基于PLC的中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC的中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文針對(duì)中央空調(diào)的節(jié)能問題，對(duì)中央空調(diào)水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析及設(shè)計(jì)。利用可編程控制器、模擬量擴(kuò)展模塊、變頻器、溫度傳感器等代替?zhèn)鹘y(tǒng)再熱量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)水泵的變頻調(diào)速。通過對(duì)空調(diào)出口溫度進(jìn)行檢測(cè)，變頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)中央空調(diào)水泵轉(zhuǎn)速，到達(dá)節(jié)能目的。采用變頻技術(shù)控制中央空調(diào)水泵，是當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的有效途徑。關(guān)鍵詞：中央空調(diào)，變頻調(diào)速技術(shù)，可編程控制器PLC，PID目錄1緒論11.1中央空調(diào)變頻調(diào)速的意義11.2變頻調(diào)速技術(shù)介紹11.3本文的主要工作32系統(tǒng)原理分析及方案設(shè)計(jì)52.1中央空調(diào)結(jié)構(gòu)原理52.2變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理72.3空調(diào)變頻控制系統(tǒng)的構(gòu)架82.4總體設(shè)計(jì)方案確實(shí)定93系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1可編程控制器的選型113.1.1可編程控制器概述113.1.2可編程控制器的選型123.2模擬量I/O模塊及傳感器選型143.2.1模擬量輸入模塊選型〔A/D〕143.2.2模擬量輸出模塊選型〔D/A〕173.2.3溫度傳感器選型183.3變頻器的選型及參數(shù)設(shè)置203.3.1變頻器的選型203.3.1變頻器的參數(shù)設(shè)置213.4總體電路圖234系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1內(nèi)存變量分配254.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)274.2.1主程序設(shè)計(jì)274.2.2PID控制的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)314.2.3冷卻水系統(tǒng)循環(huán)控制及PID調(diào)節(jié)程序334.2.4冷凍水系統(tǒng)循環(huán)控制及PID調(diào)節(jié)程序374.2.5傳送冷卻水和冷凍水PID參數(shù)子程序38中斷效勞程序405系統(tǒng)調(diào)試445.1初始化程序調(diào)試445.2冷卻水、冷凍水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序調(diào)試47參考文獻(xiàn)54致謝55附錄1完整程序56附錄2系統(tǒng)總體電路圖661緒論1.1中央空調(diào)變頻調(diào)速的意義隨著空調(diào)應(yīng)用的日益普及，其能耗在社會(huì)總能耗中所占的比例越來越高。減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗對(duì)全社會(huì)的節(jié)能，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)開展具有重大意義。常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量是根據(jù)空調(diào)房間的最大熱、濕負(fù)荷確定，且保持不變。空調(diào)負(fù)荷減少時(shí)，通過調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度〔調(diào)節(jié)再熱量〕來維持室溫。這種方法不僅浪費(fèi)了熱量而且浪費(fèi)制冷機(jī)組相當(dāng)?shù)睦淞?。在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，可根據(jù)房間溫濕度參數(shù)的變化，通過變頻調(diào)速裝置調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變送風(fēng)量〔應(yīng)大于最小送風(fēng)量〕，送風(fēng)溫度保持不變。顯然變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可充分利用最大送風(fēng)溫差，節(jié)約再熱量和與之相應(yīng)的冷量，減少風(fēng)機(jī)的功率消耗，提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[1]。在夏季室內(nèi)負(fù)荷下降時(shí)，先減少送風(fēng)量，當(dāng)送風(fēng)量減至最小送風(fēng)量時(shí)可利用末端再熱裝置適應(yīng)室內(nèi)冷負(fù)荷的減少。當(dāng)再熱量缺乏以補(bǔ)償室內(nèi)負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)由夏季工況轉(zhuǎn)至冬季運(yùn)行工況，系統(tǒng)開始送熱風(fēng)。為節(jié)省能量，可先進(jìn)行定風(fēng)量變風(fēng)溫的調(diào)節(jié)方法，當(dāng)供熱負(fù)荷繼續(xù)增加時(shí)，再改為變風(fēng)量調(diào)節(jié)方法。1.2變頻調(diào)速技術(shù)介紹變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)，是運(yùn)用最廣、最有開展前途的調(diào)速方式。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從50年代提出的電壓源型變頻器開始，相繼開展了電流源型、脈寬調(diào)制型等各種變頻器。〔1〕變頻器按變換環(huán)節(jié)分①交-交變頻器把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高。但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的一半以下，故它主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。②交-直-交變頻器先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)容易控制，因此，在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善變頻后電動(dòng)機(jī)的特性等方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前迅速地普及應(yīng)用的主要是這一種?！?〕變頻器按電壓的調(diào)制方式分①PAM〔脈幅調(diào)制〕變頻器輸出電壓的大小通過改變直流電壓的大小來進(jìn)行調(diào)制。在中小容量變頻器中，這種方式幾乎己經(jīng)不采用了。②PWM〔脈寬調(diào)制〕變頻器輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比來進(jìn)行調(diào)制。目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調(diào)制〔SPWM〕方式。〔3〕變頻器按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式分①電流型直流環(huán)節(jié)的貯能元件是電感線圈。②電壓型直流環(huán)節(jié)的貯能元件是電容器。變頻器的功用是將頻率固定〔通常為工頻50Hz〕的交流電〔三相的或單相的〕變換成頻率連續(xù)可調(diào)〔多數(shù)為0～400Hz〕的三相〔或單相〕交流電[2]。由上式可知道：當(dāng)頻率連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)。又因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低一些，所以，當(dāng)連續(xù)可調(diào)時(shí)，也連續(xù)可調(diào)。由于磁極對(duì)數(shù)不同的異步電動(dòng)機(jī)，在相同頻率時(shí)的轉(zhuǎn)速是不同的。所以，即使頻率的調(diào)節(jié)范圍相同，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍也是各異的，因此采用變頻和變極調(diào)速相結(jié)合的方法，可以大大提高變頻器的工作效率。由于轉(zhuǎn)速與頻率成正比，即：=〔1-1〕式中：-轉(zhuǎn)速；-頻率；-電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；-轉(zhuǎn)差率。