目錄基于西門子S7—200smart的中央空調控制系統設計摘要：隨這時間的推移，工業化水平與教育程度的不斷提高，能源消耗與環境污染愈發嚴重，環保型產品就顯得尤為重要，必是今后道路的風向標。論文基于PLC來控制中央集成空調節能系統，計劃節省出百分之二十五的電量，以及大幅度減少排出的溫室氣體。在這次節能改造中所采用的包括冷水機組、變頻器技術、PLC編程技術、以及溫度傳感器的應用，并通過循環泵頻率控制末端空調的溫度，來整體降低空調負荷。西門子的S7-200SMARTPLC是這個系統的主要控制器,通過應用PID控制算法與ABB變頻器來控制水泵運轉速度，實現了根據實際情況來進行宏觀調控,既保證了用戶的體驗也可以能源上的節約。關鍵詞：中央空調；PLC；PID算法；變頻器技術；目錄5164目錄 頁共=numpages25-322頁第一章引言1.1課題背景能源對現如今社會的進步起著舉足輕重的意義，擁有大量的能源資源儲備是推動經濟社會可持續發展的堅實后盾。現在科技水平發展的愈來愈快，在過去一個多世紀里，尤其是上世紀的60年代，世界對能源的消費越來越快，而其中的煤、石油等不可再生能源更是被大面積的消耗，以至于現在爆發了能源危機和嚴峻的環境污染問題。現如今一個國家擁有多少的資源就決定了它在世界上的話語權有多大，因此世界上的各個國家都已發覺到節約能源以及尋找利用可再生能源的重要戰略意義"。就現在而言我們國家所開采出來的新資源已經跟不上我們資源的使用速度了。預計在經歷十個春秋，我國的石油使用總量將會達到驚人的6萬萬噸左右，而再過十年左右，我國的石油資源八成都會依賴于進口，由此可見我國對不可再生能源的需求日益增多但我國對這種情況的應對卻不是很到位。這樣所帶來的問題就是會受制于他國的控制，這是我們所不能接受的。現在能源與環境問題是擺在全世界人民面前的一道嚴峻的難題，現在所建造在大型建筑中的中央空調都會存在著大功率不節能問題，雖然它滿足了人們對于想要達到的溫度的要求，但是它所帶來的高消耗是我們不可忽視的浪費。因此我們需要讓這些本不應該浪費的能量在別的功能上發光發熱。實現節能環保與可持續發展。雖然說我們現在在發展節能系統，但是這不是最主要的解決現狀的手段，開發的產品只可以說是緩解了當期狀態下的壓力，而不能夠從根本上解決問題。所以我希望二十一世紀的人們可以提高警惕，杜絕對能源的隨意浪費，從而更好的保護我們的家園。1.2國內外研究現狀在這個越來越科技發達的人類社會，正是科技的發達與資源的過度消耗，導致了環境的變化越來越大，所以我們中央空調大展身手的時候就越來越多。空調的類型與功能也在全面發展，在最初的時候我們就只考慮到中央空調是否可以為人們帶來舒適的環境，而沒有去思考它所帶來的弊端。現在我們就應該把之前已擁有的空調系統進行節能改造，使之達到我們滿意的水準。在后續的系統中，我們也要同樣要求。不可有半點馬虎。在發展的初期，我們控制運行狀態的手段十分的單一，只能夠實現簡單的一開一關。礙于當時的技術有限，在早期的實踐中可能沒什么問題，但是在情況變化的今天，它就帶來了資源浪費的問題，這就跟我們現在節能環保的理念背道而馳了，因此我們就需要做出改變。經過時間的推移，計算機水平的不斷提高，針對于空調的節能被提了出來，一旦它實現了那將為我們節省很多能源。在我國進行社會改革之前，國外一些發達國家已經對環保事業表現出了很濃厚的興趣，當然它們不僅僅只停留在興趣的那一層面，而是把它們變成了實實在在的產品。而同期的我們，在這方面的成就就沒有國外的優秀，這也是沒有辦法的事情，不過我們奮起直追，一定可以追上并趕超它們。如今，我們在節能系統方面已經不遜色于他人，甚至可以說站在了行業的前端。這些都離不開老一輩研究人的辛苦努力，是他們讓世界重新認識了我們。