中央空调智能化控制系统设计

常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 中央空调智能化控制系统设计 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10自 二 学生姓名： 马 晋 学号： 10020619 指导教师： 高 敏 职称： 讲 师 评阅教师： 职称： 2014 年 6 月 摘要随着我国社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动化系统开始。PLC控制系统取代了继电器电路的逻辑控制，不仅提高了控制系统的精度与速度，也增加了控制系统设计的灵活性，使硬件设计变成软件设计。因此采用基于PLC的控制系统是中央空调智能化的一种趋势。本文设计了由变频器、PLC、数模转换模块等组成的温差闭环控制在中央空调控制系统。控制系统的参数显示与修改、工作方式切换、故障报警由触摸屏控制。系统的运行与控制都可以由修改软件程序完成，简化了操作柜设计，使控制过程更加智能化。关键字：中央空调 控制系统 PLC 智能化 AbstractAs Chinas highly information-oriented society continues to develop, the new high-tech technology continues to be applied to various aspects ,which makes intelligence become an inevitable trend of development. Also intelligence begins from equipment automation system. PLC control system to replace the logic control relay circuit, not only improve the accuracy and speed control systems, but also increases the flexibility of the control system design, hardware design into software design to make. Therefore, the use of PLC based central air conditioning control system is an intelligent trend. This paper designs temperature difference from the inverter, PLC, digital to analog conversion modules and other components of the closed-loop control in the central air-conditioning control system.The parameter display and modify of control system, work mode switching and fault alarm are all controlled by the touch screen.The operation and the control of system can be done by modifying software program,which simplifies the design of operation cabinet and make the control process more intelligent.Key words: Central air conditioning Control System PLC Intelligence 目录第一章 绪论11.1课题背景11.2 中央空调控制系统的发展21.3 本研究课题的主要工作21.4 本章小结3第二章 中央空调控制系统原理与方案42.1中央空调组成42.2中央空调控制系统原理52.3中央空调控制系统工艺要求62.4 PLC控制系统总体设计方案72.5 本章小结7第三章 中央空调控制系统硬件设计83.1变频器的选择83.1.1 变频器主要的参数设置83.2 PLC的选择93.2.1 PLC主机设计设计要求93.2.2三菱 FX2N系列介绍103.2.3 模拟量IO模块的分配103.2.4 PLC主接线图113.3 传感器检测模块123.3.1 FX2N-4AD-PT介绍123.4 人机界面设计133.4.1触摸屏简介133.4.2触摸屏设计要求143.4.3 触摸屏选择153.4.4 触摸屏画面设计153.5本章小结17第四章 控制系统软件设计184.1 