设备自动化课设—冷水机组

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俄目录

前言................................................................................................................................ 1 1. 概述 .......................................................................................................................... 2

1.1冷水机组 ......................................................................................................... 2 1.2 PLC ................................................................................................................. 2

1.2.1 PLC简介 ............................................................................................. 2 1.2.2西门子S7-200PLC ................................................................................ 3 1.3组态王软件简介 ............................................................................................. 3 2.冷水机组的工作原理及监控 .................................................................................... 5

2.1冷水机组的工作原理 ..................................................................................... 5 2.2冷水机组的监控内容 ..................................................................................... 5

2.2.1检测对象与控制对象 .......................................................................... 5 2.2.2冷量控制 .............................................................................................. 6 2.3冷水机组的监控原理 ..................................................................................... 7 2.4启停顺序 ......................................................................................................... 7 3. PLC程序设计 .......................................................................................................... 8

3.1设备的连锁与控制 ......................................................................................... 8 3.2 I/O点与PLC梯形图 .................................................................................... 8 4. 组态王功能实现 .................................................................................................... 13

4.1组态王工作原理 ........................................................................................... 13 4.2 组态王与PLC通讯 ....................................................................................... 13 4.3 变量定义 ...................................................................................................... 15 4.4构建组态画面与命令语句的编写 ............................................................... 16 4.6 组态模拟 ...................................................................................................... 17 小结.............................................................................................................................. 18 参考文献...................................................................................................................... 19

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前言

随着生活水平和科学技术的提高，人们对生活质量的要求也越来越高。为了满足人们对空气的温、湿度的要求，空调应运而生。本次的课程设计就是对空调系统中的冷水机组进行的监控系统设计。

冷水机组是由冷却水系统、冷冻水系统和制冷机组成。冷却水系统是通过冷却塔和冷却水泵及管道系统向制冷机提供冷却水，它的主要作用是保证冷却塔风机、冷却水泵安全运行；确保制冷剂冷凝器侧有足够的冷却水通过等。冷冻水系统是由冷冻水泵、分水器、集水器和管道系统组成，主要作用是测量冷冻水系统供、回水温度及回水流量，计算空调实际冷负荷；测量冷冻水系统供、回水总管之压差，控制其旁通阀开度，以维持压差平衡。

本次课程设计的冷水机组设计主要是利用西门子S7-200 PLC可编程控制器实现控制，并利用组态王软件制作人机对话界面，监控PLC控制系统的运行情况。首先是确定系统的被控量和I/O点数，并进行I/O地址分配及编写梯形图程序。用组态王软件来绘制系统图，给其进行变量定义、关联等操作，最后进行模拟运行。

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1. 概述

1.1冷水机组

冷水机俗称冷冻机、制冷机、冰水机、冻水机、冷却机等，因各行各业的使用比较广泛，所以名字也就多得不计其数。其性质原理是一个多功能的机器，除去了液体蒸气通过压缩或热吸收式制冷循环。蒸汽压缩冷水机组包括四个主要组成部分的蒸汽压缩式制冷循环压缩机，蒸发器，冷凝器，部分计量装置的形式从而实现了不同的制冷剂。吸收式冷水机利用水作为制冷剂，并依靠之间的水和溴化锂溶液，以达到制冷效果很强的亲和力。

冷水机一般使用在空调机组和工业冷却。在空调系统，冷冻水通常是分配给换热器或线圈在空气处理机组或其他类型的终端设备的冷却在其各自的空间，然后冷却水重新分发回冷却被冷却了。在工业应用，冷冻水或其它液体的 冷却泵是通过流程或实验室设备。工业冷水机是用于控制产品，机制和工厂机械冷却的各行各业。

在集中空调系统中，目前常用的制冷方式主要有：压缩式制冷和吸收式制冷。

1.2 PLC

1.2.1 PLC简介

可编程控制器（PLC）是在继电器—接触器控制系统的基础上开发出来的一种新型的工业控制器，在控制领域的应用非常广泛。

PLC通常以输入输出点（I/O）总数的多少进行分类。I/O点数在128点以下为小型机，I/O点数在129—512点为中型机；I/O点数面向在513点以上为大型机。PLC的I/O点数越多，其存储容量也越大。PLC的编程语言常用的有梯形图、指令表和SFC图。由于梯形图比较直观，容易掌握，因而很受普通技术人员的欢迎。在本实验中，所用的PLC语言就是梯形图。