假設(shè)將電機(jī)的運(yùn)行頻率由原來的50Hz下調(diào)到40Hz時(shí)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n，降為額定轉(zhuǎn)速的80%,即，由于電機(jī)的額定功率，因此，電機(jī)運(yùn)行在40Hz時(shí)的實(shí)際功率為：〔1-2〕那么節(jié)電率為：〔1-3〕由此可見，假設(shè)風(fēng)機(jī)和水泵的電機(jī)運(yùn)行在40Hz時(shí)，理論上，電機(jī)實(shí)際消耗的功率只有額定功率的一半左右，此時(shí)，理論上節(jié)電率為48.8%，交流變頻調(diào)速的節(jié)電效果相當(dāng)顯著，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速,可將所有節(jié)流閥去掉,使管道暢通，可免去節(jié)流損耗。通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速而改變水的流速,從而改變水的流量，到達(dá)制冷機(jī)正常工作要求和平衡熱負(fù)荷所需冷量要求，到達(dá)節(jié)能目的。采用變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵是電機(jī)轉(zhuǎn)速的可調(diào)和可控。這種系統(tǒng)可由多臺(tái)水泵電機(jī)組成，其中只有一臺(tái)水泵處于變頻調(diào)速狀態(tài)，就可以到達(dá)節(jié)能目的。這種系統(tǒng)最大程度地節(jié)約了設(shè)備。電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)是由PLC控制器進(jìn)行切換和控制。1.3本文的主要工作中央空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍水和冷卻水兩個(gè)系統(tǒng)。現(xiàn)在水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實(shí)現(xiàn)?！?〕冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制該方案在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供應(yīng)的情況下，確定一個(gè)冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測(cè)冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時(shí)頻率無極上調(diào)?！?〕冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制該方案在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量。當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時(shí)，減少冷卻水流量；當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時(shí)，加大冷卻水流量，在保證中中央空調(diào)機(jī)組正常工作的前提下，到達(dá)節(jié)能增效的目的。控制原理說明如下：PLC控制器通過溫度模塊及溫度傳感器將冷凍機(jī)的回水溫度和出水溫度讀入控制器內(nèi)存，并計(jì)算出溫差值；然后根據(jù)冷凍機(jī)的回水與出水的溫差值來控制變頻器的頻率，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出水的流量，控制熱交換的速度；溫差大，說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負(fù)荷大，應(yīng)提高冷凍泵的轉(zhuǎn)速，加快冷凍水的循環(huán)速度和流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，那么說明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負(fù)荷小，可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷凍水的循環(huán)速度和流量，減緩熱交換的速度以節(jié)約電能。由于冷凍機(jī)組運(yùn)行時(shí)，其冷凝器的熱交換量是由冷卻水帶到冷卻塔散熱降溫，再由冷卻泵送到冷凝器進(jìn)行不斷循環(huán)的。冷卻水進(jìn)水出水溫差大，說明冷凍機(jī)負(fù)荷大，需冷卻水帶走的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，加大冷卻水的循環(huán)量；溫差小，那么說明，冷凍機(jī)負(fù)荷小，需帶走的熱量小，可降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減小冷卻水的循環(huán)量，以節(jié)約電能。通過溫度傳感器PT100將溫度信號(hào)經(jīng)過變送器和A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送到PLC中進(jìn)行處理，然后由PLC將控制信號(hào)送至變頻器中，變頻器根據(jù)控制信號(hào)做出相應(yīng)的頻率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。主要工作有：溫度檢測(cè)局部設(shè)計(jì)；選擇變頻器；設(shè)計(jì)主電路；選擇PLC器件并選擇擴(kuò)展模塊；I/O口的分配及輸入輸出接口電路的設(shè)計(jì)；報(bào)警等接口設(shè)計(jì)；編制設(shè)計(jì)PLC程序；系統(tǒng)仿真。2系統(tǒng)原理分析及方案設(shè)計(jì)2.1中央空調(diào)結(jié)構(gòu)原理中央空調(diào)是由一臺(tái)主機(jī)通過風(fēng)道過風(fēng)或冷熱水管或管線連接多個(gè)末端的方式來控制不同的房間以到達(dá)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)管試的中央空調(diào)，它的原理是主機(jī)通過通往各個(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)是本錢低、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)的熱量帶到室外去到達(dá)制冷的效果。中央空調(diào)工作原理如圖2-1所示。圖2-1中央空調(diào)工作原理中央空調(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?！?〕冷凍主機(jī)也叫致冷裝置，是中央空調(diào)的致冷源，通往各個(gè)房間的循環(huán)水由冷凍主機(jī)進(jìn)行內(nèi)部熱交換，降溫為冷凍水?！?〕冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍主機(jī)在進(jìn)行熱交換、使水溫冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后再將降溫了的冷卻水，送回到冷凍機(jī)組。如此不斷循環(huán)，帶走了冷凍主機(jī)釋放的熱量?！?〕冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成。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。同時(shí)，房間內(nèi)的熱量被冷凍水吸收，使冷凍水的溫度升高。溫度升高了的循環(huán)水經(jīng)冷凍主機(jī)后又成為冷凍水?！?〕風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。安裝于所有需要降溫的房間內(nèi)，用于將由冷凍水盤管冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內(nèi)的熱交換?！?〕風(fēng)機(jī)。用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水〞帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。〔6〕冷卻塔。冷凍主機(jī)在致冷過程中，必然會(huì)釋放熱量，使機(jī)組發(fā)熱。冷卻水塔用于為冷凍主機(jī)提供“冷卻水〞。冷卻水在盤旋流過冷凍主機(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。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。空調(diào)系統(tǒng)中的控制對(duì)象多屬于熱工對(duì)象，從控制的角度分析具有以下特點(diǎn)：〔1〕多干擾性。例如：通過窗戶進(jìn)入的太陽(yáng)輻射熱是時(shí)間的函數(shù)，也受氣象條件的影響；室外空氣溫度通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室溫產(chǎn)生的影響；為了換氣所采用的新風(fēng)，其溫度變化對(duì)室溫有直接的影響；室內(nèi)人員的變動(dòng)，照明、機(jī)電設(shè)備的啟停，均會(huì)干擾變動(dòng)時(shí)控制的難度以及能源浪費(fèi)的問題?！?〕多工況性?？照{(diào)系統(tǒng)中對(duì)空氣的處理過程具有很強(qiáng)的季節(jié)性，一年中，至少要分為冬季，過渡季和夏季。另外在同一天中，夜晚和白天的空氣工況也不完全相同，因此，空調(diào)對(duì)空氣的處理過程也具有多變性。多工況性的特點(diǎn)就決定了空調(diào)的運(yùn)行不能設(shè)定在某一不變的參數(shù)下，而這就要求空調(diào)的控制系統(tǒng)必須要靈活的動(dòng)作來適應(yīng)變化的工況。