中央空调电气控制系统设计.doc

天津职业技术师范大学 Tianjin University of Technology and Education 毕 业 设 计 专 业 电气技术教育 班级学号 电气 0611 05 学生姓名 付斌 指导教师 田库 副教授 二 一一年六月 天津职业技术师范大学本科生毕业设计 中央空调电气控制系统设计 Central Air Conditioning Electrical Control System Design 专业班级 电气 0611 学生姓名 付斌 指导教师 田库 副教授 学 院 自动化与电气工程学院 2011 年 6 月 摘 要 该设计以纺织车间为设计背景 针对传统中央空调调节方式的局限性 选用西 门子 PLC S7 200 和 MM430 变频器 充分利用恒 v f 变频技术 实现对中央空调风机 转速的控制 以此来为纺织车间设计了中央空调送风系统电气控制线路 文中详细地介绍了中央空调送风系统电气控制线路的设计和开发过程 该设计 主要包括两部分 即硬件的选择和软件的设计 硬件选择主要是对低压电器控制柜 变频器 PLC 及扩展模块等的选择 软件设计主要是为满足中央空调控制要求而编 写的 PLC 程序及对一些相关变频参数的设置 在此基础上借助变频调速技术 让风 机在一定范围内平滑调速 进而使系统由局部送风来满足织机的湿度要求 而整个 车间则按照舒适性空调的要求进行全面送风 由于对电机实现了软起动 大大降低 了起动电流 避免了对电机和电网的冲击 同时系统还设计了报警和保护功能 使 中央空调在发生异常时 能够自动报警和停机保护 关键词 中央空调 PLC 变频调速技术 Abstract The design background of textile design workshop The traditional way of the limitations of central air conditioning Use Siemens PLC S7 200 and MM430 Inverter Full use of constant v f frequency technology Fan speed to achieve control of central air conditioning Textile workshop in order to design a central air conditioning system electrical control circuit Introduced in detail the central air conditioning system electrical control circuit design and development process The design includes two parts That the choice of hardware and software design Hardware choices of the low voltage electrical control cabinet inverter PLC and the choice of expansion modules etc Software designed primarily to meet the requirements of the central air conditioning control program written in PLC and frequency conversion of some related parameter settings On this basis with frequency conversion technology So smooth fan speed within a certain range Then the system by the local air supply to meet humidity requirements loom The entire plant in accordance with the requirements of comfort air conditioning full blast Achieved due to soft start the motor Greatly reduce the starting current Avoid the impact of the motor and power grid At the same time the system is also designed to alarm and protection The central air conditioning when an exception occurs Automatically alarm and shutdown protection Keywords central air conditioning PLC frequency control technology 目 录 1 引 言 1 1 1 课题的选题背景及意义 1 1 2 课题的主要研究内容 1 2 中央空调送风系统整体方案设计 3 2 1 系统整体设计思想 3 2 2 系统控制方案的设计与选择 4 2 3 系统设计内容 5 3 系统硬件设计 6 3 1 系统组成及各部分的分析选择 6 3 2 系统电气控制原理图 7 3 3 PLC 外围接线图 10 3 4 控制系统的 I O 地址分配 10 3 5 系统外围接线图 12 4 系统软件设计与调试 13 4 1 系统工作过程分析 13 4 2 PLC 程序设计 13 4 3 MM430 参数设置 22 4 4 系统调试 24 5 系统模拟实验 27 5 1 模拟实验台的硬件组成 27 5 2 模拟实验软件设计 27 5 3 系统模拟实验过程 30 5 4 实验小结 30 结 论 31 