PLC主机与触摸屏之间的通信设计184.1.1 RS-485介绍184.1.2 MODBUS RTU协议简介184.1.3 PLC主机与触摸屏之间硬件连接194.1.4 PLC主机与触摸屏之间软件设置194.2流程图244.2.1设备启动顺序244.3 主程序分析与设计254.3.1冷冻水出回水和冷却水进出水的温度检测及温差计算程序254.3.2 FX2N-4DA 4通道的D/A转换模块程序分析254.3.3手动调速PLC程序分析264.3.4手动调速和自动调速的切换程序264.3.5温差自动调速程序274.3.6变频器的保护和故障复位控制274.4本章小结28第五章 调试29总结30致谢31参考文献32附录331绪论第一章 绪论1.1课题背景随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，为了保证温度恒定，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，例如酒店、宾馆、办公大厦、商场、工厂厂房等场所。随着时间的推移，人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了。舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求，希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度。统计数字显示，传统的中央空调控制系统耗电量极大，且存在巨大的能源浪费。中央空调系统普遍存在着30以上的无效能耗，有些中央空调系统的无效能耗甚至可以高达50以上。采用新技术降低系统能耗成为当务之急。因为能源是发展国民经济的重要因素，我国近年来能源短缺的现实，节能减排才是重中之重。建设节能型社会，促进经济可持续发展，是实现全面建设小康社会宏伟目标，构建和谐社会的重要基础保障1。在传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻水循环系统、冷却水循环系统、冷却塔风机系统、风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的，且留有充足余量。不管在什么时间，负荷的多少，各电机都长期处在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节的功能，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。有个例子可以很好的说明这些，中央空调控制系统中的一些冷冻水泵电机和冷却水泵电机，常年在固定的最大流量下运转，但由于春夏、早晚和用户功率的变化，在大部分时间里，系统的真实热负载值与决定水泵电机流量和压力值的最大设计负载值相比，一年中实际负载率在50以下的总小时数约占全部工作时间的60%以上。冷冻水的设计温差约为57，冷却水设计温差约为45，在系统的流量固定情况下，全年大部分工作时间温差仅13，即在温差小、流量大的情况下运行，增加了管道中的的能量损失，浪费了水泵电机工作的输送能量。也就是说，空调系统存在着至少30以上的节能空间。这至少30%的节能空间来源于很多方面：第一，负荷估算值偏大，系统消耗能量大大增加，最新制冷主机可根据负载的一些变化相应的加载和卸载，而水泵中的流量却不随制冷主机调节，必然存在大的能量消耗；此外，每年气象条件是呈周期性变化的，系统不能做出对应的调节，许多环节上都留有节能空间。第二，空调主机选型容量加大，在冷负荷估算值加大后，空调主机制冷量也相应的加大。第三，水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，冷冻水系统和冷却水系统中消耗了水泵较大的输送能量。在传统的运行方式下，只要启动水泵，就会在工频满负荷状态下运行。第四，起停频繁对设备长期正常运行带来负面影响。起动电流约为额定值5倍，电机在大电流运行下，频繁起停，接触器触点会产生电弧，会给电网造成一定冲击，起动冲击和停止时出现承重现象会对各种机械设备造成损伤。为此，如果能通过冷冻水供回水温度、压差，冷却水泵的流量等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起停，使空调系统高效、节能运行，将产生非常明显的经济效果。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频器调速，采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高调节和控制的精度，从而方便地实现恒温空调系统。使用智能化空调的目的主要是减少能源消耗，实现资源的综合应用与人类生活的舒适。