基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔

中央空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按最大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在一年中，滿負(fù)載下運(yùn)行最多只有十多天，甚至十多個(gè)小時(shí)，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，幾乎長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。

醫(yī)院是一種特殊公眾聚集場(chǎng)所，也是空氣污染較為嚴(yán)重的場(chǎng)所之一。我國(guó)中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)有47.1％屬嚴(yán)重污染，有46.7％為中度污染，合格只占62％[1]。醫(yī)院室內(nèi)空氣中浮游的致病細(xì)菌種類多、濃度高，其散發(fā)的病菌極易造成醫(yī)患間的感染。醫(yī)院場(chǎng)所的特殊性決定了醫(yī)院中央空調(diào)的特殊性。科學(xué)、安全地設(shè)計(jì)中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)減少細(xì)菌傳播途徑、防止污染擴(kuò)散、減少并控制感染具有重要作用。為此，本文對(duì)醫(yī)院中央空調(diào)設(shè)計(jì)、使用、管理作出研究。

PLC是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不僅具有優(yōu)越的控制性能，良好的性能價(jià)格比，而且具有較高的可靠性和抗干擾能力，在自動(dòng)控制各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)普遍[2]。

隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，為達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件。

在變頻調(diào)速技術(shù)用于中央空調(diào)控制系統(tǒng)之前，中央空調(diào)系統(tǒng)的控制方法主要存在以下問(wèn)題：

1.冷卻水系統(tǒng)的不足

從設(shè)計(jì)角度考慮，冷卻水泵電機(jī)的容量是按照最大換熱量（即環(huán)境氣溫最高，且所有場(chǎng)所的空調(diào)都開足）的情況下，再取一定的安全系數(shù)來(lái)確定的。而通常情況下，由于季節(jié)和晝夜溫差的變化以及開機(jī)數(shù)目的不足，實(shí)際換熱量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，因此，電機(jī)容量遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷，出現(xiàn)了大馬拉小馬的情況。

在從冷卻水流量來(lái)考慮，冷卻水的作用是要及時(shí)將冷凝器中的熱量帶走以保證制冷機(jī)能正常工作。從節(jié)能的角度看，只要能保證制冷機(jī)正常工作，冷卻水的流量越小，所做的無(wú)用功就越少，節(jié)能也就越明顯。根據(jù)流量公式Q=SV，過(guò)去由于轉(zhuǎn)速不能調(diào)，只能通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥來(lái)改變管道橫切面積S的方式來(lái)調(diào)節(jié)流量Q，節(jié)流閥的存在對(duì)水流產(chǎn)生阻力，從而產(chǎn)生節(jié)能損耗，并且會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。

冷卻水是用冷卻水泵將其送到冷卻搭中去的，由冷卻塔風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行噴淋冷卻，與大氣進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中去，這樣會(huì)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)周圍的環(huán)境造成熱島效應(yīng)。

2.冷凍水系統(tǒng)的不足

冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機(jī)降溫的冷凍水通過(guò)輸送管道送到中央空調(diào)的各出風(fēng)口處的風(fēng)機(jī)盤管組件中，對(duì)環(huán)境起降溫作用，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)冷凍水泵轉(zhuǎn)速高時(shí)，冷凍水的流量大，流速也快。因此，當(dāng)冷凍水流過(guò)風(fēng)機(jī)盤管組件時(shí)，還沒有充分的時(shí)間將所攜冷量全都釋放完，就又返回到制冷機(jī)去了，因此冷凍水泵電機(jī)做了很多無(wú)用功，這些都是不必要的能耗。若能夠調(diào)節(jié)冷凍水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷的大小來(lái)調(diào)節(jié)冷凍水的流量（實(shí)際上是調(diào)節(jié)交換冷量的大小）和流速，以便讓冷凍水在風(fēng)機(jī)盤管組件中有充分的時(shí)間釋放與熱負(fù)荷大小相當(dāng)?shù)睦淞浚�冷凍水泵電機(jī)的功耗可大大降低。