現如今我們的科研人員還在不斷的對節能控制進行深入的研究，在不遠的將來更加優秀的產品一定會被造出來。而這些產品一定會造福于我們人類。我們一定不能讓落后再次回到我們的頭上，一定要有危機意識，將這些隱患早早的發現出來，解決它們。1.3中央空調的發展趨勢以往的空調只可以簡單的實現對于及設定好的溫度的控制，而不可以滿足人們對于節能環保，健康舒適的愿望。所以把這些不可以實現節能環保的空調系統改造為綠色節能的空調系統就是我們的首要目標。要想實現這個目標，不是一件簡單的事情，其中包含有環境問題，經濟差異問題，人員問題。1）環境問題我國是全世界第三大的國家，其中包括34個省，960萬平方公里。其包含的地域之廣，地域差距之大不言而喻。并且每個地方的氣候環境也不盡相同，可能這邊是經常都是晴天，而另一邊就是常常都是下雨陰天。所以我們要根據不同地方不同的天氣條件來選擇不同條件的中央空調，覺得不可以在其他地方運行實踐過反響優異的節能環保系統就運用過來繼續使用，一定要當地的環境來策劃不同的系統。要保證我們做出來的節能環保系統是能夠滿足當地的氣候條件。2）經濟差異問題正是因為我們擁有如此大的國土面積，所以我們各個地方的經濟水平也不盡相同，在條件相對發達的地方，它們所運行的空調就會更加的現代化。而那些水平相對來說不是很富裕的地方，它們那個地區的空調就比較的落后，所以我們要根據當地的經濟條件來選擇合適的配件，在發達一點的地區就使用好一點的材料，而那些條件不是那么好的地區就用性價比高的配件。總之各個地區不同的經濟條件是我們不可忽視的要素。不管是地域問題還是經濟差異問題在我看來：再經過一段時間的發展，我們地區之間的貧富差距一定會大大減少。我們以后是生活一定會越來越好。第2章系統方案設計2.1中央空調概述單冷型管路系統與熱泵型管路系統是兩種不一樣的系統模式，但它們都是生活中常見的系統。作為只能夏天進行作業的單冷型管路系統比較簡單，為什么這么說呢，因為它只可以降溫。并且在它進行制冷工作的時候同時會產生熱量；而多了一個電動四通閥的系統運行就不是那么的簡單了，它的功能就很全面，不再那么單一了，它可以進行循環調節，可以在比較復雜的環境下運行。這就是兩者不一樣的地方了。希望在今后的發展中，可以研發出更加全面高效的系統，來進行更加復雜的環境下運行。讓我們的用戶體驗越來越棒，真正做到節能為民。2.2中央空調結構這次的設計組成有六種關鍵設備。在下文我們會一一的進行介紹，一定要確切的搞清楚它們的作用。我們提到的工作系統并非像傳統的方式，而是需要媒介的。我們的媒介就是我們的循環系統，依靠這樣的方法把冷量提供給空調設備。1.冷水機組的主要工作原理:制冷劑將會進入蒸發器中被蒸發并且吸取載冷劑當中的熱能以此來制冷，直到溫度降低到我們既定的要求時，滿足要求的時候，制冷劑就會由開始的常溫下的液態形式而變化為所謂的濕蒸汽。接著壓縮機就開始了它的工作，并把制作完成的氣體送入了冷凝器。高溫高壓的氣體在冷凝器里面經過轉化就變成了液體，想要被運輸進蒸發器里面所有一道工序不可缺少，就是要通過節流閥門的降壓。在完成降壓之后，這一個流程還沒有完全結束，還需要壓縮機進行運作，這樣就可以進行下一個往復工作的運作了。想要成為系統的末端設備輸送所需要的冷源，就必須要經過降溫等一系列的過程。冷卻塔這個時候就會進行它的功能，使用外部流通的冷空氣來降溫。圖1.1空調系統的工作原理通過圖1.1我們能夠發現，里面的空氣通過冷凍水減少熱量過后，再把熱量減少的冷凍水排放到戶外進行自然降溫。2.冷凍水和冷卻水的工作原理如下:這個系統中沒有載冷的東西是不行的，缺少了它這個系統就不能正常的運作起來，他就是冷媒水，其專業名字稱作冷凍水。它就相當于一個媒介，其核心就是在需要它的地方進行冷熱交換。