1.2 中央空调控制系统的发展中央空调系统作为现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一 ，其控制系统的选择十分重要。中央空调控制系统的控制有3种控制方式：原始的继电器式控制系统、直接数字控制器以及基于PLC的控制系统。继电器式控制系统因故障率高，系统复杂，功耗高等缺点已逐渐被人们淘汰，直接数字控制器虽在智能化方面有很大改善，但由于直接数字控制器本身抗干扰问题和分级式结构的局限性而限制其应用范围。相反，基于PLC的控制系统由于其运行可靠、方便维护，较强的抗干扰能力等显著优点使其得到广泛应用。所以现在越来越多的中央空调控制系统采用 PLC控制，因PLC程序修改容易，扩展能力强使得大量的基于PLC的中央空调控制系统迅速发展，并取代了传统的DDC控制系统 ，且可以通过PLC通讯接口连接上位监控系统，便于在控制室查看各节点工作状态，并且很方便的进行电能消耗 、运行时间的统计以及故障监视和分析 。因此，采用基于PLC的智能化控制系统无论对于节约电力能源、提高运行效率，还是提高控制系统功能具有重要的作用。1.3 本研究课题的主要工作本文在分析和综合了中央空调控制系统的特点、发展趋势以及中央空调控制任务的基础上，对中央空调冷冻水机组采用传统PID控制，对基于MODBUS通信协议的RS-485总线设计的控制系统进行了研究，并进行了人机界面设计，最终设计了基于PLC的中央空调控制系统。研究工作的具体内容如下：1、对空调PLC控制系统的组成进行简单的介绍。2、设计基于PLC的中央空调控制系统。3、设计了基于RS-485网络的通信控制系统，用触摸屏控制PLC主机的运行。4、设计触摸屏人机界面，实现数据的实时显示，监测并控制中央空调系统运行状况。1.4 本章小结本章主要分析了中央控制温度存在的问题，并介绍了其控制系统的发展，最后明确了对空调控制系统设计的任务与工作内容。37 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计报告第二章 中央空调控制系统原理与方案2.1中央空调组成 中央空调系统主要由冷水系统、末端系统和送风系统组成。冷水系统包括冷冻机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔和水管。末端系统包括组合式风柜、吊顶风、暗装卧式风机盘管和明装立式风机盘管。送风系统包括送风管、回风管和新风管。由图2-1可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即冷却水循环系统和冷冻水循环系统，压缩机（图2-2）不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，冷却水和制冷剂进行热量交换，制冷剂放出热量后成为高压液体，经热力膨胀阀过后，液态制冷剂的压力开始急剧下降，成为低压液态的制冷剂后开始进入蒸发器，在蒸发器中，低压液态的制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开始新的一轮制冷循环。而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换，降温后的冷却水重新流入冷冻主机开始下一轮的循环。图2-1 中央空调冷水机组系统组成图2-2 制冷压缩机系统的原理图 2.2中央空调控制系统原理 冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水送回到冷冻机组。回水的温度将高于进水的温度，形成温差，所以对于冷却泵，通过检测进水和回水的温度差来实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，可以提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。从冷冻主机流出的冷冻水流经所有的房间后回到冷冻主机。无疑，回水的温度将高于出水的温度，形成温差。出水管和回水管上装有检测温度的变送器。与PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制泵的转速也是可行的，回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。 控制系统原理图如下：图2-3中央空调控制系统原理图2.3中央空调控制系统工艺要求控制系统基本功能设置有手动和自动的两种选择，手动功能是在对设备单台电机试运转和维修保养的时候选用，自动功能是在在房间内水泵与电机顺序工作时选用。在两种状态启停操作时，冷却水塔、冷却水泵电机、冷冻水泵电机、冷冻水机组都在设定的时间范围之内，按照顺程序和逆程序进行电机启动和停止，在设备出现故障操作时及时启用备用系统，以确保机组的正常运行与工作。