基于三菱PLC的客車空調溫度控制系統設計摘要隨著我國經濟發展和社會的不斷進步，交通工具也越來越便利，但隨之而來的卻是日益嚴峻的環境污染、能源枯竭、道路擁塞等問題，這些問題給人類生活和社會可持續發展敲響了警鐘。因此各國政府大力呼吁可持續發展舉措，提倡人們出行盡量選擇公交客車、地鐵等交通工具，從而緩解交通堵塞、尾氣排放等問題。純電動客車作為新能源汽車的代表，是實現可持續發展與環保的重要突破口。空調作為客車車廂環境的主要調節工具，如何使空調在達到人體舒適度的同時降低能源的消耗就成了一個目前急需解決的問題。本次設計是利用zigbee技術連接傳感器與三菱FX2N型號PLC采用PID控制指令設計了客車空調溫度控制系統。該設計論文將會敘述變頻器和可編程控制器的工作原理，完成變頻器、可編程控制器等的選型和參數設置，重點完成PLC硬件電路圖和程序設計。將所設計的硬件模塊以及軟件算法進行功能測試，證明該空調控制系統在實際應用中的可行性。關鍵詞：客車空調；變頻調速；可編程控制器目錄TOC\o"1-3"\h\u72371引言 1113572整體硬件系統設計 2239622.1PLC的選擇 2129982.2模擬量模塊 241712.3主電路接線 4229292.4傳感器的選型 4116352.4.1傳感器的選擇 4253722.4.2溫濕度傳感器 5114902.4.3人體紅外傳感器 5213122.4.4網關選擇 6187592.5硬件連接設計 738992.5.1PLC連接 7232822.5.2傳感器互聯方式 976842.5.3CC2430芯片 1095623軟件系統設計 1351593.1程序流程圖 1356343.2PID控制 15203793.3編程軟件GXwork2以及梯形圖 17101125結論 222866參考文獻 23汽車空調系統有非獨立式與獨立式。空調所需的能量由為汽車提供驅動的發動機與電機來供應是非獨立式空調系統；獨立式是指空調所需的能量和驅動汽車的能量由不同的發動機或電機供給。對于電動客車來說，由于驅動能量來源于車載的動力電池儲存的電能，空調系統的應用工況與環境工況變化關聯密切，基于舒適性及經濟性考慮，通常采用獨立式空調系統。電動客車的空調和傳統燃油車的完全不同，它的電動空調系統所使用消耗的能量均由車載的動力電池來提供，空調系統的效率嚴重影響電動客車的工作運行性能。由于存在低溫環境工況下空調系統將產生制熱量不足，系統效率地下等問題。現在普遍采用的方案是熱泵空調系統、輔助加熱空調系統及熱電空調系統。目前，電動客車的廠商將研究大容量電池技術作為解決續駛里程的工作重點，同時，對電動客車輔助系統進行優化，提高輔助系統的效率也是一個十分重要研究方向。電動客車空調系統是汽車上耗能最大的輔助系統，消耗的能量約占汽車輔助系統功耗的60%-70%，其工作效率的高低很大程度上影響了電動客車的續駛里程。同時，空調系統的工作效率也極大地影響著乘客的乘坐舒適性。因此，開發適用于電動客車的高效節能空調系統對于電動汽車的市場推廣具有非常重要的現實意義。本文設計主要是通過變頻器和PLC技術來使得客車空調達到節約能量的效果,其中著重利用了閉環控制的PID運算。通過溫度傳感器來把溫度信號經過變送器和A/D轉換模塊轉換后傳送到PLC可編程控制器中進行處理，然后通過可編程控制器以及變頻器來適當地改變頻率從而改變電機的速度。2.1PLC的選擇FX系列PLC擁有高級的功能邏輯選件，處理速度很快。本文中選擇FX2N系列PLC作為設計硬件，FX2N是從16路到256路輸入/輸出的多種應用的選擇方案；分析控制系統，確定設備種類，確定的輸入和輸出點數和種類。經分析，系統共使用了12路數字量輸入，8路數字量輸出，2路模擬量輸入，沒有使用模擬量輸出。系統為小型自動化控制。三菱FX2N系列小型PLC，使用簡單，安裝維護容易，選擇其中的FX2N-48MR001，交流電源，含24路數字量輸入，24路數字量輸出，可以滿足12路數字量輸入，8路數字量輸出的使用需要。另外增加一塊FX2N-4AD模擬量輸入模塊，含4路模擬量輸入，可以滿足2路模擬量輸入的使用需要。