PLC控制系統(tǒng)與智能化中央空調(diào)

PLC控制系統(tǒng)與智能化中央空調(diào)

摘要：可編程控制器由于其在工業(yè)控制方面的應(yīng)用意義日趨明顯，并在發(fā)電、化工、電子等行業(yè)工藝設(shè)備的電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。它具有功能強(qiáng)大、使用可靠、維修簡單等許多優(yōu)點(diǎn)，并且在很多地方已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。與此同時,智能化中央空調(diào)也正被廣泛地應(yīng)用,在將其倆雙雙結(jié)合的情況下,不僅促進(jìn)了科技的發(fā)展,也提高了人民生活水平。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)智能化編程控制器

1概述

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會高度信息化，新的高科技技術(shù)不斷應(yīng)用到各個方面中，使得智能化已成為一種發(fā)展的必然趨勢。智能化也往往是從設(shè)備自動化系統(tǒng)開始。本文主要針對我們本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)《智能化小型中央空調(diào)》闡述PLC控制設(shè)計(jì)與智能化中央空調(diào)(冷凍站)系統(tǒng)的關(guān)系。

系統(tǒng)及工藝簡介

現(xiàn)介紹我們本次的設(shè)計(jì)中有兩套中央空調(diào)系統(tǒng)，由三臺冷卻水泵、三臺冷凍水泵、一臺冷卻塔風(fēng)機(jī)、兩臺冷水機(jī)組等主要設(shè)備組成兩套制冷系統(tǒng)其中冷水機(jī)組是由設(shè)備生產(chǎn)廠成套供應(yīng)的。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室要求，我們選擇了2*5匹全封閉式壓縮機(jī)冷水機(jī)組。它一般是根據(jù)空氣調(diào)節(jié)原理及規(guī)律等由微處理器自動控制。冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器與蒸發(fā)器組成。壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷機(jī)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。因此，中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)的工藝控制要求為

測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)荷來決定冷水機(jī)組的開啟臺數(shù)，達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)。

各設(shè)備的程序聯(lián)動：啟動：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)其中一臺冷卻水泵/冷凍水泵出現(xiàn)故障時，備用冷卻水泵/冷凍水泵會自動投入工作。

測量冷凍水系統(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。

因我們本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室的目的是為給同學(xué)們更形象生動的學(xué)習(xí)理解中央空調(diào)系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)過程中，我們還會考慮到在合適并重要的位置處裝上便于觀察制冷劑或水流情況的窺視鏡。

PLC原理及應(yīng)用

中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)的控制有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DDC以及PLC(可編程序控制器)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)已逐漸被人們所淘汰，直接數(shù)字式控制器DDC雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展。但由于DDC其本身的抗干擾能力問題和分級分步式結(jié)構(gòu)的局限性而限制了其應(yīng)用范圍。相反，PLC控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用與維護(hù)均很方便，抗干擾能力強(qiáng)，適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這些顯著的優(yōu)點(diǎn)使其逐步得到廣泛的應(yīng)用。

可編程控制器是計(jì)算機(jī)家族中的一員。于上個世紀(jì)中后葉被發(fā)明后，在機(jī)床、各種流水線的輸送機(jī)械、發(fā)電、化工、電子等行業(yè)工藝設(shè)備的電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用，早期的可編程控制器被稱作可編程邏輯控制器,即簡稱為PLC。

PLC具有功能強(qiáng)大、使用可靠、維修簡便等許多優(yōu)點(diǎn)。對于傳統(tǒng)的繼電器電路來說，它難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的和數(shù)字式控制，而且要實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的邏輯控制功能不僅設(shè)計(jì)繁瑣，難以實(shí)現(xiàn)升級，并易發(fā)故障，維修復(fù)雜，現(xiàn)在已被大中型設(shè)備的控制系統(tǒng)所拋棄。而PLC正被廣泛的應(yīng)用并且已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的飛躍發(fā)展，PLC也不斷得到完善和強(qiáng)大，同時它的功能也大大超過了邏輯控制的范圍，如聯(lián)網(wǎng)通信功能和自診斷功能等。因此今天這種裝置被我們稱作可編程控制器，不過我們還是習(xí)慣簡稱這種裝置為PLC。

