中央空調(diào)的測(cè)控DOC

1、目錄第 1 章 緒論 21.1 課題背景 21.2 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 31.3 本研究課題的主要工作 4第 2 章 中央空調(diào)控制的結(jié)構(gòu)和原理 52.1 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 52.2 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述 6第 3 章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 83.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架 83.2 變頻器的原理 93.3 西門(mén)子 MM440 變頻器性能介紹 93.4 PLC 選型 103.4.1 PLC 簡(jiǎn)介 103.4.2 西門(mén)子 S7-200PLC 介紹 103.4.3 模擬量 I/O 模塊的種類(lèi) 113.4.4 EM231 技術(shù)指標(biāo) 113.4.5 EM231 RTD 接線及注意事項(xiàng) 113.5

2、 PT100溫度傳感器 123.6 PT100 溫度變送器 123.7 串口通信電路 133.8 光電隔離電路 143.9 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 15第 4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 174.1 設(shè)備間通訊 174.1.1 RS-485 介紹 174.1.2 USS 協(xié)議174.2 PLC 主程序流程圖 19總 結(jié) 20謝 辭 21參考文獻(xiàn) 2222第 1 章 緒論1.1 課題背景隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，為了保證溫度恒定，中 央空調(diào)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域，例如酒店、賓館、辦公大廈、 商場(chǎng)、工廠廠房等場(chǎng)所。隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果 的評(píng)價(jià)也改變了。舒適節(jié)能

3、才是最符合人們對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)提出新的要求，希 望在能耗更低的情況下保持室內(nèi)合適的溫度、濕度。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，傳統(tǒng)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)耗電量極大，且存在巨大的能源 浪費(fèi)。中央空調(diào)系統(tǒng)普遍存在著 30以上的無(wú)效能耗，有些中央空調(diào)系統(tǒng)的無(wú) 效能耗甚至可以高達(dá) 50以上。采用新技術(shù)降低系統(tǒng)能耗成為當(dāng)務(wù)之急。因?yàn)?能源是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要因素，我國(guó)近年來(lái)能源短缺的現(xiàn)實(shí)，節(jié)能減排才是 重中之重。建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì) 宏偉目標(biāo)，構(gòu)建和諧社會(huì)的重要基礎(chǔ)保障 1 。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，中央空調(diào)的制冷機(jī)組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系 統(tǒng)、冷卻塔風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)等都是按照建筑物

4、最大負(fù)荷制定的，且留 有充足余量。不管在什么時(shí)間，負(fù)荷的多少，各電機(jī)都長(zhǎng)期處在工頻狀態(tài)下全 速運(yùn)行，雖然可滿足最大的用戶負(fù)荷，但不具備隨用戶負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的功能， 而在大多數(shù)時(shí)間里，用戶負(fù)荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費(fèi)。為此，如果能通過(guò)冷凍水供回水溫度、壓差，冷卻水泵的流量等工藝參數(shù) 進(jìn)行調(diào)整并對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化起停，使空調(diào)系統(tǒng)高效、節(jié)能運(yùn)行，將產(chǎn)生非 常明顯的經(jīng)濟(jì)效果。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器調(diào)速，采用變頻器進(jìn)行風(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(mén)造成的電能浪費(fèi)，而且還會(huì)極大提高調(diào)節(jié)和控制 的精度，從而方便地實(shí)現(xiàn)恒