FX2N系列三菱PLC采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等指令，并通過數字或模擬量輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。FX2N與之前的三菱fx-fx所列系列產品基本相比其自動指令定位和狀態控制指令功能大大向上得到了明顯改善和大幅提高,基本指令性能也大大得到提升,CPU的指令處理速度已經基本達到了0.065us/基本數據指令,內置了具有一個寬度高達64k的超級盤和大容量的cram數據存儲器,大幅提高了內部軟硬件和相關元素的存儲數目,強化了基本指令的存儲作用和處理功能,提供了一套系列多達209條特別適合于人機應用的基本指令,包括與日本三菱通用變頻器直接進行人機通信的基本指令,crc移動計算機的指令,產生隨機數據的指令等等,因此它已經逐漸成為近兩年各行各業的熱門和創新寵。2.2模擬量模塊在本文中我們選用的三菱FX2N-4DA有4個輸出通道。提供了12位高精度分辨率的數字輸入。轉換速度為2.1ms/4通道，使用的通道數變化不會改變轉換速度。輸出的形式可為電壓，也可為電流。其選擇取決于接線不同。電壓輸出時，兩個模擬輸出通道輸出信號為0～10VDC，0～5VDC；電流輸出時為4～20mADC。分辨率為2.5mV（0～10VDC）和4uA（4～20mA）。數字到模擬的轉換特性可進行調整。本模塊需占用8個I/O點。可編程控制器基本單元與FX2N-4DA之間的數據通訊也是由FROM/TO指令來執行的。讀寫操作是對FX2N-4DA的緩沖寄存器BFM進行操作的，緩沖器區由32個16位的寄存器組成，編號為BFM﹟0～﹟31。PLC的基本單元通過對模擬量輸出模塊中的緩沖寄存器BFM進行通信聯絡。PLC的基本單元采用FROM/TO(讀/寫)指令對特殊功能模塊的BFM進行功能設定及數據交換。FX2N-4DA模擬量輸出模塊的數據緩沖寄存器BFM#0~BFM#31的設置內容說明如下（1）對BFM#0采用4位16進制數，設置模擬量輸出模塊1--4通道輸出信號的類型。緩沖寄存器BFM#0的設置如下圖所示。假如設置為H2110，表示輸出通道1設置為-10V--+10V電壓輸出；通道2和通道3設置為：+4mA~+20mA電流輸出；通道4設置為0~+20mA電流輸出，如圖2-1圖2-1FX2N-4DA模擬量模塊設置（2）由BFM#1--BFM#4分別設置1~4通道數據緩沖寄存器，它們的初始值為零。（3）BFM#5為數據輸出保持緩沖寄存器，可以設置為保留數據或復位到零點值。當BFM#5被設置為H0000，PLC從運行到停止時，其運行過程中的數據被保留。若BFM#5被設置為H0011，則CH3和CH4為保持，CH1和CH2為復位到偏移（4）BFM#8和BFM#9為零點和增益值的調整功能設定。當設置為允許調整零點和增益值時，可通過指令TO將要調整的數據寫入到BFM#I0~BFM#17中。（5）BFM#10--BFM#17為零點和增益值的設定值(調整值)。設置值的單位是mV或μA。（6）BFM#20為初始化設定，被設置為1時，FX2N-4DA輸出模塊的全部設置變為默認值。（7）BFM#21用于用戶I/O特性的允許調整設定。可以將用戶的I/O特性設置為“被禁止”或“被保留”。若將用戶的I/O特性設置為被保留，則用戶的I/O特性允許調整。（8）BFM#29錯誤狀態顯示緩沖寄存器。當特殊功能模塊產生錯誤時，利用FROM指令可以讀出錯誤信息。（9）BFM#30中存放的是特殊功能模塊的識別碼，FX2N-4DA的識別碼為K3020，可以在用戶傳送數據前，利用識別碼確認此功能模塊。2.3主電路接線主電路如圖2-2所示。圖2-2主接線電路圖R1是一種電加熱器，主要用于電加熱的控制實現，系統需要溫度升高時啟動。起啟動線圈為KM1。起保護熔斷器為FR1，有效避免了長時間加熱造成線路過載的情況。同理，A1與R1的作用原理相同，A1為制冷器。KM2是制冷器啟動的繼電器線圈。起保護熔斷器為FR1，有效避免了長時間開啟造成線路過載的情況。