在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷凍泵、冷卻泵的裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%—20%余量作為設(shè)計(jì)系數(shù)。根據(jù)計(jì)算中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占夏季酒店總用電的25%—30%，冷卻塔的用電占8%—10%。因此，實(shí)施對(duì)冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及冷卻塔的能量自動(dòng)控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動(dòng)控制的重要組成局部。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)原理〔2-1〕式中：n-轉(zhuǎn)速；f-頻率；p-電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；s-轉(zhuǎn)差率。由上式可見，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法，改變頻率、改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高。因此改變頻率而改變轉(zhuǎn)速的方法最方便有效。以前的冷卻塔是人為的根據(jù)冷卻水溫度選擇冷卻塔開啟的臺(tái)數(shù)，非常容易造成能源的浪費(fèi)現(xiàn)象，現(xiàn)在根據(jù)冷卻水的溫度，由溫度傳感器傳送信號(hào)至PLC，由PLC經(jīng)計(jì)算后對(duì)冷卻水泵依次開啟，以到達(dá)節(jié)能效果。2.2變頻調(diào)速系統(tǒng)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，通過接觸器與變頻器柜的繼電器和接觸器進(jìn)行邏輯切換來實(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。該系統(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)。水泵機(jī)組都可運(yùn)轉(zhuǎn)在工頻以下和變頻以下兩種狀態(tài)。這由系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行切換控制?？删幊炭刂破饔肐/O擴(kuò)展接口分別接入A/D和D/A模塊，A/D模塊通過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，以控制變頻器的升速過程及降速過程。溫度檢測(cè)裝置將狀態(tài)送A/D,A/D有多個(gè)數(shù)字量〔x0,x1,x2,x3…〕輸人PLC,進(jìn)行控制熱負(fù)荷從小至大之間的變化，首先對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)定上限x1、下限x0。剛開始工作熱交換量為零。x0、x1處于關(guān)斷狀態(tài)。PLC控制下，KM3接通，1號(hào)泵接入變頻器電源，同時(shí)啟動(dòng)升速程序，按D/A模塊輸出電壓的設(shè)定曲線升速,從而使1號(hào)泵進(jìn)行軟啟動(dòng)。1號(hào)泵轉(zhuǎn)速逐漸增大，熱交換量也逐漸增加。假設(shè)到達(dá)設(shè)定的下限x0時(shí)，那么1號(hào)泵在該頻率下穩(wěn)定運(yùn)行；假設(shè)頻率增至50Hz時(shí)還未到達(dá)下限x0，那么PLC發(fā)出指令KM3釋放，KM2閉合，1號(hào)泵由工頻電網(wǎng)直接供電，全速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)D/A輸出為0。PLC指令KM5閉合，2號(hào)泵接入變頻調(diào)速狀態(tài)，并由PLC控制按設(shè)定曲線升速。假設(shè)升到50Hz頻率下還未到達(dá)設(shè)定下限x0，那么2號(hào)泵切換為工頻，3號(hào)泵為變頻調(diào)速,繼續(xù)下去,直到熱交換量到達(dá)下限x0，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于此狀態(tài)下。如果熱交換量超過上限x1，設(shè)定下調(diào)時(shí)，接入變頻器的第n個(gè)水泵，其輸出頻率降低，假設(shè)降至0Hz時(shí)，還未到達(dá)上限x1，那么第n個(gè)水泵停，同時(shí)D/A置5V，第n-1個(gè)水泵切換變頻狀態(tài)，并按設(shè)定曲線降低直至達(dá)其設(shè)定上限x1，水泵穩(wěn)定運(yùn)行于此狀態(tài)下。需注意，在水泵進(jìn)行工頻和變頻電網(wǎng)的切換過程盡可能快，各接觸器間互鎖和動(dòng)作時(shí)間要設(shè)置好。該控制系統(tǒng),在任何狀態(tài)下,只需一臺(tái)水泵電機(jī)處于調(diào)速狀態(tài),其它電機(jī)可根據(jù)需要處于工頻狀態(tài)或停機(jī)狀態(tài),就可實(shí)現(xiàn)熱交換從零至最大的控制過程。冷卻水、冷凍水系統(tǒng)可分別用一臺(tái)PLC控制器和一臺(tái)變頻調(diào)速器來控制。2.3空調(diào)變頻控制系統(tǒng)的構(gòu)架空調(diào)變頻控制系統(tǒng)，依據(jù)水泵變頻曲線和系統(tǒng)曲線計(jì)算出最正確運(yùn)行模式后，使n臺(tái)水泵在最正確頻率下運(yùn)行。隨著用戶量的不斷變化,實(shí)際差壓值會(huì)經(jīng)常偏離設(shè)定值。為了徹底消除該水泵系統(tǒng)的剩余揚(yáng)程，空調(diào)變頻系統(tǒng)將作進(jìn)一步的PID調(diào)節(jié)?？刂圃矸娇驁D如圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)的控制原理圖系統(tǒng)將差壓變送器的實(shí)時(shí)反應(yīng)值與目標(biāo)設(shè)定值比擬,其差值被送入PLC的內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過運(yùn)算,輸出頻率信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速，以到達(dá)消除差壓動(dòng)態(tài)偏差的目的。其算法為：〔2-2〕式中-調(diào)節(jié)器的輸出；-比例時(shí)間常數(shù)；-差壓設(shè)定值()與差壓實(shí)測(cè)值()之差；-差壓積分時(shí)間常數(shù)；-差壓微分時(shí)間常數(shù)。以上所有算法，將在西門子的PLCS7-200上實(shí)現(xiàn)。2.4總體設(shè)計(jì)方案確實(shí)定對(duì)中央空調(diào)冷卻水和冷凍水回水溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)溫度信號(hào)經(jīng)變送器和A/D轉(zhuǎn)換模塊反應(yīng)給PLC進(jìn)行處理，再由PLC輸出通過變頻器控制冷卻泵和冷凍泵轉(zhuǎn)速，從而對(duì)溫度進(jìn)行控制。目前，對(duì)冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)分別進(jìn)行調(diào)速的方案最為常見，節(jié)電效果也較為顯著。該方案在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量。當(dāng)中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時(shí)，減少冷卻水流量；當(dāng)中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時(shí)，加大冷卻水流量。冷凍水系統(tǒng)也是如此。在冷凍水和冷卻水的回水管道上安裝溫度傳感器，只檢測(cè)回水溫度，然后經(jīng)過PLC的處理對(duì)變頻器實(shí)行控制。這樣可確保中央空調(diào)機(jī)組正常工作的前提下到達(dá)節(jié)能增效的目的。溫度傳感器可采用PT100熱電阻；A/D轉(zhuǎn)換模塊；PLC；D/A轉(zhuǎn)換模塊都選用西門子公司的產(chǎn)品，變頻器采用三菱公司的變頻器。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。圖2-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1可編程控制器的選型可編程控制器概述可編程控制器，英文稱ProgrammableLogicController，簡(jiǎn)稱PLC?？删幊炭刂破魇怯糜诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電控制器，它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計(jì)算機(jī)?？删幊炭刂破魍ㄟ^運(yùn)行存儲(chǔ)在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進(jìn)而再通過輸出電路的物理過程去實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的控制。如果說初期開展起來的可編程控制器主要是以它的高可靠性、靈活性和小型化來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電——接觸控制，那么當(dāng)今的可編程控制器那么吸取了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，得到了更新的開展。