冷卻水不僅僅只用在寒冷的時候，應該要做的全方面的采用。它還可以起到保護的作用。是為制冷主機供給冷源，而當冷卻水進入冷凝器時，這個時候冷卻水汲取了很多的熱量之后提高了溫度，在通過冷卻水泵作用把它運輸到冷卻塔等待接下來的操作。旁通管就是一個特殊通道，它可以讓流體不經過通常方式而采取它的運輸道進行傳輸。它的頂上擺放其旁通閥門。需要旁通閥門打開的情況就是出水溫度不正常，而判斷的條件就是溫度傳感器感應其溫度低于正常值。這個時候低溫的冷卻水就會直接進入冷水機組。整個過程里面的冷凍水和冷卻水大部分是經由循環水泵發出的能量來進行一遍一遍的作業的。3.冷卻塔的安裝是有一定的要求的，它不能隨隨便便就建造在一個地方。要考慮到冷卻塔本身的重量，以及預安裝的位置是否可以承受的了日后安裝完成后所帶來的壓力。考慮完地理位置后，同時也要考慮所必備的外界條件。在安裝過程中，塔應該放在水平的位置上，防止因為地面的凹凸不平所導致底盤被損害。底盤安裝時還應該檢查其是否干凈干燥沒有變形。最后塔的安裝一定要地勢開闊的地方，保證空氣的流通性好。最好是安裝在樓頂，因為這樣帶來的干擾就會比較小。就算是安裝在別處，也一定要小心謹慎，仔細觀察周圍的地形，避免周圍的灰塵或煤煙過多給冷卻塔帶來的不必要傷害。高溫氣體在進入冷卻塔后會被吸收掉多余的熱量，而所吸收的熱量會被散發在室外的空氣中，進行自然的冷卻。2.3中央空調的控制原理我們在每個辦公室都配備了獨立自主的溫度控制器，使之自由控制想要的溫度，以便于大家可以在令人舒適的溫度下工作。通過對比實際與預期的溫度，來作為判斷的基礎，通過PID來操控冷凍泵的轉速，使之達到合適的溫度，這就是溫度閉環反饋系統。如圖1.2所示，這里面的每一步都十分的關鍵，一定要認真完成，絕對不能夠帶著誤差去進行作業。在相應的地方還應該設置報警器，用來提醒我們發生故障的位置所在。圖1.2流程控制過程圖2.4系統硬件設計在這次的節能改造中，我們采取3臺冷水機組作為主機，6臺水泵，在里面選取3臺冷凍水的水泵作為備用水泵。冷凍水的出水溫度是可以進行監測的，它的監控范圍在上下7度。超過設定值就會由冷凍機進行調節。2.4.1主電路設計圖1.3是系統主回路示意圖本次的操作模式分為本地與遠程。通過控制SA來切換不同的模式1）遠程模式是通過PLC及變頻器下發命令進行控制。2）手動模式是通過開關的閉合來控制電機的工作狀態。2.4.2PLC控制電路設計圖1.4是PLC的外部接線圖我們可以通過S7200SMART來對變頻器進行控制，以此來控制電機的運轉。除此之外，CPU可以通過直流的方式進行供電，也可以通過交流的方式進行供電。其中用于通訊的就是RS-485.圖1.3中央空調控制系統電路圖圖1.4中央空調控制系統PLC外部連接圖第3章PLC控制系統硬件選型本章內容主要對一些硬件的內容進行介紹，因為這些都是我們這個設計中比較重要的部分。把這些硬件的選型敲定下來，那我們這個設計的基礎也就被打牢了。可編程控制器最開始是發源于美國的，它早在上世紀60年代就被開發出來了。我們在日常使用的PLC，其研究它的目的就是為了取代繼電器。隨這研究的不斷深入，它在繼電器的優點上進一步的發展。不僅僅是作為原來的代替品，去完成任務的。發展到現在，它的功能已經不再局限于原來的目標，而是變成了具有各種功能的集大成者。現在不僅僅是小的方面在用，更大的層次也在使用[4]。可編程控制器就現在而言，我實實在在的感受到了它的便捷與高效。就算是之前我剛剛入門的時候也可以很快速的找到我所需要的指令，在編輯中我還可以在注釋中記錄我所書寫程序的功能，就算是第二次再看，我也可以很清楚的知道我上次編寫了什么程序。3.1西門子S7—200smart介紹在本次節能設計中采用S7

