3.1 程序流程图.......................................................................................... 22 4.3.2 中央空调控制系统的I/O分配表 ...................................................... 24 4.3.3 程序中使用的存储器及其功能.......................................................... 25 4.3.4 中央空调温度控制系统程序.............................................................. 25 4.4 设备通讯........................................................................................................ 26

4.4.1 RS-485介绍 ......................................................................................... 26 4.4.2 USS协议软件与S7—200间的通讯 .................................................. 26 4.5 MCGS组态软件 ............................................................................................ 27

4.5.1 MCGS组态软件简介 .......................................................................... 27 4.5.1 MCGS组态画面 .................................................................................. 27 4.6 本章小结........................................................................................................ 29 第5章 结 论.............................................................................................................. 30 致 谢............................................................................................................................ 31 参考文献...................................................................................................................... 32 附 录............................................................................................................................ 33

IV

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第1章 绪论

1.1 中央空调的发展

1.1.1 中央空调现在状况

中央空调行业现在存在着巨大的竞争，这种竞争是产品革新所产生的，产品革新主要围绕低碳环保进行，低碳环保在这个时代有着很重大的意义。

传统的中央空调在这个时代已经没有竞争力，这个行业要想在这个时代生存下去或者有进一步的发展，必须要开发新市场。最近几年，中央空调企业在变频多联机市场和单元机市场以及离心机市场等领域进行创新，引发了在中央空调领域的进一步的发展。在中央空调领域，如何进一步节能，如何更好的满足人们的需求，就会在这个领域会有很大的发展，成为这个行业的领跑者。 1.1.2 中央空调发展趋势

中央空调变频节能是未来的发展目标，它是提高人们生活质量的首要的发展方向。“以人为本”是社会发展的基础，对于这个行业也是一样的。变频技术就是根据人们的需要而产生的，技术的发展是人类需求和技术发展的内在动力，所以，中央空调的变频节能就是要根据人们的需求，满足社会的发展而开展技术研究、开发和应用。

中央空调变频技术的发展基础是低碳节能和保护环境。人们生活水平的提高经常是以牺牲环境为代价的，我们对此都有深刻的体会，低碳节能成为经济发展的要求，中央空调变频节能的未来发展要服从这个大局。提高中央空调系统的自动化水平，降低能源浪费，必须要提高中央空调压缩机系统和末段系统的运行的安全性和经济性。

持续发展是中央空调变频节能技术发展的目标，变频技术同人居环境的和谐发展是建立在节约型社会的技术上，中央空调的发展要对环境的影响尽量减少，使人们与环境和平共处，真正的实现中央空调行业的可持续发展。

1.2 本设计的意义

1.2.1 设计的主要内容

本文首先对中央空调的发展进行了概述，论述了变频节能的重要性。本设计

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采用传统PID控制，构成温差闭环自动控制系统，通过变频器，实现自动调节水泵的输出流量达到节能目的。本设计采用S7-200可编程控制器作为主控制单元，对基于USS通信协议的RS-485总线控制系统进行了研究，并且进行了组态设计，最终设计并验证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)中央空调结构和工作原理的分析。 (2)中央空调系统变频控制分析。 (3)PLC的介绍及应用。 (4)PID控制理论分析。

(5)设计了基于RS-485网络的控制系统。 (6)组态设计。

(7)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驱动冷冻水机组的三台水泵。 1.2.2 设计的意义

本次控制系统的设计能有效地控制中央空调的主机和系统工作效率，达到降低能耗的目的。

中央空调进行节能技术改造后，一年的平均节电率大约会在30%以上，设计采用一台变频器控制三台水泵，每台水泵都可以软启动，大大的降低了对中央空调和电网的冲击。设计中引入了软启动,不会影响启动时的制冷效果，因为软启动的时间只有几秒。此外，空调冷水系统采用温差闭环控制和自动调节，这可大大的改善空调的舒适性。节能系统还具有过流保护功能,提高系统的安全可靠性。

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第2章 中央空调系统介绍

2.1 中央空调结构

2.1.1 中央空调概述

常见的中央空调主要分为单冷型管路系统和热泵型管路系统。单冷型管路系统是只在夏季工作，即制冷产生热量；热泵型管路系统既能产热又能制冷。二者的主要区别只是热泵型管路系统多了电动四通阀的装置，来调节中央空调制冷剂的循环方向。本文设计是单冷型管路系统。