参考文献 32 致 谢 33 1 引 言 随着现代工业的不断发展 生产技术的不断进步 对于产品的精度要求也不断 提高 生产工艺对车间内温度 湿度 风速 洁净度等参数的要求更是越来越高 因此对恒温恒湿中央空调的使用要求也就越来越高 改革开放和经济的迅猛发展 也加速了我国空调产业的发展 这为各种高精度空调工程的实现提供了有力的保证 空气调节应用于工业及科学实验的过程一般称为工艺性空调 在各行各业中 为保证生产的质量和精度 对生产的环境温度 相对湿度和清洁度等参数提出了不 同的要求 其中恒温恒湿中央空调是最常见的一种 1 1 课题的选题背景及意义 纺织工业中的棉纺织工业 人造纤维工业 合成纤维工业等都对环境有一定的 恒温恒湿要求 棉纤维具有吸湿和放湿性能 对空气湿度较敏感 棉纤维的含湿量 直接影响纤维度 也影响纤维之间和纤维与机械之间相互摩擦的静电大小 对纺织 工艺和产品质量关系密切 随着无梭织机在我国数量的不断增加 转速超过 1000 rpm 的织机比比皆是 运转速度和电机功率都大幅增加 纺织车间内的发热量也随之加大 生产过程中产 生的大量飞花和粉尘 严重影响了车间生产 这对纺织车间的空调系统也提出了更 高的要求 由于在纺织车间中同时存在着工人和织机 在空调系统中就必然要综合 考虑舒适性和工艺性 纺织过程要求的湿度较高 这么高的湿度对工人的工作环境 极为不利 而舒适性空调所要求的湿度显然又无法满足织机生产的需要 于是考虑 使用局部送风方式 该方式由局部送风来满足织机的湿度要求 而整个车间则按照 舒适性空调的要求进行全面送风 针对这两方面的要求 设计出了这一新的送风方 式和控制系统 即 PLC 控制的恒压送风系统 恒压送风包括局部送风的恒压控制和 全面送风的恒压控制 恒压送风保证了车间送风的质量 同时以 PLC 为主机的控制 系统丰富了系统的控制功能 提高了系统的可靠性 1 2 课题的主要研究内容 变频恒压送风系统主要由变频器 可编程控制器 人机界面 各种传感器等组 成 鉴于变频调速恒压送风系统在我国已成为空调行业发展的主流趋势 该系统参 考了各类供给设备并结合该设计的特点 采用性能可靠的西门子S7 200系列PLC作为 控制核心 在此基础上 系统加入变频调速技术 使电机在很宽范围内平滑调速 这样去掉了大量节流阀 避免了节流损耗 从而通过改变电机转速而改变风量 采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控 电机的变频调速系统是由 PLC控制器进行切换和控制的 该系统对电机实现了软起动 大大降低了起动电流 避免了对电机和电网的冲击 另外系统具备报警和保护功能 当系统发生异常时 能够自动报警和停机保护 为满足纺织车间送风要求 降低送风能耗 实现自动 可靠 稳定的送风 需 要采用变频恒压送风技术 并辅以计算机来进行远程监控 管理及故障报警 因此 课题内容如下 1 研究并完成利用 PLC 变频器和多台风机等主要设备构建变频调速恒压送 风系统的方案设计与设备选型 为提高变频器的使用效率 减少设备投资 采用一 台变频器拖动多台风机变频运行的方案 2 深入分析变频恒压送风系统的工况变化过程 确定工况转换方式 完成 PLC 控制程序的设计 保证风机工频 变频的可靠 安全切换 3 研究 PLC 和计算机的通信模式 确定通信协议 实现送风系统的远程监控 管理与报警 4 加强系统的可靠性设计 提高系统的冗余度 设计手动 自动 工频 变 频运行方式 通过该项目的研究和实施可以极大地改善纺织车间中央空调的可靠性 和稳定性 而且可以降低能耗及维护成本 方便管理 2 中 央 空 调 送 风 系 统 整 体 方 案 设 计 2 1 系统整体设计思想 该设计以纺织车间为设计背景 纺织车间空气调节的作用大体可分为二个 其 一 满足纺织生产工艺所适合的温度 湿度条件 其二 保证生产工人拥有一个良 好 健康的工作环境 这两点具有同等的重要性 为了保证整个车间的温 湿度控 制质量 首先需要一个总控开关按照一定控制要求来启动和关闭中央空调系统 利 用中央空调系统内部安装的传感器 随时检测车间和织机的温 湿度状况 而后将 信号送给控制机构 控制的对象就是几台风机 风机启动之后 通过一个阀门根据 需要来决定给车间或织机送风 也就是使系统由局部送风来满足织机的湿度要求 或使整个车间按照舒适性空调的要求进行全面送风 同时根据需风量的大小 利用 变频技术使局部送风在恒压状态下进行 在用风量小的情况下 如果一台风机连续 运行超过一定工作时间 则按照控制要求自动切换到下一台风机 即系统具有 风 机转换功能 避免因一台风机工作时间过长 降低生产效率和影响风机工作寿命 同时 系统启动时采用软启动来提高系统性能 在应急或检修时 系统配备手动控 制功能 最后 为了保证系统安全 顺利的工作 还需设置完善的报警功能 基于以上的设计思想 中央空调恒压送风系统原理图如图2 1所示 中央空调 总控 1 2 3 电磁阀 Y V 2 局部送风 全面送风 风 量 控 制 器 电磁阀 Y V 1 图2 1 中央空调恒压送风系统原理图 在该系统设计中 采用了1 2 3 三台风机 首先由总控来控制电磁阀YV1 根据需求启动和关闭中央空调 平时电磁阀YV2处于失电状态 也就是关闭局部送风 阀 中央空调的局部送风或全面送风 由传感器将检测到的信号 采用人工模拟实 现 直接送给控制机构 来选择正确的送风方式 局部送风和全面送风共用 1 2 3 三台风机 一般情况下 三台风机根据全面送风的需求多少 利用变频 器按一定的控制逻辑运行 使全面送风在恒压状态下进行 此时处在运行中的织机 当传感器检测到其湿度不足时 电磁阀YV2得电 此时关闭全面送风阀 打开局部送 风阀 1 2 3 风机开始提供局部送风 以此来满足织机的湿度需求 并根据需 风量的大小 利用变频器使局部送风也在恒压状态下进行 系统经过一段时间的工 作 织机湿度合适后 三台风机再次转换为全面送风使用 2 2 系统控制方案的设计与选择 长时间以来 自动控制系统存在着多种控制方式 