200

SMART

CPU。而S7

-

200

SMARTCPU產品西門子新研發的新型產品,它相比較于以往的CPU有了很多的升級。其主要性能如下：1)適應性強，我們為用戶提供了更多的選擇，可以在不同的場合使用不同類型的CPU。具體型號如下圖所示。除此之外，CPU同時也更新了60個I/O點，可以勝任各種環境的要求。2)添加模塊，我們為新產品中添加了倆種模式，分別是擴展模塊與信號板。這倆種都有不同的功能。3)全新芯片，在新產品中全新的高速芯片,它處理命令所用的時間僅要0.15μs,這樣的高效率可以更快的完成我們所下達的指令。4)輔助記憶，在SMART中我們可以把每個指令的含義添加到注釋內，方便我們日后的維護，就算是別人也可以很清楚的知道程序的內容。5）操作方便，在編程界面它做到了把工具欄一一歸類，就算是剛入門的用戶也可以很輕松的找到自己所需的指令[14]。3.1.1PLC的工作原理程序運行分為三個階段，而這三個不同的階段則組成了一個完整的掃描周期。這三個階段分別是取樣、執行方案、運行階段。一，取樣階段。依流程進行全方面的順序讀取，輸入端儲存輸入端數據，上面流程進行后，寫入數據庫，然后重新輸入。二，用戶方案的執行情況。按照所記錄的數據順序排列應該執行的命令，然后在一一運作。處理的過程中，所得到的答案會重新寫入輸出登記冊，隨著程序的執行，輸出登記冊的所有內容都會發生變化。三，運行階段。全部的指令在執行結束的時候，輸出被調整，輸出記錄被發送到輸出記錄中，接收器、晶體管或晶體管會顯示最終結果。圖1.5可編程控制器與其他設備的連接3.2溫度傳感器選型簡單來所溫度傳感器就相當于溫度計，不過它卻是本次設計不可或缺的一部分。我們可以讀取傳感器發送來的數據來進行自我的判斷，實現可以控制不同的環境采取不同的方案。這樣就滿足節能方案的重要一部分。在本次計劃中，我們要采取相對應型號來輸送及時有效的數據。PT100就可以非常好的完成這個任務，它是一種精度比較高的傳感器，在一些極端的環境它都可以發揮作用。PT100溫度傳感器同時可以用來進行信號的相互轉換。PT100在很多地方都用的上，好比工業，醫療等需要高度精準的溫度設備。傳感器發出的信號會溫度的變化而變化，它的對應關系可以參考下表。其中0度的時候阻值為100Ω[5]。PT100溫度—電阻表，如表1.1所示。T—R關系圖如圖1.6所示。表1.1PT100溫度與相應阻值對應表溫度/℃-50-40-30-20-100102030電阻/Ω80.3184.2788.2292.1696.09100.00103.90107.79111.67溫度/℃405060708090100110120電阻/Ω115.54119.40123.24127.08130.90134.71138.51142.29146.07溫度/℃130140150160170180190200電阻/Ω149.83153.58157.33161.05164.77168.48172.17175.86圖1.6PT100T—R關系圖3.3人機界面選型人機界面的縮寫是HMI，全稱是HumanMachineInterface。其功能就是用來控制和監視機器，生活中常見的HMI有ATM機。如果沒有HMI，就很難擁有良好的自動化流程。它通常會以屏幕的形式出現，有點像計算機屏幕，不過對比其他屏幕，它們都是觸摸屏。可包括溫度，壓力，工藝步驟等信息，同時也可以顯示一些比較精確的數據，使我們可以很方便的查看所需要的信息。對于維護人員，許多HMI還可以連接PLC程序到它的顯示屏上進行通訊，可以在屏幕上很方便的操作。以此來進行故障排除，這樣就可以節省出許多寶貴的時間。它的面板功能十分豐富，我們在使用屏幕上可以書寫很多功能，可以方便我們對所需要內容的控制。