主要的控制要求有以下几点：1.测量冷冻水的供回水温度差，计算空调真实的冷负荷，根据真实的冷负荷决定冷水机组的工作状态，达到最佳运行状态。2.各设备的顺序运行方式：启动：冷却水塔风机冷却水泵电机冷冻水泵电机冷却水机组。停止：冷却水机组冷冻水泵电机冷却水泵电机冷却水塔风机。当任何一台冷却水泵电机或冷冻水泵电机出现故障时，备用冷却水泵电机或冷冻水泵电机会立即投入工作。3.测量冷冻水供回水管压力差，以控制其阀门的开度，使其维持恒定压差。2.4 PLC控制系统总体设计方案控制系统设计框图如下：PLC模块FX2N-4AD-PT模块主机触摸屏 DA模块温度传感器冷却塔变频器冷冻水变频器冷却水变频器冷却风机冷冻水泵冷却水泵 控制系统运行时，首先对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变送器和A/D转换模块反馈给PLC进行处理，再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速，从而对温度进行控制。目前，对冷却水系统和冷冻水系统分别进行调速的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量。冷冻水系统也是如此。在冷冻水和冷却水的回水管道上安装温度传感器，只检测回水温度，然后经过PLC的处理对变频器实行控制。这样可使中央空调机组处于最佳节能状态。2.5 本章小结本章首先介绍了中央空调控制系统的组成与工作原理，然后根据其控制工艺要求确定其设计方案。第三章 中央空调控制系统硬件设计中央空调控制系统硬件有变频器、PLC、温度变送器、人机界面。实现功能如下：1、变频器：为了调速，并降低启动电流。2、PLC：PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心，PLC 控制器通过温度传感器测量进出水温度，编入控制器内存，最后来控制变频器的频率，以控制电机的转速，调节水量，根据室内的温度高低，控制热交换的速度，达到节能目的。3、温度变送器：将温度变量转化为可传送的标准化输出信号。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。4、人机界面：系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。3.1变频器的选择 在额定频率与额定电压的条件下设计交流电动机时，轴上的输出转矩和输出功率是额定值。但在变频控制电机下，工作频率可以随时发生变化，电机的输出也会随时发生变化。虽然部分变频器具有通用性，但电机的拖动场合以及工作环境的不同，所以应选择相适应的变频器。当一台变频器驱动控制一台电机时，变频器的额定电流应该大于电动机的额定电流，或变频器的驱动功率大于电机的实际功率。根据以上的介绍以及系统功能的需求，本文选择了三菱FR-A540变频器。本系统所用的单台水泵功率为4.5kW。三菱FR-A540变频器的容量为0.4kW7.5kW。由于本系统采用的是一台变频器只为一台电机提供电源，即一台变频器对应一台水泵，所以三菱FR-A540的功率以足够胜任。并且三菱FR-A540变频器性能可靠，价格低廉，市场占有份额大，便于购买。所以选择三菱FR-A540作为本系统的变频器。3.1.1 变频器主要的参数设置3.2 PLC的选择3.2.1 PLC主机设计设计要求（1）最大程度满足控制对象的控制要求设计PLC控制系统的首要前提和最重要原则是充分利用PLC的各种功能，最大程度地满足控制对象的控制要求。设计人员在进行设计时要深入控制现场进行研究调查，收集资料，同时设计人员要与现场操作人员进行及时的沟通与交流，确定控制方案，解决控制系统的难题。（2）确保PLC控制系统安全可靠设计人员进行控制系统设计的一项重要原则就是保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行。设计人员在进行设计时要充分考虑系统部分的关系、元件的安全可靠、软件程序的可移植等条件。设计人员在设计时还应考虑在系统掉电、电机负载过大等条件下系统设备的保护。（3）控制设计经济、简单、便于维护设计人员在进行设计时除满足控制系统设计的各项功能和要求之外，还应充分考虑控制系统选择设备时要经济、简单、便于维护。这样才能提高利润空间，最大化的提高控制系统的自动化程度。（4）适合扩展主机PLC在主要功能实现之后还应充分考虑系统其他功能的实现，方案的进一步完善，控制要求的变化等因素，所以主机PLC应留有一定的空间与裕量。此外，PLC应尽量选择模块资源丰富的主机，这样便于系统功能扩展。