比如继电接触器控制方式 逻辑电子电路控制方式 单片机控制方式 可编程序控制器 PLC 控制方式等四种主 要的控制方式 其特点分别如下 1 继电接触器控制的特点 该控制电路硬件接线多 体积大 连线复杂 修改困难 触点开 闭速度为几 十毫秒 难以实现对控制执行速度要求高的场合 而且容易出现触点抖动 时间继 电器在限时控制方面 精度不高 易受环境影响 系统设计 施工 调试周期长 可靠性与可维护性差 寿命短 因价格低廉 该系统可用于要求不高的控制场合 2 逻辑电子电路控制的特点 该控制电路往往采用一台电机固定于变频状态 其余电机均为工频状态的方式 难以实现电机机组全部软启动 全流量变频调节 控制精度较低 工频启动时有冲 击 抗干扰能力较弱 3 单片机控制的特点 尽管单片机控制优于逻辑控制 但在对不同管网调试麻烦 扩展功能时往往要 对主电路进行修改 不够灵活方便 4 可编程序控制器控制的特点 PLC Programmable Logic Controller 是一种面向生产过程控制的数字电子装 置 它使用了可编程序的存贮器以存贮指令 用以执行诸如逻辑 顺序 定时 计 数及算术运算等功能 并通过数字或模拟的输入 输出接口控制机械或生产过程 这种控制电路跟踪快 控制精度高 抗干扰能力强 扩展功能灵活方便 可实现恒 压 或变压 全流量变频调节 具有稳定性好 高效节能 调试方便等显著优点 鉴于以上四种方案的特点比较 故该设计采用可编程序控制器控制方式 在硬 件设计上 只需确定 PLC 的硬件配置和 I O 的外部接线 不需要诸如继电器之类的 固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路 当控制要求改变 需要变更控制系统的功 能时 只要改变存贮器中的控制程序即可 PLC 的输入 输出可直接与交流 220V 直流 24V 等强电相连 并有较强的带载能力 PLC 抗干扰能力强 可靠性高 在 PLC 的电源电路和 I O 接口中 还设置了多种滤波电路 以抑制高频干扰信号 软件上 PLC 设置了故障检测及自诊断程序 用来检测系统硬件是否正常 程序是否正确 便于自动地做出相应的处理 如报警 封锁输出 保护数据等 通过计算机或编程 器可以方便的对 PLC 控制程序进行写入 读出 检测 修改等 还可对 PLC 的工作进 行监控 使 PLC 的操作及维护变得容易 PLC 还具有很强的自诊断能力 能随时检 查出自身的故障 并显示给操作人员 使操作人员能迅速检查 判断故障原因 由 于用软件编程取代了继电器硬接线 实现控制 使得工作量大为减少 缩短了施工 周期 该系统主要的设计任务就是利用恒压控制单元使一台变频器同时控制多台风机 或者循环控制多台风机 实现送风的恒定和风机的软起动 以及风机的工频与变频 的切换 同时还要能对运行数据进行传输 根据系统的设计任务要求 结合系统的 使用场所 该设计决定采用 PLC 变频器 传感器 的核心控制模式 该控制方式灵活方便 具有良好的通信接口 可以方便地与其他的系统进行数 据交换 而且由于 PLC 产品的系列化和模块化 所以可灵活组成各种规模和要求不 同的控制系统 同时由于 PLC 的抗干扰能力强 可靠性高 因此该系统能适用于各 类不同要求的恒压送风场合 并且与送风机组的容量大小无关 该控制方案既有扩 展功能灵活方便 便于数据传输的优点 又能达到系统稳定性及控制精度的要求 2 3 系统设计内容 由上一节选择 设计的系统方案 可以看出该设计实质上就是 PLC 与变频器及 传感器的一个应用系统 所以系统的设计主要包括硬件设计 软件设计两部分 具 体设计内容有 1 硬件设计 要进行硬件的设计 首先要正确选取硬件的组成部分 硬件选择主要是对变频 器 风机机组 传感器 控制柜及操作台 PLC 及扩展模块的选择 由于该系统应 用了 PLC 这里需要对控制系统的 I O 及地址分配做一定的工作 除此之外 系统还 对主电路 控制电路及变频调速电路作了具体的设计 2 软件设计 应用软件是根据指令系统及系统功能的要求进行的 因此 选择的指令系统 其功能好坏对应用系统软件设计影响很大 该系统软件设计 主要是为配合硬件控 制要求编写的 PLC 程序及一些相关变频参数的设置 当接下来调试系统时 也主要 是对系统中的 PLC 程序及变频器关键参数进行一番调试 为了直观的体现该系统的方案设计 和进一步检验设计的正确性 系统借助自 动化系 MM430 变频器实验室已有的控制设备 从实际应用的角度 在正确连接控 制线路的基础上 通过 PLC 编程和 MM430 参数设置 简单的模拟了一下该系统基 本的主要控制功能 3 系 统 硬 件 设 计 3 1 系统组成及各部分的分析选择 3 1 1 系统组成 系统所需的主要硬件有 软启动器 变频器 风机机组 传感器 PLC 及扩展模 块 控制柜及操作台等 其组成框图如图 3 1 所示 图 3 1 系统硬件组成 3 1 2 系统各部分的分析选择 1 PLC PLC 是整个变频恒压送风控制系统的核心 它要完成对系统中所有输入信号的 采集 所有输出单元的控制 恒压的实现以及对外的数据交换 西门子 S7 200 PLC 系统是紧凑型可编程序控制器 系统的硬件构架由丰富的 CPU 模块和扩展模块组成 它能够满足各种设备的自动化控制需求 S7 200 除具有 PLC 基本的控制功能外 更在以下方面有独到之处 功能强大的指令集 丰富 而强大的通讯功能 编程软件的易用性 CPU 226 24 点输入 16 点输出 DC24V 集成了以下丰富的内置功能 高速 记速器输入 短暂脉冲捕捉功能 高速脉冲输出 I O 硬件中断事件 PID 控制 PID 自整定功能 支持多种工艺配方 数据记录 归档 选择 PLC 时 考虑到了西门子 PLC S7 200 的指令执行速度 指令丰富程度 内 存空间 通讯接口及协议 带扩展模块的能力和编程软件方便等多方面因素 所以 系统选用了西门子 PLC S7 200 作为中央空调送风系统的程序控制平台 2 变频器和风机机组 软 启 动 器传 