控制面板上我們可以把所需要的控制按鍵編輯在其中，它的具體性就體現出來了。具體功能PLC上的程序可以在其中體現出來。也可以進行屏幕系統的保護程序，同時也可以校準其中模塊的位置。我們也可以面板進行密碼保護，防止其他無關人員的誤觸所帶來的麻煩。也控制針對其中內容做出具體的聲音反饋系統，進而方便我們操作。3.4變頻器選型3.4.1變頻器介紹我們的交流變頻器有時被稱為變速傳動（VSD），或變頻傳動（VFD）。而我們的變頻器的安裝的安裝是有要求的一定不要放置在溫度不穩定環境下，同時要注意不可在它的周圍隨意安裝其他的控制器。1）在變頻器中，輸入的電能通過整流器，整流器將輸入的電轉化為直流電。2)直流電進入變頻器內部的電容，這是為了平滑電壓波形，之后電力流入逆變器，在逆變器的作用下變為交流電，供應電機。這樣就可以根據實際情況調節所需要的頻率和電壓3.4.2變頻調速原理在中央空調發展的初期，一開始的系統中所包含的的內容非常的單一，不可以進行一些速度的控制，它的頻率都是一成不變的，也就導致了它的耗電非常的高，能源的利用上非常的不到位。而且常常都會導致用了很多的電，還是不能夠很好的對房間溫度進行很好的輸送，這就是沒有變頻調速帶來的弊端。以高運行方式卻不能帶來高回報的收益，這樣的控制方式一定是不完善的。所以我們要進行改變，根據實際情況來控制電機的使用頻率，杜絕使用大功率卻做著小功率都可以完成的任務。在不需要它工作的時候，我們可以把它關機，因為長時間的運行也會對我們控制的東西帶來一些危害，這樣會導致他的使用時間變短，從而帶來的其他費用是不需要的。有時候天氣的變化也是控制溫度的一個要素，要根據當時環境做出相對應的變化，達到使用情況與使用能源成正比的關系。3.4.3變頻器的選擇變頻器是整個過程不可或缺的一部分，它的地位不言而喻。所以我們要非常細致的挑選的產品型號，一定要經過充足的考量。變頻器的選擇原則是：1）根據不同的情況選擇不同的信號2）我們在如何選擇變頻器的時候，必然要注意防變頻器的護等級是否與現場的狀況相吻合。此次設計中采取了ABB公司的ACS510作為主要的控制變頻器。ABBACS510變頻器和普通的變頻器比起來，它適合用在各種工業領域方面，適合各種負載。為什么要選擇該種變頻器1）在PIC應用上得到增強，能夠隨時切換更多的泵；SPFC循環在軟啟動的功能下可以根據順序來調節每個泵；超越模式更適合應用在緊急狀態下的任何場合；2）作業時不會其他東西，且利用率非常高；它還會根據實際情況進行最優的改變；安裝工人也可以更加輕松的安裝；同時它的占地面積也很小，不會影響其他元件的安裝。3）使用的時候更環保，并且還能提供高智能的人性化。3.5PLC與變頻器的通訊3.5.1RS-485介紹儀表盤在上個年代因單片機而發展起來，它的一個重要組成部分就是可以進行聯網以此來進行通訊。最開始的是RS232接口，但它開始實現的功能十分有限，不足以滿足我們需求，所以很快就被我們的RS485來代替。以RS485可以很高效的解決我們所需要的要求。3.5.2USS協議軟件與S7—200smart間的通訊S7200SMART可編程控制器與西門子系列的變頻器之間使用的是USS通信協議，在STEP7中可以很方便的完成通信控制實際驅動器和讀取寫入驅動器參數[8]。USS通信是以主站為起點一直不間斷的循環訪問各個從站，從站根據收到的信息進行響應。從站做出響應時需要滿足的條件：(1)從主站那里接收到的信息沒有錯誤。(2)從站在接收到后主站報文中能夠被尋址。不滿足上述條件的前提或主站發送的是傳播信息，從站就不會做出任何相應。當主站的信息被從站收到后，從站必須在規定的時間內做出響應，不然主站會認為從站那里有問題。