5、溫空調(diào)系統(tǒng) 2?？照{(diào)節(jié)能的目的是有效利用能源， 以最小的能耗創(chuàng)造出一個(gè)適合人居住、工作的室內(nèi)環(huán)境?？照{(diào)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能 運(yùn)行可以有效地減少空調(diào)系統(tǒng)能耗和建筑總能耗，提高能源利用率，對(duì)減少溫 室氣體排放，減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。1.2 中央空調(diào)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展變頻技術(shù)、微電腦和電子膨脹閥在空調(diào)器上的應(yīng)用為空調(diào)器的智能控制創(chuàng) 造了最基本的條件。 我國(guó)自 90 年代初開(kāi)始研究空調(diào)器的智能控制， 現(xiàn)已研制出 多種形式的變頻空調(diào)器或智能空調(diào)器，對(duì)推進(jìn)我國(guó)空調(diào)業(yè)的進(jìn)步作出了貢獻(xiàn)。 西安交大朱瑞琪于 1991 年開(kāi)始研究制冷空調(diào)設(shè)備的變頻能量調(diào)節(jié)技術(shù)。 李家朋 針對(duì)我國(guó)房間空調(diào)器普遍采用單

6、相壓縮機(jī)的現(xiàn)狀，探索開(kāi)發(fā)出兩相變頻器，并 應(yīng)用電子膨脹閥進(jìn)行變流量控制， 利用 16 位微機(jī)并引進(jìn)模糊概念提高空調(diào)器的 控制功能，為變頻空調(diào)器國(guó)產(chǎn)化作出了大膽的探索。李家朋在空調(diào)器舒適性和 節(jié)能運(yùn)行的控制中，提出了用表征房間熱負(fù)荷大小的熱容C和表征房間漏熱程度的 熱阻R進(jìn)行模糊辯識(shí)的方法。研究表明，用此方法研制的模糊控制空 調(diào)器會(huì)按季節(jié)、氣溫、漏熱情況等條件，自動(dòng)地選擇合適的工作模式，保證了 空調(diào)環(huán)境的舒適度和制冷系統(tǒng)的節(jié)能要求。2、在多室內(nèi)機(jī)的房間空調(diào)器 （一機(jī)多掛系統(tǒng) ）方面 由于多室內(nèi)機(jī)空調(diào)器的節(jié)能和舒適性控制，涉及到必須對(duì)系統(tǒng)中的工質(zhì)循 環(huán)量和進(jìn)入各室內(nèi)機(jī)的工質(zhì)流量加以嚴(yán)格精確地控制問(wèn)

7、題，它不僅與系統(tǒng)的控 制有關(guān)，同時(shí)也與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。在這方面，目前國(guó)內(nèi)主要是在 研制一拖二和一拖三空調(diào)器。從九十年代術(shù)期開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的高速發(fā)展，變流量技術(shù)得 到深入的發(fā)展。水泵、變頻驅(qū)動(dòng)器、控制器等設(shè)備性能的提高大大滿足了水系 統(tǒng)控制的要求。隨著變流量技術(shù)的成熟，在國(guó)外應(yīng)用變流量技術(shù)開(kāi)始成為暖通 行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運(yùn)行管理控制方法，具體 控制方法上，基本上采用多個(gè)回路的 PID控制3。各種類(lèi)型的PID控制器因其 參數(shù)物理意義明確、易于調(diào)整，并且具有一定的魯棒性，因而得到了廣泛的應(yīng) 用。 PID 控制器之所以能夠在過(guò)程控制領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用，

8、是因?yàn)樵趯?shí)際的 應(yīng)用中 PID 控制器的設(shè)計(jì)可只借助于系統(tǒng)輸出等反饋信息進(jìn)行控制，從而減少 了控制系統(tǒng)對(duì)對(duì)象模型的依賴性。目前，中央空調(diào)控制方法有雙位 ON/OFF控制、PID控制、最優(yōu)控制、 模糊控制等方法。以 PID 算法為核心的各種 DDC 控制系統(tǒng)是目前中央空調(diào)工 程和設(shè)備較普遍的使用方法，這種控制方法在工況較穩(wěn)定的情況下，可以得到較好的控制效果。1.3 本研究課題的主要工作本文在分析和綜合了 PID 控制的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)以及中央空調(diào)控制任務(wù)的 基礎(chǔ)上，對(duì)中央空調(diào)冷凍水機(jī)組采用傳統(tǒng) PID 控制，對(duì)基于 USS 通信協(xié)議的 RS-485 總線設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計(jì)，