中央空调系统由空气调节系统和冷热源系统组成。冷热源系统是中央空调系统至关重要的部分，其结构、运行方式、种类等直接影响了中央空调在运行中的合理性、高效性、经济性。 2.1.2 中央空调结构

中央空调系统主要由主机、制冷剂循环系统、风机盘管系统及控制系统组成。主机由压缩机、冷凝器和蒸发器组成；风机盘管系统为房间输送冷气；制冷剂循环系统由冷冻循环系统、冷却循环系统组成。最典型的中央空调系统的结构。如图2.1所示。制冷剂循环系统是能量的主要传递者。所以，中央空调控制系统重要组成部分是对制冷剂循环系统的控制。

图2.1 中央空调结构

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2.2 中央空调系统工作原理

2.2.1 制冷原理

气态制冷剂经压缩机成为高温高压液体后进入冷凝器，与水或空气进行等压热交换，变成低温高压液态。液态制冷剂经干燥过滤器除去水份等杂质，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。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[1]。 2.2.2 工作原理

工程中常用的是蒸汽压缩式制冷循环。它是由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成。通过制冷循环制冷工质不断吸收周围空气或物体的热量，从而使室温内温度的降低，从而达到制冷的目的。工作原理流程图如图2.2所示.

图2.2 中央空调流程图

2.2.3 中央空调的控制原理

每个房间都会有独立的温度控制器，用户可根据自己的需要来设定室内的温度。温度传感器能随时感知房间的温度，将检测到的温度传送给控制器，通过传送来的温度与设定的温度进行比较，采用PID控制，通过变频控制冷冻泵的转速，快速的调节室内的温度，是室温达到设定值。这就是温度闭环反馈系统。原理如图2.3所示.

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主控制器还要检验系统关键位置的压力、温度、电流等、发现异常立即采取措施并显示故障信息。

图2.3 中央空调控制原理

2.3 中央空调的评价

(1)制冷量

中央空调在单位时间内从房间中除去的热量，计量单位W（瓦）。 (2)能效比

能效比又称为性能系数，是制冷量与制冷功率之比。国家标准规定，2500W空调的能效比标准值为2.65，2500W至多4500W空调的能效比标准值为2.70。

2.4 本章小结

本章主要分析了中央空调的结构，工作原理，控制原理，以及中央空调性能的指标。为下一步对中央空调的各部分的设计奠定基础。

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第3章 中央空调控制系统的硬件设计

本章主要对本次设计中用到的硬件进行介绍以及选择，包括主要的变频器，可编程控制器，温度传感器，人机界面的选择等。通过本章对硬件的设计，可以基本确定本次设计的基本结构以及各主要部分的组成。

3.1 变频器

3.1.1 变频器的介绍

变频器是结合了微电子技术与变频技术，通过改变电机工作频率来改变电动机转速的装置。变频器主要由整流、滤波、逆变、检测单元、微处理单元、驱动单元等组成。变频器是通过控制绝缘栅双极型晶体管的开断来改变输出的频率，从而达到电机所需要的转速来控制室内的温度，从而达到既满足人们的舒适要求并且节约能源的目的。变频器还具有过流、过压、过载等保护功能。

图3.1 变频器

变频器主要有三部分组成：整流器、平波回路和逆变器。 整流器：它把工频电源变换为直流电源。

逆变器：与整流器的功能相反，将直流电变成交流电。

平波回路：整流和逆变都会产生较大的脉动电压，为了减少对设备的损坏和稳定电网，采用电感和电容来吸收脉动电压或电流。 3.1.2 变频调速的原理 (1)工频控制介绍

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。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。循环水的流量是一定的，当负荷变化是，循环水量不会改变，也就是不会按照室内

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具体温度进行控制，使室内不会有合理的温度，既浪费了能源，也不会使给人们舒适的生活。这种控制方式非常的简单，但是，这种控制方式存在着很多问题：

