基于PLC的中央空调温度控制系统设计.docx
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基于PLC的中央空调温度控制系统设计
毕业设计(论文)
基于PLC的中央空调温度控制系统设计
DesignofthetemperaturecontrolsystemofcentralairconditioningbasedonPLC
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摘要
目前,随着技术水平的不断提升,中央空调已经被普遍的使用到了建筑当中。
中央空调能够使整个建筑的室内温度保持在一个稳定的状态下。
在过去的旧设计中,空调内部的各个系统一直处于工作运行的状态下,不能随着外界环境的变化而产生相应的变化,这些都会对中央空调产生一定硬件的损耗,而且也会造成资源的不必要的浪费。
本设计所使用的温差闭环自动控制系统是由变频器、PLC、温度传感器等共同组成的,一般情况下,中央空调主要采取的节能形式往往是使用自动调节水泵流量实现的。
在本次设计当中,将西门子的S7—200PLC作为主控单元,并且结合PID算法和MM440变频器共同完成对水泵运转速度的控制,通过这样的设计能够有效的控制整个系统的工作,并且能够实现系统随着实际工作的需求对本身的流量做出相应的控制,这样一来,就能完美的实现空调的恒温控制,并且有效的避免了当前中央空调能源消耗较大的现象。
【关键词】中央空调PLC温度控制系统设计
ABSTRACT
Atpresent,withthecontinuousimprovementoftechnicallevel,centralairconditioninghasbeenwidelyusedinbuildings.Centralairconditioningcankeeptheindoortemperatureofthewholebuildinginastablestate.Inthepastolddesign,eachsysteminsidetheairconditionerhasbeeninthestateofworkingoperation.Itcan'tproducecorrespondingchangeswiththechangesoftheexternalenvironment,whichwillproducecertainhardwarelosstothecentralairconditioner,andwillalsocauseunnecessarywasteofresources.Thetemperaturedifferenceclosed-loopautomaticcontrolsystemusedinthisdesigniscomposedoffrequencyconverter,PLC,temperaturesensor,etc.itcanachievethemaximumenergysavingbyautomaticallyadjustingtheflowofwaterpump.ThemaincontrolunitofthissystemisS7-200PLCofSiemens.ThroughPIDcontrolalgorithm,MM440frequencyconverterisusedtocontroltherunningspeedofwaterpump,soastoensurethatthissystemcanadjustitsflowaccordingtothedemandofactualworkingload,andachieveconstanttemperaturecontrol,soastoperfectlysolvetheproblemofenergywasteincurrentairconditioningsystemQuestion.
Keywords:
centralairconditioning,PLC,temperaturecontrol,systemdesign
第一章绪论
1.1研究背景及意义
中央空调在市场中销量高的主要有两种。
一种是单冷型的系统,一种是热泵型的系统。
第一种管路系统主要是应用在夏天的时候,它能够产生冷气。
第二种的功能要全面一些,即制冷产生热量[1]。
这两种系统产生不同的原因主要是四通阀,第二种管路系统装置的四通阀是电动的。
这个装置用来调整空调内的制冷剂的流向。
单冷型管路系统是我们主要研究的对象。