感 器 PLC及扩 展 模 块 变频器 风机机组 变频器和风机机组作为系统的执行机构 完成系统对外的送风量输送 风机是 输出环节 变频器是对风机进行转速控制的单元 变频器根据传感器送来的控制信 号改变风机的运行频率 从而完成对风机的转速控制 MM430 为水泵和风机的专用型变频器 功率为 7 5kw 250kw 三相交流电源 380v 480v 内置 PID 控制器 具有 6 个数字输入 2 个模拟输入 1 个用于电 动机过热保护的 PTC KTV 输入 2 个模拟输出 3 个继电器输出 是 S7 200 自动化 系统的理想配套设备 从 7 5kw 至 250kw 的变频器都具有统一的控制方法和 I O 界 面 MM430 调速系统的电机使用了专用于变频调速的进口西门子三相异步电动机 250kW 4 极 380V 进线 3 传感器 传感器直接对系统中的各种信号进行采集 得出对执行机构的控制方案 通过 变频调速器和接触器对执行机构 即风机 进行控制 该设计主要是将织机湿度信号 变成模拟量信号 在运行过程中 当传感器出现故障时 系统有可能开启所有的风机 而此时的 用风量又达不到 出现这样的情况时 关闭所有风机并进行报警 4 软启动器 当系统采用手动或变频固定方式运行时 如果电机的功率较大 不允许直接启 动时 需采用软启动器进行降压启动 在选择软启动器时 注意了与电机的额定功 率 额定电流相匹配 当系统的自动部分出现问题时 而此时的送风又不能中断 因 此手动启动是系统不可缺少的组成部分 5 控制柜及操作台 控制柜内装有空气开关 交流接触器 快速熔断器 三相进线电抗器 MM430 变频器 出线电抗器 S7 200PLC 等主器件 柜门装有运行指示灯 显示仪表等 操作台上需装有各种指示灯 按钮 电压表 电流表 频率显示仪表等 便于观察 和记录 计算机内安装 MM430 变频器调试软件和 S7 200PLC 编程软件 6 报警装置 作为一个控制系统 报警是必不可少的重要组成部分 由于该系统能适用于不 同的送风领域 所以为了保证系统安全 可靠 平稳的运行 防止因电机过载 变 频器报警 电网过大波动等故障 因此系统必须要对各种报警量进行监测 由 PLC 判断报警类别 进行显示和保护动作控制 以免造成不必要的损失 以上就是对系统所需设备的简单分析及选择 这项工作正确合理与否关系着整 个系统的工作性能和状态 3 2 系统 电 气控制原理图 3 2 1 系统主电路图 图 3 2 所示为电气控制系统主电路图 三台风机分别为 M1 M2 M3 接触器 KM1 KM3 KM5 分别控制 M1 M2 M3 的工频运行 接触器 KM2 KM4 KM6 分别控制 M1 M2 M3 的变频运行 FR1 FR2 FR3 分别为三台风机过载保护用的热继电器 QS1 QS2 QS3 QS4 分别为变频器和三台风机主电路的隔离开关 FU1 为主电路的 熔断器 VVVF 为西门子 MM430 变频器 在 QS1 QS2 QS3 QS4 隔离开关闭合的情况下 若 KM1 得电吸合 风机 M1 起 动 执行全面送风 当需局部送风 变频运行时 KM2 得电闭合 同时断开 KM1 风 机 M1 执行变频调速的局部送风 同理 风机 M2 M3 在系统需要时 按照要求起停 M 1 M 2 M 3 N L 1 L 2 L 3 F U 1 Q S 1 Q S 2 V V V F R S T U V W K M 1 K M 2 F R 1 F R 2 F R 3 K M 4 K M 6 K M 5K M 3 Q S 3 Q S 4 图 3 2 系统主电路图 3 2 2 系统控制电路图 图 3 3 所示为电气控制系统控制电路 图中 SA 为手动 自动转换开关 SA 打在 1 的位置为手动控制状态 打在 2 的状态为自动控制状态 手动运行时 可用按钮 SB1 SB8 控制三台风机的启 停和电磁阀 YV2 的通 断 自动运行时 系统在 PLC 程 序控制下运行 图 3 3 的 HL10 为自动运行状态电源指示灯 Q1 0 Q1 7 为 PLC 的输出继电器 旁边的 4 6 8 等数字为接线编号 N L 1 F U 2 S A 1 0 2 P L C N 1 S B 1 K M 1 S B 2 K M 2 Q 1 0 K M 1 F R 1 H L 1 Q 1 1 4 6 K M 1 K M 2 H L 2 S B 3 K M 3 S B 4 Q 1 2 Q 1 3 K M 4 K M 3 K M 3 H L 3 F R 2 K M 4 H L 4 8 1 0 S B 5 K M 5 S B 6 Q 1 4 K M 6 1 2 K M 5 H L 5 F R 3 K M 6 H L 6 K M 5 1 4 Q 1 5 S B 7 S B 8 Y V 2 Q 2 0 Y V 2 1 6 Q 2 1 1 8 H L 7 Q 2 2 2 0 H L 8 Q 2 3 2 2 H L 9 Q 2 4 2 4 H A Q 2 5 2 6 K A H L 1 0 图 3 3 系统控制电路图 3 3 PLC 外围接线图 选用主机为 CPU226 24 入 16 继电器输出 一台 由于系统需要 4 个输入端口 12 个输出端口 但所选设备西门子 PLC 与 MM430 之间本身占用了 16 个输入端口 7 个输出口 因此这里加上一台扩展模块 EM222 8 继电器输出 再扩展一个模拟量模 块 EM235 4AI AO 整个 PLC 系统的配置如图 3 4 所示 PLC 外围接线图 如图 3 5 所示 当织机湿度不足时 传感器信号 SA1 被触动 I1 0 为 1 主机单元 C P U 2 2 6 A C D C 继电器 扩展单元 8 点继电器 模拟量单元 E M 2 2 2 E M 2 3 5 4 A I 1 A O 图 3 4 PLC 系统组成 2 L Q 1 0 Q 1 1 Q 1 2 Q 1 3 3 L Q 1 4 Q 1 5 N L 1 2 M I 1 0 I 1 1 I 1 2 