3.水泵頻繁開啟的不足

通過(guò)水泵開啟臺(tái)數(shù)的控制，造成電機(jī)起停頻繁，對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行帶來(lái)不利影響，起動(dòng)電流通常為額定值的5倍左右，電機(jī)在如此大的電流沖擊下，進(jìn)行頻繁的起停，對(duì)電機(jī)、接觸器觸點(diǎn)、空氣形狀觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧沖擊，也會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一定沖擊，起動(dòng)時(shí)帶來(lái)的機(jī)械沖擊和停止時(shí)的承重現(xiàn)象也會(huì)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)、軸承、閥門等造成疲勞損傷。

原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委于1994年下發(fā)了763號(hào)文件《關(guān)于加強(qiáng)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造的意見》，鼓勵(lì)支持變頻節(jié)能技術(shù)在各行各業(yè)中推廣使用，使變頻節(jié)能獲得政策上的支持。另外，根據(jù)交流電機(jī)的特性，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié)，最佳的方法就是采用變頻調(diào)速技術(shù)，變頻器是將標(biāo)準(zhǔn)的交流電轉(zhuǎn)成頻率、電壓可變的交流電，供給電機(jī)并能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費(fèi)，而且還會(huì)極大提高控制和調(diào)節(jié)的精度，從而方便地實(shí)現(xiàn)恒溫空調(diào)系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。

在近年來(lái)出現(xiàn)一些對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施變頻改造的項(xiàng)目，取得不錯(cuò)的節(jié)能效果。而如何采用更先進(jìn)的控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更加節(jié)能而高效的運(yùn)行值得進(jìn)一步研究。設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制系統(tǒng)要能在各種供冷負(fù)荷條件下高效運(yùn)行，水泵風(fēng)機(jī)等的流量可以隨著負(fù)荷變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)變化，用戶側(cè)室溫保持穩(wěn)定，而更重要的是能給投資者帶來(lái)良好的投資回報(bào)。

我國(guó)是一個(gè)人均資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，因此節(jié)能降耗有著十分重要的意義。近年來(lái)，由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使我國(guó)的能源顯得越來(lái)越緊張。

變頻節(jié)能空調(diào)近幾年來(lái)成為我國(guó)空調(diào)市場(chǎng)上的新寵，擁有變頻調(diào)速系統(tǒng)的中央空調(diào)能夠通過(guò)溫度反饋改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速使制冷量和環(huán)境達(dá)到一個(gè)平衡，具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點(diǎn)。

變頻空調(diào)在日本的市場(chǎng)占有率已超過(guò)90%以上，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的市場(chǎng)占有率也超過(guò)50%。2009年以來(lái)，變頻空調(diào)在我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展更是日新月異，銷售增速達(dá)56.24％，銷量已占空調(diào)總銷量的17.33％。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，2010年變頻空調(diào)市場(chǎng)份額有望達(dá)25％。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s4億KW，其用電量占當(dāng)年全國(guó)發(fā)電量的60%～70%，而風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備裝機(jī)總功率達(dá)1.6億KW，年耗電量3200KW.h，約占當(dāng)年全國(guó)電力消耗總量的1/3。而應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般在20%～60%，投資回收期1～3年，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。所以大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)不僅是當(dāng)前推進(jìn)企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量重要手段，而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變的必然要求。

本設(shè)計(jì)的主要研究工作包括：

（1）設(shè)計(jì)基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)；

（2）采用PLC模擬量輸入單元采集中央空調(diào)水泵水溫?cái)?shù)據(jù)，PLC通過(guò)RS-485與工控機(jī)通信；

（3）編寫PLC程序，控制中央空調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的無(wú)人值守；

（4）在工控機(jī)上采用組態(tài)王開發(fā)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)水溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，監(jiān)測(cè)并控制中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

