毕业设计

毕业设计（论文）

类 型： □毕业设计说明书 □毕业论文 题 目： 学生姓名： 指导教师： 专 业： 时 间：

模块式空调机的控制系统设计

姜冲 徐呈艺 机电一体化 2013年4月30日

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摘 要

可编程逻辑控制器（PLC）是一种固态电子装置，它利用已存入的程序来控制机器的运行或工序的操作。PLC以其体积小、成本低和功能专一等特点在工业控制方面的应用已日趋明显，并在发电、化工、电子等行业的电气控制方面得到了广泛的应用。

利用PLC实现对中央空调系统的控制，可以确保大厦内中央空调系统处于高效、节能、最佳运行状态。本课题采用西门子SIMATIC S7-200系列PLC实现对该中央空调模型的控制。该PLC控制系统使该空调系统按照一定的逻辑顺序实现启停控制，包括冷源（压缩式制冷系统）的监控、冷冻水系统的监控、冷却水系统的监控。

关键词： PLC；中央空调；控制

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Abstract

A programmable logic controller (PLC)is a solid-state device used to control machine motion or process operation by means of a stored program。 PLC with its small size, low cost and functional single-minded in industrial control characteristics such as applications are becoming clear, and in power generation, chemical, electronic industries of electrical control, has been widely used.

Use PLC to control the central air conditioning system of building, can ensure that the central air conditioning system in high efficiency, energy saving, optimal operating status. This subject adopts Siemens SIMATIC S7-200 PLC on this series of central air conditioning model control. The PLC control system makes the air conditioning system according to certain logical sequence realize start-stop control, including cold source (compression type refrigeration system) monitoring and chilled water system monitoring, of the cooling water system for monitoring.

Keywords: PLC; Air conditioning; control

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目 录

摘 要 ...................................................... 1 Abstract ..................................................... 2 第一章 PLC及模块式空调系统简介 ............................... 4

1.1可编程序控制器的基础 ..................................................................................................... 4 1.2模块式空调控制系统的功能要求 ..................................................................................... 4

第二章 系统总体设计 .......................................... 7

2.1模块式空调的结构 ............................................................................................................. 7 2.2模块式空调控制系统的工作原理 ................................................................................... 10

第三章 硬件系统配置 ......................................... 12

3.1 PLC选型 ........................................................................................................................... 12 3.2 PLC的I/O资源配置 ....................................................................................................... 13 3.3 输入/输出设备的选择 .................................................................................................... 17

第四章 软件系统设计 ......................................... 21

4.1 总体流程设计 .................................................................................................................. 21 4.2 各个模块梯形图设计 ...................................................................................................... 24 4.3 处理模块4温度传感器数据 .......................................................................................... 28

第五章 系统设计中的问题及解决办法 ........................... 33

5.1硬件方面的问题 ............................................................................................................... 33 5.2软件方面的问题 ............................................................................................................... 33 5.3安装调试方面的问题 ....................................................................................................... 33

结 论 ...................................................... 35 参考文献 .................................................... 36 致 谢 ...................................................... 37

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第一章 PLC及模块式空调系统简介

1.1可编程序控制器的基础

可编程序控制器是用来执行具体的控制，具体的工艺要求和具体的工作环境决定了可编程序控制器的选择具体的I/O模块和系统配置。 (1)可编程序控制器的接口模块

接口模块负责把外部设备的信息转换成CPU能够接收的信号，同时把CPU发送到外部设备的信号转换成能够驱动外部设备的电平。接口模块不仅能起到转换电平的作用，还可以起到外部设备的电信号与CPU的隔离作用，同时也可以起到抗干扰和滤波等作用 (2)可编程序控制器的配置

PLC的配置可分为三种：基本配置、近程扩展配置和远程扩展配置[1]

可编程序控制器的软件分为两大部分，系统监控程序和用户程序。

系统监控程序是由可编程序控制器的制造者编制的，用于控制可编程序控制器本身的运行。另一部分为用户程序。它是由可编程序控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。

1.2模块式空调控制系统的功能要求

某中央空调系统结构示意图如图1所示，冷却水系统包括冷却塔、冷却泵。制冷设备包括冷水机组和冷冻水泵，各类管道即为图2中的连线。在冷水机组中，主要由压缩机、冷凝机和蒸发机三个设备构成。该空调系统的主要作用是制冷，其中中央空调系统的工作过程示意图如图2所示，可简单表述为：首先冷却塔风机启动，然后冷冻水泵启动，接着启动冷却水泵，最后启动冷却机组，将制冷剂压缩成液体，进入冷凝器转变成液体，散发出热量，通过冷却水对冷水机组降温，液态制冷进入蒸发机后吸收热量变成气态又返回到压缩机中，同时将冷冻水热量吸收走，完成了对冷冻水的降温，然后通过冷冻水泵进入冷风机盘管吸收空气中的热量，达到降低室内温度的目的。

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冷却水系统 传感器 系统 制冷设备 室内 泵 冷冻水系统

图1 中央空调系统结构示意图

启动后，各个设备按照顺序依次启动，在回水端设有温度传感器检测温度，以判断室内的温度是否达到了设定的要求，然后可通过变频器控制冷冻水泵电机的速度，决定是加快冷冻水的流动还是减慢它的流动；当停止系统时，仍然需要按顺序依次停止设备，否则会对整个系统造成损坏，尤其可能会使冷水机组部分故障。