2PLC的體系結(jié)構(gòu)

PLC結(jié)構(gòu)圖

PLC實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一致的。如圖所示

圖PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)

PLC主要是模塊式的，包含CPU模塊、I/O模塊等，PLC一端接傳感器，另一端接執(zhí)行器，從傳感器得到的數(shù)據(jù)經(jīng)PLC讀、運(yùn)算等處理下達(dá)給執(zhí)行器，執(zhí)行器動作。PLC相當(dāng)于繼電器的作用，其好處是可靠性高，自動化程度高、可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化等。

PLC的選型及設(shè)置

為了滿足以上所介紹的空調(diào)工藝要求，整個控制系統(tǒng)需要可編程序控制器的輸入、輸出點(diǎn)分別是112點(diǎn)和32點(diǎn)，其中模擬量輸入、輸出為6點(diǎn)和4點(diǎn)。根據(jù)PLC的I/O原理使用原則，即留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時使用，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)際所需的I/O點(diǎn)數(shù)。選用華光電子工業(yè)有限公司的SU－5/B型。主機(jī)：SU－5/B；輸入模塊：U－25N、U－01AD；輸出模塊：U－05T、U－01DA。這種機(jī)型的I/O點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)，有RS－422通訊端口，其編程指令有143條，并配有相應(yīng)的編程軟件S－62P，不僅可以通過手持編程器對其編程。而且可以通過PC機(jī)對其進(jìn)行編程輸入。該軟件還能在PLC運(yùn)行時監(jiān)控其運(yùn)行狀況。

軟件設(shè)計(jì)

制冷系統(tǒng)的啟動/停止是用于制冷系統(tǒng)的手動啟動/停止控制。也可以通過溫度設(shè)定，依據(jù)冷負(fù)荷的需要自動開啟制冷系統(tǒng)。每臺設(shè)備均設(shè)有自動、手動、備用三種運(yùn)行狀態(tài)，自動用于聯(lián)鎖集中控制；手動用于調(diào)試或檢修；備用狀態(tài)用于熱備用。三臺水泵二工一備。其中備用泵循環(huán)輪換，提高設(shè)備的保養(yǎng)率。各臺設(shè)備按工藝要求順序自動啟動/停止時，采用每臺設(shè)備啟動后經(jīng)15s左右延時，再啟動下一臺設(shè)備。一是考慮水泵穩(wěn)定運(yùn)行有個過程，二是避免數(shù)臺電動機(jī)同時啟動，沖擊變壓器，影響供電質(zhì)量。

為提高中央空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及可維護(hù)性，需采用控制產(chǎn)品對中央空調(diào)系統(tǒng)的各個設(shè)備進(jìn)行控制。早期的中央空調(diào)控制器多為就地式專用控制器和DDC控制器，它們具有控制功能簡單、不易聯(lián)網(wǎng)及信息集成度不高等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的中央空調(diào)系統(tǒng)都傾向于采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的可編程控制器(PLC)來進(jìn)行控制。

3PLC控制系統(tǒng)主要功能與特點(diǎn)

PLC控制系統(tǒng)功能說明

如空氣處理機(jī)PLC控制原理簡圖所示

1.當(dāng)啟動空氣處理機(jī)時，PLC發(fā)出控制指令。首先開戶回風(fēng)門和新風(fēng)門到設(shè)定位置，然后啟動送風(fēng)機(jī)，同時通過控制變頻器，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.露點(diǎn)溫度與系統(tǒng)設(shè)定值相比較后,用PID方式調(diào)節(jié)冷水電動閥,控制冷水流量,使送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。

3.送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢是由回風(fēng)溫度與系統(tǒng)設(shè)定值相比較后，用PID方式控制變頻器，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)回風(fēng)溫度的目的。