I 1 3 I 1 4 3 M I 1 5 I 1 6 I 1 7 M L M L 2 L 0 4 0 5 0 6 0 7 1 L 0 0 0 1 0 2 0 3 M L N M 0 V 0 I 0 R A A A R B B B R C C C R D D D S A 3 S u S B 9 S B 1 0 C P U 2 2 6 E M 2 2 2 E M 2 3 5 2 2 4 2 6 2 1 6 1 8 2 0 2 2 N 1 4 6 8 2 模拟电压信号 去变频器频率 信号输入端 1 0 1 2 1 4 2 2 0 A C 2 4 D C 图 3 5 PLC 外围接线图 3 4 控制系统的 I O 地址分配 控制系统的输入 输出信号的名称 代码及地址编号如表3 1和表3 2所示 表3 1 输入 输出信号的代码及地址编号 名称 代码 地址编码 变频器合闸指令 SB1 I0 0 变频器分闸指令 SB2 I0 1 变频器启动指令 SB3 I0 2 变频器停止指令 SB4 I0 3 急停 S I0 4 合闸反馈 KM I0 5 正反转指令 SA1 I0 6 故障 SA2 I0 7 变频器合闸 KA1 Q0 0 变频器运行 KA2 Q0 1 柜合闸指示 HG1 Q0 2 台合闸指示 HG2 Q0 3 正反转 KA3 Q0 4 柜故障指示 HY1 Q0 5 台故障指示 HY2 Q0 6 表3 2 输入 输出信号的代码及地址编号 续表 名称 代码 地址编号 输 入 信 号 局部送风传感器信号 SA3 I1 0 变频器报警信号 Su I1 1 消铃按钮 SB9 I1 2 试灯按钮 SB10 I1 3 模拟量电压值 Up AIW0 输 出 信 号 1 风机工频运接触器及指示灯 KM1 HL1 Q1 0 1 风机工频运接触器及指示灯 KM2 HL2 Q1 1 2 风机工频运接触器及指示灯 KM3 HL3 Q1 2 2 风机工频运接触器及指示灯 KM4 HL4 Q1 3 3 风机工频运接触器及指示灯 KM5 HL5 Q1 4 3 风机工频运接触器及指示灯 KM6 HL6 Q1 5 局部 全面送风转换电磁阀 YV2 Q1 6 局部送风报警指示灯 HL9 Q1 7 报警电铃 HA Q0 7 控制变频器频率电压信号 Vf AQW0 3 5 系统 外围接线图 2 L Q 1 0 Q 1 1 Q 1 2 Q 1 3 3 L Q 1 4 Q 1 5 N L 1 2 M I 1 0 I 1 1 I 1 2 I 1 3 I 1 4 3 M I 1 5 I 1 6 I 1 7 M L M L 2 L 0 4 0 5 0 6 0 7 1 L 0 0 0 1 0 2 0 3 M L N M 0 V 0 I 0 R A A A R B B B R C C C R D D D S A 3 S u S B 9 S B 1 0 C P U 2 2 6 E M 2 2 2 E M 2 3 5 2 2 4 2 6 2 1 6 1 8 2 0 2 2 N 1 4 6 8 2 模拟电压信号 1 0 1 2 1 4 2 2 0 A C 2 4 D C 1 L Q 0 0 Q 0 1 Q 0 2 Q 0 3 Q 0 4 Q 0 5 Q 0 6 1 M 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 S B 1 S B 2 S B 3 S B 4 S K M S A 1 K A 1 K A 2 H G 1 H G 2 K A 3 H Y 1 H Y 2 D C 2 4 V D C 0 V 1 1 0 V 2 0 V 3 4 9 2 4 V 5 D I N 1 6 D I N 2 A I N 1 7 D I N 3 8 D I N 4 1 6 D I N 5 1 7 D I N 6 2 8 0 V M M 4 3 0 主回路电源 B B L 1 2 P E 1 K A 1 K A 2 D V M M 4 3 0 6 S E 6 4 3 0 2 U D 3 2 0 D G 0 2 2 K W R L 1 N C 1 8 R L 1 N O 1 9 R L 1 C O M 2 0 R L 2 N O 2 1 R L 2 C O M 2 2 R L 3 N C 2 3 R L 3 N O 2 4 R L 3 C O M 2 5 A O U T 1 A O U T 2 1 2 2 6 1 3 2 7 L 1 L 2 L 3 VU W M 1 M 2 M 3 S A 2 图 3 6 系统外围接线图 如图 3 6 所示 控制系统使 S7 200 PLC 控制 MM430 变频器 由变频器直接控制 M1 M2 M3 三台风机的运行 4 系 统 软 件 设 计 与 调 试 应用软件是根据指令系统及系统功能的要求进行的 鉴于该设计的控制方案 系统适时的选用了西门子 S7 200PLC 及 MM430 变频器 配合硬件共同实现系统的各 方面工作要求 西门子 S7 200PLC 的编程语言是 STEP 7 micro win32 它是用于 S7 200 系列 PLC 进行编程 调试的全新软件 该软件可以运行于通用微机中 在 WINDOWS 环境 下进行语言编程 将它通过计算机的串口和一根 PC MPI 转接电缆与 PLC 的 MPI 口相 连 即可进行相互间的通信 通过 STEP 7micro win32 编程软件 不仅可以非常方 便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程 经过编译后通过转接电缆直接下载 入 PLC 的内存中执行 而且在调试运行时 还可以在线监视程序中的各个输入输出 或状态点的通断状况 甚至进行在线修改程序中的变量 给调试工作也带来极大的 方便 STEP7 micro win32 软件的一个特点是调试功能很强大 不仅能在线读取数据 而且能在线修改过程数据 对于调试大型复杂控制程序非常有效 STEP 7 micro win32 