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温度 传感器 启动 冷却塔 风机启动 冷冻水泵启动 冷却泵 启动 冷水机 组启动 停止 冷水机 组停止 冷冻水 泵停止 冷却水 泵停止 冷水风 机停止

图2 中央空调系统的工作过程示意图

采用PLC来控制中央空调系统，可以完成以下功能。 （1）检测用户房间的温度。

（2）控制功能。例如，控制中央空调系统的手动/自动工作方式、启动与停止、控制冷水机组的启动与停止、控制冷却风机、冷却水泵的启动和停止、控制冷冻水泵的启动和停止、控制冷却水和冷冻水循环系统、控制用户房间的温度。

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第二章 系统总体设计

2.1模块式空调的结构

空调系统根据制冷/制热传送介质的不同可分为全空气系统和空气-水系统。 全空气系统是指空调进行制冷和制热全部是由送风空气来承担，根据回风方式可以分为一次回风式和两次回风式空调系统。一次回风系统是指全部回风和新风混合后进入空气处理设备，经过处理再送入室内。二次回风系统是指将回风分为两个部分，一部分在空气处理设备前与新风混合，另一部分则是在空气处理设备后与混合空气再次进行混合的系统。根据工作中风量是否变化可分为定风量系统和变风量系统，定风量系统可以较好地稳定室内的空气条件，同时它的能耗也会相应增加；变风量系统的送风量可在一定范围内变化，因此它的能耗会显著降低，但由于该系统的送风量是根据室内温度来调节的，所以它维持室内空气的稳定性不如定风量系统。

空气-水系统是指传递热或冷的介质分别由空气和水构成，此系统包括两个子系统：风系统和水系统。风系统的工作原理与全空气系统相同，但它仅输送新风：而水系统则是将冷冻水或热水从空调房输送到室内装置中，通过散热设备对室内进行这冷或加热[4]。

常用的空调根据系统的组合情况分为整体式和分体式两种，整体式空调将空气处理设备、制冷设备和电气控制系统都安装在一个整体框架中，构成一个整体式的设备；分体式空调则是将空气处理设备和制冷系统分为两个部分，空气处理设备置于室内成为室内机，制冷系统则基本上全部设置在室外机中。所以室内机主要包括蒸发器、风机、空气过滤器等，室外机由压缩机、冷凝器、机壳等组成。两个部分一般采用两根紫铜管连接，便于进行制冷的循环，这样就构成了一个完整的空调系统。 1 空调系统的风系统

空调系统的风系统主要功能是完成对冷量和热量的输送，主要包括送风/回风结构、风管系统和风机[5]。

（1）送风/回风系统。空调常用的送风方式，主要有侧送风、孔板送风、条缝送风等几种形式。对于要求室内温度波动范围小的控制系统多采用前两种和散流器送风模式，除此之外，又出现了一个新型的送风方式—置换送风。空调的回风方式包括上回风、下回风和走廊回风三种方式。上回风方式的回风口一般位于房间的顶部，可以与照明灯具合为一体，也可以将整个顶棚作为一个大的回风静压箱，使回风输送到空调箱或风管内；下回风的回风口一般置于房间的下部或地板附近，当采用孔板送风或散流器送风式，采用下回风方式；走廊回风方式一般应用于走廊的多房间场合，回风口置于走廊的底部。 （2）风管系统。风管系统是由输送空气的管道和风管附件构成，风管附件主要有各种调节活门、闸板、导流叶片和防御隔栅等。调节活门主要用于调节风量的大小和风量

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的分配；闸板的作用是切断风源，其气密性要强于调解或门；导流叶片是减少弯管处涡流的产生；防御隔栅主要安置于进/出风口上，是为了防止雨雪的侵蚀。

风管系统设计时，主要有以下几个原则。 1）考虑制作管道的材料消耗。 2）管道所占的空间。 3）风机所需的功率。

4）管道内的风速产生的噪声不超过规定值。 在设计风管系统时，一般按照以下几个步骤。 1）确定送风口、回风口的形式、位置、数量等。

2）确定风机和其他空调设备的位置，合理规划，设计出布局合理的送风、回风管线。

3）进行必要的风管系统的阻力计算。 4）选择适当容量的风机、绘制工程图。

除了以上几个方面，还需考虑检测、调试、以及减少阻力等方面的问题。 （3）风机。风机是空调系统中输送空气的主要设备，常采用的风机有离心式、轴流式和贯流式三种。贯流式风机目前仅用于某些固定的空调机组设备中，例如，风机盘管、风幕等，而在工程大量使用的是离心式和轴流式风机。 风机的选择一般可以按照以下步骤进行。

1）充分了解每种风机的用途、特点及其适用范围。 2）确定最大风量和最高压头。

3）根据实际条件选择风机类型、考虑实际的工程环境，如多尘、耐腐蚀、高位条件等。

4）确定风机类型后，选用适当容量的风机型号，留出必要的裕量。 根据现场情况和设计思想，选定风机的安装形式。 2 空调系统的水系统

空调系统的水系统中，主要包括冷冻水系统、冷却水系统、水管系统和水泵。 （1）冷冻水系统。在空调系统中，冷冻水系统的功能就是利用水作为介质，将冷/热源的能量输送和分配到各房间或目的地。冷冻水系统主要包括冷源设备、水泵、过滤器和阀门等，在大型复杂的空调系统中还有分水器和集水器等。此时，通常把分水器、集水器和冷源设备连接的一侧环路叫冷源侧，把分水器、集水器和空调器连接的一侧环路叫空调侧。