4．當(dāng)過濾網(wǎng)前后壓差超出設(shè)定值時，PLC發(fā)出過濾堵塞報(bào)警信號。

5．當(dāng)空氣處理機(jī)停止運(yùn)行后，新風(fēng)門、回風(fēng)門和冷水電動閥回復(fù)到全關(guān)位置，并關(guān)停冷水環(huán)泵。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對工藝參數(shù)的檢測、各機(jī)組的協(xié)調(diào)控制以及數(shù)據(jù)的處理、分析等任務(wù)，下位PLC主要完成數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場設(shè)備的控制及連鎖等功能。除此以外，PLC系統(tǒng)還有如下功能：

◆數(shù)據(jù)顯示功能

顯示機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，包括冷水出口溫度、冷水入口溫度、冷卻水出口溫度、冷卻水入口溫度、蒸汽壓力、蒸汽閥門開度，以及溶液泵、冷劑泵等所有屏蔽泵的運(yùn)行狀態(tài)和各種故障報(bào)警的詳細(xì)信息。

◆歷史數(shù)據(jù)的存儲及檢索功能

對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲，數(shù)據(jù)的存儲時間最長為10年?？梢酝ㄟ^歷史報(bào)表或者歷史趨勢曲線的方式檢索歷史數(shù)據(jù)。

◆控制功能

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，并考慮經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，PLC應(yīng)用反饋數(shù)據(jù)(如室內(nèi)溫度等)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以保證運(yùn)行參數(shù)滿足系統(tǒng)要求?？刂葡到y(tǒng)有三種運(yùn)行方式：就地手動、軟手動和自動。就地手動就是通過就地手動操作設(shè)備對機(jī)組進(jìn)行控制，軟手動是通過PLC對機(jī)組進(jìn)行手動控制，自動則是根據(jù)編好的控制程序自動控制相關(guān)設(shè)備的啟、停及調(diào)節(jié)量。采用程序控制方式，杜絕冷劑污染，有效便捷地實(shí)現(xiàn)冷水、冷卻水的變頻控制。通過有效合理地開、?？刂疲_(dá)到啟動速度快、停機(jī)時間短的目的，即能節(jié)省能耗，還能避免結(jié)晶，從而提高中央空調(diào)系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

◆連鎖與保護(hù)功能

各機(jī)組相關(guān)設(shè)備的啟、停具有一定的連鎖關(guān)系和時間順序，該功能由PLC的連鎖程序完成。同時，為保證機(jī)組的可靠運(yùn)行，對相關(guān)參數(shù)采取了一定的保護(hù)措施，如冷水、冷卻水與機(jī)組的連鎖控制、冷卻水系統(tǒng)與冷卻塔的連鎖控制等。

系統(tǒng)特點(diǎn)

◆靈活性

本控制系統(tǒng)選用可利用公司的小型一體化PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)主機(jī)控制系統(tǒng)中的單片機(jī)，較大程度地提高了系統(tǒng)配置及控制的靈活性，能更好地滿足不同用戶的不同需求。同時，明顯縮短了程序開發(fā)周期。

◆高可靠性

PLC控制核心能夠在惡劣的環(huán)境中長期可靠、無故障運(yùn)行，并且易接線、易維護(hù)、隔離性好、抗腐蝕能力強(qiáng)，能適應(yīng)較寬的溫度變化范圍，平均無故障時間間隔(MTBF)大于15年。

◆強(qiáng)大的功能

現(xiàn)代的PLC的編程語言遵從易學(xué)、易懂、易用的標(biāo)準(zhǔn)。除了具備傳統(tǒng)PLC助記符和梯形圖編程功能外，還具有結(jié)構(gòu)化語言和順序功能圖編程功能。PLC提供各種功能模塊，包括各種通訊功能選擇、通訊參數(shù)設(shè)置，以及可以具體到某年、某月、某日、某個時刻的多種定時器和超長定時器等，方便了各種功能的實(shí)現(xiàn)，有利于縮短開發(fā)周期和節(jié)省程序容量。