從單機(jī)自動(dòng)化到整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化，乃至整個(gè)工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化；從柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人到大型分散控制系統(tǒng)，可編程控制器均承當(dāng)著主要角色[4]?！?〕可編程控制器的硬件組成?？删幊炭刂破鞯挠布植坑芍醒胩幚砥鲉卧睠PU模塊〕、存儲(chǔ)器、輸入/輸出〔I/O〕模塊、電源模塊、通信模塊、編程器等局部組成。如圖3-1所示?！?〕可編程控制器的工作原理①可編程控制器是以順序掃描的方式工作的。用戶程序通過編程器輸入并存放在可編程控制器的用戶存儲(chǔ)器中。當(dāng)可編程控制器運(yùn)行時(shí)，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作的，它只能按分時(shí)操作原理工作，即每一時(shí)刻只執(zhí)行一個(gè)操作。由于CPU的運(yùn)算處理速度很高，使得外部出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)從宏觀上看好似是同時(shí)完成的。這種按分時(shí)原那么，順序執(zhí)行程序的各種操作的過程稱為CPU對(duì)程序的掃描。執(zhí)行一次掃描的時(shí)間成為掃描周期。②可編程控制器的工作過程。可編程控制器是在系統(tǒng)軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的方式工作的，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。圖3-1可編程控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖③可編程控制器的根本功能可編程控制器有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下根本的功能：a〕邏輯處理功能；b〕數(shù)據(jù)運(yùn)算功能；c〕準(zhǔn)確定時(shí)功能；d〕高速技術(shù)功能；e〕中斷處理〔可以實(shí)現(xiàn)各種內(nèi)外中斷〕功能；f〕程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；g〕自檢測(cè)、自診斷功能?？梢哉f，凡普通小型計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能，可編程控制器幾乎也都可以做到。豐富的功能為可編程控制器的廣泛應(yīng)用提供了可能。同時(shí)，也為自動(dòng)化行業(yè)的遠(yuǎn)程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。3.1.2可編程控制器的選型在可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，確定控制方案之后，下一步工作就是可編程控制器工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定可編程控制器的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的可編程控制器和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。〔1〕輸入輸出〔I/O〕點(diǎn)數(shù)的估算I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商可編程控制器的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出電數(shù)進(jìn)行圓整。本設(shè)計(jì)輸入點(diǎn)有15個(gè)，輸出點(diǎn)11個(gè)。〔2〕存儲(chǔ)器容量的估算程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來替代。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)〔16位為一個(gè)字〕。另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的可編程控制器內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ)2000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間?！?〕機(jī)型的選擇目前，國(guó)內(nèi)眾多的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了多種系列功能各異的可編程控制器產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無所適從。通過對(duì)輸入/輸出點(diǎn)的選擇、對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇、對(duì)I/O相應(yīng)時(shí)間的選擇以及輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分析。并且根據(jù)轎廂樓層位置檢測(cè)方法，要求可編程控制器必須具有高速技術(shù)器，又因?yàn)殡娞菔请p向運(yùn)行的，所以可編程控制器還需具有可逆技術(shù)器。綜合考慮后，本設(shè)計(jì)選擇SIEMENS公司生產(chǎn)的S7系列的S7-200可編程控制器。S7-200系列PLC的主要特點(diǎn)如下：①采用整體固定I/O型與根本單元加擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，PLC的CPU、電源、I/0安裝于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單。②運(yùn)算速度快，根本邏輯控制指令每條0.22us，可以實(shí)現(xiàn)高速控制。③編程指令、編程元件較豐富，性價(jià)比高。④PLC集成有固定點(diǎn)數(shù)的告訴計(jì)數(shù)輸入與高速脈沖輸出，脈沖頻率可以到達(dá)20～100kHz。⑤PLC帶有RS-485串行通信接口，可以支持無協(xié)議通信與點(diǎn)到點(diǎn)通信〔PPI〕、多點(diǎn)通信〔MPI〕、PROFIBUS總線通信。通過擴(kuò)展模塊，S7-200還可以增加如下功能。①通信功能擴(kuò)展。通過PROFIBUS-DP〔EM227〕、AS-i〔CP243-2〕、調(diào)制解調(diào)器〔EM241〕、以太網(wǎng)〔CP243-1、CP243-1IT〕等通信模塊，PLC可以與工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)等不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，組成PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。②特殊功能擴(kuò)展。通過多通道模擬量I/O模塊、各種溫度測(cè)量模塊、定位脈沖模塊等，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度、速度、位置等參數(shù)的控制、測(cè)量、調(diào)節(jié)功能。本文選配的SIMATICS7-200PLC主要由CPU226、模擬量輸入EM231模塊和模擬量輸出EM232模塊三局部組成。3.2模擬量I/O模塊及傳感器選型3.2.1模擬量輸入模塊選型〔A/D〕模擬量的輸入在過程控制中的應(yīng)用很廣泛，如常用的溫度、壓力、速度、流量、堿度、位移等的工業(yè)檢測(cè)都是對(duì)應(yīng)電壓、電流的大小模擬量，再通過一定的運(yùn)算(如PID)后控制生產(chǎn)過程到達(dá)一定的目的(如恒溫等)。模擬量輸入的電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量輸入信號(hào)按IEC標(biāo)準(zhǔn)為4～20mA電流信號(hào)或0～5V、-10V～10V，0～10V的直流電壓信號(hào)。模擬量輸入模塊的根本功能就是將輸入PLC的外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC所需的數(shù)字量，以供應(yīng)主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。模擬量輸入模塊可以直接與熱電偶，鉑電阻等溫度檢測(cè)元件相連，接受采自溫度傳感器的信號(hào)，溫度控制模塊實(shí)際上就相當(dāng)于變送器和A/D轉(zhuǎn)換器。將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溫度信號(hào)值傳送給PLC，經(jīng)過PLC處理后，通過模擬量輸出模塊輸出。這樣就可以實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。EM231熱電阻模塊可以通過DIP開關(guān)來選擇熱電阻的類型，接線方式，測(cè)量單位和開路故障方向。連接到同一個(gè)擴(kuò)展模塊上的熱電阻必須是相同類型的。改變DIP開關(guān)后必須將PLC斷電后再通電，新的設(shè)置才能起作用[4]。EM231的主要參數(shù)，見表3-1。表3-1EM231主要參數(shù)耗電量自+5VDC〔自I/O總線〕