（2）冷却水系统。冷却水系统主要包括冷却塔及其相关设备，其功能是利用水作为介质，对冷/热源进行降温处理。冷却塔的作用就是将冷却水在塔内利用水的自然蒸发冷却降温，为了充分利用资源，降低运行成本，一般采用循环系统重复利用冷却水，定

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期更换冷却水以保证水质能满足空调系统的技术要求。

（3）水管系统。水管系统既包括冷却水系统中的管线系统，也包括冷却水系统的管线系统，主要由水、煤气输送钢管和无缝钢管组成。煤气输送钢管用碳素软钢制造，俗称熟铁钢，可分为镀锌管和不镀锌管两种。根据空调系统的实际的实际需求选择不同厚度的管壁；无缝钢用普通碳素钢、优质碳素钢、普通低合金钢和合金结构钢制造，能承受加大范围的压力，可根据实际需要进行选配。

（4）水泵的选择。水泵是空调系统中不可缺少的动力设备，通过水泵的工作，可以控制水系统中的水的流量大小，以间接达到控制室内温度、湿度及清洁度等空气指标。空调系统中常用的水泵为离心式水泵，就一般的空调系统来说，采用转速在30—120r/s范围内的离心水泵比较合适，这类型水泵已经基本满足空套系统中水的流量和压力的变化要求[6]。

3空调系统的冷/热源

空调系统中其主要作用的就是冷/热源，正是由于冷/热源的工作才能控制室内的温度、湿度等空气条件，使之按照人们的设定值变化。冷/热源可分为常规冷/热源和天然冷/热源[7]。

（1）常规冷/热源。目前，在空调系统中，制冷设备使用的最多的就是利用“液体企划制冷法”原理制造的设备，主要包括电驱动的蒸汽压缩式和热驱动的吸收式两种方式。常用的制冷设备为制冷系统机组，该设备就是将制冷系统中的全部或部分设备在工作组装在工作组装成一个整体，该设备的优点是结构紧凑，使用灵活，管理方便，而且质量可靠，安装简便，能大大缩短施工周期，加快施工进度。

制冷机组按冷却介质的种类可分为空气冷却和水冷却两种形式；按压缩机种类可分为活塞式、螺杆式、离心式等压缩式冷水机组或热泵机组。制冷机组的冷量选择与制冷压缩机不同，制冷压缩机是根据其内在参数运行的，即通过冷凝器和冷却介质和被冷却介质的温度或流量进行选择。

（2）天然冷/热源。天然冷/热源主要包括蒸发冷却、室外空气供冷和太阳能供热等几个方面。蒸发冷却是利用物理过程完成热量的交换过程，水在空气中具有蒸发能力，在自然条件下，水与空气进行热量交换，使空气的温度降低，增加室内湿度因此在一定条件下，可以利用这种空气传递方式送风以降低室内温度，增加室内湿度。蒸发冷却是以水作为介质的，它需要借助制冷剂的蒸发提供冷量，与通常的机械制冷原理一样。同时由于蒸发冷却的水消耗量比较小，可以直接补充水分以维持蒸发过程的持续进行。

室外空气供冷是将室外的空气直接用于室内降温的方法，主要包括两种方式：一种方式是当室内外温度差满足一定条件时，可以采用机械通风或自然通风的原理，利用空气流通带走室内多余的热量，另一种方式是利用白天和夜晚的温差，保持室内温度在一定范围内；太阳能供热是指利用太阳的能量进行加热的技术。利用太阳能供热分为直接

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供热和间接供热两种方式，直接供热时通过太阳光的直射，直接加热室内的各种物件和空气，这个过程是不可控的，间接供热系统则将太阳能的采集和利用分开，这就需要一种中间物质先将太阳能储存起来，这种物质需要能够长时间的保存热能，以便在需要的时候释放出来，满足室内加热的需求。

2.2模块式空调控制系统的工作原理

采用模块化的控制系统，其控制模块可以自由组合，适应不同的工作条件，以满足不同的系统运行要求。某空调控制系统采用模块化设计，该控制系统的功能是将温度、湿度等空气条件稳定在一定范围内，采用模块化控制，能调节大范围内的温度变化，快速达到设定的目标值。模块式空调控制系统的总体工作原理框图如图3所示。 接通电源后，通过按下控制面板上的启动按钮，整个系统开始工作，冷却水模块、冷冻水模块，以及制冷模块按照设定顺序依次启动，控制器模块按照输入的设定值控制制冷模块的工作情况，同时反馈模块将采集的数据输入到控制模块中，在控制器模块中将该值与设定值进行比较运算后，输出对应的控制命令，或减少制冷模块的组数或者改变制冷模块的工作状态[8]