根据输入输出点数以及10%的裕量，PLC主机选择三菱FX2N-64MR3.2.2三菱 FX2N系列介绍FX2N是三菱公司推出的高性能小型可编程控制器,FX系列PLC中应用最广泛的产品,该系列PLC是1991年推出,因其具有较高的性能价格比,受到广大用户的青睐.FX2N系列PLC是采用整体式和模块式相结合的叠装式结构.FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX2N系列PLC装置体积小、速度快、性能优越，成本低廉。FX2N系列PLC还可用于多个模块的连接、模拟控制、定位控制，是一套应用非常广泛的多功能PLC主机。 根据输入输出点数以及10%的裕量，PLC主机选择三菱FX2N-64MR3.2.3 模拟量IO模块的分配3.2.4 PLC主接线图PLC主机与变频器接线图3.3 传感器检测模块3.3.1 FX2N-4AD-PT介绍 三菱PLC模拟量输入模块用于接受温度、流量和压力等传感设备送来的标准电流信号和模拟电压，并将其转换为数字信号供PLC使用 FX2N-4AD-PT是三菱FX2N系列PLC中的一款模拟量的特殊功能模块，广泛用于基本三菱工控搭建的自动化平台中。 FX2N-4AD-PT型模拟输入模块用于模拟输入（电压输入和电流输入）转换成数字值，并将这个值输入到可编程控制器中。FX2N-4AD-PT可连接到FX0N、FX2N和FX2NC系列的可编程控制器。热电阻输入模块 FX2N-4AD-PT有CH1CH4四个通道，这四个通道都可进行AD转换，分辩率为12位，其中采集信号电压为-10V+10V，分辩率5mV。输入时，为420mA或-2020mA，分辩率20uA。32个16位的缓冲寄存器(BMF)位于 FX2N-4AD内部，用于与主机之间的数据交换。FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点，供电为5V，30mA。FX2N-2AD、FX2N-4AD、FX2N-8AD模拟量输入模块和温度传感器输入模块 FX2N-4AD-PT是FX2N常用的模拟量输入模块有。FX2N-4AD-PT通过扩展电缆与PLC主机相连，四个通道的外部连接则根据外部输入电压或电流量的不同而不同。 应注意以下几点： 1.外部输入为电压量信号,则将信号的+、-极分别与模块V+和VI-相连 2.若外部输入为电流量信号,则需要把V+和I+相连。 3.如有过多的干扰信号，应将系统机壳的FG端与FX2n-4AD的接地端相连。 4模拟量模块的性能说明 （1）4个输入点可同时使用。 （2）输入电压为-10V+10V,如果绝对值超过15V，则可对单元造成损坏。 （3）12位转换结果以二进制补码形式存放。最大值2047，最小值-2048。 （4）分辨率电压为1/2000，5mV，电流为1/1000，20uA。 （5）总体精度1%。 （6）转换速度615ms。3.4 人机界面设计3.4.1触摸屏简介人机界面是连接操作人员与机器之间的媒介，面对信息繁杂多变的显示屏幕，用户可以用文字、图形、声音等形式来实现控制。随着工业电气设备的不断发展，以往的操作平台需要由熟练的工作人员才能操作，而且操作程序复杂，工作效率较低。但是人机界面却能明确显示机器设备目前的工作状况，使操作过程变得简单，且可以极大地减少操作上的错误，即使是初学者也可以轻松地操作整个系统机器设备。利用人机界面还可实现机器设备的标准化、简单化，同时也可减少PLC控制器所需的I/O点数，在实现控制界面小型化、多性能的同时可以极大地降低企业的生产成本。 作为一种特殊的人机界面，触摸屏的出现从一开始就受到了极大地关注，简单易用，功能丰富以及超强的稳定性使得它极适合应用于工业现场环境，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛。在利用多媒体进行信息查询的今天，触摸屏的使用越来越多，因触摸屏作为最新的终端设备之一，是当前非常适合开发使用的简单经济的输入设备，此外，触摸屏还具有结实耐用、响应速度快、节约空间、便于交流反馈等众多优点。在应用这种技术情况下，用户只要用手指就可以轻松实现对主机的控制与操作，从而使人与机器交流更加方便，不会计算机软件操作的人员可以轻松实现对机器的控制。这种人机技术,使多媒体技术发生了极大地变化，是非常具有吸引力的多媒体终端设备。触摸屏技术在我国应用也十分广阔，主要有移动、银行、税务、电力等公共部门的信息查询；城市街头商业信息的查询；此外还可以用于工业控制、军事指挥、办公查询、电子游戏、多媒体教学、点歌点菜等方面，将来，触摸屏还将走入家庭。随着数字城市的发展和网络生活的不断丰富，信息查询都可以触摸屏的形式出现。为了改善操作上的弊端，人们开始用触摸屏代替传统的鼠标或键盘。在工作时，我们可用手指或者其它物体来触摸安装在设备前的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。3.4.2触摸屏设计要求触摸屏是一种操作工具，而它与人的信息交换是通过界面来进行的，所以界面的易用性和美观性就变得非常重要了，这就需要把握好人机界面的设计原则与设计方法。