同樣的，M1、M2、M3分別為是導風板電機，風機電機、吸氣柵電機用于打開或者關閉設備。通過物理方式，協助有效調節室內的溫度。2.4傳感器的選型2.4.1傳感器的選擇傳感器是信息系統的源頭，通過傳感器來感受物質世界是信息時代的一大標志。傳感器的定義是指能夠感受被測量并按照一定規律轉化為可輸出信號的裝置。由傳感器的定義可知，傳感器的基本功能是信號檢測和信號變換，一般由敏感元件、轉換元件、信號調理電路組成。敏感元件是能感受或響應被測量的部分，轉換元件是將敏感元件感受到的被測量轉換成電信號的部分，信號調理電路是將傳感器輸出的微弱電信號轉換成易于處理的有用信號。2.4.2溫濕度傳感器溫濕度傳感器滲透在生產生活的各個部分，它能收集溫濕度信號并轉換成與其成線性關系的電流或者電壓信號輸出。它體積小，性能穩定，在本文中的作用是實時收集室內溫度信息，通過選用的網關將數據傳輸給上位機，為后面的控制環節提供數據。因為價格便宜，并且在市面上通用易獲得，本文選擇了Aqara集成溫濕度傳感器作為系統部件，如圖2-3。圖2-3Aqara溫濕度傳感器Aqara溫濕度傳感器，基本參數如表2-1表2-1Aqara溫濕度傳感器，基本參數產品型號WSDCGQ01LM產品尺寸36×36×11.5mm無線類型Zigbee電池規格CR2032溫度監測范圍和精度-20°C~+60°C，±0.3°C濕度監測范圍和精度0~100RH(無冷凝)，±3%2.4.3人體紅外傳感器本控制系統主要設計涉及了兩到一個人體紅外溫度傳感器,因此在系統設計工作過程中它還需要額外分別添加一個a/d和一個d/a電壓轉換控制模塊,當對溫度傳感器的模擬信號進行輸入時,將一個模擬量轉換成一個相應的模擬數字溫度測量,來對其變化進行一個相應的文字數據處理;PLC;而在信號輸出時,又因為需要將一個相應數字模擬量及其變化的值轉換成成為一個模擬量的值,才至于可以直接獲得某些電路相應的輸入電壓控制信號,并由其分別驅動不同的電路執行控制單元開始工作。這里我們分別選擇了集四位模擬送出輸入和四位模擬量控制輸出兩個大部分功能為主于一身的兩款三菱FX2N-4DA芯片作為一個模擬量送出輸入控制模塊,它分別可以同時提供12位的圖像分辨率控制精度和2路8位模擬量控制輸入(dc0-10v或一路ac4-20ma)的輸入通道和1路8位模擬量控制輸出的輸入通道(dc0-10v或一路dc0-5v)。又由于采用FX2N-4DA模塊使其具有良好的性價比,因而被廣泛地用于應用在各種電子裝置當中。在本論文中它的作用是收集人進入室內或者離開室內的信號，通過選用的網關將反饋信號傳輸給上位機，為控制環節提供信號。因為價格便宜，市面上通用，易獲得易操作，所以本文選用小米人體傳感器，基本參數如表2-2。表2-2小米人體傳感器基本參數產品型號MOCOIR01產品尺寸48×53.2mm無線類型Zigbee工作電壓DC3V(CR123A電池)發射頻率2.4Ghz工作溫度-10°C~+55°C低電壓預警有探測范圍8m探測角度90°安裝高度2.2m2.4.4網關選擇本論文還需要選擇一個網關作為連接設備和傳輸無線數據的橋梁，因為價格便宜，市面上通用，易獲得易操作，所以本文選用小米智能多模網關，基本參數如表2-3表2-3小米智能多模網關基本參數產品型號ZNDMWG03LM產品尺寸Φ90×25mm額定輸入5V1A工作溫度-5°C~+50°C工作濕度0%~95%RH,無冷凝支持系統Android5.0或iOS12.0及以上版本2.5硬件連接設計2.5.1PLC連接（1）連接端布置FX2N-48MR型PLC基本單元由AC220V的市電供電，電源輸入連接端位于PLC基本單元的左上方，輸入端子的L、N和接地端都連接到三相電的對應火線、零線、地線。開關量輸入連接端位于PLC的上部；開關量輸出連接端位于PLC下部，輸出公共連接端為“COM1”等，不同的輸出公共端相互獨立。DC24V電源輸出的24V端標記為“24+”、0V端標記為“COM”。（2）基本單元與FX2N-4AD模擬量輸入模塊的連接PLC基本單元的DC24V電源輸出給特殊功能模塊FX2N-4AD供電，即連接基本單元左上角的“24+”與FX2N-4AD的“24+”、基本單元的“COM”與FX2N-4AD的“24-”，如圖2-4圖2-4PLC輸入輸出連接圖（3）PLC輸入和輸出分配表PLC輸入和輸出分配如表2-4，2-5，所示。