冷却水 模块 控制面板 控制器 模块 制冷模块 冷冻水 模块 反馈模块

图3 模块式空调控制系统的总体工作原理图

模块式空调控制系统的工作结构图如图4所示，这个系统含有两组制冷系统、两个冷却水系统、冷冻水系统，以及两套传感器系统。若系统启动后，一组制冷系统先以变频方式工作，若满足设定值的要求，则另外一组制冷系统就作为备份系统；当第一组制

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冷系统在工频状态下仍无法满足控制要求，则变频启动第二组制冷系统；若无法达到控制要求，就逐渐增加频率直至两组制冷系统全部运行在工频情况下。

冷却风机1 冷却风机2 回水 室内 冷却水泵 冷却水泵 冷却机组1 冷冻水泵1

图4 模块式空调控制系统的工作结构图

冷水机组2 冷冻水泵2 11

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第三章 硬件系统配置

3.1 PLC选型

根据控制系统的功能要求从经济性、可靠性等方面考虑.选择西门子S7-200系列PLC作为此中央空调控制系统的控制主机。此中央空调系统总共有15个数字输入，10个数字量输出，共需要25个数字量I/O，4个模拟量输入，根据I/O点数，以及程序容量和控制的要求，选择CPU 226作为该控制系统的主机[9]。

CPU226 具有以下一些特性。

（1）具有24个数字量输入，16个数字量输出，共40个I/O点。

（2）有6个32位高速计数器，6个30kHz的单相计数器，4个20kHz的双相计数器。

（3）两路脉冲输出，每路20kHz。

（4）两个8位分辨率的模拟量调节电位器。 （5）两个分辨率为1ms的定时中断。

（6）4个上升沿外部硬件中断输入，4个下降沿外部硬件中断输入。 （7）可选输入滤波时间有7个范围，从0.2~12.8ms。

（8）4096个字的程序容量（永久存储），2560个字的数据块大小（永久存储）。 （9）最多可以扩展7个I/O模块。最大数字量I/O(映像)为256点，最大模拟量I/O（映像）为32点输入和32点输出。

（10）256位的内部标志位（M寄存器）。

（11）256个定时器，有64个定时器可以通过超级电容或电池后备。其中分辨率为1ms的有4个，分辨率为10ms的有16个，分辨率为100ms的有236个。

（12）256个计数器，全部可以通过超级电容或电池后备。 （13）布尔指令执行速度为每条指令0.37us. (14) 移位指令执行速度为每条指令34us. （15）定时器/计数器执行速度为每条指令50~64us. (16) 单精度运算执行速度为每条指令46us. （17）实时运算执行速度为每条指令100~400us. （18）超级电容保持数据时间的典型值为190h. (19) 有2个RS-485的通信端口。

在这个控制系统中，主PLC单元的I/O能足够满足数字输入/输出控制的需求，但是由于需要采集模拟量，所以仅靠PLC的基本单元式无法完成控制功能的，因此需要扩展模拟量输入/输出模块。

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在西门子S7-200系列PLC中有专门的模拟量输入/输出扩展模块EM235，因此选用EM235模块进行模拟量输入的扩展。

EM235扩展模块具有以下特性。

（1）具有4路模拟量差分输入，1路模拟量输出。

（2）输入范围，单极性电压为0～+5V，0～+10V；双极性电压为-2.5～+2.5，-5～+5V。

（3）电流为0～20mA。 （4）输入阻抗大于等于10MΩ （5）具有12位A/D转换器。

（6）数据字格式，单极性时为-32000～+32000，双极性时为0～+32000。 （7）最大输入电压为30V DC。 （8）最大输入电流为32mA。

（9）输出稳定时间，电压输出最小为5000Ω，电流输出最大为500Ω。 （10）输出分辨率，电压位为12位，电流为11位。 （11）功耗为2W。

（12）输出驱动能力，电压输出最小为5000Ω，电流输出最大为500Ω。 EM235与PLC主机连接时，不需要进行特殊设置，只要将扩展模块的排线插入到主机的扩展槽上即可，需要注意的是扩展模块的位置顺序决定了I/O地址编号。

3.2 PLC的I/O资源配置

1数字量输入部分

在这个控制系统中，输入量包括急停、手动/自动、冷却水系统启动按钮，冷冻水系统启动按钮、冷却泵和冷冻泵启动按钮等共15个输入点，如表1所示。 表1 数字量输入地址分配表 输入地址 输入设备 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7

输入地址 I1.0 I1.1 I1.2 输入设备 制冷机组2启动按钮 冷却泵1启动按钮 冷却泵2启动按钮 冷却水风机1加速按钮 冷却水风机2减速按钮 冷冻泵1加速按钮 冷冻泵2减速按钮 急停按钮 手动/自动按钮 启动按钮 冷却水风机1启动按钮 I1.3 冷却水风机2启动按钮 I1.4 冷冻泵1启动按钮 冷冻泵2启动按钮 制冷机组1启动按钮 I1.5 I1.6 13