软件还附带一些控制程序模块 如 PID 调节模块 这些模块可以从主 控制程序中直接调用 以便实现不同的功能 STEP 7 micro win32 软件工具包采用 模块化的程序设计方法 它采用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需 的数据 该工具软件包为 S7 200 CPU 与其它系统部件 如触摸屏 变频器 的使用 提供了便利 4 1 系统工作过程分析 正常情况下 中央空调的风机机组按照程序要求工频运行 给车间全面送风 若传感器检测到织机湿度不足时 启动报警指示 关闭全面送风 开启局部送风 此时启动自动变频运行方式 首先使1 风机变频运行 在1 风机工作过程中 变频 器根据送风信号的变化通过PID调节器调整1 风机的转速来控制风量 若用风量继续 增加 变频器输出频率达到上限频率时 仍达不到设定要求 那么同时起动2 风机 变频运行 若还达不到设定要求 那么也同时起动3 风机变频运行 这样三台风机 共同变频送风 直至满足织机湿度要求 报警指示消失 同时系统再次起动全面送 风 工频运行 循环工作 当用风量较小的时候 系统按照 先起先停 原则逐台 关闭处于工频或变频运行的风机 4 2 PLC 程序设计 该系统的程序是建立中央空调恒压送风方案基础上的 是按照 PLC 应用的步骤开 发完成的 程序控制的目的是实现整个送风系统的恒压运行 为此必须控制变频器的频率 以及三台风机的顺序投入与切除 以此保证系统的安全性与可靠性 该程序共分为三部分 主程序 子程序以及中断程序 把逻辑运算及报警处理 等放在主程序 系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成 这样可以节省扫 描时间 利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制 PID 控制器的参数 整定是控制系统设计的重要内容 它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例 系数 积分时间和微分时间的大小 全面送风时系统设定值为满量程的 70 局部 送风时系统设定值为满量程的 90 在该系统中 只是用比例 P 和积分 I 控制 其回路增益和时间常数可通过计算初步确定 但还需要进一步调整以达到最优控制 效果 PID 控制器参数的整定步骤如下 1 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 2 仅加入比例控制环节 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡 记下此 时的比例放大系数和临界振荡周期 3 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数 常规 PID 参数整定的理论方法要有对象准确的数学模型 但这对大多数的工业 控制系统是难以做到的 因此通常的做法 可以通过实验的方法来整定 PID 参数 该系统的 PID 参数整定采用现场实验整定法 现场实验整定法 是人们在长期的工程实践中 从各种控制规律对系统控制质 量的影响的定性分析中 总结出来的一种行之有效 并且得到广泛应用的工程整定 方法 在现场的应用中 将调节器的整定参数按先比例 后积分 最后微分的程序 置于某些经验数值后 把系统闭合起来 然后再作给定值扰动 观察系统过渡过程 曲线 若曲线不够理想 则改变调节器的 Ti 和 Td 值 进行反复凑试 以寻求 最佳 的整定参数 直到控制质量符合要求为止 从而确定 PID 的参数 在具体整定时 令 PID 调节器的 Td 0 Ti 使其成为纯比例调节器 比例 度 按经验数据设置 如表 4 1 常用过程控制系统控制器的参数经验范围 整定 纯比例控制系统的比例度 使系统达到 4 1 衰减振荡的过渡过程曲线 然后 再加 积分作用 在加积分作用之前 应将比例度加大为原来的 1 2 倍 将积分时间由大 到小进行调整 直到系统得到 4 1 衰减振荡的过渡过程曲线为止 该系统初步确定的增益和时间常数为 增益 Kc 0 25 采样时间 Ts 0 2s 积分时间 Ti 30min 表 4 1 常用过程控制系统控制器的参数经验范围 调节器参数 控制系统 Ti min Td min 风量 20 80 压力 30 70 0 4 3 流量 40 100 0 1 1 程序中使用的 PLC 元器件及其功能如表 4 2 所列 表 4 2 程序中使用的元器件及功能 器件 地址 功能 器件 地址 功能 VD100 过程变量标准化值 T37 工频增加风机滤波时间控制 VD108 PI 计算值 T38 工频减少风机滤波时间控制 VD112 比例系数 T39 工频 变频转换逻辑控制 VD116 采样时间 M0 0 故障结束脉冲信号 VD120 积分时间 M0 1 风机变频启动脉冲 VD124 微分时间 M0 3 转换风机变频启动脉冲 VD204 变频器运行频率下限值 M0 4 复位当前变频运行风机脉冲 VD208 全面送风变频器运行频率上限值 M0 5 当前风机工频运行启动脉冲 VD212 局部送风变频器运行频率上限值 M0 6 新风机变频启动脉冲 VD250 PI 调节结果存储单元 M2 0 风机工频 变频转化逻辑控制 VD300 变频工作风机的风机号 M2 1 风机工频 变频转化逻辑控制 VD301 工频运行风机的风机总台数 M2 2 风机工频 变频转化逻辑控制 VD310 转换风机时间存储器 M3 0 故障信号汇总 T33 工频 变频转换逻辑控制 M3 1 变频器故障消铃逻辑 T34 工频 变频转换逻辑控制 M3 2 织机湿度不足消铃逻辑 4 2 1 系统运行主程序 系统运行主程序首先要使扩展模块 通讯模块 A D 模块等 变频器等设备与 PLC 的数据传输正常 同时在系统运行过程中要及时进行故障检测 以防止设备损 坏和意外发生 当出现故障时 要及时进行报警输出 方便维修人员维修 