9、最終設(shè)計(jì)了中央 空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。研究工作的具體內(nèi)容如下：1、對(duì)空調(diào)系統(tǒng)變頻控制進(jìn)行了理論分析。2、對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)工頻 /變頻切換功能。3、設(shè)計(jì)了基于 RS-485 網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)?？蓪⒉杉某龌厮疁囟鹊葦?shù)據(jù)信 號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送到主控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。第2章中央空調(diào)控制的結(jié)構(gòu)和原理2.1中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中央空調(diào)系統(tǒng)是一種大型的對(duì)建筑物進(jìn)行集中空氣調(diào)節(jié)并進(jìn)行管理的設(shè) 備，一般由空氣處理設(shè)備、送（回）風(fēng)機(jī)、送（回）風(fēng)通道、空氣分配裝置及冷、熱 源等組成。根據(jù)需要，它們能組成不同形式的系統(tǒng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)從建筑 物的用途和性質(zhì)，熱濕負(fù)荷特點(diǎn)、空調(diào)機(jī)房面積和位置、初投資和運(yùn)行維

10、修費(fèi) 用等許多方面去考慮，選擇合理的空調(diào)系統(tǒng)。中央空調(diào)通常由集中制冷/加熱站和空調(diào)機(jī)組兩個(gè)部分組成。圖2-1為集中 制冷站的工藝流程圖，冷水機(jī)組完成熱交換工作：將送來(lái)的常溫冷凍水在蒸發(fā) 器中與制冷劑進(jìn)行熱交換，制冷劑吸收其熱量將其制成溫度較低的冷凍水，再 由冷凍水輸送管道分配到空調(diào)機(jī)組；將送來(lái)的常溫冷卻水在冷凝器中與制冷器 進(jìn)行熱交換，吸收制冷劑熱量，將溫度較高的冷卻水通過(guò)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)送回 至冷卻塔冷卻?？照{(diào)機(jī)組主要調(diào)節(jié)冷凍水的流量和空氣的風(fēng)量，保證被調(diào)空氣 的溫度值，調(diào)節(jié)加濕閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)被控房間濕度。圖2-2所示為處理機(jī)組工藝流程圖，為節(jié)省能源通常將新風(fēng)和回風(fēng)按照一定的比例混合，過(guò)濾后再進(jìn)

11、行熱 交換和加濕或減濕處理，由送風(fēng)機(jī)將處理過(guò)的空氣輸送到指定的空調(diào)區(qū)域。在 保證適度的新風(fēng)量前提下，可以采用一部分回風(fēng)與新風(fēng)相混合，這樣可以在保 證室內(nèi)空氣新鮮度的同時(shí)，又利用了部分回風(fēng)的能量，節(jié)省了運(yùn)行成本。圖2-1中央空調(diào)系統(tǒng)集中制冷站IIH2.2變流量空調(diào)系統(tǒng)概述早前，國(guó)內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，基本上都采用傳統(tǒng)的定流量控制方式。也就是說(shuō)，只要啟動(dòng)空調(diào)主機(jī)，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)都在50Hz工頻狀態(tài)下運(yùn)行。定流量控制方式的特征是系統(tǒng)的循環(huán)水量保持恒定，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生 變化時(shí)，通過(guò)改變供水或回水溫度來(lái)滿足要求。定流量供水方式最主要的優(yōu)點(diǎn) 是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的自控設(shè)備。但這種控制方式存在以下