这次基于PLC的中央空调温控系统设计主要目的为降低能耗的损失,所采用的设计理念为更加有效的控制空调主机,提高系统的效率。
在针对控制系统的技术升级后,机器每年的节电率最少可以达到30%。
主要是使用一台变频器来对三台水泵进行控制,并且在这个过程中由着针对每一台水泵机的软启动功能,这项设计极大的减少了对于电网的冲击程度。
并且在加入每个机器的软启动后,不会使中央空调的制冷效果受到影响。
另外,空调的冷水系统使用了温差闭环控制技术与温差自动调节技术。
对于节能系统还设计了过流保护的功能,提供高系统的稳定性,所有技术的突破都是为了改善空调的舒适性[5]。
1.2研究现状
1.2.1中央空调发展现状
随着科技的发展,为满足当代社会人们的日常需求,低碳环保的中央空调是未来具有强大竞争力的发展方向[2]。
目前空调行业竞争激烈,产品的创新是每个企业的都日益重视的,并且创新的点多围绕着地毯环保所进行的,社会环境、自然环境的重要性日趋受到重视,所以低碳环保的空调的研发有着重要的意义。
科技的发展往往会促进人们对于高科技产品的需求,现如今,以往的传统空调已经难以满足人们的日常生活和工作的需要,并且随着新的中央空调的产品不断出现,一些老式的中央空调几乎已经无法占据空调市场的一席之地了,因此,一些中央空调企业如果想要提升自身的竞争力,以及在激烈的市场竞争当中为自己求得一席之地,就不得不将自身的工作重点转移到对新市场的开发上面。
目前市面上比较新颖的中央空调包括变频多联机、单元机、离心机等多个领域的发展使得中央空调在科技的领域发展迅猛。
随着人们生活水平的提高,对于空调的性能的需求也愈发的高,对于节能减排的健康需求得到各界的重视,就当前情况来说,节能型的中央空调具有非常广阔的发展前景,并且也是未来中央空调发展的一个主要方向。
1.2中央空调发展趋势
现如今,科学技术的发展日新月异,中央空调产品的更新换代也非常快,因此,人们对于中央空调的要求也在不断的发生着变化,一来,人们目前的生活水平较之从前有了很大的提升,对于中央空调的要求往往也不再是单一的制冷要求,二来,越来越多的人们开始更加关注能够节能减排的环保型中央空调,就当前的发展形势来看,变频节能型的中央空调深受广大用户的欢迎,并且也是今后中央空调发展的一个最具前景的方向之一。
本文觉得,社会发展的基本前提是以人为本,空调行业也需要从人出发,这样才能设计制造出能够满足大众需求的中央空调产品。
消费者是会推动企业的科技水平的发展技术与发展也会被推动,所以变频技术在未来的发展中[3]。
对于今后的中央空调发展趋势,本文觉得从目前的发展形式来看,对于中央空调最主要的两点要求可以概括为两方面,一方面,从环保角度来说,要求中央空调具备低碳节能的特点,另一方面,从技术角度来说,要求中央空调能够实现变频。
在人类社会进步的历史中,生活水平的提高大多时候都是伴随着环境受到破坏的代价的,针对这点,我们认为低碳节能的环保模式是未来经济发展所会要求的,根据所提出的社会大环境那么中央空调的变频节能也会依照发展的态势继续走下去。
想要低碳节能需要提高其空调压缩机系统的安全性与经济性,同事末段系统运行也同样要受到重视。
人与环境和平相处是近几年来所提出来的利于人和环境实现共赢发展的非常正确的目标,本文觉得,中央空调应该将可持续发展作为自身的发展方向,充分的利用变频技术降低对能源的消耗,为广大用户提供更加高科技的中央空调产品,并对环境保护贡献一份力量,就是因为变频技术与人们的居住环境的和谐发展是所需要的[4]。
空调行业的发展要减少对于环境的破坏,做到人与自然和谐共生。
只有将保护环境、节约能源做好,才能更好的促进中央空调行业的可持续发展。
1.3研究目的及方法
本文分析了中央空调的的发展现状及未来趋势,得出变频节能技术是今后中央空调非常重要的发展方向。
此次基于PLC的中央空调温度控制系统的设计主要采取传统的PID技术进行整个系统的控制,并且能够通过自动控制系统实现温度的调节,并且本次设计也考虑到节能因素,通过变频技术来调节水泵的输出量。
本次设计选择将S7-200作为主控单元,这是一种可编程控制器,另外,本文对RS-485总线控制系统也做了相对细致的分析,同时给予USS通信协议对组态设计存在的特点进行了深入的分析,希望能够设计出能够同时满足中央空调对温度的控制以及降低能源消耗的要求。
希望通过本文的设计和相关分析,能够为今后的中央空调的发展带来一些启发,并且为日后的研究学者们提供一些参考。
第二章中央空调系统概述
现如今,中央空调产品的控制系统基本上可以归纳为两类系统,一类是单冷型管路系统,另一类则是热泵型管路系统。