①在工频的条件下启动大功率的水泵风机等设备会造成很大的启动电流，影响电网的稳定性，也会给中央空调设备造成一定的损坏。此外且水泵、风机等设备一直工作在工频状态下，会造成机械磨损严重，是使用寿命大大缩短。

②不管室内的温度如何变化，中央空调一直都工作在工频状态，使系统的能耗始终在最大值处。很多因素会影响中央空调的负荷，比如天气变化，昼夜变化，室内热源的变化，人流的多少等都会影响。这种变化的负荷决定了中央空调的输出应该是一个变量，必须根据负荷变化来改变空调的输出[2]。 (2)电机变频控制计算

电机是中央空调的最主要的器件，就像人体的心脏，为了中央空调的运行提供动力，电机也是中央空调最耗电的器件之一。所以，要想降低能耗，合理的给室内输出冷量就必须控制电机的转速，既通过变频控制转速。

根据电机转速的公式：

n?n1(1?s) (3.1) n1?60f/p (3.2)

n1:同步转速，单位为r/min；

p:磁极对数；

n:电动机实际转速；

f:电源频率，单位为Hz；

s:异步电动机的转差率。

根据公式，我们可以知道，通过改变电机的、改变旋转磁场频率f、改变电机极对数p来改变电机转速，电机对数p和滑差s不易改变。因此，我们可以通过改变电源的频率p来改变电动机的转速。从某种意义上说，变频器就是一个改变电源频率的交流电源。

三相异步电机定子每相电动势的有效值是：

Eg?4.44f1?N1Km?m (3.3)

式中：

Eg：每相的感应电动势的有效值，单位为V；

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f1：定子频率，单位为Hz； N1：定子每相绕组串联匝数； Kn1：基波绕组系数；

?m：每极气隙磁通量。

由公式(3.3)可知：不改变变Eg和f1，磁通不变。 变频调速需要考虑两种情况：基频以下和基频以上。 ①基频以下调速

由(3-3)可知，保持磁通量不变从基频fm向下调节，同时会降低Eg，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U1?E，则得1/f等于常数。

低频时，U1和Eg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U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。b线为带定子的压降补偿的恒压频比控制特性，a线为无补偿的。如图3—2所示。

U1/Vba0fmf/Hz

图3.2 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fm往上增高，但电压U1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3.3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”。

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U1/V恒转矩调速Um恒功率调速0fmf/Hz

图3.3 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[10]

Q1n1? (3.4) Q2n2

H1n1?()2 (3.5) H2n23

P1?n1???? (3.6)

P2?n2?

由以上公式知，转速与流量成正比，与扬程的平方成正比，与轴功率立方成正比。所以，当转速降低时，功率的减少要远比流量的减少量大的多，通过控制频率的变化，来控制流量的大小，这就是变频控制的核心思想。

这种控制方式相比传统的控制方法有很多的优点： a这种控制的启动为软启动，对电网的稳定性影响比较小。 b调速的范围较广。 3.1.3 变频器的选择

变频器是系统的一个关键的器件，所以选择正确的变频器是非常重要的。要选择变频器，我们首先要熟悉变频器的负载特性。

变频器的选择原则：

⑴根据负载特性选择变频器。

⑵选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据。

⑶容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。

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⑷选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。 本设计采用SIEMENS公司的MM400作为变频器。MICROMASTER 440 相比普通的变频器相比应用更加的广泛，有更高的动态响应。这些优点可以是系统有一致的高驱动性能。

MM440有很多的优点：易于调试；易于安装；可由IT电源供电；响应是快速并且可重复；很广的参数的范围；电缆连接简便；模块化设计，配置灵活；有多个继电器输出；2 个模拟输出；开关频率高，降低电动机运行的噪音；具有多个模拟量输；详细的变频器状态信息和完整的信息功能。

MM440保护功能：过压/欠压保护；变频器过温保护；使用PTC通过数字输入实现电动机过热保护；接地故障保护；短路保护；闭锁电动机保护；防止电动机失速；参数联锁。 3.1.4 使用注意的问题 ⑴物理环境

①工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55。

②腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，会腐蚀元器件的引线、印刷电路板，并且会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。

③振动和冲击。除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。

④变频器应该安装在控制柜内部。变频器最好安装在控制柜内的中部；变频器要垂直安装，正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。