12、問(wèn)題：中央空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)多參量、非線性、時(shí)變性的復(fù)雜系統(tǒng)，由于末端負(fù) 荷的頻繁波動(dòng)，必然造成系統(tǒng)的運(yùn)行參量偏離空調(diào)主機(jī)的最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致 主機(jī)熱轉(zhuǎn)換效率大大降低，系統(tǒng)長(zhǎng)期在低效率狀態(tài)下運(yùn)行，也會(huì)增加系統(tǒng)的能 源消耗。(2) 無(wú)論末端負(fù)荷大小如何變化，空調(diào)系統(tǒng)均在設(shè)計(jì)的額定狀態(tài)下運(yùn)行，系 統(tǒng)能耗始終處于設(shè)計(jì)的最大值。而由于受多種因素不斷變化的影響，如：季節(jié) 交替、氣候晝夜變化、使用頻率、人流量增減等?？照{(diào)負(fù)荷的這種不恒定性， 決定了系統(tǒng)對(duì)空調(diào)冷量的需求也是一個(gè)隨機(jī)變化的量。若不進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，定 會(huì)造成能源浪費(fèi)。(3) 在工頻狀態(tài)下啟停大功率水泵和風(fēng)機(jī)，沖擊電流大，不利于電網(wǎng)的安全 運(yùn)行，且水泵

13、、風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)期在工額額定狀態(tài)下高速運(yùn)行，機(jī)械磨損嚴(yán) 重，導(dǎo)致使用壽命縮短和設(shè)備故障大幅度增加。綜上來(lái)看，定流量控制凸顯出來(lái)的問(wèn)題很多。變流量系統(tǒng)則是根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的 大小改變冷凍水流量，水泵也可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際所需流量自動(dòng)調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速或運(yùn) 行臺(tái)數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約水泵能耗的目的4。如圖2-4所示：圖2-3中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)溫度反饋*用戶盤(pán)管圖2-4冷凍水變流量控制系統(tǒng)第3章中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架中央空調(diào)控制系統(tǒng)硬件有變頻器、PLG溫度變送器、人機(jī)界面。實(shí)現(xiàn)功能 如下：1、變頻器：為了調(diào)速，并降低啟動(dòng)電流。2、 PLC: PLC作為控制單元，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，PLC控制器通

14、過(guò)溫 度傳感器測(cè)量進(jìn)出水溫度，編入控制器內(nèi)存，最后來(lái)控制變頻器的頻率，以控 制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水量，根據(jù)室內(nèi)的溫度高低，控制熱交換的速度，達(dá)到節(jié)能目的。3、溫度變送器：將溫度變量轉(zhuǎn)化為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)。主要用于工 業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制。4、人機(jī)界面：系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的 內(nèi)部形式與人類(lèi)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在 著人機(jī)界面。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如3-1所示：木端壓力傳感黠冷卻水川水傳感黔冷W水凹水感黔冷揀水冋水傳感器圖3-1中央空調(diào)控制系統(tǒng)主回路示意圖3.2 變頻器的原理主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻

15、器的主電 路大體上可分為兩類(lèi)：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回 路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路 濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”， 吸 收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為 交流功率的“逆變器”。整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電 源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn) 行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。平波回路：在整流器整流后的直流電壓中， 含有電源 6 倍頻率的脈動(dòng)電壓， 此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采

16、用電感 和電容吸收脈動(dòng)電壓 （ 電流） 。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余 量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功 率，以所確定的時(shí)間使 6個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到 3 相交流輸出。 3.3 西門(mén)子 MM440 變頻器性能介紹MICROMASTER 440 全新一代用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的多 功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的 絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT） 作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可 靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專(zhuān)用脈寬調(diào)制技術(shù)，可使電動(dòng)機(jī)低

17、 噪聲運(yùn)行。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)創(chuàng)新的 BiCo（內(nèi)部功能互聯(lián)）功能有無(wú)可比擬的靈活性。其具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理 想變頻傳動(dòng)裝置。 由于 MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能， 在設(shè) 置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。既可用于單獨(dú)傳動(dòng)系 統(tǒng)，也可集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中。變頻器適用于各種變速驅(qū)動(dòng)裝置。由于它具有高度的靈活性因而可以在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。它尤其適合用于吊車(chē)和起重系統(tǒng)、立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、食品、 飲料和煙草工業(yè)以及包裝工業(yè)的定位系統(tǒng)。3.4 PLC 選型3.4.1 PLC 簡(jiǎn)介可編程邏輯