在进行人机界面软件设计的时候应充分考虑以下因素：（1）总体界面的布局设计，即如何将界面的布局变得更加合理。我们可以把功能相近的一些按键放在一起，并与其他的按键相区别。（2）操作过程设计，即通过设计工作过程，而让使用者的工作效率提高。我们尽量用最简单的步骤来完成一项操作。使用计算机软件程序控制的设备时，需要反复操作控制的终端设备才能完成一项任务，而采用触摸屏控制时，可大大减少工作流程，使工作大大简化。（3）工作界面人性化设计，即使用户可以更加舒适的工作。采用什么样的界面颜色，才能让工作者在心情舒适的情况下，延长工作时间而不觉疲劳？红色：炫目，刺眼，易产生忧虑心情。蓝色：平和，自然，舒适。明色：简单，明亮，但对眼睛产生较多刺激，长时间地工作容易引起疲倦感。暗色：安静，大气，眼镜感到舒适。微软公司公司浅灰色的系统主色调及ICON协调的成功运用，已经促使目前国际所有的软件产品形成一种的规范，这也是微软成功的重要因素之一。触摸屏界面颜色应让使用者感到舒适。（4）设计人机界面并不仅仅是对设备外部环境的设计，也是对产品设备功能的扩展与实现途径多元化的设计，这其中也涉及对其他硬件产品的设计与改装。但产品设备研发前的总体规划，会对人机界面的设计产生重要的影响，在实际的设计过程中将不仅仅注重产品的外部环境，也将更多涉及到规划中产品设备的底层技术准则，集中体现出了一个软件产品的核心所在。人机界面作为人与机器的信息交互的枢纽，直接影响着人的作业绩效，只有在设计时充分考虑到人的因素，和人机交互的原理，才能够达到人与机器的最佳配合，也才能够充分发挥人的作业能力，最大限度的利用好机器。3.4.3 触摸屏选择GOT-F940是三菱公司GOT-F900系列产品中的一员，其显示器尺寸为5.7英寸，规格有F940GOT-SWD-C（彩色）和F940GOT-LWD-C（黑白）两种，可以显示15行文字，每屏最大触键为50个，可以连接三菱、欧姆龙、富士和西门子等多种型号的PLC、运动控制器及变频器。 GOT-F940功能强大，除了具有数字图象显示、数据采样、警报记录等基本功能外，还具有联网通信、控制多变频器等扩展功能，所以选用GOT-F940作为主机触摸屏非常适合。3.4.4 触摸屏画面设计1、操作画面：包括运行模式的选择和机组的选择与启停控制，以及变频器的报警复位。2、监视画面：包括总的工艺流程动态监控和局部动态监控，指示灯给出运行模式及其报警信号，并在工艺检测点，通过虚拟仪表显示温度、温差、压差、频率的实时数据。3、故障报警信息：报警页面上虚拟灯显示闪烁（报警控件来做）,报警表中记录（包括历史记录）对故障发生的时间、位置、故障类型等 ,便于查询和处理。触摸屏画面图如下所示： 图1 开始工作界面 图2 选择画面 3.5本章小结本章主要介绍了控制系统的硬件部分，主要包括三菱FR-A540变频器、三菱FX2N-64MR主机、FX2N-4AD-PT温度检测模块、三菱GOT-F940触摸屏。触摸屏作为上位机控制PLC的工作与报警。第四章 控制系统软件设计第四章 控制系统软件设计4.1 PLC主机与触摸屏之间的通信设计4.1.1 RS-485介绍智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，智能仪表占据着世界仪表市场的绝对份额。企业运作的信息化需求促使了这一发展，企业在选择仪表设备时，越来越关注仪表的联网通信功能。发展最初的是数据模拟信号经仪表设备显示后输出一些简单过程量，后来逐渐出现RS-232仪表接口。RS-232接口可以实现设备间的点对点通信方式，但这种通信方式不可以实现联网通行功能。之后出现的RS485仪表接口解决了这个难题。RS-485电缆的选择：普通双绞线适合短距离、低速、干扰小的环境，反之，在高速、远距离传输时，则可以采用与阻抗相匹配(常为120)的RS-485专用型电缆，而在干扰大的情况下则必须采用铠装双绞屏蔽型的电缆。当采用RS-485接口方式时，对于一些传输线路，RS-485接口端口处到负载处其数据信号所允许的最大电缆传输长度与信号的波特率之间成反比关系，信号强弱以及噪声的强弱决定电缆的传输长度。从理论上讲，通信传输速率在100Kbps及以下时，RS-485接口的最大传输距离可以达1200米，但在实际情况中传输的距离往往也受芯片型号及电缆传输特性的影响而有所不同。信号源较弱、传输距离较远时，可以在传输的过程中采取增加中继站的办法对信号源进行放大，增减的中继站可以达到8个，也就是理论上的RS-485接口方式最大的传输距离可达9.6公里。当要传输的距离更长时，可采用光纤作为传播的介质，在收发两端处各加上一组光电转换模块，多模光纤传输的距离是510公里，而使用单模光纤可以达50公里的传输距离。