所謂“中央空調(diào)”是由一臺(tái)主機(jī)通過(guò)風(fēng)道過(guò)風(fēng)或冷熱水管或管線連接多個(gè)末端的方式來(lái)控制不同的房間以達(dá)到室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)。

一般酒店，大型商場(chǎng)用的是風(fēng)管式的中央空調(diào)，它的原理是主機(jī)通過(guò)通往各個(gè)空間區(qū)域的通風(fēng)管道將處理后的冷熱空氣輸送到位。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低、操控簡(jiǎn)便、噪音低，最主要的缺點(diǎn)是：各個(gè)區(qū)域（房間）控溫不準(zhǔn)確。

中央空調(diào)的工作原理與家用一樣，都是利用冷媒（運(yùn)輸熱量的媒質(zhì)叫冷媒）的物理原理把室內(nèi)的熱量帶到室外去達(dá)到制冷的效果。

中央空調(diào)工作過(guò)程如圖2-1所示。

中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍主機(jī)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)和冷卻塔等組成。

工作原理：冷凍主機(jī)是中央空調(diào)的致冷源，從冷凍主機(jī)流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，通過(guò)各房間的盤管，帶走房間內(nèi)的熱量，使房間內(nèi)的溫度下降。冷卻水塔為冷凍主機(jī)提供冷卻水，冷卻水經(jīng)管道盤旋流過(guò)冷凍主機(jī)后，將帶走冷凍主機(jī)所產(chǎn)生的熱量，使冷凍主機(jī)降溫。

中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)有3種控制方式：早期的繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器（Direct Digital Controller，DDC） 和PLC控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗高等明顯的缺點(diǎn)已逐漸被人們淘汰；DDC雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展，但由于DDC本身的抗干擾能力問(wèn)題和分級(jí)分步式結(jié)構(gòu)的局限性限制了其應(yīng)用范圍；PLC 控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用與維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等顯著優(yōu)點(diǎn)而逐步得到廣泛的應(yīng)用。

本次設(shè)計(jì)的中央空調(diào)系統(tǒng)由3臺(tái)冷卻水泵、3 臺(tái)冷凍水泵、1 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)、2 臺(tái)冷水機(jī)組等主要設(shè)備組成。如圖2-2所示，其中，冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器與蒸發(fā)器組成，由微處理器自動(dòng)控制。

圖2-2 系統(tǒng)原理圖

冷水機(jī)組壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收熱量，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量。如此循環(huán)不已，把室內(nèi)的熱量帶出，達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的[3]。

控制系統(tǒng)的基本操作功能設(shè)置為手動(dòng)和自動(dòng)兩種選擇，手動(dòng)功能主要是對(duì)設(shè)備單機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)保養(yǎng)時(shí)所選用，而自動(dòng)功能是由車間內(nèi)的各組空調(diào)處理機(jī)組或新風(fēng)機(jī)組的啟停來(lái)控制泵組工作的。在手動(dòng)或自動(dòng)的啟停操作時(shí)，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、制冷機(jī)組在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，按照順逆程序進(jìn)行啟動(dòng)和停止，并且在任何功能中有操作錯(cuò)誤時(shí)均為無(wú)效，以確保各組設(shè)備保持正常的操作狀態(tài)。主要的控制要求有以下幾點(diǎn)：

（1）測(cè)量冷凍水供回水溫度及流量，從而計(jì)算空調(diào)實(shí)際的冷負(fù)荷，根據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷來(lái)決定冷水機(jī)組的開啟臺(tái)數(shù)，達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)。

（2）各設(shè)備的程序聯(lián)動(dòng)。啟動(dòng)：冷卻塔風(fēng)機(jī)—冷卻水泵—冷凍水泵—冷水機(jī)組；停止：冷水機(jī)組—冷凍水泵—冷卻水泵—冷卻塔風(fēng)機(jī)。當(dāng)其中一臺(tái)冷卻水泵/冷凍水泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用冷卻水泵/冷凍水泵會(huì)自動(dòng)投入工作。