自L+

L+電壓范圍，2級(jí)或DC傳感器供電87mA

60mA

20.4至28.8VDCLED指示燈24VDC電源供電良好ON=無錯(cuò)，OFF=無24VDC電源，SF：ON=模塊故障，閃爍=輸入信號(hào)錯(cuò)誤,OFF=無錯(cuò)模擬量輸入特性現(xiàn)場(chǎng)至邏輯

現(xiàn)場(chǎng)至24VDC

24V到邏輯500VAC

500VAC

500VAC共模輸入范圍〔輸入通道至輸入通道〕120VAC共模抑制>120dB120VAC輸入類型無隔離差分輸入輸入范圍RTD類型(選一種)Pt-100Ω，200Ω，500Ω，PT-1000Ω-10000ΩCu-9.035ΩNi-10Ω，120Ω，1000ΩR-150Ω，300Ω，600Ω輸入分辨率溫度

電阻0.1℃15位加符號(hào)位模塊更新時(shí)間：所有通道405ms連線長(zhǎng)度〔最大〕100米至傳感器線回路電阻〔最大〕最大為20Ω數(shù)據(jù)字格式電壓：-32000至+32000最大輸入電壓30VDCEM231的配置區(qū)有3個(gè)設(shè)定開關(guān)，用于模擬量輸入范圍〔量程〕、分辨率、類型等的選擇，設(shè)定開關(guān)的作用如表3-2所示。表3-2EM231設(shè)定開關(guān)表輸入類型與范圍分辨率開關(guān)設(shè)定SW1SW2SW3單極性，0～10V電壓輸入2.5mV●╳●單極性，0～5V電壓輸入1.25mV●●╳單極性，0～20mA電流輸入5uA●●╳雙極性，0～±5V電壓輸入2.5mV╳╳●雙極性，0～±2.5V電壓輸入1.25mV╳●╳●-設(shè)定開關(guān)ON；╳-設(shè)定開關(guān)OFF由于本設(shè)計(jì)采用的A/D轉(zhuǎn)換模塊，EM231輸入類型為單極性，0～5V電壓輸入。所以選擇分辨率為1.25mV，SW1、SW2、SW3分別為ON、ON、OFF的設(shè)定。模擬量輸入端的接線方式：模擬量是通過帶屏蔽的雙絞線把信號(hào)輸入每個(gè)信道，將第一路測(cè)量信號(hào)接入EM231的A+和A-端；將第二路測(cè)量信號(hào)介入EM231的B+和B-端。EM231需要外部提供DC24V電源，電源從L+、M端輸入。硬件連接圖如圖3-2所示。圖3-2熱電阻與EM231硬件連接圖A/D轉(zhuǎn)換的輸入/輸出關(guān)系曲線如圖3-3所示。圖3-3A/D轉(zhuǎn)換的輸入/輸出關(guān)系曲線3.2.2模擬量輸出模塊選型〔D/A〕模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)(如4095等)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出信號(hào)或0～10V，0～5V的直流電壓輸出信號(hào)，以提供應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量輸出模塊選用西門子公司的EM232模塊。其主要參數(shù)指標(biāo)見表3-3：表3-3EM232模塊的主要參數(shù)模擬量輸出特性模擬量輸出點(diǎn)數(shù)2隔離(現(xiàn)場(chǎng)側(cè)到邏輯線路)無信號(hào)范圍電壓輸出