4.1.2 MODBUS RTU协议简介MODBUS 协议是MODICON公司最先提出并倡导使用的一种通讯规则，通过大多数公司实际应用，逐渐被接受认可，发展成为一类标准的通讯规则，当采用这种规则进行数据通信或传输时，不同系统就可实现相互之间的通信。现在，在RS232或RS485接口方式的通信过程中，广泛地采用这种通行规则。常见的MODBUS 通信规则有两种，其中一种是MODBUS ASCII协议，另一种是MODBUS RTU协议。通常情况下，通信的数据量少或传输内容主要是文本形式时采用MODBUS ASCII规则，通信数据数据量较大或传输内容主要是些二进制的数值时，大多可采用MODBUS RTU规则。MODBUS协议详细地定义了校验码、波特率、数据序列等具体格式，这些都是在数据交换时要涉及到的内容。当MODBUS协议应用在在一根通信线上采用主从应答方式连接，即半双工方式，这就意味着在单独的一根通信线信号沿着两个相反的方向传输。刚开始，主计算机的检测信号寻址到唯一的终端从机设备，接着，终端从机设备发出应答信号在同一根通信线上以相反方向将数据传输给主机。MODBUS协议规定只允许主机（PC，PLC等）和终端从机设备之间相互通信，却不允许终端设备之间进行数据交换通信，这样各个终端设备就不可能在它们初始化的时候占据通信线路，而仅限于响应到本机时的查询信号。4.1.3 PLC主机与触摸屏之间硬件连接所有PLC必须加上485BD通信模块。触摸屏设备选择FX232/485BD。接口类型选择4852接口类型选择4852W。由于RS485与RS422电气性质相仿，器硬件连接可参照下图：注：HMI端采用9针D型母头：1脚：红色、4脚：蓝色、5脚：黑色、6脚：黄色、9脚：绿色。PLC端： SDB：红色、SDA: 黄色、SG: 黑色、RDB: 蓝色、RDA: 绿色；建议：采用5芯屏蔽线，长度约为2米。4.1.4 PLC主机与触摸屏之间软件设置PLC参数设置：PLC系统通信设置操作打钩，协议选专用通信协议，波特率19200，数据位7，停止位1，偶校验，H/W类型选 RS-485，和数检查打钩，传送控制顺序格式1站号第一台选1第二台选2以此类推。4.2流程图4.2.1设备启动顺序启动初始化程序备用水泵冷冻水泵设备故障冷却风机冷却水泵备用水泵信号灯自动方式变频启动操作柜控制冷水机组结束当程序加载后，PLC主机将驱动水泵与电机按次序工作。程序初始化后，系统会自检，存在故障时，系统报警，指示灯亮，系统启动恢复功能，修复存在的问题。系统有手动与自动两种运行方式。手动运行时，采用操作柜按钮控制，灵活驱动水泵和电机的运行。当采用自动运行时，系统按照程序加载的顺序，依次启动水泵与电机的运转。4.3 主程序分析与设计4.3.1冷冻水出回水和冷却水进出水的温度检测及温差计算程序据计算出来的冷却水进出水温差和冷冻水出回水温差，分别对冷却泵变频器和冷冻泵变频器进行无级调速的自动控制如图4.3.1，温差变大，则变频器的运行频率上升（频率上限50Hz），温差变小，则变频器的运行频率下降（频率下限为30Hz），从而达到恒温差控制的目的，节能运行最大限度得以实现。图4.3.1 冷却泵变频器和冷冻泵变频器进行无级调速的自动控制4.3.2 FX2N-4DA 4通道的D/A转换模块程序分析D/A转换模块如图4.3.2的数字量入口地址为：CH1通道：D1100；CH2通道：D1101；CH3通道：D1102；CH4通道：D1103；数字量的范围为-2000+2000，对应的电压输出为-10V+10V,变频器输入模拟电压为0+10V,对应30Hz50Hz的数字量为+1200+2000，为保证2台冷却泵之间的变频器运行频率的同步一致，使用了 LD M8000 MOV D1100 D1101 ；2台冷冻泵也使用了 LD M8000 MOV D1102 D1103 的指令。图4.3.2 FX2N-4DA 4通道的D/A转换模块程序分析图4.3.3手动调速PLC程序分析图4.3.3中X14为冷却泵手动频率上升， X15为冷却泵手动频率下降，每次频率调整0.5Hz，所有手动频率的上限50Hz，下限30Hz。图4.3.3 手动调速PLC程序分析4.3.4手动调速和自动调速的切换程序图4.3.4 X12为冷却泵手/自动调速切换开关；X13为冷冻泵手/自动调速切换开关。 图4.3.4 手动调速和自动调速的切换程序4.3.5温差自动调速程序温差采样周期，因温度变化缓慢，时间定为5秒能满足实际需要；当温差小于4.8时，变频器运行频率下降，每次调整0.5Hz；当温差大于5.2时，变频器运行频率上升，每次调整0.5Hz；当冷却进出水温差在4.85.2时不调整变频器的运行频率。从而保证冷却泵进出水的温差恒定，实现节能运行。其PLC梯形图如图4.3.5。图4.3.5 温差自动调速程序4.3.6变频器的保护和故障复位控制变频器的过电流电子热保护动作时PLC能自动检测，给出报警信号，提醒值班人员及时处理，图4.3.6为变频器故障后的复位PLC程序。