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2 模拟量输入部分

由于需要输入四个温度传感器所采集的数据，因此扩展了一个模拟量输入/输出模块，具体I/O分配如表2所示。

表2 模拟量输入地址分配表

输入地址 AIW0 AIW2

3 数字量输出部分

该控制系统的输出主要集中在对各类泵的控制，共10个输出点，其分配情况如表3

表3 数字量输出地址分配表 输出地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4

下图所示的是空调控制系统的控制面板示意图，此面板主要在调试系统时使用，调试完成后置于机壳内部。

输出设备 冷却水风机1连接到工频 冷却水风机2连接到工频 冷冻泵1连接到工频 冷冻泵2连接到工频 输出地址 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 器1 冷冻泵1连接到变频器2 冷冻泵2连接到变频器2 制冷机组1线圈 制冷机组2线圈 输出设备 冷却水风机2连接到变频输入设备 温度传感器1 温度传感器2 输入地址 AIW4 AIW6 输入设备 温度传感器3 温度传感器4 冷却水风机1连接到变频器1 Q1.1 14

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根据控制系统的功能要求和I/O分配表以及图5，设计出模块式空调系统的硬件连接图。

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急停按钮手动/自动启动按钮冷却水风机1启动冷却水风机2启动冷冻泵1启动冷冻泵2启动急停按钮手动/自动2启动制冷机组冷却泵1启动按钮启动冷却泵2冷却水风启动冷却水风机1启动冷却水风机1加速冷却水风机2启动机2减速冷冻泵1启动冷冻泵2启动冷却泵1加速冷却泵2减速制冷机组2启动冷却泵1启动冷却泵2启动冷却水风机1加速冷却水风机2减速冷却泵1加速冷却泵2减速1MI0.0I0.1I0.2+220VI0.3南通职业大学毕业设计1L(论文) 接触器1I0.4Q0.0接触器2I0.5Q0.1接触器31MI0.6Q0.2接触器4I0.7I0.0Q0.3I1.0I0.1变频器1I1.1I0.22L（风机）I1.2Q0.4变频器I0.31L2I1.3Q0.5（风机）I0.4Q0.0变频器1I1.4Q0.6（泵）I0.5Q0.7Q0.1变频器22MI0.6（泵）Q0.2I1.5I0.7Q0.3I1.6制冷机组3L1I1.0Q1.0I1.7制冷机组I1.1Q1.1I2.02L2I2.1Q1.2I1.2Q0.4I2.2I1.3Q1.3Q0.5I2.3Q1.4I1.4Q1.5Q0.6I2.4Q0.7I2.5Q1.62MI2.6Q1.7I1.5PEI2.7MI1.63LNAC220VL+I1.7L1Q1.0+220V接触器1接触器2接触器3接触器4变频器1（风机）变频器2（风机）变频器1（泵）变频器2（泵）制冷机组1制冷机组2温度传感器1温度传感器2温度传感器3温度传感器4I2.0MI2.1L+I2.21MI2.3AIW0I2.4AIW2EM235AIW4I2.5AIW6I2.6I2.7ML+ML+1MAIW0AIW2AIW4AIW6Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.7PENL1AC220V温度传感器1温度传感器2温度传感器3温度传感器4EM235 16

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图5 模块式空调系统的硬件连接图

3.3 输入/输出设备的选择

PLC是整个控制系统的核心设备，选定PLC型号及其的模块后，就需要按照控制功

能的要求选购其余设备，例如，各种开关、按钮、旋钮、传感器、变频器及人机界面等设备。 1 各种按钮

急停按钮采用到锁结构的常闭触点，按下后触点断开，按照按钮指示方向旋转可复位。手动/自动按钮采用旋钮结构，一边常闭，一边常开；其余按钮全部采用自动复位按钮，采用触点触发工作方式，即按下接通输入点，松开按钮自动复位输入点。 2 温度传感器

如图所示，控制系统需要采集回水和冷却水的温度，以此来控制冷却风机和冷冻水泵的工作状态，因此需要在冷冻水回路和冷却水回路的适当位置安装温度传感器，将温度值转化成电压值输入到PLC中，在进行判断处理，实现维持室内空气状况满足设定条件的功能。

（1） 温度传感器1、2用于检测两条冷冻水回路系统的温度，以来控制冷冻水泵的

转速条件。

（2） 温度传感器3、4用于检测两条冷却水回路系统的温度，以此来控制冷却风机

的转速条件。

3变频器

西门子公司生产的MM440是一款高性能的矢量变频器，适用于一切传动系统。该变频器是采用现代先进的矢量控制系统，使得当负载突然增加时仍能保持控制的稳定性；采用快速响应特性的输入，用于定位控制的斜坡函数曲线功能和内置式制动斩波器，使被控设备能准确地移动到设定位置，达到非常好的定位精度。

MM440变频器可应用于多种生产设备的传动系统，例如，物料运输系统、纺织加工、电梯、机械加工，以及食品加工等领域。

MM440变频器具有一下特性。

（1） 结构紧凑、体积小、便于安装。 （2） 模块化的设计，便于进行系统扩展。 （3） 具有较强的过载能力和负载转矩监控功能。

（4） 多种控制方式。矢量控制、FCC（磁通电流控制）、可编程V/F特性控制、线

形V/F控制。

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（5） 具有恒转矩控制和平方转矩或变转矩控制两种运行方式，在低速时可实现最