（3）測(cè)量冷凍水系統(tǒng)供回水管的壓差△P=P1- P2控制其旁通閥（TV）的開口度，使其維持壓差。

（1）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求

充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場(chǎng)的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題和疑難問(wèn)題。

（2）保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠

保證PLC控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確�？刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等），也能正常工作。

（3）力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便

一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。

（4）適應(yīng)發(fā)展的需要

由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。

硬件電路主要實(shí)現(xiàn)：信號(hào)采集，控制信號(hào)輸出，水泵控制，故障報(bào)警等功能。其系統(tǒng)邏輯框圖如圖3-1所示。

空調(diào)變頻控制系統(tǒng)選配的SIMATIC S7-200 PLC主要由CPU226模塊(24DI/16DO)、模擬量輸入EM231模塊(4AI)和模擬量輸出EM232模塊(2AO)三部分組成。

S7-200系列PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括電力設(shè)施、民用設(shè)施、機(jī)械、機(jī)床等領(lǐng)域。S7-200系列PLC具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內(nèi)置豐富的集成功能、實(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論是在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。所以它具有極高的性價(jià)比。

CPU模塊不斷地采集輸入信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行用戶程序，去刷新系統(tǒng)的輸出。輸入和輸出模塊，是聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)和CPU模塊的橋梁。通過(guò)一臺(tái)安裝有STEP7-Micro/WIN32編程軟件的計(jì)算機(jī)、一根連接計(jì)算機(jī)和PLC的PC/PPI通訊電纜，即可對(duì)S7-200進(jìn)行用戶編程。

為了滿足以上所介紹的空調(diào)控制工藝要求，整個(gè)控制系統(tǒng)需要的I/O 點(diǎn)分別是18 點(diǎn)和15點(diǎn)。為了便于今后系統(tǒng)的改造或者升級(jí)留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時(shí)使用。根據(jù)以上具體要求，我們選用西門子的S7-200PLC作為核心控制器。其中主機(jī)：CPU226 為24 輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)；模擬量擴(kuò)展模塊：4道模擬量輸入點(diǎn)；數(shù)字量擴(kuò)展模塊：2道數(shù)字量輸出點(diǎn)；共計(jì)28道輸入點(diǎn)，實(shí)際用18道，10道備用；18道輸出點(diǎn)，實(shí)際用15道，3道備用。有RS－485通訊端口，并配有STEP7編程軟件，可以通過(guò)PC 機(jī)對(duì)其進(jìn)行編程輸入[4]。該軟件還能在PLC 運(yùn)行時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀況。再有結(jié)合人機(jī)界面直接操作，配置結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

圖3-2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置

此外該控制器獨(dú)到之處還有強(qiáng)大的指令集令包括位邏輯指令、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算指令、通訊指令以及和智能模塊配合的指令等；豐富強(qiáng)大的通訊功能，包括以太網(wǎng)通訊在內(nèi)等。

常規(guī)設(shè)計(jì)的交流電動(dòng)機(jī)，通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。此時(shí)，軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率都可以達(dá)到額定值。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率是變化的，電機(jī)的實(shí)際輸出也會(huì)變化。由于變頻器有一定的通用性，因此在與不同拖動(dòng)場(chǎng)合的電機(jī)配合時(shí)，需要選配相應(yīng)的變頻器。

在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動(dòng)機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率。根據(jù)以上的介紹以及系統(tǒng)功能的需求，本文選擇了三菱FR-A540變頻器。

本系統(tǒng)所用的單臺(tái)水泵功率為2.2kW。三菱FR-A540變頻器的容量為0.4kW~7.5kW。由于本系統(tǒng)采用的是一臺(tái)變頻器只為一臺(tái)電機(jī)提供電源，即一臺(tái)變頻器對(duì)應(yīng)一臺(tái)水泵，所以三菱FR-A540的功率以足夠勝任。并且三菱FR-A540變頻器性能可靠，價(jià)格低廉，市場(chǎng)占有份額大，便于購(gòu)買。所以選擇三菱FR-A540作為本系統(tǒng)的變頻器[5]。