图4.3.6 变频器的保护和故障复位控制4.4本章小结本章主要介绍了控制系统的软件部分，主要包括PLC主机与触摸屏之间的通信设置，主流程图的设计，主程序的分析与设计。 第五章 调试1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。2、投入试运行时，在人为地减少负荷，冷冻泵频率自动降到30Hz时，冷冻主机故障停机，经查是由于冷冻水水流开关动作造成，经维修（更换）后恢复正常。3、当仅开一台机组，冷冻泵运行在25Hz时，（首次设定频率下限为25Hz。）发现顶层部分房间的冷冻水流量偏小，温升偏高，不能满足冷量需求。经现场分析：虽然冷冻水循环为垂直及水平同程系统，各楼层负载管道水阻几乎相等，但由于管道胶原，管道保温也有不太理想的地方，冷冻水沿程的冷量损失较大，最后将冷冻水管道保温重新检修；冷冻泵频率下限也调整至30Hz。经维修、调整后，检测各点工作状况达到较理想要求。4、用高精度温度计检测各点温度，以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。将负荷需求不大或装机容量偏大的设备，手动调小阀门，避免电动阀的频繁开停或造成局部的大流量小温差。5、冷却水循环也遇到类似冷冻水系统相似的问题，首次将冷却泵频率下限设为25Hz，在试运行时，冷却塔布水器不能均匀转动布水，最后调整为30Hz， 第四章 控制系统软件设计总结本文介绍的由PLC和变频器组成的中央空调控制系统，可以根据实际需要负荷的变化自动调节水泵的转速, 改变了传统的冷冻水泵至始至终都工作在满负荷状态下，从而达到最佳节能运行状态。控制系统运行时，首先对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变送器和A/D转换模块反馈给PLC进行处理，再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速，从而对温度进行控制。控制系统中的触摸屏可作为上位机控制PLC主机的动作。触摸屏实现了对控制系统处理过程的监控，其中包括各种设备运行状态及现场参数实时显示、运行参数修改、工作方式切换、故障报警、运行参数记录等。触摸屏系统作为一种智能化的专家对策系统 ,增强了人机交互性 , 简化了操作柜设计，使控制过程更加智能化。本课题具有较好的实用价值和发展前景，值得进一步的研究和完善。 致谢本论文是在高敏老师的悉心指导下完成的，老师严谨的治学态度、渊博的学识、实事求是的工作作风使我受益匪浅。从课题的选择到论文的最终完成的每一个环节，自始至终都得到老师的精心指导与帮助。这半年多时间里，学到了很多科研和学习的方法。这些都将成为我人生中一笔重大的财富，在此特向指导老师表示衷心的感谢！在此还要感谢常州工学院电工电子实验室的领导与老师，感谢他们在我论文期间提供的各种实验设备与科研器材。在毕业设计结束之际，我在此对电气信息与电气工程学院，对高敏老师以及所有为我们的毕业设计提供帮助的老师们致以崇高的敬意和真心的感谢。参考文献1陈志新,张少军.楼宇自动化技术M.北京:中国电力出版社,20092史国生.电气控制与可编程控制器技术M.北京:化学工业出版社,20103岳庆来.变频器、可编程逻辑控制器及触摸屏综合应用技术M.北京:机械工业出版，20065霍小平.中央空调自控系统设计M.北京:中国电力出版社，20046陈虹.楼宇自动化技术与应用M.机械工业出版社，20067韩安容通用变频器及应用M北京：机械工业出版社，1996.8许春忠.PLC、触摸屏和变频器在中央空调风机控制系统上的应用J.中国制造业信息化，2008年第6期9胡肖飞.山西省电力公司中央空调控制系统设计D.山西：太原理工大学，201310王娟娟.中央空调系统的节能控制J现代建筑电气，2014年1期11 何青中央空调J南京：冶金工业出版社，199212 殷平空调设计M长沙：湖南大学出版社出版，1991.13 Curtis,JohnsonProcess Control Instrumentation Technology(6th) MPearson Education,Inc，200214 Ray MLAfuzzy logic controller for temperature control of a six zone tube furnace J Selfturuing Temperature Controller for PLC，2001，8(2)15Ernd Markus JPlug and control Jself rurning Temperature controller for PLC，2001，12(4).常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计报告附录