⑤如果特殊用户在使用中需要取掉键盘，则变频器面板的键盘孔，一定要用胶带严格密封或者采用假面板替换，防止粉尘大量进入变频器内部。 ⑵电气环境

①防止电磁波干扰。变频器周围产生了很多干扰电磁波，电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。

②防止输入端过电压。如果输入端高电压作用时间长，会使变频器输入端损坏，所以，在实际运用中，要核实变频器的输入电压、单相还是三相和变频器使用额定电压。

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3.2 电机的软启动原理及应用

3.2.1 软启动的介绍

电机的电压从零慢慢升高到标准电压，这个过程中的启动电流就有传统控制的不可控制变为可控，而且还可以进行调整，从而使整个过程中不会产生冲击转矩，对系统的影响较小。

软启动器是一种集电机软起动、软停车、多种保护功能于一体的电机控制装置。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晶闸管及其电子控制电路。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。 3.2.2 软启动工作原理

软启器的调压器是三相反并联晶闸管，它是被接在电动机定子和电源之间。这种电路与三相全控桥式整流电路很相似。软启动控制电机时，晶闸管输出电压不断增大，从而是电动机的转速逐渐增加，最后晶闸管完全导通，使电动机工作在额定电压下进行工作，从而实现平滑启动。当电机的转速达到要求的转速时，软启动的过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，给电动机提供正常的额定电压，从而降低晶闸管的热损耗，来延长软启动器的使用寿命，并且可以避免电网受到谐波污染[3]。 3.2.3 软启动的优点

⑴电网电压产生波动，影响电网中其他设备的正常运行

交流电机在额定电压下直接起动时，起动电流会是额定电流的的4～7倍，电机容量较小时对电网那个的影响比较小，但是当电机的很大时，4～7被的额定电流会是电网的电压几句下降，使同一个电网的其他设备的正常运行受到影响。在软起动器启动时，起动电流会是额定电流的2～3倍，在电网允许的波动范围之内，对其他设备的影响很小。 ⑵降低电机寿命，伤害电机绝缘

4～7倍的额定电流产生的很多的焦耳热，作用于导线外绝缘，从而使绝缘老化，进而降低电机的使用寿命；4～7倍的额定电流所产生的机械力会使导线之间产生摩擦，也会使寿命降低；高压开关合闸时，触头会产生抖动，这会在电机定子绕组上造成操作过电压，操作过电压有时会达到额定电压的6倍以上，这样的高压会对设备造成损坏，影响使用寿命。

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3.2.4 软启动与变频器的对比

软起动器和变频器是两种不同用途的产品。软起动器按其工作原理就是一个调压器，当电机起动时，降低输出电压，但是频率并不会发生改变。变频器也有软启动功能，但是变频器是通过改变电源频率来实现的，不会降低电压。

本次设计中，将软启动器和变频器一起配合使用，由变频器带动一台水泵变速运行，一个软启动器控制其他电机的操作，由变频器控制的水泵可以定时轮换使各泵运行的时间相均衡，从而时各台水泵的寿命得到延长。

3.3 PLC选型

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[4]。

3.3.1 PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

一，输入采样阶段。在扫描周期内，PLC定时将现场的全部有关信息采集到控制器中，通常在扫描周期的开始或结束时进行定时采集，这一阶段称为输入采样阶段。在这个阶段，可编程以扫描方式读入所有状态和数据，并将它们存入相应的单元内。

二， 用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段，PLC按由上而下，从左到右的顺序扫描由触点构成的控制线路并进行逻辑运算

三，输出刷新阶段

在用户程序执行结束后，可编程控制器就进入输出刷新阶段，会根据运算的结果来刷新对应的逻辑线圈在系统存储区中相对应的状态，或者刷新输入输出映象区中对应位的状态。

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图3.4 可编程控制器与其他设备的连接

3.3.2 西门子S7—200介绍

本设计采用S7-200可编程控制器。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测。S7-200系列的可编程控制器具有很强大功能，使它无论在独立运行中，或者相连成网络皆能实现复杂的控制功能。S7-200系列的可编程控制器具有极高的性价。