18、控制器（Programmable Logic Controller, PLC），它采用一類(lèi)可編 程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與 算術(shù)操作等面向用戶的指令， 并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類(lèi)型的機(jī) 械或生產(chǎn)過(guò)程。3.4.2 西門(mén)子 S7-200PLC 介紹S7-200 是一種小型的可編程序控制器， 適用于各行各業(yè)， 各種場(chǎng)合中的檢 測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 S7-200 系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或 相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7-200 系列具有極高的性能 /價(jià)格比。S7-200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）極高的可靠性

19、； 2）極豐富的指令 集；3）易于掌握； 4）便捷的操作； 5）豐富的內(nèi)置集成功能； 6）實(shí)時(shí)特性； 7）強(qiáng)勁 的通訊能力； 8）豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。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，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力 設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠 化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制。CPU226 的主要技術(shù)指標(biāo) :1集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。2可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最 大擴(kuò)展至 248路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)

20、或 35路模擬量 I/O 點(diǎn)。 3. 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)空間。4.6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出， 具有PID控制器。5. 2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié) 議和自由方式通訊能力。 6.I/O 端子排可很容易地整體拆卸。 7.用于較高要求的 控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和 功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。 8.可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.4.3 模擬量 I/O 模塊的種類(lèi)在工業(yè)控制中，某些輸入量 （例如壓力、溫度、流量、速度等 ）是模擬量， 某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（例如電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、

21、變頻器等）要求PLC輸出模擬信號(hào)，而PLC的 CPU 只能處理數(shù)字量。模擬量首先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或 電壓， PLC 用 A/D 轉(zhuǎn)換器把這些模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，帶正負(fù)號(hào)的電流、電壓 在 A/D 轉(zhuǎn)換后用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示。 D/A 轉(zhuǎn)換器把數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或 電流，再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量I/O模塊的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換和D/A 轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換器和 D/A 轉(zhuǎn)換其的二進(jìn)制位數(shù)反映了它們的分辨率，位數(shù)越多， 分辨率越高。轉(zhuǎn)換時(shí)間也是模擬 I/O 模塊的一個(gè)重要指標(biāo)。S7-200PLC主要有3種模擬量擴(kuò)展模塊：1. 模擬量輸入模塊 （EM231， 4 路）2.

22、模擬量輸出模塊 （EM232， 2路）3. 模擬量輸入輸出模塊 （EM235， 4路輸入， 1路輸出）S7-200PLC模擬量擴(kuò)展模塊中的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)均為12位。3.4.4 EM231 技術(shù)指標(biāo)1. 具有4個(gè)模擬量輸入通道。2.電壓輸入范圍：?jiǎn)螛O性010V、05V ;雙 極性i5V，吃.5V。3.電流輸入范圍：020mA。4.每個(gè)通道占用存儲(chǔ)器 AI區(qū)域 2 個(gè)字節(jié)。該模塊模擬量的輸入值為只讀數(shù)據(jù)。 5.輸入信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 量數(shù)據(jù)值是 1 2位二進(jìn)制數(shù)。最高有效位是符號(hào)位：0表示正值數(shù)據(jù)， 1 表示負(fù)值數(shù)據(jù)。 6.模擬量輸入數(shù)據(jù)字格式有單極性數(shù)據(jù)格式和雙極性數(shù)據(jù)格式。前者