表3-1 輸入輸出地址分配表

系統(tǒng)軟件由初始化程序、主程序和中斷服務(wù)程序三部分組成。主程序主要對(duì)存儲(chǔ)區(qū)標(biāo)志位、緩沖區(qū)、定時(shí)器和PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行初始化。子程序由PID調(diào)節(jié)子程序和尋找最佳工作模式子程序組成。

PLC控制下變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，PLC是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。其作用是協(xié)調(diào)各機(jī)組與變頻器之間的電氣連接，通過(guò)接觸器與變頻器的繼電器和接觸器進(jìn)行邏輯切換來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制方案。PLC的輸入信號(hào)有機(jī)組選擇信號(hào)、運(yùn)行方式選擇信號(hào)、冷卻塔和主機(jī)開/關(guān)信號(hào)、冷凍泵和冷卻泵的起/停信號(hào)等。輸入信號(hào)經(jīng)程序運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，經(jīng)微型繼電器及相應(yīng)的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，以及聲、光報(bào)警器件的動(dòng)作。PLC軟件程序設(shè)計(jì)采用梯形圖語(yǔ)言編程，直觀易懂。

通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機(jī)組及溫度檢測(cè)裝置組成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。PLC用I/O擴(kuò)展板接口分別接入A/D和D/A從模塊。A/D模塊通過(guò)PLC將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，D/A模塊將PLC輸出的開關(guān)量轉(zhuǎn)換為模擬量，以控制變頻器升速過(guò)程及降速過(guò)程。需要注意的是，在水泵進(jìn)行工頻和變頻電網(wǎng)的切換過(guò)程盡可能快，各接觸器間互鎖和動(dòng)作時(shí)間要設(shè)置好。

本系統(tǒng)是利用電壓信號(hào)控制變頻器，進(jìn)而控制水泵轉(zhuǎn)速和溫度�？刂瞥绦虿捎肞ID控制算法控制輸出電壓。其中子程序SBR-0為1號(hào)變頻器的電壓控制參數(shù)；SBR-1為2號(hào)變頻器的電壓控制參數(shù)。主程序OBI分別調(diào)用SBR-0，SBR-1子程序塊傳送PID控制參數(shù)。定時(shí)中斷0為每10毫秒中斷一次，進(jìn)入INT-0。中斷服務(wù)程序INT-0對(duì)2個(gè)變頻器分別控制。

該軟件的SIMATIC指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言、梯形圖(LAD)語(yǔ)言、功能塊圖(FWD)語(yǔ)言。語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別適合于來(lái)自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語(yǔ)言。梯形圖(LAD)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受。PLC控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò)PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，是通過(guò)在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

S7-200的編程語(yǔ)言是STEP7，它是用于S7系列PLC進(jìn)行編程、調(diào)試的全新軟件，它是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC1131-3的基礎(chǔ)上建立的，可以用LAD，CSF和STL來(lái)編程。通過(guò)STEP7編程軟件，不僅可以非常方便的使用梯形圖和語(yǔ)句表等形式進(jìn)行離線編程，經(jīng)過(guò)編譯后通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜直接下載入PLC的內(nèi)存中執(zhí)行，而且在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，還可以在線監(jiān)視程序中各個(gè)輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況，給調(diào)試工作也帶來(lái)極大的方便。STEP7軟件的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)試功能很強(qiáng)大，不僅能在線讀取數(shù)據(jù)，而且能在線修改過(guò)程數(shù)據(jù)，對(duì)于調(diào)試大型復(fù)雜控制程序非常有效。STEP7軟件還附帶一些控制程序模塊，如P功調(diào)節(jié)模塊，這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)不同功能[6]。

在本系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(hào)(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號(hào)去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。