以下是S7-200的基本特点：

⑴ S7-200具有集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器，作为负载电源使用。

⑵ S7-200具有不同的设备类型。S7-200的CPU 221，222,224,226各有两种类型CPU，具有不同的控制电压和电源电压。

⑶本机数字量输入/输出点。CPU 221具有六个输入点和四个输出点，CPU 222具有八个输入点和六个输出点，CPU 224具有十四个输入点和十个输出点， CPU 226具有二十四个输入点和十六个输出点。

⑷中断输入。允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。

⑸4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。CPU224/224XP/226。6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。

⑹ CPU 222/224/224XP/226。可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。

⑺电池模块

用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。

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⑻适用范围：S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统[4]。

3.4 温度传感器

温度传感器是指能将检测到的温度转换成可以输出的信号的器件。温度传感器是测定温度设备中的核心，有很多的种类。

我们要通过温度传感器测量出房间内的温度，然后与房间内的设定温度进行对比，通过PID控制调节水泵的输出流量，进而更合理的控制房间的温度，达到既节能又满足人们的需求的目的。

本次设计中，我们采用了PT100温度传感器。PT100的阻值跟温度的变化成正比。PT100广泛应用与工业当中，它的工作原理是：当PT100处在零摄氏度的环境中的时候，其阻值为100Ω，PT100的电阻值随着温度是升高接近按比例均匀上升[5]。

PT100温度—电阻表，如表3.1所示。 T—R关系图如图3.1所示。

表3.1 PT100温度与相应阻值对应表

温度-50 /℃ 电/Ω 温/℃ 电/Ω 温/℃ 电/Ω 阻149.83 度130 阻115.54 度40 阻80.31 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 84.27 88.22 92.16 96.09 100.00 103.90 107.79 111.67 50 60 70 80 90 100 110 120 119.40 123.24 127.08 130.90 134.71 138.51 142.29 146.07 140 150 160 170 180 190 200 153.58 157.33 161.05 164.77 168.48 172.17 175.86

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图3.5 PT100 T—R关系图

3.5 温度变送器

对应温度PT100温度传感器，本设计采用PT100温度变送器。PT100温度变送器为铂电阻温度变送器，它可以直接安装在温度传感器内，可以将温度传感器电阻的电阻信号转化为4-20mA的电流信号。

PT100温度变送器可用于传送距离较远的场合，其抗干扰能力也较强，可以用在存在干扰的场合。

3.6 人机界面选型方案

人机界面是用户与系统之间进行交流的一个平台，是实现设备内部信息与用户交流的界面，一个好的人机界面会使用户省去很多的麻烦，使操作变得非常简单。随着工艺工程的日益复杂和人们对机器要求的不断提高，在人机界面中透明性变得非常重要。

S7-200TD是一种成本比较低的人机界面，具有比较高的性价比，可以实现用户与机器之间的交流。

S7-200TD是一个文本显示设备，通过连接可编程控制器即S7-200，用来查看、监视和更改程序中的变量。S7-200TD有四个预定义的置位功能键，若使用shift则可以扩展到八个功能键。

TD200设备的组态需要完成以下操作：

①STEP 7-Micro/WIN 的文本显示向导,创作操作员界面和报警和组态TD设备的参数块；

②TD参数中，选择TD设备的类型、启用CPU功能、选择更新速率、选择语言和字符集和组态按键；

③屏幕设置中，创建用户菜单，定义屏幕；

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④报警设置中，选择显示选项，定义报警信息；

⑤语言集设置中，选择提示和菜单的语言，选择字符集； ⑥翻译报警和屏幕，把翻译后的信息反馈回报警和屏幕； ⑦参数块地址设置中，定义参数块的地址，即V存储区。

3.7 总体硬件设计

本次设计中，采用2台冷冻机主机，6台冷冻水水泵，其中三台冷冻水水泵为备用。冷冻机可以根据冷冻水出口的水温自动调节，若水温高于7度则制冷机正常工作，若低于7度，则制冷机自动停机。

主要电路图及其介绍：

图3.7为系统主回路示意图：本系统采用西门子S7-200，CPU型号为226。可编程控制器使用了通讯接口，通讯接口可供线缆通讯。冷冻泵的工作频率和工作台数由变频器来控制。