23、的全量程范圍設(shè)置為 032000.后者為-32000+32000。3.4.5 EM231 RTD 接線及注意事項(xiàng)熱電阻模塊 EM231 RTD 接線如圖 3-2 所示，使用屏蔽線連接可達(dá)到最好的 抗噪性。如果用戶使用屏蔽線， 應(yīng)將屏蔽層接到信號(hào)連接器的 1 4針接地點(diǎn)上。 該接地點(diǎn)與電源連接器的 37針共地。如果有的熱電阻輸入通道沒(méi)有使用，用 戶應(yīng)將一個(gè)電阻器與沒(méi)有的通道輸入相連，已防止由于浮地輸入信號(hào)產(chǎn)生的誤 差，影響有效通道產(chǎn)生錯(cuò)誤顯示。 用戶須將電源練到電源連接器的 1 和 2針上。用戶必須講電源連接器的針3連到附近的機(jī)殼地。3.5 PT100溫度傳感器PT100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫

24、度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0C時(shí)它的阻值為100歐姆，在100C時(shí)它的阻 值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100 歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長(zhǎng)的。應(yīng)用在醫(yī)療、電機(jī)、工業(yè)、 溫度計(jì)算、阻值計(jì)算等高精溫度設(shè)備，應(yīng)用范圍非常之廣泛。A+A-a+ a-圖3-2 RTD與傳感器的接線（3線）3.6 PT100溫度變送器鉑電阻溫度變送器直接安裝于 PT100鉑電阻接線盒內(nèi)（與不同結(jié)構(gòu)形式的 鉑電阻構(gòu)成熱電阻一體化溫度變送器）將熱電阻PT100的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為二線 制420mA輸出。PT100溫度變送器用于PT1

25、00鉑電阻信號(hào)需要遠(yuǎn)距離傳送、現(xiàn)場(chǎng)有較強(qiáng)干 擾源存在或信號(hào)需要接入 DCS系統(tǒng)時(shí)使用。產(chǎn)品特點(diǎn)：1. 線性化輸出兩線制4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，模塊化結(jié)構(gòu)。2. 變送器有電源極性反接保護(hù)電路，當(dāng)輸出接線接反時(shí)對(duì)線路起保護(hù)作用（此時(shí)回路電流為零）；傳感器的不正確接線無(wú)論是高限或低限都將導(dǎo)致變送器 輸出飽和；產(chǎn)品具有RFI/EMI保護(hù)，有利于提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。3.SWP-TR全部采用進(jìn)口電子元件，性能可靠，低溫度漂移。4.SWP-TR溫度變送器量程用戶不能自由修改，由生產(chǎn)商出廠時(shí)確認(rèn)生產(chǎn)。3.7串口通信電路MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。MAX485用于RS-485

26、通信的低功耗收發(fā)器，MAX485中具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。MAX485驅(qū)動(dòng)器的擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高 2.5 Mbps的傳輸速率。這些收發(fā)器在驅(qū)動(dòng) 器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120至500 3之間。驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻態(tài)。接收器輸入具有失效保 護(hù)特性，當(dāng)輸入開(kāi)路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出，具有較高的抗干擾性能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單,RO和DI端口分別為接收器的輸 出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的 RXD和TXD相連 即可；RE和DE端口分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng) RE為邏輯0時(shí)，器件處 于接收狀態(tài)；當(dāng)

27、DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因?yàn)?MAX485工作在半 雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端口分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù) 為1;當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。同時(shí)將A和B端之間加 匹配電阻，一般可選120Q的電阻。其MAX485通信模塊電路（如圖3.3）圖3.3 MAX485串口通信電路該系統(tǒng)通信設(shè)備間的距離較遠(yuǎn)，需要使用MAX485保證通信模塊的最大傳輸距離能滿足設(shè)計(jì)要求。MAX485通信模塊在新風(fēng)機(jī)組控制模塊中有著重要的作用，它使得新風(fēng)機(jī)組控制模塊的控制信號(hào)準(zhǔn)確的傳達(dá)到各個(gè)執(zhí)行器，同時(shí)準(zhǔn) 確得接受來(lái)自