PLC常用的编程工具有:(1)手持式编程器，一般供现场调试及修改使用；（2）

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个人电脑，利用专用的编程软件进行编程。

PLC的应用领域极为广泛，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。 PLC编程具有以下优点：（1）学习PLC编程容易。（2）控制系统简单更改容易，施工周期短。（3）系统维护容易。学习PLC的编程无需深入细致了解其内部结构，大致上按以下五部分组成：（1）中央处理器（CPU）。（2）存储器。（3）电源。（4）输入/ 输出单元。（5）通信接口。 1.2.2西门子S7-200PLC

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、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面： （1）极高的可靠性； （2）极丰富的指令集； （3）易于掌握； （4）便捷的操作； （5）丰富的内置集成功能； （6）实时特性； （7） 强劲的通讯能力； （8）丰富的扩展模块 。

1.3组态王软件简介

组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、

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组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：

(1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试

2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:

(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。

(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。

3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:

(1)图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

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2.冷水机组的工作原理及监控

2.1冷水机组的工作原理

冷水机组是由冷却水系统、冷冻水系统和制冷机组成。

冷却水系统是通过冷却塔和冷却水泵及管道系统向制冷机提供冷却水，冷却水系统的基本原理是 冷却塔底盆的水通过水泵输送到冷水机的冷凝器对冷凝器进行降温，再流回冷却塔内喷淋而下时通过冷却塔顶上的风扇对水进行了降温后流回冷却塔底盆,就这样周而复始的运行。它的主要作用是保证冷却塔风机、冷却水泵安全运行；确保制冷剂冷凝器侧有足够的冷却水通过等。

冷冻水系统是由冷冻水泵、分水器、集水器和管道系统组成，主要作用是测量冷冻水系统供、回水温度及回水流量，计算空调实际冷负荷；测量冷冻水系统供、回水总管之压差，控制其旁通阀开度，以维持压差平衡。

本次课程设计的冷水机组设计主要是利用西门子S7-200 PLC可编程控制器实现控制，并利用组态王（KingView）软件制作人机对话界面，监控PLC控制系统的运行情况。首先是确定系统的被控量和I/O点数，并进行I/O地址分配及编写梯形图程序。用组态王软件来绘制系统图，给其进行变量定义、关联等操作，最后进行模拟运行。

2.2冷水机组的监控内容

1)对制冷工艺参数(压力、温度、流量等)进行自动检测。 2)自动控制某些工艺参数，使之恒定或者按一定规律变化。

3)根据编制的工艺流程和规定的操作程序，对机器、设备执行一定的顺序控制或程序控制。

4)实现自动保护，保证制冷设备的安全运行。 2.2.1检测对象与控制对象 一）监测对象： 1）冷却供水温度

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2）冷却回水温度 3）冷却水泵手/自动反馈 4）冷却水泵故障报警 5）冷却水泵自动模式启停 6）冷冻供水压力 7）冷冻供水流量 8）冷冻回水温度 9）冷冻回水压力 10）冷却水泵手/自动反馈 11）冷却水泵故障报警 12）冷却水泵自动模式启停 二） 控制对象 1）冷却水阀开关 2）冷却水泵启停 3）冷却塔风机启停 4）冷冻水阀开关 5）冷冻水泵启停 6）旁通阀开关 2.2.2冷量控制

在分水器与集水器之间连接压差旁通管，由分水器引出一条供水管(如果冷站设在地下室，则到楼上再行分支)。

由负荷回来一条回水管接到集水器上这种连接方法可以用一个流量变送器测量负荷回水流量，且较容易满足流量变送器直管段的要求，可从安装条件保证测量精度和稳定性，可测性好。同时由于旁通管连接到集水器与分水器之间，对稳定地调节供回水压差有利。

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2.3冷水机组的监控原理

图2.1 监控原理图

2.4启停顺序

能够实现自动保护，保证制冷设备的安全运行。 启动顺序：冷却水泵→冷冻水泵→冷却塔风机→冷水机组

停止顺序与启动顺序相反，即：冷水机组→冷却塔风机→冷冻水泵→冷却水泵

图2.2 冷水机组启停顺序

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3. PLC程序设计

3.1设备的连锁与控制

（1）冷却塔与冷水机组通常是电气联锁，但这一联锁并非要求冷却塔风机必须随冷水机组同时进行，而只是要求冷却塔的控制系统投入工作。

（2）冷却塔风机的启停台数根据冷冻机开启台数、室外温湿度、冷却水温度、冷却水泵开启台数来确定。一旦冷却回水温度不能保证时，则自动起动冷却塔风机。因此，冷却回水温度是整个冷却水系统最主要的测量参数。

（3）冷却塔的控制：利用冷却回水温度来控制相应的风机（风机作台数控制或变速控制），不受冷水机组运行状态限制（如室外湿球温度较低时，虽然冷水机组运行，但也可能仅靠水从塔流出后的自然冷却即可满足水温要求）它是一个独立回路。