電流輸出±10V

0～20mA數(shù)據(jù)字格式電壓

電流-32000～+32000

0～+32000分辨率全量程電壓

電流12位

11位數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換器〔DAC〕的12位讀數(shù)，其輸出數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的，最高有效位：0表示是正值數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)在裝載到DAC存放器之前，4個(gè)連續(xù)的0是被裁斷的，這些位不影響輸出信號(hào)值[4]。D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入/輸出關(guān)系如圖3-4所示。圖3-4D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入/輸出關(guān)系〔1〕模擬量輸出端的接線方式：經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，模擬量通過雙絞線把信號(hào)輸出，如果是輸出電壓信號(hào)，那么將雙絞線接到信道的M0，V0端；如果輸出的是電流信號(hào)，那么應(yīng)先將雙絞線接到信道的M0和I0端?！?〕接線方式如圖3-5所示。圖3-5EM232端子接線圖3.2.3溫度傳感器選型溫度檢測(cè)的主要方法根據(jù)敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分成接觸式與非接觸式兩大類。接觸式檢測(cè)方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀表；基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值所溫度變化的熱電阻溫度檢測(cè)儀表；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表。非接觸式檢測(cè)方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)物體的溫度進(jìn)行檢測(cè)，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的測(cè)溫敏感元件。熱敏電阻有正溫度系數(shù)〔PTC〕、負(fù)溫度系數(shù)〔NTC〕和臨界溫度系數(shù)〔CTR〕三種。溫度特性曲線如圖3-6所示。圖3-6各種熱敏電阻特性溫度檢測(cè)用的主要是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，PTC和CTR熱敏電阻那么利用在特定溫度下電阻值急劇變化的特性構(gòu)成溫度開關(guān)器件。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻主要由單晶以及錳、鎳、鈷等金屬氧化物制成，測(cè)溫范圍為-50到300℃。它可以制成不同的結(jié)構(gòu)形式，有珠狀、片狀、桿狀和薄膜狀等，其中珠狀和柱狀的金屬氧化物熱敏電阻穩(wěn)定性較好。熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是α值大，一般為金屬電阻的十幾倍，靈敏度很高，而且組織也高，在使用時(shí)引線電阻所引起的誤差可以忽略。缺點(diǎn)是互換性差，局部產(chǎn)品穩(wěn)定性不好。但由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱響應(yīng)快，靈敏度高并且價(jià)格廉價(jià)，因此在汽車、家電等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用[3]。PT100溫度傳感器的測(cè)量溫度范圍是：-50℃～450℃。Pt100熱電阻隔離變送器：型號(hào)：RS3011。該產(chǎn)品是用PT100傳感器測(cè)量溫度的隔離變送器，在工業(yè)上主要用于測(cè)量-200~+500℃的溫度。變送器內(nèi)有線性化和長(zhǎng)線補(bǔ)償功能，出廠時(shí)按照PT100國(guó)標(biāo)分度表校正，完全到達(dá)0.2級(jí)精度要求。輸入、輸出和輔助電源之間是完全隔離〔三隔離〕，可以承受2500VDC的隔離耐壓。產(chǎn)品采用DIN35國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝方式，體積小、精度高，性能穩(wěn)定、性價(jià)比高，可以廣泛應(yīng)用在石油、化工、電力、儀器儀表和工業(yè)控制等行業(yè)。主要特性：〔1〕輸入：Pt100(-20～+400℃)(范圍可選擇)〔2〕輸出信號(hào)：4～20mA/0～5V〔3〕精度等級(jí)：0.2級(jí)(FSR%)〔4〕內(nèi)含線性化和長(zhǎng)線補(bǔ)償功能〔5〕隔離耐壓：2500VDC(0.5mA,60S)〔6〕DIN35導(dǎo)軌安裝〔7〕精度高、性能穩(wěn)定可靠[3]。因本設(shè)計(jì)需求，特選擇輸入溫度范圍為0～+100℃。3.3變頻器的選型及參數(shù)設(shè)置3.3.1變頻器的選型常規(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、輸出功率都可以到達(dá)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。按連續(xù)恒負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量(kVA)的計(jì)算式計(jì)算[6]：〔3-1〕式中：—負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率，單位為W；—電動(dòng)機(jī)的效率(通常約0.85)；—電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)(通常約0.75)；—電流波形的修正系數(shù)，對(duì)PWM方式，取=1.05；—變頻器的額定容量。由于本系統(tǒng)所用的單臺(tái)水泵功率為2.2kW，取=1.05，=2.2kW，=0.85=0.75，代入公式〔2.3〕得：1.05×2.2/0.85×0.75=3.62kW三菱FR-A540系列變頻器的容量為0.4kW～55kW。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，所以根據(jù)計(jì)算得出，應(yīng)選擇三菱FR-A540-3.7K-CH的變頻器。交流變頻調(diào)速日益完善，調(diào)速方便簡(jiǎn)單成為電機(jī)調(diào)速主流。三菱變頻器以其高性能，適中的價(jià)格應(yīng)和了中國(guó)工控行業(yè)的需要，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。節(jié)能的需要為三菱變頻器的應(yīng)用帶來了巨大的契機(jī)，三菱變頻驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在中國(guó)得到了更大的開展。具體參數(shù)如下[6]：〔1〕功率：3.7KW〔三相380V，50Hz〕〔2〕電流：9A〔3〕特點(diǎn)：①采用先進(jìn)磁通矢量控制方式，調(diào)速可達(dá)1：120〔0.5-50Hz〕。