有利于系 统恢复正常工作 无故障情况下 系统自动启动后 进行恒压控制 其参考程序梯 形图如图 4 1 所示 网络 1 网络 2 网络 3 网络 4 I 0 5 Q 0 2 Q 0 3 网络 5 I 0 6 Q 0 4 网络 6 I 0 5 Q 0 5 Q 0 6 I 0 2 I 0 3 M 0 0 Q 0 1 Q 0 1 I 0 0 I 0 1 M 0 0 M 0 0 Q 0 0 Q 0 0 I 0 4 I 0 7 急停 变频器合闸 变频器启动 合闸反馈 正反转控制 故障报警 网络 7 上电初始化 调初始化子 程序 S B R 0 E N S M 0 0 网络 8 局部 全面送风给定值设置 M O V R O U T E N O E N I N0 9 V D 1 0 4 M O V R O U T E N O N O T E N I N 0 7 I 1 0 网络 9 上电和故障结束时重新 激活变频风机号存储器 I N C B E N I N E N O O U T V B 3 0 0V B 3 0 0 S M 0 1 M 0 0 V D 1 0 4 网络 1 0 变频器频率上限时增加风机滤 波 D D I 1 0 I 1 0 V D 2 5 0 V D 2 1 2 V D 2 5 0 V D 2 0 8 M 0 1 T 3 7 I N T O N P T 5 0 网络 1 1 符合增加风机条件时 工频风机 运行数加 1 B P T 3 7 V B 3 0 1 1 M 0 1 I N C B E N I N E N O O U T V B 3 0 1 V B 3 0 1 网络 1 2 频率下限时减少风机滤波 D V D 2 5 0 1 8 0 0 M 0 2 T 3 8 I N P T T O N 1 0 0 网络 1 3 符合减少风机条件时 工频风机 运行数减 1 B P T 3 8 V B 3 0 1 0 M 0 2 D E C B E N I N E N O O U TV B 3 0 1 V B 3 0 1 变频增加风机或转换风机时 置位 M 2 0 M 0 1 M 0 3 M 2 0 S 1 复位变频器频率 为软启动做准备 M 2 0 T 3 3 I N T O N P T 1 Q 2 5 产生关断当前变频风机脉冲信号 T 3 3 P 网络 1 4 网络 1 5 网络 1 6 M 0 4 网络 1 7 工频风机数加 1 M 0 4 M 2 1 S 1 I N C B E N I N E N O O U T V B 3 0 0 网络 1 8 M 2 1 T 4 4 I N T O N P T 2 V B 3 0 0 网络 1 9 产生当前风机工频启动 脉冲信号 T 3 4 P M 0 5 M 2 1 R 1 网络 2 0 M 0 5 M 2 2 S 1 网络 2 1 M 2 2 T 3 9 I N T O N P T 3 0 网络 2 2 产生下一台风机 变频运行启动信号 T 3 9 P M 0 6 M 2 2 R 1 M 2 0 R 1 变频工作的风机号转移 B V B 3 0 0 3 M O V B E N I N 1 E N O O U T V B 3 0 0 一个变频风机运行的 持续时间判断 B V B 3 0 1 0 S M 0 4 P I N C D W E N I NV D 3 1 0 3 h 时间到 则产生下一台 风机的变频启动信号 D V D 3 1 0 1 8 0 P M 0 3 M O V D W E N E N O I N O U T 0 有工频风机运行时 复位 V D 3 1 0 B V B 3 0 1 0 M O V D W E N E N O I N O U T 0 V D 3 1 0 网络 2 3 网络 2 4 网络 2 5 网络 2 6 V D 3 1 0 V D 3 1 0 网络 2 7 1 号泵变频运行控制逻辑 B S M 0 1 M 0 0 M 0 6 Q 1 1 1 V B 3 0 0 M 3 0 M 4 0 Q 1 0 Q 1 1 网络 2 8 2 号泵变频运行控制逻辑 B M 0 6 Q 1 3 V B 3 0 0 2 M 3 0 M 0 4 Q 1 2 Q 1 3 网络 2 9 3 号泵变频运行控制逻辑 B M 0 6 Q 1 5 V B 3 0 0 3 M 3 0 M 0 4 Q 1 4 Q 1 5 1 号泵工频运行控制逻辑 B B B B M 0 5 Q 1 0 V B 3 0 0 2 V B 3 0 0 3 V B 3 0 1 0 V B 3 0 1 1 Q 1 1 Q 1 0 2 号泵工频运行控制逻辑 B B B B M 0 5 Q 1 0 V B 3 0 0 3 V B 3 0 0 1 V B 3 0 1 0 V B 3 0 1 1 Q 1 3 Q 1 2 3 号泵工频运行控制逻辑 B B B B M 0 5 Q 1 2 V B 3 0 0 1 V B 3 0 0 2 V B 3 0 1 0 V B 3 0 1 1 Q 1 5 Q 1 4 织机的湿度不足时 阀 Y V 2 打开 I 1 0 Q 2 0 变频器故障指示灯 M 3 1 I 1 5 I 1 3 Q 2 2S M 0 5 织机湿度不足时指示灯 S M 0 5 M 3 2 I 1 5 I 1 0 Q 2 3 网络 3 0 网络 3 1 网络 3 2 网络 3 3 网络 3 4 网络 3 5 变频器故障消铃逻辑 I 1 4 I 1 3 M 3 1 M 3 1 网络 3 6 织机湿度不足消铃逻辑 I 1 4 I 1 0 M 3 2 M 3 2 网络 3 7 图 4 1 系统主程序 4 2 2 系统运行子程序 系统初始化的一些工作放在初始化子程序程序中完成 这样可节省扫描时间 其梯形图如图 4 2 所示 网络 1 初始化子程序 S M 0 0 M O V D W E N E N O I N O U T 1 8 0 0 V D 2 0 4 M O V D W E N E N O I N O U