表2-4數字量輸入分配表名稱PLC地址外部編號啟動X0SB1停止X1SB2手動啟動加熱X2SB3手動啟動制冷X3SB4手動開導風板X4SB5手動關導風板X5SB6手動開風機X6SB7手動開吸氣柵X7SB8手動關吸氣柵X8SB9手動停止加熱X9SB10手動停止制冷X10SB11關閉風機X11SB12系統故障X12FR1表2-5數字量輸出分配表名稱PLC地址外部編號啟動加熱Y0KM1啟動制冷Y1KM2自動運行指示Y2HL1導風板開Y3KM3導風板關Y4KM4風機開Y5KM5吸氣柵打開Y6KM6吸氣柵關閉Y7KM7故障指示燈Y8HL22.5.2傳感器互聯方式（1）zigbee拓撲網絡設計采用的技術是一種高速、短傳輸時間、低損耗功率的無線載波傳感器拓撲網絡,它通常具有包括星型、樹形、網狀等多種類型拓撲網絡結構。傳統的網絡樹狀式面向互聯網的網絡傳送數據路徑一般是固定的,如果某根網絡節點葉子損壞了,由于這個網絡數據傳送的固定路徑不能及時對其進行網絡自動化的處理調整,會給網絡后續通過葉子和根節點的相關信息傳送數據以及傳遞過程造成嚴重影響。為大大限度提升了網絡控制管理系統的網絡可靠性和系統網絡安全性,采用新型網狀拓撲網絡架構作為本次系統測試的網絡拓撲基礎架構。如圖2-5圖2-5Zigbee網絡拓撲構建圖（2）溫度傳感器控制元件。由于信號傳感器的每個結點只是與信號協調器互相連接彼此之間通過一種進行點對點的無線連接通信方式用來進行一種無線通訊,因此在需要處理一個編譯器的程序中必須根據需要為其結點配置一個進行點對點的無線通訊。感應器接口模塊函數cc2530通過一個名為感光數據傳輸器的接口函數來直觀地直接獲取有關光照和輻射強度的相關信息,然后通過直接調用一個數據發送器的函數將它作為一個串流發送方式向感光協調器模塊發送有關光照和輻射強度的相關數據。（3）過程協調器控制模塊。協調器與基于傳感器的視頻控制處理模塊之間連接是一種可以采用視頻直播的連接形式。當所有的無線控制信號被系統接收時,調用它在處理室內溫度控制信息時的函數,提取計算出室內溫度的水平高低及室內空氣成本的相關數據,利用它的cc2530模塊可以進行實時的數據發送。（4）zigbee入網的流程節點入網時,可以選擇在該區域內信號最強的母節點加入移動端互聯網,成功的加入后,會得到一個網絡ip,并通過這個網絡ip直接進行數據信息的接收和傳輸。網絡的拓撲關系與ip都會保存下來,而且它們都是分別在各自的flash中。選擇一個合適的id后,設備上層就會要求mac層對于物理層和mac層的Phycurrentchannel,Macpanid等PID的特點做出適當的配置<br>如圖2-6為zigbee入網的流程圖。(8)圖2-6Zigbee入網流程圖2.5.3CC2430芯片ZigBee通信模塊采用CC2430通信芯片，如圖2-7。CC2430芯片是一款真正意義上的ZigBee片上系統解決方案，它包含了一個高性能2.4GHzDSSS射頻收發核心和一顆高效的8051處理器，能支持2.4GHzIEEE802.15.4和ZigBee協議棧。CC2430集成了RF射頻模塊、8051處理器、8KBSRAM、32K/64K/128K閃存，還包含模數轉換器、定時器模塊、看門狗定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝，最大工作電流消耗為27mA，休眠模式下僅有0.9μA的電流消耗，因此在實際應用中使用電池供電即可維持數月之久。圖2-7CC2430集成芯片內部結構3.1程序流程圖根據功能分析對軟件設計的要求，軟件模塊設計部分分為三個部分，分別是數據采集模塊、控制模塊、故障報警模塊。采集模塊目的是由PLC的一個氣體模擬量進行輸入,該采集模塊目的是為了根據采集需要氣體的實際溫度、濕度等振動強度,存儲于一個相應或對應的一個PLC模擬數據存儲寄存器中,以為了便于氣體組態王理器通過與帶有PLC的各種無線通訊方式進行數據顯示和自動選擇所采集需要的氣體設置硬件參數。