②采用可直接監(jiān)視并控制主回路的智能驅(qū)動(dòng)回路〔最新開發(fā)的ASIC〕，使低速時(shí)不均勻旋轉(zhuǎn)得到大幅度的改善。③可拆卸式風(fēng)扇和接線端子，維護(hù)方便。④內(nèi)置RS485通信口，可插擴(kuò)展卡符合全世界主要通信標(biāo)準(zhǔn)。三菱FR-A540變頻器調(diào)制方式為PWM調(diào)制，控制方式為V/F控制，具有轉(zhuǎn)矩提升，點(diǎn)動(dòng)，制動(dòng)與上位機(jī)通訊等功能。3.3.1變頻器的參數(shù)設(shè)置在本系統(tǒng)中，PLC通過D/A轉(zhuǎn)換模塊將控制量通過“2〞引腳〔既電壓輸入〕引入。將頻率調(diào)整到響應(yīng)值。要使變頻器能夠按預(yù)定的狀態(tài)工作，還要對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。見表3-4。表3-4變頻器參數(shù)參數(shù)號(hào)設(shè)定值名稱Pr.02%轉(zhuǎn)矩提升Pr.150Hz上限頻率Pr.20Hz下限頻率Pr.350Hz基底頻率Pr.46Hz低速設(shè)定Pr.73S加速時(shí)間Pr.81S減速時(shí)間Pr.97.65A電子過電流保護(hù)Pr.130.5Hz啟動(dòng)頻率Pr.140適用負(fù)荷選擇Pr.290加/減速曲線Pr.607智能模式選擇Pr.7113適用電機(jī)Pr.793操作模式選擇Pr.802.2KW電機(jī)容量Pr.814電機(jī)極數(shù)Pr.83380V電機(jī)額定電壓Pr.8450Hz電機(jī)額定頻率Pr.951在線自動(dòng)調(diào)整選擇Pr.96101自動(dòng)調(diào)整設(shè)定/狀態(tài)3.4總體電路圖由于三菱FR-A500系列變頻器的輸入信號(hào)出廠設(shè)定為漏型邏輯。而S7-200PLC，CPU226DC/DC/DC的輸出均屬于源型邏輯。所以需要改變FR-A540變頻器控制邏輯，將其改為源型邏輯。在變頻器控制回路端子板的反面，把跳線從漏型邏輯位置轉(zhuǎn)移到源型邏輯位置。即將跳線從“SINK〞位置移到“SOURCE〞位置。由于本設(shè)計(jì)中PLC輸出晶體管是由外部電源供電。所以用變頻器SD端子作為公共端，以防止漏電流產(chǎn)生的誤差。系統(tǒng)總體電路圖見附錄2?？删幊炭刂破鬏斎胼敵鯥/O口分配情況，見表3-5。表3-5輸入輸出I/O口分配表模塊號(hào)輸入端子號(hào)輸出端子號(hào)地址號(hào)信號(hào)名稱說明CPU2261I0.01號(hào)啟動(dòng)按鈕2I0.11號(hào)停止按鈕3I0.22號(hào)啟動(dòng)按鈕4I0.32號(hào)停止按鈕5I0.43號(hào)啟動(dòng)按鈕6I0.53號(hào)停止按鈕7I0.6緊急停車按鈕8I0.7總啟動(dòng)按鈕9I1.01號(hào)變頻器啟動(dòng)按鈕10I1.11號(hào)變頻器停止按鈕11I1.21號(hào)電機(jī)故障熱繼電器12I1.32號(hào)電機(jī)故障熱繼電器13I1.43號(hào)電機(jī)故障熱繼電器14I1.52號(hào)變頻器啟動(dòng)按鈕15I1.62號(hào)變頻器停止按鈕1Q0.0變頻器給電繼電器2Q0.11號(hào)泵工頻啟動(dòng)繼電器3Q0.21號(hào)泵變頻運(yùn)行繼電器4Q0.32號(hào)泵工頻啟動(dòng)繼電器5Q0.42號(hào)泵變頻運(yùn)行繼電器6Q0.53號(hào)泵工頻啟動(dòng)繼電器7Q0.63號(hào)泵變頻運(yùn)行繼電器8Q0.72號(hào)變頻器給電繼電器9Q1.0冷凍泵變頻運(yùn)行繼電器10Q1.11號(hào)變頻器啟停數(shù)字量11Q1.22號(hào)變頻器啟停數(shù)字量EM2311AIW01號(hào)熱敏電阻PT1002AIW22號(hào)熱敏電阻PT100EM2321AQW01號(hào)變頻器電壓2AQW22號(hào)變頻器電壓4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由初始化程序、主程序和中斷效勞程序三局部組成。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)子程序和尋找最正確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，可編程邏輯控制器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，通過接觸器與變頻器的繼電器和接觸器進(jìn)行邏輯切換來實(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)。每臺(tái)電機(jī)都可以運(yùn)轉(zhuǎn)在工頻和變頻兩種狀態(tài)下，這由PLC系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行切換控制?？删幊炭刂破饔肐/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程及降速過程。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。中斷效勞程序INT-0對(duì)2個(gè)變頻器分別控制。4.1內(nèi)存變量分配內(nèi)存變量分配如圖4-1。表4-1內(nèi)存變量分配4.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.2.1主程序設(shè)計(jì)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?！?〕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?！?〕變頻器設(shè)定模塊，是接受由模擬量輸入模塊(EM231)接受溫度傳感器轉(zhuǎn)換而來的信號(hào)，與頻率給定值進(jìn)行比擬后再作為輸入信號(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，假設(shè)有通信要求，那么進(jìn)行通信處理，否那么結(jié)束主程序，完成一次掃描工作[7]。PLC主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1初始化程序流程圖梯形圖程序及相應(yīng)注釋，圖4-2：圖4-2初始化程序梯形圖及注釋4.2.2PID控制的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的開展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的根本控制方式。在本世紀(jì)40年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多優(yōu)點(diǎn)?！?〕算法簡(jiǎn)單，使用方便，容易通過簡(jiǎn)單的硬件和軟件方式實(shí)現(xiàn)；〔2〕適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛的應(yīng)用于各種行業(yè)。由于其有這些優(yōu)點(diǎn)，PID控制直到現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的根本控制方式之一。