T 2 2 4 0 0 V D 2 0 8 M O V D W E N I N E N O O U T 2 8 8 0 0 V D 2 1 2 M O V R E N I N E N O O U T0 2 5 V D 1 1 2 M O V R E N I N E N O O U T0 2 V D 1 1 6 M O V R E N I N E N O O U T 3 0 0 V D 1 2 0 M O V R E N I N E N O O U T 0 0 V D 1 2 4 M O V R E N I N E N O O U T2 0 0 S M B 3 4 A T C H E N O E N I N E V N T I N T 0 1 0 图 4 2 系统子程序 4 2 3 系统运行中断程序 利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制 全面送风时系统设 定值为满量程的 70 局部送风时系统设定值为满量程的 90 其梯形图如图 4 3 所 示 网络 1 P I 控制中断程序 E N O E N O E N O S M 0 0 I D I E N I N E N O O U T A C 0A I W 0 D I R E N I N E N O O U T A C 0 A C 0 D I V R E N I N 1 I N 2 A C 0 3 2 0 0 0 0 A C 0O U T M O V R E N I N E N O O U TA C 0 V D 1 0 0 P I D E N T B L L O O P V B 1 0 0 0 M O V R E N I N E N O O U T V D 1 0 8 A C 0 M U L R E N I N 1 I N 2 O U T A C 0 V D 1 0 8 3 2 0 0 0 0 网络 2 I A C 0 V D 2 0 4 T 3 9 2 5 E N I NV D 2 0 4 A C 0 R 网络 3 M O V D W E N O O U T E N O O U T E N O O U T E N O O U T E N O O U T S M 0 0 R O U N D E N I NA C 0 A C 0 M O V D W E N I NA C 0 V D 2 5 0 D I I E N I N A C 0 A C 0 M O V W E N I N A C 0 A Q W 0 图 4 3 系统中断程序 4 3 MM430 参数设置 常规中央空调的风机为恒转速 即基本上以额定转速运行 该系统为了配合 PLC 使风机变频运行 采用了 MM430 变频器 MM430 为风机专用型变频器 通过改变 电机的转速可降低电耗 改善设备运行 为使该系统风机可靠运行 就要对 MM430 参数进行精确的设置 4 3 1 设置参数流程 系统要对变频器进行正确的参数设计 首先要编辑变量符号 输入和编辑程序 编译 在完成编程计算机与 CPU 通讯之后 下载程序 对此进行运行和调试 然后 合闸操作 最后输入参数 其参数设置流程图如图 4 4 所示 图 4 4 参数设置流程图 4 3 2 参数设置 1 恢复工厂设置 为了把所有参数复位到工厂缺省设置值 对下列参数进行以下设定 编 辑变 量 符 号输 入 和编 辑 程 序编 译 编 程 计 算 机与 CPU通 讯 下 载程 序运 行 调 试合 闸 操 作 输 入 参 数 设定 P0010 30 P0970 1 2 快速调试 用户的参数访问级一般采用标准级 故设P0003 3 要快速调试 P0010 1 为 了使变频器的参数设置与所用电机相吻合 根据风机额定电压380V 额定电流 15 00A 额定功率250KW 电机额定频率 50 00HZ 电机额定转速1450r min 故设 P0304 380V P0305 15A P0307 7 5 P0310 50HZ P0311 1450 电流 电压 频率 功率都参照了电机上的名牌上额定数据 有效的提高了系 统工作的可靠性和稳定性 3 运行指令 选择命令源端子 即终端数字输入 设 P700 2 当从 P0700 1 变成 P0700 2 时 使所有的数字量输入设定成缺省设置 4 正反转指令 风机正向运行使P701 2 反向运行使P702 12 5 故障输出 传动装置故障激活时 使 P732 52 3 其详细的参数设置如下 1 恢复工厂设置 P0010 30 调试用的参数 P0970 1 复位为工厂设置值 2 快速调试 P0003 3 用户的参数访问级 标准级 P0010 1 快速调试 P0304 380V 电机额定电压 380V P0305 15A 电机额定电流 15 00A P0307 250 电机额定功率 250KW P0310 50HZ 电机额定频率 50 00HZ P0311 1450 电机额定转速 1450r min P3900 2 快速调试 结束 进行电动机计算和 I O 复位 3 运行指令 P700 2 选择命令源端子 终端数字输入 P701 2 ON OFF1 数字输入1的功能 正向运行 4 正反转指令 P702 12 数字输入 2 的功能 反向运行 P1110 0 禁止负向的频率给定值 5 故障输出 P732 52 3 数字输出 2 的功能 故障输出 6 模拟量输入 P756 0 ADC 的类型 P757 0 ADC1 输入特性定标的值x1 V mA P758 0 ADC1 输入特性定标的值y1 P759 10 ADC输入特性定标的值x2 V mA P760 100 ADC输入特性定标的值y2 P1000 2 选择模拟给定值1 P1070 755 0 CI 主给定值 7 模拟量输出 电流输出 P776 0 0 DAC类型 P777 0 0 DAC输入特性定标的值x1 P778 0 0 DAC输入特性定标的值y1 P779 0 100 DAC输入特性定标的值x2 P780 0 15 DAC输