PLC程序設(shè)計(jì)共有四個(gè)模塊：

（1）控制按鈕模塊主要處理各電機(jī)和電磁閥的啟停控制。

（2）報(bào)警處理模塊主要處理變頻器的故障報(bào)警和報(bào)警信息。

（3）變頻器給定模塊將處理變頻器的工作模式，調(diào)用變頻器設(shè)定模塊。

（4）變頻器設(shè)定模塊，是接受由模擬量輸入模塊(EM231)接受速度傳感器轉(zhuǎn)換而來(lái)的信號(hào)，與頻率給定值進(jìn)行比較后再作為輸入信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量給變頻器PLC主程序設(shè)計(jì)，當(dāng)PLC的主程序開始運(yùn)行之后，就處于反復(fù)的循環(huán)執(zhí)行之中，每一次循環(huán)被稱為一次掃描：即對(duì)主程序的語(yǔ)句逐條掃描執(zhí)行。主程序主要完成初始化、遙信自處理、通信處理三方面的工作。只有第一次掃描才執(zhí)行初始化程序，然后進(jìn)行遙信自處理程序，若有通信要求，則進(jìn)行通信處理，否則結(jié)束主程序，完成一次掃描工作[7]。

PLC程序的運(yùn)行方式為循環(huán)掃描式，因此將主要功能模塊設(shè)計(jì)成主程序，如圖3-3，在每一掃描周期內(nèi)該主程序均被執(zhí)行，而壓縮機(jī)啟停順序生成模塊則設(shè)計(jì)成子程序供調(diào)用。

用常規(guī)元件控制的電控箱，壓縮機(jī)的啟動(dòng)順序一般是固定的，也有部分電控箱（進(jìn)口機(jī)組居多）是由一撥動(dòng)開關(guān)人為控制。采用PLC控制后，壓縮機(jī)的啟動(dòng)順序有PLC按壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短自動(dòng)生成。當(dāng)機(jī)組在第一臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)前，調(diào)用壓縮機(jī)的啟停順序生成子程序，得到3臺(tái)壓縮機(jī)的啟停順序，分別存于開關(guān)數(shù)據(jù)單元。

主程序調(diào)用子程序是的參數(shù)傳遞采用公用參數(shù)的方式傳遞。即主程序及子程序訪問(wèn)相同的數(shù)據(jù)區(qū)域及其寄存器[5]。

機(jī)組運(yùn)行的各參數(shù)從PLC的輸入端讀取，在每次讀取后通過(guò)程序直接寫入PLC的數(shù)據(jù)寄存器。在開關(guān)設(shè)置上，將系統(tǒng)的默認(rèn)值設(shè)置成不需要按下任何開關(guān)，既方便用戶，也使現(xiàn)場(chǎng)安裝后忘記設(shè)置這些開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)可以最佳的狀態(tài)運(yùn)行。

機(jī)組設(shè)置總運(yùn)行、故障輸出，壓縮機(jī)單機(jī)的運(yùn)行、故障狀態(tài)可選項(xiàng)，其輸出可以接也可以不接。當(dāng)程序檢測(cè)到某壓縮機(jī)有故障（高低壓保護(hù)、過(guò)載）時(shí)，會(huì)對(duì)故障自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，達(dá)到設(shè)定的故障次數(shù)后，將自動(dòng)停止該臺(tái)壓縮機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)機(jī)組輸出故障報(bào)警信號(hào)[6]。

程序采用梯形圖的形式，它沿用了繼電器的觸點(diǎn)和線圈等符號(hào)，圖形表示易于理解。部分梯形圖程序如下：（完整程序見附錄）

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，種類繁多的控制設(shè)備和過(guò)程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無(wú)法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時(shí)，當(dāng)工業(yè)被控對(duì)象一旦有變動(dòng)，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開發(fā)周期長(zhǎng)；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個(gè)控制項(xiàng)目的不同而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時(shí)，倘若原來(lái)的編程人員因工作變動(dòng)而離去時(shí)，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問(wèn)題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)樗�能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問(wèn)題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。