28、上位機(jī)的控制信號(hào)和傳感器的信號(hào)。3.8光電隔離電路光電隔離器亦稱光電耦合器、光耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。光耦合器以光為媒介 傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電 信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生 光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到 輸入、輸出隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有 單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器輸 入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在 長(zhǎng)線傳輸信息中

29、作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及 實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣 隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽 命長(zhǎng)，傳輸效率高。1 .12S夕k圖3.4光電隔離模塊3.9 人機(jī)界面設(shè)計(jì)人機(jī)界面 ( 又稱用戶界面或使用者界面 )是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息 交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類(lèi)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。在工藝 過(guò)程日趨復(fù)雜、對(duì)機(jī)器和設(shè)備功能的要求不斷增加的環(huán)境中，獲得最大的透明 性對(duì)操作員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。人機(jī)界面 (HMI) 提供了這

30、種透明性。S7-200TD 設(shè)備是一種低成本的人機(jī)界面 (HMI) ，使操作員或用戶能夠與應(yīng) 用程序進(jìn)行交互?？梢允褂?TD 設(shè)備組態(tài)一組層級(jí)式用戶菜單，從而提供更多 應(yīng)用程序交互結(jié)構(gòu)。您也可以組態(tài)TD設(shè)備，使其顯示由S7-200 CPU中的特定 位使能的報(bào)警或信息。S7-200TD設(shè)備是一個(gè)2行或4行的文本顯示設(shè)備，可以連接到S7-200CPU。TD 設(shè)備可用于查看、監(jiān)視和改變屬于您的應(yīng)用程序的過(guò)程變量。我們選用 TD200 文本顯示屏來(lái)完成中央空調(diào)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。其提供了四個(gè)具 有預(yù)定義的置位功能的按鍵， 如果使用 SHIFT 鍵，則最多可提供八個(gè)置位功能。系統(tǒng) PLC 選用西門(mén)子

31、 S7-200， CPU 型號(hào)為 226。該 PLC 上集成了通訊接 口可供 RS-485 線纜通訊，并設(shè)置了 TD200 文本顯示器，用來(lái)顯示系統(tǒng)工作狀 態(tài)和報(bào)警信息等。變頻器 MM440 可通過(guò)串口與 PLC 通訊。通過(guò)變頻器的控制 來(lái)決定冷凍泵的工作頻率和工作臺(tái)數(shù)。圖 3-5：該控制系統(tǒng)分手動(dòng)和自動(dòng)模式， 手動(dòng)模式下通過(guò)開(kāi)關(guān)的閉合控制電 機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)， 自動(dòng)模式下通過(guò) PLC 及變頻器控制， 啟動(dòng)時(shí) 1#冷凍泵變頻啟動(dòng)， 當(dāng) 溫度條件不滿足需要增加工頻泵數(shù)量時(shí)， 工頻觸點(diǎn)吸合 1#冷凍泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行， 2#冷凍泵待機(jī)等待啟動(dòng)脈沖信號(hào)，當(dāng)溫度條件滿足不需要多臺(tái)冷凍泵工頻運(yùn)行 時(shí)，工頻觸點(diǎn)斷開(kāi)減

32、少工頻工作臺(tái)數(shù)， 變頻觸點(diǎn)吸合轉(zhuǎn)為變頻運(yùn)行。 以此類(lèi)推。圖3-6: EM231、EM232由PLC L+端口輸出的24V電源供電，變頻器的3、 4接口是用于接受模擬量輸入信號(hào)，29、30接口用于通過(guò)RS-485與PLC通訊。圖3-5中央空調(diào)控制系統(tǒng)電路圖120/240VACS7-200 CPU226串口1M0001020304050E07 2M 00 01 02 03 04 05 L+川川II卩川汕PT100變送器PT100變送器J BB+ BEM231M L+丄M0 V0EM232SASBSB2SBSBSBSB6380V24VDCM L+USS通訊KM1KM23 4LMM440變頻器V29