图3.8系统电路图：该控制系统分自动和手动模式，自动模式下通过PLC图3.9主要设备的端口连接图：EM231、EM232由PLC L+端口输出的24V电源供电，变频器的3、4接口是用于接受模拟量输入信号，29、30接口用于通过RS-485与PLC通讯。

及变频器控制，手动模式下通过开关的闭合控制电机的运转。

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温度变送器TD200人机界面西门子S7-200 CPU226EM231EM232驱动柜驱动柜驱动柜远程I/O口MM440变频器远程I/O口远程I/O口冷冻泵冷冻泵冷冻泵冷冻泵（备用）冷冻泵（备用）冷冻泵（备用）图3.6 中央空调冷冻水循环控制系统主回路连接示意图

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图3.7 中央空调控制系统电路图

PT100变送器PT100变送器Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.1Q1.2 120/240VAC1L 00 01 02 03 04 05 06 07 2L 01 02 M ⊥ N L+RA A+ A RB B+ BM0 V0 S7-200 CPU226串口 1M0001020304050607 2M 00 01 02 03 04 05 L+EM231M L+ ⊥EM232M L+ ⊥24VDCSB2SB1SASB6SB5SB4SB3380VLQS3 4LKM5KM3KM1MM440变频器 V 29 30KM6KM4KM2MMMRS-485网络线缆用于USS通讯图3.8 中央空调控制系统主要设备的端口连接图

3.8 本章小结

本章主要介绍了中央空调控制系统的硬件设计，包括变频器、PLC、温度传感器是选型，

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总体硬件电路的设计，空调制冷方案是设计，并设计了人机界面。对整个设计的硬件部分有了清晰的认识。

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第4章 软件设计

4.1 PID控制

4.1.1 PID控制简介

PID控制主要分为两类：开环控制和闭环控制。开环控制系统的被控对象的输出对控制器的输入没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路

本次设计采用闭环控制。闭环控制的基础是反馈。反馈控制是现在自动控制中常用的控制技术，本次设计采用的PID控制也是一种常用的反馈控制。反馈最基本的组成部分测量部分、比较部分和执行部分。首先需要传感器测量出相应的值，然后与期望值相对应，根据其差距进行对输入进行调节。PID控制即比例、积分和微分。其中需要设计三个参数（KP,TI和TD），通过这三个参数对期望值与测量值进行计算，从而得到需要对输入量的执行控制[6]。

PID控制的优点： 第一，PID应用范围广。 第二，PID参数较易整定。

第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。 。

e(t)r(t)-比例积分微分U(t)过程对象c(t)

图4.1 PID控制系统原理图

4.1.2 PID参数整定

整定原则：三个参数的的设置是有相互关系的，系统在运行时也可对参数进行细调：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。

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整定步骤：

(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。 4.1.3 对中央空调的PID控制

近几年，中央空调系统的变频控制中多采用PI控制或者PID控制来实现对

水泵电机运行频率的控制。通过温度传感器检测出制冷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，通过可编程控制器的PID控制来调节控制冷冻泵电机运行的变频器的频率值，最终使温差值保持在允许范围内。

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[11]。

4.2 应用软件STEP7

本次设计中对PLC程序的编写采用是西门子公司的STEP7-micro/win32 V4.0软件。软件使用的是用梯形图进行编写程序。梯形图很接近实际系统中的电气控制原理图，很容易编写和读懂，是使用比较多的语言，受到很多人的青睐。

STEP7软件有很多的优点，首先是它的调试功能非常的强大，STEP7可以在线读取数据，并且还可以在读取数据的过程中修改数据，使得很多庞大而又复杂的程序的调试变得简单很多。

通过STEP 7编程软件，不但可以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通断状况，给调试工作也带来极大的方便。

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图4.2 STEP7软件界面

4.3 plc编程

4.3.1 程序流程图

本次设计采用STEP7软件编写S7—200的程序，编写程序之前要做好流程图。如下图4.2。

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启动1#空调开启制冷系统Y冷却塔风机启动N停止冷却水泵启动N冷冻水泵运行Y冷冻泵启动备用泵启动冷冻机组启动冷负荷冷负荷是否满足N启动2#空调N冷负荷是否满足YY启动3#空调正常运行返回图4.3 中央空调控制系统程序流程图