從目前國(guó)內(nèi)組態(tài)軟件市場(chǎng)看，是國(guó)內(nèi)組態(tài)軟件品牌和國(guó)外品牌同時(shí)并存的局面。這種局面，應(yīng)該說(shuō)在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)還要長(zhǎng)期存在。組態(tài)軟件市場(chǎng)經(jīng)過(guò)10余年的培育和發(fā)展，目前正處在一個(gè)蓬勃發(fā)展的成長(zhǎng)階段，用戶對(duì)組態(tài)軟件產(chǎn)品接受程度也日益增加。用戶正面臨從產(chǎn)品接受度到品牌接受度的轉(zhuǎn)變期。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和一些先期發(fā)展的品牌市場(chǎng)推廣力度的加大，組態(tài)軟件市場(chǎng)對(duì)新進(jìn)入者會(huì)增加越來(lái)越高的門檻。從各家組態(tài)軟件市場(chǎng)看，現(xiàn)在主要有以下品牌：

（1）國(guó)際品牌：iFix 、Intouch 、WinCC。

（2）國(guó)內(nèi)品牌：組態(tài)王、MCGS 、力控、FameView 、世紀(jì)星。

從使用方便和性價(jià)比的角度來(lái)說(shuō)，選取國(guó)內(nèi)組態(tài)軟件還是不錯(cuò)的。組態(tài)王是國(guó)內(nèi)最早、裝機(jī)量最多的組態(tài)軟件。主要優(yōu)勢(shì)如下：(1)品牌知名度，在許多項(xiàng)目中，往往是國(guó)外組態(tài)軟件的替代品，而且只要是接觸過(guò)組態(tài)軟件，基本上都知道組態(tài)王；(2)辦事處多，本地化服務(wù)能力強(qiáng)；(3)驅(qū)動(dòng)豐富而且一般都比較可靠。可見組態(tài)王完全能夠完成本次設(shè)計(jì)的組態(tài)部分。

圖4-1 系統(tǒng)運(yùn)行主界圖

在系統(tǒng)主畫面中，組態(tài)了系統(tǒng)所用的的所有設(shè)備，并能夠顯示設(shè)備狀態(tài)。工作人員只需在監(jiān)控室，就能夠掌握所有設(shè)備的運(yùn)行狀況以及所需要的信息。

圖4-2空調(diào)控制系統(tǒng)

結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了中央空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化控制和節(jié)能設(shè)計(jì)的基本思路和方法，介紹了交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn)，在中央空調(diào)變頻調(diào)速中應(yīng)用了PID算法，對(duì)系統(tǒng)的主回路和控制回路的硬件應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬量檢測(cè)電路檢測(cè)冷凍水和冷卻水的溫度，并經(jīng)過(guò)分析處理后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器顯示。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，PLC主模塊及擴(kuò)展模塊的選擇能滿足系統(tǒng)的需要，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)留有一定的裕量，以滿足系統(tǒng)擴(kuò)展的要求。模擬量采集采用PT100和變送器組合，通過(guò)EM231與PLC相連，在可靠性，精度方面都能達(dá)到要求。由于邏輯功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，從而減少了大量的中間連線，完善了連鎖保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此系統(tǒng)具有開放性好、可擴(kuò)充能力強(qiáng)、可靠性高、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。

本課題主要是對(duì)空調(diào)出口溫度進(jìn)行檢測(cè)，采用變頻器調(diào)節(jié)中央空調(diào)的轉(zhuǎn)速，使其高效運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，并且采用PLC和PID調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，可以大大節(jié)約電能，對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)特性和運(yùn)行特性都有很大的改善。并且頻率下調(diào)后，電機(jī)避免了長(zhǎng)期高速的運(yùn)行，有效地延長(zhǎng)了電機(jī)和機(jī)組的壽命。

本課題具有較好的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景，值得進(jìn)一步的研究和完善。

基于PLC的醫(yī)院中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1).doc (1.62 MB, 下載次數(shù): 59)

2018-12-27 21:37 上傳

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