33、30QSRS-485 網(wǎng)絡(luò)線纜用于圖3-6中央空調(diào)控制系統(tǒng)主要設(shè)備的端口連接圖第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 設(shè)備間通訊4.1.1 RS-485 介紹智能儀表是隨著 80 年代初單片機(jī)技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的， 現(xiàn)在世界儀表 市場(chǎng)基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選 型時(shí)其中的一個(gè)必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數(shù)據(jù)模擬信號(hào)輸出 簡(jiǎn)單過(guò)程量， 后來(lái)儀表接口是 RS-232 接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方 式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485 解決了這個(gè)問(wèn)題。RS-485電纜：在低速、短距離、無(wú)干擾的場(chǎng)合可以采用普通的雙絞線，反 之，在高

34、速、長(zhǎng)線傳輸時(shí)，則必須采用阻抗匹配 （一般為120Q）的RS-485專(zhuān)用 電纜，而在干擾惡劣的環(huán)境下還應(yīng)采用鎧裝型雙絞屏蔽電纜。在使用RS-485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線路，從RS-485接口到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的 最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢?，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及 噪聲等影響所影響。理論上，通信速率在 100Kbps及以下時(shí)，RS-485的最長(zhǎng)傳 輸距離可達(dá) 1200米，但在實(shí)際應(yīng)用中傳輸?shù)木嚯x也因芯片及電纜的傳輸特性而 所差異。在傳輸過(guò)程中可以采用增加中繼的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最多可以加 八個(gè)中繼，也就是說(shuō)理論上 RS-485的最大傳輸距離可以達(dá)到9.6公里。如果真

35、 需要長(zhǎng)距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器， 多模光纖的傳輸距離是 510公里，而采用單模光纖可達(dá) 50公里的傳播距離。 4.1.2 USS 協(xié)議S7-200 與西門(mén)子 MicroMaster 系列變頻器 （如 MM440、 MM420、 MM430 以及MM3系列、新的變頻器SINAMICS G110）之間使用USS通信協(xié)議進(jìn)行通 信。通過(guò) STEP7-Micro/WIN32 V3.2 以上版本指令庫(kù)中的 USS 庫(kù)指令，可簡(jiǎn) 單方便地實(shí)現(xiàn)通信，控制實(shí)際驅(qū)動(dòng)器和讀取寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。USS 通信總是由主站發(fā)起， USS 主站不斷循環(huán)輪詢各個(gè)從站，從站根據(jù) 收到的指令，

36、決定是否、以及如何響應(yīng)。從站永遠(yuǎn)不會(huì)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。從站在 以下條件滿足時(shí)應(yīng)答：(1) 接收到的主站報(bào)文沒(méi)有錯(cuò)誤。(2) 本從站在接收到主站報(bào)文中被尋址。上述條件不滿足，或者主站發(fā)出的是廣播報(bào)文，從站不會(huì)做任何響應(yīng)。對(duì) 于主站來(lái)說(shuō)，從站必須在接收到主站報(bào)文之后的一定時(shí)間內(nèi)發(fā)回響應(yīng)。否則主 站將視為出錯(cuò)。USS 協(xié)議的特點(diǎn)為：(1)支持多點(diǎn)通信 (因而可以應(yīng)用在 RS-485 等網(wǎng)絡(luò)上 )。(2)采用單主站的 “主-從”訪問(wèn)機(jī)制。(3) 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上最多可以有 32個(gè)節(jié)點(diǎn) (最多 31個(gè)從站 )。(4) 簡(jiǎn)單可靠的報(bào)文格式，使數(shù)據(jù)傳輸靈活高效。(5) 容易實(shí)現(xiàn)，成本較低。通過(guò)上面的介紹，就可以使用USS協(xié)議進(jìn)行RS-485串行通訊。為完成USS 通訊，還需要對(duì) MM440 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。P0003=3,答應(yīng)變頻器的所有參數(shù)；P0971=1,數(shù)據(jù)保存入 MM 440的EEPROM 中；P0700=5,變頻器