大转矩的输出。

（6） 内置有PID控制器，可根据控制要求进行参数设置。

（7） 具有3组驱动数据，可根据不同的控制要求，快速选择驱动参数。 （8） 自由功能模块能够实现多种控制逻辑。

（9） 通过设置4个跳转频率，可以最大程度降低传动系统在出现谐振时机械结构

承受的应力。

（10）制动时，复合制动功能可使设备快速制动，由于内置了斩波器，在制动时其

功率输出可达到90KW。

（11）动态缓冲功能使得在电源电压短暂突变时能正常工作。 （12）具有过温保护功能。

（13）设有网络接口，可与互联网连接进行远程操作。 （14）配有多种EMC滤波器可选。

（15）输入。6个数字量输入，2个模拟量输入（0~10V，0~20mA）和1个用于电动

机过热保护的PTC/KTY输入。

（16）输出。2个模拟量输出（0~20mA），3个继电器输出（DC:30V,5A,阻性负载；

AC:250V,2A,感性负载）。

MM440变频器有多种型号，按电压一般分为3种：220~240V（单相/三相）；380~480V(三相)和500~600V(三相)，其结构如图所示。

由于在这个控制系统中，不需要用到变频器的模拟量输入，因此模拟量等端口的输入未标出，且水泵电机的容量不大，因此也不需要配置制动电阻。如图所示，采用RS-485作为与PLC的通信连线，控制变频器的指令由RS-485传输，L1、L2、L3是变频器的电源输入端，是三相输入，频率为50Hz，根据变频器的指令改变电源的频率后，输出到连接电动机的端口U、V、W。

（1） 变频器1用于控制两个冷却风机的转速，并在适当的控制条件下将冷却风机转

换到工频工作条件下将冷却风机转换到贡品条件下，实现保持冷却水在一定的温度范围内。

（2） 变频器2用于控制两个冷冻水泵的转速，并在适当的控制条件下将冷冻水泵转

换到工频条件下，实现保持室内空气条件在一定的范围内。

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L1L2L3三相电源输入MM440变频器URS-485VW输出到电动机

4人机界面

TD200文本显示器是西门子公司为S7-200系列PLC配置的人机界面，内置了通信电缆的接口，与S7-200连接简单，只需使用它的适配电缆连接到PLC的变成口上即可。 TD200文本显示器具有一下特性。 （1） 结构坚固，易于安装，便于携带。 （2） 具有背光LCD液晶显示功能。 （3） 具有多种语言的文字库和汉字库。 （4） 可显示S7-200系列PLC的相关信息。

（5） 可以更改控制系统中的某些参数和变量，并显示在显示屏上。 （6） 具有强烈I/O诊断功能。

（7） 提供可编程的8个功能键可代替机械按钮。 （8） 多种可选的通信速率。 （9） 提供密码保护功能。

TD200的面板结构图如下图所示。TD200的文本显示区可显示两行数据，每行有20个字符；通信口为DP9接口，可使用自带的通信线与PLC连接；一般情况下无需外加电源，当人机界面与PLC距离超过许可范围的时候，就需要外加电源；九个功能键中有四个可以根据用户的需要自行定义其作用。

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SIEMENSTD200F5F1F6F2F7F3F8F4SHIFTESCENTER

在西门子的编程软件STEP 7-MICRO/WIN32中集成了TD200编程功能，同时在S7-200系列的PLC中保留了一个专门的区域用于对TD200进行操作。 5继电器

如图所示在这个控制系统中，需要四个水泵在工频和变频之间切换，因此需要设置中间继电器来控制，即采用低压电器的打开和闭合。通过PLC控制继电器线圈的通电和断点，从而控制继电器的触点，实现控制要求。

（1） 继电器1、2用来控制两台冷却风机的工作状态，根据控制条件适时地将冷却

风机接入工频控制或断开工频控制。

（2） 继电器3、4用来控制两台冷冻水泵的工作状态，根据控制条件适时地将冷冻

水泵接入工频控制或断开工频控制。

（3） 继电器5、6制两台冷却风机的工作状态，根据控制条件适时地将冷却风机接

入到变频器或从变频器断开。

（4） 继电器7、8用来控制两台冷却风机的工作状态，根据控制条件适时地将冷冻

水泵接入到变频器或从变频器断开。

（5） 继电器9、10用于制冷系统的控制，控制它的启动和停止。

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第四章 软件系统设计

4.1 总体流程设计

根据模块式空调的控制要求，控制过程分为手动控制模式和自动控制模式，以下将分别介绍两种控制模式[10] 1 手动控制模式

手动控制模式是指用户根据自身的要求，分别启动和停止各个模块：冷却水系统、冷冻水系统、变频调速模块、制冷系统等几个系统。

冷却水系统的工作过程包括以下几个方面。

（1）按下冷却风机启动按钮，系统上电，风机启动。 （2）然后按下冷却泵启动按钮，水泵开始工作。

（3）然后通过按下冷却风机的加/减速按钮，可以控制风机的转速。 （4）按下停止按钮，系统停止工作。 冷却水系统工作流程图如图6所示。 冷冻水系统的工作过程包括以下几个方面。 （1）按下冷冻泵启动按钮，系统上电，水泵工作。

（2）然后通过按下冷冻水泵加/减速按钮，可以控制水泵的转速。 （3）按下停水按钮，系统工作。 冷冻水系统工作流程图如图7所示。

在空调运行过程中，需要根据温度变化的情况来控制冷却风机和冷冻水泵的工作状态，所以使用变频器控制着两个设备的运行。其工作过程包括以下几方面:

（1）启动冷却风机或冷冻水泵使变频器工作，输送个启动频率给控制设备。 （2）根据控制面板上按钮的控制，增加或减少输出地频率值。 （3）急停按钮按下后，变频器的频率值复位，即输出为0。 变频器工作流程图如图8所示。

制冷系统是空调控制系统的核心部分，主要是对制冷设备的启动过程，由于对冷却水系统和冷冻水系统进行了自适应控制，实现了保持室内空气条件稳定的功能，因此这个部分的控制过程比较简单，工作过程主要包括以下两方面。

（1）按下制冷机组启动按钮，制冷机组开始工作。 （2）急停按钮按下后，制冷机组停止工作。 制冷机组工作流程图如图9所示

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开始 开始 却风机启动按钮？ Y 冷却 风机启动 按下冷却泵启动按Y 冷冻水按下冷却泵启动按N Y 冷却泵启N 加速按钮按Y 冷却风机加速 减速按钮按下 Y 冷却风机减速 冷却水泵加速 冷却水泵减速 N N 加速按钮按下 ？ Y 减速按钮按下 ？ Y 泵启N N N 急停按钮按Y 结束 N 急停按钮按下？ Y 结束 N

图6冷却水系统工作流程图 图7 冷冻水系统工作流程图

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按下冷开始 按下冷却风机启动按Y 冷却 风机启动 N 按下冷却泵启动按Y 冷冻水按下冷却泵启动按N Y 冷却泵启N 加速按钮按Y 冷却风机加速 减速按钮按下 Y 冷却风机减速 冷却水泵加速 冷却水泵减速 N N 加速按钮按下 ？ Y 减速按钮按下 ？ Y 泵启N N 急停按钮按Y 结束 N 急停按钮按下？ Y 结束 N

图8变频器工作流程图 图9制冷机组工作流程图

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4.2 各个模块梯形图设计

在设计程序过程中，会使用许多寄存器、继电器、定时器等软元件，为了便于变成及修改，在程序编写应先列出所用到的软元件，如表4所示 表4 元件设置表

编号 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M0.7 M1.0 M1.1 M1.2 M1.3 M1.4 M1.5 M1.6 M1.7 M2.0 M2.1 M3.0 M3.1 M3.2 M3.3 T37 T38 T39 T40 VW14

意义 急停标志 手动标志 自动标志 自动过程启动标志 冷却风机1启动标志 冷却水泵1启动标志 冷却水系统1启动标志 冷却风机2启动标志 冷却水泵2启动标志 冷却水系统2启动标志 冷冻水泵1启动标志 冷冻水泵2启动标志 制冷系统1启动标志 制冷系统2启动标志 冷却水温度高于设定值 冷却水温度低于设定值 冷冻水温度高于设定值 冷冻水温度低于设定值 冷却水风机切换到工频标志 冷冻水风机切换到工频标志 冷却水风机切换到变频标志 冷冻水风机切换到变频标志 等待冷冻水系统启动时间 等待制冷系统启动时间 等待冷冻水系统停止时间 等待冷却水系统停止时间 有效误差值 24

内容 10 10 5 20 备注 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 On有效 1s 1s 0.5s 2s

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自动状态下,冷却水温度反馈值高于标准值

冷却水风机切换至工频 自动状态下,冷却水温度反馈值高于标准值 冷却水泵切换至工频 自动状态下,变频器频率为0 且冷却水温度反馈值低于标准值

冷却水风机切换至变频阶段 自动状态下,变频器2的频率为0 且冷却水温度反馈值低于标准值

冷却水泵切换至变频阶 段

在手动控制过程中，部队温度传

感器采集回来的数据进行处理，因此两个冷却风机工频和变频的切换是手动完成的，同样，两个冷冻水泵的切换时手动完成；在自动控制过程中，两个风机在工频和变频之间的切换靠温度传感器的数据，和变频器输出的频率值共同控制，两个冷冻水泵也一样。在上图的程序中，只写出了一个传感器数据处理的程序，采用了四个传感器，因此需要写四个同样的数据处理程序，注意在每个传感器数据处理子程序中，需要用不同的累加器进行计算，不能使用同一个累加器。在用户程序中，最多可以有8条PID回路，不同的回路必须使用不同的回路号，否则会出现意外的结果。对于温度传感器 1、2可以使用相同的PID参数，但要用不同的累加器进行计算；温度传感器3、4不能使用上图所示中的参数，因为它们的控制对象不同，需要重新设置参数，同样也要注意累加器和回路号的使用规则。 5 变频模块

在控制过程中，变频器控制模块梯形图如图13所示。

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冷却水风机加速 冷冻泵加速 手动状态下

冷却水风机切换至工频 冷冻水泵切换至工频 自动状态下

变频器1频率加1 冷却水风机减速 冷冻泵减速 手动状态下

冷却水风机切换至变频 冷冻水泵切换至变频 自动状态下

在手动控制过程中，变频器数值的改变是通过面板上的按钮来控制的；在自动控制过程中，变频器的控制指令是由PLC将温度传感器的数据、控制系统当前的状态进行分析处理后，发出对变频器的控制指令。PLC对变频器的控制是通过RS-485端口实现的，采用USS协议来完成。图完成了冷却水系统的温度采集，然后通过PLC运算，对变频器发出控制命令，冷冻水系统的温度采集，变频器控制指令与此类似。