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4.3.2 中央空调控制系统的I/O分配表

名称 SA SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 KM2 KM1 KM4 KM3 KM6 KM5 地址编号 输入信号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I1.0 I1.1 I0.5 I0.6 I0.7 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 AIW0 输出信号 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.5 Q0.4 Q0.7 Q0.6 Q1.2 Q1.1 AQW0 运行模式反馈 运转方向指示 指示驱动装置禁止状态 故障指示 1#冷冻泵变频运行接触器及指示灯 1#冷冻泵工频运行接触器及指示灯 2#冷冻泵变频运行接触器及指示灯 2#冷冻泵工频运行接触器及指示灯 3#冷冻泵变频运行接触器及指示灯 3#冷冻泵工频运行接触器及指示灯 输出模拟信号到变频器 控制驱动装置启动/停止 停车信号2，自由停车 停车信号3，快速停车 确认故障 控制电机运转方向 转换USS通讯和PPI通讯 开始读/写操作 手动/自动切换, 手动启动1#冷冻泵 手动停止1#冷冻泵 手动启动2#冷冻泵 手动停止2#冷冻泵 手动启动3#冷冻泵 手动停止3#冷冻泵 房间内温度传感器 说明 24

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4.3.3 程序中使用的存储器及其功能

地址 VD108 VD104 VD106 VD300 VD301 T33 T34 T37 T38 T39 M0.0/M0.1 功能 传感器反馈电压 压力下限对应的电压值 压力上限对应的电压值 变频工作泵的泵号 工频运行泵的总台数 产生关断变频脉冲信号的时间控制 产生启动工频脉冲信号的时间控制 增加工频泵的时间控制 减少工频泵的时间控制 产生下一台泵变频启动信号的时间控制 初始化完成标志位 读写功能块完成标志位，用于功能块轮替 读写功能块控制位 工频启动脉冲 变频启动脉冲 关断当前泵脉冲 当前泵工频启动脉冲 下一台泵变频运行脉冲 泵工频/变频转换控制逻辑 泵工频/变频转换控制逻辑 泵工频/变频转换控制逻辑 M0.3/M0.4 M1.0/M1.1 M2.0 M2.1 M2.4 M2.5 M2.6 M3.0 M3.1 M3.2 4.3.4 中央空调温度控制系统程序

程序详见附录一。

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4.4 设备通讯

4.4.1 RS-485介绍

智能仪表技术是伴随着单片机技术的发展而成熟起来的。随着现代化企业的发展，很多企业在选择仪表的过程中首先考虑的就是具有联网通信接口，所以智能仪表受到很多企业的欢迎。智能仪表最开始的是简单的模拟量数据的传输，后来的仪表接口是RS-232接口，这种接口可实现点对点的通信，但是不能联网，于是，RS485出现了，解决了联网的问题。

RS-485电缆：在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、长线传输时，则必须采用阻抗匹配(一般为120Ω)的RS-485专用电缆，而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆。在使用RS-485接口时，对于特定的传输线路，从RS-485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响[7]。

4.4.2 USS协议软件与S7—200间的通讯

S7-200可编程控制器与西门子MM系列的变频器之间使用的是USS通信协议，在STEP7 V3.2以上版本中可以很方便的完成通信控制实际驱动器和读取／写入驱动器参数[8]。

USS 通信都是从主站发起，并且主站一直不间断的循环轮询各个从站，从站根据收到的响应决定响应。从站要应答是需要满足的条件：

(1)接收到的主站报文没有错误。 (2)本从站在接收到主站报文中被寻址 。

不满足上述条件或者主站发出的是广播报文，从站不会做任何响应。当主站的报文被从站收到后，从站必须在规定的时间内做出回应，否则，主站会认为从站出错。

为完成USS通讯，还需要对MM440进行参数设置。 P0003=3，变频器的所有参数响应； P0971=1，将数据存入EEPROM 中；

P0700=5，变频器的控制方式选择为通讯方式； P2010[2]=6,波特率选择为9600； P2011[0]=11,通讯地址为0~31。

USS通信是由 S7-200 和驱动装置配合，因此相关参数一定要配合设置。

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4.5 MCGS组态软件

4.5.1 MCGS组态软件简介

MCGS(Monitor and Control Generated System)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的的一套组态软件，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备[9]。 4.5.1 MCGS组态画面