◆優(yōu)良的開放性

上位軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，并提供豐富的API編程接口，方便接入其它系統(tǒng)。

4控制方法

對于冷凍水系統(tǒng)，其出水溫度取決于蒸發(fā)器的設(shè)定值，而回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調(diào)冷凍水出水溫度與冷凍水的回水溫度設(shè)計(jì)最大溫差為：5℃，現(xiàn)采用在蒸發(fā)器出水管和回水管上裝有檢測其溫度的變送器、PID溫差調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水溫差控制，即可使冷凍水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化。

冷水機(jī)組系統(tǒng)PLC電路控制簡圖

對于冷凍水系統(tǒng)，由于低溫冷凍水的溫度取決于冷卻塔的工作情況，我們只需控制高溫冷凍水的溫度，即可控制溫差?，F(xiàn)采用溫差變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，冷凝器出水的溫度控制在T2，使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化。

在管道中取壓力信號采樣和溫差變送器，通過PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過PLC控制變頻器，以此控制3臺水泵電機(jī)的運(yùn)行，系統(tǒng)啟動開始工作，當(dāng)?shù)?臺電機(jī)運(yùn)行至工頻狀態(tài)時，如管網(wǎng)壓力不夠，變頻器控制第2臺電機(jī)開始工作，若工作到工頻狀態(tài)時管網(wǎng)管壓仍不夠時，變頻器自動切換至第3泵使其變頻運(yùn)行，第1、2臺電機(jī)工頻運(yùn)行，直至管網(wǎng)所需管壓。當(dāng)外部需求降低，管網(wǎng)管壓提高時，第3臺運(yùn)行停止，變頻器自動切換至第2泵，使其工作在變頻狀態(tài)下若還達(dá)不到要求，再切換至第1電機(jī)，如此周而復(fù)始，始終讓系統(tǒng)工作在最優(yōu)、最佳、最省的工作狀態(tài)。

5系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用總結(jié)

由于整個實(shí)驗(yàn)室正在逐步籌劃和建設(shè)的過程中，許多設(shè)計(jì)還處于探討之中，眾多功能還未付諸實(shí)施。

現(xiàn)在本文就系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)情況作簡單介紹：本文的系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)分為兩步，設(shè)備電氣控制系統(tǒng)調(diào)試和中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)試。我們就已完成的設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試及使用情況作一下說明：針對實(shí)驗(yàn)室的要求：要求電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，感溫精確度高，維護(hù)方便壽命長，并能聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行管理。除此之外在實(shí)際使用中系統(tǒng)的故障報(bào)警部分設(shè)計(jì)還不夠完善，許多功能還未開發(fā)。本文經(jīng)過對設(shè)備狀況和同學(xué)們對中央空調(diào)學(xué)習(xí)認(rèn)識的調(diào)研，本文認(rèn)為可采用三菱公司的A系列PLC作為設(shè)備的控制系統(tǒng)核心。它不僅具備普通PLC可編程控制器的各種優(yōu)點(diǎn)，而且能夠利用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊組建MELSECNET網(wǎng)絡(luò)，最終達(dá)到建成先進(jìn)的分布式控制系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理。

當(dāng)然系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，它不僅具備基本邏輯控制功能，還具有聯(lián)網(wǎng)通信功能和管理功能等。另外相對與老的控制系統(tǒng)，它工作穩(wěn)定、故障率低，并能進(jìn)行系統(tǒng)自動報(bào)警，操作及維護(hù)十分簡便，維修綜合成本大大降低。

6結(jié)束語

在智能化中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)中，采用PLC控制系統(tǒng)是切實(shí)可行的，中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)用PLC控制可以有效地保證其工作穩(wěn)定、可靠，便于維護(hù)，且性能價格比高。同時以PLC為核心的高可靠的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對空調(diào)主機(jī)的控制及兩臺主機(jī)