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6 停止控制

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停止按钮

启动定时0.5s

定时到，关闭冷冻水系统

启动定时2s定时到后，关闭冷却水系

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第五章 系统设计中的问题及解决办法

在进行工程应用设计时，往往会由于考虑不周或经验不足等原因，造成设计出来的系统不能完全满足控制要求，问题主要来自于硬件设计和软件设计两个方面的原因。

5.1硬件方面的问题

硬件方面的问题可分为结构设计和PLC的硬件连接部分。

结构设计方面，主要考虑的整体结构的设计，各种系统的组合甚至每个设备的安置，这就需要有大量的工程实践经验，如何选用风机？选用什么类型的风机，风机的功率，外形，安装的形式等，都需要从实际设计的积累中获得。

PLC连线方面，这个控制系统的连线较多，尤其是手动操作面板部分，由于手动操作面板只是用来调试设备，因此在工程完成后，只有在检修维护的时候会用到，其他时候一般是不使用的。在前面板即人机界面处，需要注意TD200与PLC的距离，若超过有效距离后，需要处加电源，既增加了成本，又需要重新规划布局，留出电源的位置，因此再设计之初就要充分考虑到这点。

5.2软件方面的问题

在这个应用实例中，采用TD200文本显示器和MM440变频器，两个需要通信的模块，

因此在软件设计时需要更加小心。

首先要分别单独测试TD200和MM440的功能，先编写小程序来测试设备的基本功能，然后逐步加深难度，测试设备的其他功能，尤其是控制过程需要用到的一些功能。仔细阅读技术手册和使用说明也是非常重要的，否则会因为一些默认的参数设置而导致，控制过程无法实现。

当对TD200和MM440都熟练掌握了相关功能后，就要添加到程序中测试，观察PLC输入/输出指示灯的状态，打开监控软件，测试人机界面的功能是否正常，测取变频器输出端的电压、电流等相关数值，观察是否到了变频的效果。

在程序编写方面，相关功能要实现模块化，对于手动控制部分，不应加入逻辑状态，一般采用触点常闭或常开的状态，即状态变量，这样可以避免误动作或者不动作。

5.3安装调试方面的问题

由于空调系统中，有水系统存在，因此需要保证水循环系统的密闭性，同时要保证

电器柜的痛风性，同时原理水循环系统，防止意外漏水导致PLC故障。

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用户程序设计好之后，议案不能要先做模拟调试，即利用西门子公司提供的仿真软件进行仿真，通过强制某些输入点为ON或OFF，来观察相关的输出点或寄存器值的变化。也可利用编程软件的梯形图来监控程序的运行，同样可以利用元件监控图，进行监控、修改一些元件，观察输出的结果。如果有PLC硬件的话，可以利用一些小开关和指示灯来模拟实际的现场情况，观察是否满足控制的时序要求。

在调试时，可以将一些延时、计算值设置的较小一些，能大大缩短调试时间，等所有调试都顺利完成后，可把设置值调整到设计所需的要求上。

在软件、硬件及PLC连线全部完成后，就可以先调试硬件连接，然后再进行系统调试，调试的方法可以采用软件模拟的方法，即对于数字输入量可通过强制改变ON/OFF,对于模拟量输入，可利用一些标准信号源发生器来模拟。

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结 论

本控制系统采用了西门子公司的S7-200系列PLC中的CPU226型作为核心控制设备。在原有空调系统上进行了改进，利用PLC实现了人机界面，能对模块式中央空调系统进行智能控制，此系统可根据季节变化和负载变化，灵活控制空气处理设备的运行台数，实现节能运行；能均衡每台设备的运行时间，延长整个系统的寿命；充分利用不同负载时的工作状态，启停不同的设备和设备的台数，循环切换设备，大大降低了设备的费用。

通过这次毕业设计，我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC应用，以及对西门子S7-200系列PLC有了充分了解，并且在写毕业论文的过程中，对我word的操作也有了熟练掌握，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

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参考文献

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[2] 王永华等.现代电器控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003. [3] SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.1999. [4] SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.2003.

[5] 郭宗仁等.可编程控制器应用系统设计及通信网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[6] 陈建民等.电气控制与PLC应用[M].北京：电子工业出版社，2006. [7] 张进秋.可编程控制器原理及应用实例[M].北京：机械工业出版社，2004. [8] 钦和.可编程控制器应用设计与设计实例[M].北京：人民邮电出版社，2004. [9] 钟肇新.可编程控制器原理及应用[J].广州：华南理工大学出版社，2003. [10]戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

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致 谢

感谢我的导师徐呈艺老师的悉心指导。论文从选题到完成的整个过程中，都得到了徐老师的热情帮助和精心点拨。徐老师渊博的专业知识、敏锐的学术眼光、幽默的教学风格给我留下了深刻的印象，并对我以后的学习和工作产生极大的促进作用。

感谢辅导员老师、班主任老师等所有老师，在大学三年的学习生活中，他们对本篇论文的顺利完成发挥了巨大的作用。感谢所有老师的精心授业和辛勤工作。

感谢我的室友们，来到原本陌生的南通，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我们一起学习一起锻炼共同进步。我们就要各奔前程，大家珍重。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

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