图4.4 定义变量

图4.5 组态画面

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图4.6(a) 数据报表

图4.6(b) 数据报表

图4.6(c) 数据报表

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图4.7 报警信息浏览

4.6 本章小结

本章主要对本次设计的软件部分进行分析设计，包括PID控制的分析，程序的编写，组态软件的应用，以及设备间通讯的介绍等。通过本章的设计，使我们对中央空调温度控制系统的软件控制有了明确的了解。

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第5章 结 论

本论文主要阐述了基于PLC的中央空调温度控制系统的设计。主要工作如下：

⑴对中央空调目前的状况进行了解，研究中央空调系统的工作过程和工作原理。

⑵利用传统的PID控制，构成温差闭环反馈，实现稳定的控制室内温度。 ⑶本设计采用可编程控制器与变频器相结合的硬件系统，完成节约能源并且满足人们的需求的要求。

⑷最后通过软件编程以及组态分析，完成本次设计。

本次设计完成了基本的设计要求，即了解熟悉了中央空调和变频器的结构和功能，对中央空调的硬件和软件进行了设计。通过本次设计，相对于传统的中央空调的设计，可以使空调的耗电量节约30%左右，对于现在能源缺少，提倡节能环保的社会来说具有重大的意义。传统的控制技术在现在这个社会已经没有生存了，变频技术成为这个行业所有企业说发展的目标。提高中央空调系统的自动化水平，降低能源浪费，必须要提高中央空调压缩机系统和末段系统的运行的安全性和经济性。

在本次的设计中，使我学到了很多新的知识。对于电气专业的我，是我清楚了从未接触过的中央空调的结构以及工作原理。对以前学习的可编程控制技术有了进一步的了解。在本次设计中，使用了很多未曾听说的原件，比如传感器，变送器等，丰富了我们的知识面。对于即将工作在中央空调行业的我来说这次毕业设计具有很大的意义。使我对即将踏入的行业有了初步的认识和了解。

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致 谢

大学四年的生活即将结束，在毕业设计学习中使我大学最后一学期过的非常充实，学到了很多知识，为将来工作做好了准备。而这一切，很大程度上归功于我的指导老师马老师，在此，我对我的指导老师马老师表示真挚的感谢！马老师在平时中对我们非常认真负责，给我们提供了很大的帮助，和我们毕业论文的完成有着密切的关系。马老师平常对大家都很严格，但正是这种严格要求才使我们一步步的进步，学到很多知识。

感谢大学期间的各位老师，在我的大学四年的学习期间教给我们很多知识，给予了我们很大帮助，大学四年的完美结束与老师们的帮助有着巨大的关系！

感谢我的朋友和同学，陪伴我开心的度过了四年的大学生活，在论文的设计期间给了我很多帮助，教会了你我很多知识!

最后，忠心地感谢在百忙之中为本论文评阅和参加答辩的各位老师！谢谢！

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参考文献

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[7] 陈鑫.基于PLC的中央空调控制系统设计.哈尔滨理工大学毕业设计.发行.2012 [8] 何文雪.刘华俊.PLC编程与应用.机械工业出版社.发行.2010

[9] 孙成彩.可编程的中央空调控制系统的设计.淄博职业学院毕业设计.发行.2013 [10] Michel.A.Bemier, Bernard Bourret Pumping energy and variable frequency drives December 1999：20~21

[11] X.Huang，M.L..Yong , M.L..Qian·Study on the semi -centralized evaporative cooling air-conditioning system’s automation，Journal of Xi'an University of Technology，2011，28(1)：45~56

[12] 张铭钧.智能控制技术.哈尔滨工程大学出版社.发行.2006

[13] 李洪兴.模糊控制器与PI D调节器的关系，中国科学E辑，1 999， 29(2)：1 36—1 45 [14] 杜金城.电器变频调速设计技术.中国电力出版社.2001 [15] 廖传善等.空调设备与系统节能控制.中国建筑工业出版社.1984

[16] 孙增圻等.智能控制理论与技术.清华大学出版社.广西科学技术出版社.1997

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附 录

附录一：

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