总体来说,两种系统各有各的优势,通常情况下,如果只需要在炎热的夏天进行室内的降温的话,往往需要使用单冷型管路系统,这类系统并不需要具备制热功能,它主要的工作原理就是通过制冷来生成热量;和单冷型管路系统不同的是,热泵型管路系统是一种可以四季来使用的空调,其可以制热也可以制冷[6]。
本次针对中央空调温控系统的设计选择使用单冷型管路系统。
一般来说,中央空调的温度控制系统通常分为两部分,一部分是空气调节系统,另一部分是冷热源系统。
本文的设计选用冷热源系统。
冷热源系统的结构、运行方式、种类等不同的情况都会对于中央空调有着重要的影响,如何让中央空调能够更高效更合理与经济的运行冷热源系统有着特别重要的作用。
下面本文从以下几方面对中央空调的系统进行论述。
2.1中央空调结构
通常情况下,中央空调的结构一般具有四个主要的组成结构。
分别是主机主机、空调的制冷剂的流向系统、风机的管控系统和总控制系统[7]。
风机的管理控制程序的作用是向室内提供所需要的冷气。
冷却循环系统、冷冻循环系统是制冷剂循环系统的重要组成部分下图就是比较经典的结构图。
在该结构图中,制冷剂的循环系统是起最主要作用的部分,它承担运输能量的责任。
图2-1中央空调结构
2.2中央空调系统工作原理
2.2.1制冷原理
制冷原理通常是指液体的气化原理。
一般来说,气态的制冷剂在还没有进到冷凝器里面的时候,都是以气体的形式存在的,在要进到冷凝器的时候,会被压缩机压缩处理,变成液体的状态,这时候的液体是高温高压的,但是在进入到冷凝器之后,高温高压液态就会跟空气还有水发生热交换,经过热交换的液体就会变成低温高压的液态[8]。
在完成上述过程之后,低温高压液态还需要在进到膨胀阀之前将自身的杂质过滤掉,这个过滤杂质的过程需要在干燥过滤器内完成,去掉杂质之后,就可以进行节流减压,将原本低温高压的液态变成低温低压,这样一来就可以在蒸发器里面完成气化反应。
一般来说,液体的气化过程往往需要吸收足够的热量,然后按照液体压力的差异,以及不同的液体饱和度的差异,完成气化的过程,通常情况下,如果液体的压力比较低的话,那么它的饱和度通常也是比较低的。
通过前面说的这个液体气化的原理,本文可以得出,中央空调的制冷原理基本上可以理解为液体气化过程当中吸收了大量的热能,从而降低冰冻水的饱和温度,并且制冷工质会将这些产生的热能全部吸收,这样一来,就能够使室内的温度有效的降低。
2.2.2工作原理
蒸汽压缩是最常见的制冷方式,压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器共同组成了循环制冷效果的蒸汽压缩法。
通过这个装置,不断的吸收外界的热量,不断的产生冷气,降低室内的温度,使人感觉到凉爽。
工作原理流程图见下图2-2。
图2-2中央空调蒸汽压缩原理图
2.2.3中央空调的控制原理
虽然中央空调是控制整个建筑的室内温度,但是在建筑内的每一个房间都会有单独的控制系统,能够按照用户的需要将室内的温度进行实时调整[9]。
通常情况下,中央系统会有一个专门的感知室内温度的组件,也就是温度传感器。
一般来说,温度传感器能够准确的感知室内的温度,并且还能够将感知到的温度传送到中央空调的控制器那里,之后,控制器会按照温度传感器传递过来的温度和用户设定的温度作比较,随之使用PID的变频系统操纵冷冻泵,这样一来就是一个完整的温度调节过程。
这就形成了一个温度的循环的系统。
如果中央空调的总控制器在检测的过程中发现任何的异常情况都会以最快的速度进行提示,比如压力或是电压、电流的异常[10]。
图2-3中央空调控制原理
第三章中央空调控制系统的硬件设计
本文觉得,对于一个好的系统设计来说,想要使最终设计出来的产品具有一定的优势,那么硬件部分的设计是重中之重,尤其是对于中央空调产品来说,好的硬件设计能够带给用户良好的第一印象。
以下内容为对于不同硬件的设计与介绍,可根据下述内容了解到全文设计的基本结构与各个组成部分。
3.1变频器
3.1.1变频器的介绍
所谓变频器,本文觉得比较容易理解的说法是将微电子的技术和变频的技术相结合的设备。
它的主要作用的用过调整电机工作的频率来对电动机的运行速度进行调整[11]。
电机运行的快慢代表了中央空调的工作效率,这种方法不光高效的改变的房间内的温度,也在生活上为人们提供了极高的便利条件,并且最主要的是更加的节能环保了。
另外变频器拥有着多种自我保护功能如过流、过压、过载。
整流器的功能就是把日常生活中的各式各样的交流电源调整为统一的直流电,和整流器有所不同的是逆变器,逆变器的作用是将直流电源通过整合输入交流电。
另外,平波的电路主要是进行系统的稳定。
通过对电容和电压的调整,减少对设备的损耗,稳定设备的工作和运行。
图3-1变频器