控制計算模塊主要是通過對用戶采集后數據存儲的一個數據值在寄存器文件中的數據值和一個來自上位機上的用戶所自行設定的數據值之間進行自行比控。按照設定好的控制方案來控制元件進行相應的數據執行。故障并聯報警處理模塊通常會把所有這些可能同時發生的硬件故障都進行并聯了處理起來。本文選擇的算法是一種把各個點的環境參數都直接控制在一定的精度范圍內用來進行環境控制的模擬算法。對于每個需要環境參數的自動控制而言,自動控制的工作方式都可以是大體相同,即是把每個環境參數的指定實時區間值和當前用戶所在的需要自行設置的實時區間的值進行自動比較,若在一定的實時區間外,則數據會被返回觸發發送給用戶相應的需要執行控制元件,直到如PLC等被采集后所得到的環境實時參數值會被返回觸發給當時用戶所在的需要自行設置的指定區間內,停止后再執行其他元件的控制工作。對于每一個新的執行系統元件,都會根據每個執行系統元件的實際運動速度狀態實時進行速度反饋和通過PLC進入輸出的速度比較分析來準確判定這個新的執行系統元件本身是否已經能夠正常有效地執行工作,或者它們本身是否已經能夠完全達到整個執行系統元件的工作可靠性和速度控制性的要求。以測定溫度的實際控制上限系統模型為此舉例,初始化后系統可以自動比較實際的測定溫度和測量溫度的控制上限、下界的差值,當任何一個溫度傳感器所需要采集的實際測量溫度遠遠需要小于其所測量的實際溫度下界上限時,PLC系統會自動控制使用加熱器的設備、制冷設備、導風板等控制裝置,這些溫度傳感器利用執行某一重要部件的控制動作的機會可以導致實際溫度均勻地向下上升,當實際的測量溫度遠遠需要大于其所測量的實際溫度控制上限時,PLC系統會自動控制使用加熱裝置、制冷器等裝置、循環風,這些由感器執行某一零件的控制動作可以導致實際溫度均勻地向上下降,從而可以導致實際測量溫度的值返回至測量溫度控制下限和測量上界之間的一定區間。控制流程如圖3-2所示。圖3-2軟件邏輯流程圖如圖3-3流程圖所示,當檢測到有人進入房子，系統會先收集室內溫度信息然后及時完成空調溫度自調整。如使用者需要短期離開室內辦事兒，但這時因檢測到人離開變成室外狀態從而關閉了空調，這就會對使用者造成困擾。所以，在此構建一個延時程序假如具體設計中完善這個問題，當檢測到人離開時，先將狀態位短暫停留15分鐘，在此期間如果人回到室內就繼續維持狀態。如逾期未歸，中斷程序隨后一處，狀態位清0，此時由系統控制關閉空調。這種設計大大提高了系統人性化和靈活度。圖3-3延時關閉程序流程圖3.2PID控制PID控制在自動控制的發展過程中是汗青上最為悠長、生命力最為頑強的基本控制方法。PID控制方式存在著被用戶需要的特性，具體如下：（1）它的算法相對比較容易，用戶很容易就能通過簡單的硬件和軟件的方式來實現；（2）它具有很強的適應能力，各種行業都需要用到。正是因為PID的這兩個優勢，PID控制至今在控制方式中仍然是比較受歡迎的方式之一。溫度在日常的生活中是一個雖然平常卻又很重要的物理量，人們在很多方面都會利用到溫度這個模擬量，這就要求我們對溫度的測量以及控制需要掌握的十分嫻熟，很長的一段時間以來，無論是國內還是國外的為科技奮斗的工作人員都對溫度進行了不斷地研究并制造出了許多不同種類的控制溫度的器件，比如生活中很普及的性能比較完善的PID調節器以及智能化控制的PID調節器等等。普通規范下的PID控制系統的簡單的原理框圖如圖5-14所示，該部分的系統主要是由比例環節、積分環節、微分環節和被控對象構成的的閉環控制系統組成的。圖3-4常規PID控制框圖3.3編程軟件GXwork2以及梯形圖圖3-5賦值模擬量輸入輸出模塊梯形圖圖3-6自動運行程序梯形圖圖3-7開啟后人體感應以及停止程序梯形圖圖3-8溫度偏差計算程序梯形圖圖3-9PID程序設置梯形圖然而本文設計的系統還有許多不足之處，例如：硬件部分連接方式繁瑣，軟件的一些功能不能全面實現，組態界面的設計還可以優化。與實際市場上存在的溫控系統還有很大差距。如今，物聯網溫控系統設計正朝向高智能化，近人性化，小型化的方向推進。更實用的人機交互界面和產品功能也是物