第四章PID控制設計4.1PID控制PID控制在日常中時不時的就會碰見，不僅我們這次的設計運用到它，在各種方面都可以很好的使用。小到個體化的控制，大到各種元件配合的集成系統它都能夠完美的勝任。這里就不得不談到倆種系統開放回路系統與反饋回路系統。開放回路系統也被稱之為開環控制（OpenLoop），其特點輸出不會反向影響所控制對象的輸入。所以開環控制對于一些簡單的任務或精確度不高的任務是沒有問題的。反饋回路系統也稱之為閉環控制（ClosedLoop），PID控制就是比較常見的閉環控制。它的特點是輸入不再是一個恒定的輸入，會根據輸出進行調整。特性：1）實用性非常廣泛，滿足各種情況的需求2）適應性強，魯棒性強：就算遇到一些嚴重的問題也不會輕易的崩潰，對極端環境適應性強3）PID算法問世是時間已經很長了，它在各行各業優秀的運作就是我們的保證。圖1.7PID控制系統原理圖4.2PID參數整定簡單來說，PID作為閉環控制單元實現了三個目的：P是實現當前誤差閉環控制，I是實現過去一段時間Tn內的累積誤差控制，D則是對未來某個時間段Tv內的預測累積誤差控制。所以PID三個增益參數都是對時間狀態的預測。?4.3對中央空調的PID控制PID控制在對空調系統的控制中還是比較精確的，它所包含的誤差值基本上可以忽略不計。PID控制著水泵與電機是非常具體的，可以實現對其實際情況改變而進行改變，保證頻率的運行一定是合理的。而兩處不一樣的溫度的差距具有變化是，便可以收到傳送來的信號，以進行對兩端溫度的調節，使之可以達到預期的目標。內部的溫度解決完，電機的內循環就趨于正常。我們在進行調節室內的溫度，要讓它達到用戶體驗的目標。光有以上還是不完全的，其他的變化也會影響著我們的控制變化，這樣帶來的變化也是需要調節的。無論外在的變化如何的改變，用戶的體驗是不能夠變差的。這時候我們編寫的程序可以為我們很好的解決這個問題[10]。希望以后PID的控制可以對接下來的系統進行更加優良的控制，實現越來越好的目標。第五章PLC程序設計5.1程序流程圖根據下圖我們可以發現空調啟動之后的要求非常嚴格，每一步都是正常運行的重要依據。圖1.8中央空調控制系統程序流程圖

5.2中央空調控制系統的I/O分配表表2.1是本次PLC分配的輸入信號。表2.1中央空調控制系統的I/O分配表I0.4控制電機運轉方向I1.0轉換USS通訊和PPI通訊I1.1運行啟動SAI0.5本地/遠程控制SB1I0.6本地運行1#冷凍泵SB2I0.7本地結束1#冷凍泵SB3I1.2本地運行2#冷凍泵SB4I1.3本地結束2#冷凍泵SB5I1.4本地運行3#冷凍泵SB6I1.5本地結束3#冷凍泵AIW0室內溫度控制器表2.2是本次PLC分配的輸出信號。表2.1中央空調控制系統的I/O分配表輸出信號Q0.0運行模式反饋Q0.1運轉方向指示Q0.2指示驅動裝置禁止狀態Q0.3錯誤反饋KM2Q0.51號泵的頻率過程及狀態顯示KM1Q0.41號泵的頻率過程及狀態顯示KM4Q0.72號泵的頻率過程及狀態顯示KM3Q0.62號泵的頻率過程及狀態顯示KM6Q1.23號泵的頻率過程及狀態顯示KM5Q1.13號泵的頻率過程及狀態顯示AQW0輸出模擬信號到變頻器圖2.1中央空調控制系統的I/O分配表5.3程序中使用的存儲器及其功能說明下圖是存儲器的功能說明圖圖2.2存儲器及功能第六章監控界面設計6.1MCGS組態軟件簡介簡單來說，它就是一種監視軟件。可以讓我們實現本地與遠程控制，方便了我們對數據的操控。它的實用性非常的強，在各行各業都可以實現它的價值。是一種非常優秀的軟件，在我們的控制行業是必不可少的。可以在電力，燃氣，鐵路方面進行數據采集與監視。組態軟件的工作效率非常之高，過去要很長時