3.1.2变频调速的原理
(1)工频控制介绍
我国过去大多数都应用的是定流量的控制方式[12]。
只能在50Hz的频率下工作。
即使负荷的水发生变化,但是循环水的数量是不会发生任何的改变的。
也就是说,即使是室内的温度发生了变化,但是也不会根据这个变化而进行控制,不会让室内的温度超出设定的范围,也就不存在能源上的浪费。
根据上述的描述,虽然似乎这种方式操作的非常的简单而且快捷,但是也存在着很多的问题。
第一个问题就是,如果开启了比较大功率的设备就会瞬间的造成电网的不稳定性,因为这种大功率的设备需要大量的电流支撑,这种对电网稳定性造成的损害也会对中央空调的硬件设备造成不可逆的损耗[13]。
而且,由于中央空调内部的其他装置一直是处于运行的状态,所以磨损比较严重,对于中央空调的使用年限会大大的降低。
第二个问题是,即使外界温度适宜,但是中央空调的设备一直都在运行,并且在设备的工作过程中,该系统的一直都是消耗最大的能量值。
由于外界气候的变化或者随着时间的流逝,外界的空气湿度等因素,甚至是人数的变化和密集程度,都会影响着中央空调的运作。
这也就导致中央空调的输出量一直处于变化的状态。
(2)电机变频控制计算
电机就是这个系统的核心[14]。
电机能够为中央空调提供所需要的能量,但是它也是最消耗能量的装置。
如果想要消耗的能量没有那么多,就必须要控制空调内部的电机的旋转的速度,从而给室内提供比较合理的冷气。
下面是两条关于电机转速的相关公式:
(3.1)
(3.2)
:
代表的是电机的同步转速,它的单位是
;
:
代表的是电机的磁极对数;
:
代表的是电动机在现实环境当中的转速;
:
代表的是电机的电源频率,它的单位是
;
:
代表的是异步电动机在工作过程当中的转差率。
在某一层面上讲,变频器就是一种交流电源。
它可以让别的装置的电源频率发生变化。
下面是三相异步电机在工作的过程当中它的定子每相电动势的有效值表达式:
(3.3)
通过上面的公式:
:
代表的是每相的感应电动势的有效值,它的单位是
;
:
代表的是定子频率,它的单位是
;
:
代表的是定子每相绕组串联匝数;
:
代表的是基波绕组系数;
:
代表的是每极气隙磁通量。
根据上面的公式(3.3)我们能够得出:
要是
和
没有发生任何变化的时候,通常情况下,磁通都是稳定的。
在对变频器的调整速度的过程中,需要考虑到基频的上下变化和浮动。
如果在基频以下的数值进行速率的调整
由(3-3)的公式中可以知道,对漏磁组进行防干扰的情况下进行抗压的运行,在这一过程中,可以忽略电子的绕组[15]。
也就是说,如果定子相的电压
,也就能够得到
等于常数这一个数值。
如果设备处于低频率的运行状态下,那么
和
的数值也就会比较小,此时定子阻抗压降在所有的压力中占有的份额会明显的增强,此时对该数值的变化就不能继续忽略不计。
如果在这样的情况下,可以主动的将
的使用的电压小幅度的提升。
如下图所示。
图3-2低频率的运行状态
在基频的数值以上对速率做调整
异步电动机在速度的变化上存在管控的特性[16]。
这个特性可以用图示表明。
但是假设在不同的旋转的速度之下,电动机都能够以相同的额定的电流进行工作,那么电动机就能够实现长时间不间断的工作,此时旋转的矩阵通常都是根据磁通的变化方式而产生相应的变化。
图3-3异步电动机变频调速控制特性
在整个中央空调的水系统当中,最重要的组成设备就是中央空调的水泵[17]。
如果想要降低水泵的使用能量,那么就要遵循水泵工作的理论之一,也就是水泵学比利率。
通过这个理论可以知道,如果是处于相同的水泵里面,要是在中央空调工作的时候,所选择的不一样的转速,本文通过以下三个公式来表达水泵的流量Q和扬程H,轴功率P与转速n之前存在的联系:
(3.4)
(3.5)
(3.6)
从这几个公式中,可以知道,旋转的速度和水泵的流量、扬程的平方以及轴承的运行功率存在正相关的关系。
因此,如果降低旋转的速度,那么功率和流量都会相应的减少,但是二者减少的程度是不一样的,功率减少的要更多一些。
这个控制的方法和以往的方式相比存在两个优势,第一是能够调整的范围比较广泛,第二是对电网的影响比较小,不影响电网的稳定程度和安全性。
3.2电机软启动原理
当软启动器开始工作的时候通常情况下,当电动机的转速增加到满足要求的时候,也就意味着这个软启动完成,这样一来就能有效的减少晶闸管的热消耗,从而将启动器的使用时间延长,同时还能够有效降低乃至避免电网被谐波污染[18]。
软启动的优点:
首先,启动电流明显低于交变电机,能够有效降低对同一电网其他用电器的影响通常在额定电压下,当交流电机起动的时候,起动瞬间的电流往往会超过额定电流,此时的电流大概是额定电流的4-7倍,因此,如果电机容量相对小的话,对电网产生的影响几乎不明显,不过如果电机的容量非常大的话,4-7倍的额定电流会让其电压发生非常明显的下降,这样一来,同一电网中的别的用电器往往就没办法正常运行。
这时候,软启动的优势就会非常明显,一般来说,软起动起启动瞬间,电流虽然也会超过额定电流,但是要远低于交流电机,大概是额定电流的2-3倍,因此,其电压的波动范围变化不大,基本不会对别的用电器造成干扰。
其次,延长电机使用时间
通常情况下,交变电机在起动的时候,大量的电流还会产生机械力造成导线和导线之间的摩擦,大大缩减电机的使用时长。
软起动的优点在于它所产生的起动电流和交变电机相比大大降低,能够在很大程度上降低导线外绝缘的老化,从而实现延长电机的使用时寿命。
3.3PLC选型
可编程控制器具有能够进行编程的存储设备,可以将可编程控制器里面的信息进行输入和输出,从而完成生产程序。
通常情况下,PLC和与之相关联的一些外围设备完全需要根据工业控制系统来设计,其设计原则是方便工业控制系统并且利于拓展功能。
在PLC投入进行以后,PLC的工作过程大概能够分成三部分,其CPU将始终保持匀速不断的重复这个扫描周期。
下面分别介绍:
第一阶段,输入采样阶段。
主要是通过输入采集,在利用可编程控制器进行扫描的形式接收全部的数据和信息,同时将这些信息存入相应单元。
第二阶段,用户程序执行阶段。
在这个过程当中,PLC的扫描顺序为自上至下,自左至右。
第三阶段,信息的输出和刷新阶段。
通常情况下,如果用户在设置的中央空调的温度之后,空调内部的可编程控制器就已经开始工作了,并且能够进行输入和刷新,并且根据预算结构做刷新处理。
图3-4可编程控制器与其他设备的连接
3.4温度传感器
温度传感器的种类非常丰富,其主要的功能是把所感知到的室内的温度进行传输,最后会把所感知到的温度传递给温度控制器,在本文所查找的相关资料当中,都普遍认为温度传感器是空调系统当中测量温度最不可或缺的的设备之一[19]。
本文的设计需要使用温度传感器将房间内部的温度测量出来,并且实现对房间内部问题的调节,这样一来,不仅可以有效的降低能源的消耗,还能更加合理的完成对温度的控制。
在本次对温度控制系统设计的过程当中,本文选择PT100温度传感器。
这类传感器的阻值和温度变化存在正相关关系。
目前这类传感器也在工业方面有这非常广泛的应用,其工作的原理大致为:
在PT100温度传感器在外界环境温度为0℃的时候,其电阻的阻值是100Ω,并且随着周围环境温度的上升,其电阻的阻值也会随之升高。
表3-1PT100温度与相应阻值对应表
温度/℃
-50.0
-40.0
-30.0
-20.0
-10.0
0.0
10.0
20.0
30.0
电阻/Ω
81.33
85.24
88.32
92.26
97.09
100
104.10
107.83
112.64
温度/℃
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
110.0
120.0
电阻/Ω
116.65
120.31
123.35
127.08
130.06
134.73
138.55
142.32
147.07
温度/℃
130.0
140.0
150.0
160.0
170.0
180.0
190.0
2000
电阻/Ω
150.06
153.44
157.33
161.16
165.67
169.39
173.27
175.85
图3-5PT100T—R关系图
3.5温度变送器
本文所设计系统会选择PT100温度变送器[20]。
之所以使用这样的温度变送器最主要的原因是它介意直接被装进中央空调的温度传感器当中。
并且这种温度变送器最大的优点是能够实现远距离的信号传输,并且自身具有非常良好的抵抗外界干扰的特点,当所处的环境比较复杂的时候,也能够正常使用,将所在环境的稳定进行调节。
3.6人机界面选型方案
人机界面主要是将空调系统的相关信息传达给用户,并对用户的相关操作做出反馈的界面。
通常来说,人机界面设计的合理的话,将会在很大程度上提升用户体验。
现如今,随着科学技术的不断发展,科技引领生活的观念逐渐渗透给越来越多的人,越来越多的人们开始希望将高科技产品运用到自己的实际生活和工作当中,并且以此来获取更好的生活体验或者是更高的工作效率。
目前,人们对于中央空调产品的需求已经不仅仅局限于其功能和特性方面,由于人们对于空调产品的需求正在不断的发生变化,本文觉得,中央空调产品
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