（4）冷凝器出口水温决定冷凝器的工作状态。

混合电动阀:当夜间或春秋季室外气温低，冷却水温度低于制冷机要求的最低温度时，为防止冷凝压力过低，适当打开混水阀，使一部分从冷凝器出来的水与从冷却塔回来的水混合，调整进入冷凝器的水温。

3.2 I/O点与PLC梯形图

表3.1 I/O点变量表

变量 I0.6/I1.1 I0.7/I1.2 I1.0/I1.3 I0.0~10.5 Q0.0~Q0.5 功能 报警变量：1代表系统报警、0代表正常 手动、自动选择开关，为1时为自动，0代表手动 自动模式下启停开关：1代表启动、0代表停止 手动启动开关 冷水机组输出 对设定的I/O点进行配置，绘制PLC梯形图。

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图3.1 PLC梯形图

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4. 组态王功能实现

4.1组态王工作原理

组态王与现场的I/O设备直接进行通讯。如图5.1所示

图4.1 通讯图

I/0设备的输入提供现场的信息,例如泵的故障状态、水管水压、水池水位等等。I/O设备的输出通常用于对现场的控制,例如泵的启停、改变泵的运行台数、控制阀门和指示灯等等。有些I/O设备(例如PLC),其本身的程序完成对现场的控制,程序根据输入决定各输出的值。

输入输出的数值存放在I/O设备的寄存器中,寄存器通过其地址进行引用。大多数I/O设备提供与其他设备或计算机进行通讯的通讯端口或数据通道,组态王通过这些通讯通道读写I/0设备的寄存器,采集到的数据可用于进一步的监控。不需要读写I/O设备的寄存器,组态王提供了一种数据定义方法,定义了I/O变量后,可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。

4.2 组态王与PLC通讯

将PLC端口与PC机端口通过PPI通信线缆连接，在组态王设备定义里定义设备为PLC→西门子→S7-200系列。

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图4.2

图4.3

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图4.2、4.3 为组态王与PLC的通讯

4.3 变量定义

在组态王界面中，在图库中找出需要的图形，并对其变量定义。 例如。下面列举一些设备的变量定义过程或类型。

图4.4 冷冻阀的变量定义

图中变量类型的离散变量，类似于一般程序设计语言中的布尔（BOOL）变量，只有0,1两种取值，用于表示一些开关量。

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图4.5 冷冻泵的变量设置

I/O变量是指可以与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量，如下位机数据采集设备（PLC），每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入下位机，每当下位机的值改变时，组态王系统中的变量值也会自动更新。

4.4构建组态画面与命令语句的编写

本次设计的冷水机组监控系统主要有冷却水系统系统和冷冻水系统系统，故需构建的组态画面由冷却水系统系统、冷冻水系统系统、制冷机组成。

1.组态画面效果图如下所示：

2.组态应用程序命令语言

其语言的编写类似于C语言的if语句，包括设备的连锁保护及启停。

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图4.7 应用程序命令

4.6 组态模拟

组态模拟的动画效果图如下所示：

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小结

此次课程设计，题目是基于KingView的冷水机组监控系统设计，用时两周。在设计前期，查阅相关资料，理解中央空调冷水机组工作原理、监控内容等，确定监控点数。在课设中，涉及到两款软件的操作——西门子和组态王。在此之前，已经接触过通过PLC编程在西门子S7-200中的编程及运行，现在相当于已有知识的回顾。在使用组态王软件时，虽查阅了许多相关的资料，但是在绘图的过程中，还是会遇到许多难题，如变量的定义，要区分离散量和整数量，正确定义器件，管道要关联正确等，而且，还要编写应用程序。但是，由于硬件及其他的的原因，功能并没有完全实现。总体的来说，虽然设计不太完美，但是基本功能得到了实现，在课设中，也是受益良多。

通过此次课设，进一步巩固了理论知识，对所学的知识有了系统认识，培养了所学的理论知识在实际中的应用能力，培养了查阅图书资料、相关工具书的能力。同时，通过小组内互帮互助，也培养了我们遇到问题并解决问题的能力，加强了我们的团队意识。

最后，感谢老师的指导。

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参考文献

[1]何波.电气控制与PLC应用.北京:中国电力出版社,2008. [2]孙景芝.楼宇电气控制.北京：中国建筑工业出版社. [3]王可崇.建筑设备自动化系统.人民建筑出版社. [4]马小军.建筑电气控制技术.机械工业出版社. [5]李玉云.建筑设备自动化.机械工业出版社 [6]组态王KingView使用手册 [7]电气工程师设计手册

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l5n8.html