溫度是一個(gè)普通而又重要的物理量，在許多領(lǐng)域里人們需對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制，長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)溫度控制器進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如：性能成熟、應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)器、智能控制PID調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-3所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。圖4-3常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖4.2.3冷卻水系統(tǒng)循環(huán)控制及PID調(diào)節(jié)程序冷水機(jī)組進(jìn)行熱交換，水溫冷卻的同時(shí)，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，是冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱交換，然后再降了溫的冷卻水，送回到冷水機(jī)組。如此不斷循環(huán)，帶走冷水機(jī)組釋放的熱量。由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單側(cè)水溫不能準(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組產(chǎn)生熱量的多少。所以，對(duì)于冷卻水泵，以進(jìn)水和回水的溫差作為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水和回水間的恒溫差控制是比擬合理的。溫差大，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度；反之那么應(yīng)該降低轉(zhuǎn)速。目前，在冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案最為常見，節(jié)電效果也較為顯著。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量，當(dāng)中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時(shí)，減少冷卻水流量；當(dāng)中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時(shí)，加大冷卻水流量，從而到達(dá)在保證中央空調(diào)機(jī)組正常工作的前提下到達(dá)節(jié)能增效的目的。具體見圖4-4，圖4-5，圖4-6。圖4-4冷卻水的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個(gè)冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定下限頻率并鎖定，變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進(jìn)、出水溫度差和出水溫度信號(hào)來調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)、出水溫差大于設(shè)定值時(shí)，頻率無極上調(diào)，當(dāng)進(jìn)、出水溫差小于設(shè)定值時(shí)，頻率無極下調(diào)，同時(shí)當(dāng)冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時(shí)，頻率優(yōu)先無極上調(diào)，當(dāng)冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時(shí)，按溫差變化來調(diào)節(jié)頻率，進(jìn)、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高；進(jìn)、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。圖4-5冷卻水PID調(diào)節(jié)程序流程圖圖4-6冷卻水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序梯形圖4.2.4冷凍水系統(tǒng)循環(huán)控制及PID調(diào)節(jié)程序冷凍水系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成，從冷水機(jī)組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在個(gè)房間內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)熱量，從而使房間內(nèi)的溫度下降。在保證最末端設(shè)備冷凍水流量供應(yīng)的情況下，確定一個(gè)冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測(cè)冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設(shè)定溫度時(shí)頻率無極上調(diào)。具體見圖4-7，圖4-8。圖4-7冷凍水泵的閉環(huán)控制框圖圖4-8冷凍水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序梯形圖4.2.5傳送冷卻水和冷凍水PID參數(shù)子程序冷卻水PID子程序?yàn)镾BR-0，冷凍水PID子程序?yàn)镾BR-1。詳見圖4-9，圖4-10。圖4-9傳送冷卻水PID參數(shù)梯形圖圖4-10傳送冷凍水PID參數(shù)梯形圖4.2.6中斷效勞程序中斷效勞程序流程圖，冷卻泵、冷凍泵水溫控制PID算法梯形圖見圖4-11，圖4-12，圖4-13。圖4-11中斷效勞程序流程圖圖4-12冷卻泵水溫控制PID算法梯形圖圖4-13冷凍泵水溫控制PID算法梯形圖本程序中需要注意的問題：本系統(tǒng)中選用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻器需要0～5V的控制電壓。這個(gè)控制電壓是由EM232提供的。EM232可以把0～32000的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓。為了能控制變頻器，PLC送到EM232的最大數(shù)字量限制到16000。為了到達(dá)這一要求，在PID的輸出值送到EM232時(shí)，要乘上16000而不是32000，這就可以保證送到變頻器的電壓不超過5V。5系統(tǒng)調(diào)試為檢測(cè)程序是否正確，方案是否可行，現(xiàn)利用S7-200仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行仿真。由于該軟件無法仿真PID程序與中斷程序，所以局部參數(shù)均由手動(dòng)給定。由于初始化程序和冷卻水、冷凍水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序一起調(diào)試難免干擾，所以分開調(diào)試。其結(jié)果不影響程序的正確性。5.1初始化程序調(diào)試〔1〕冷卻泵3號(hào)備用電機(jī)通電試運(yùn)行系統(tǒng)首次啟動(dòng)，為檢測(cè)3號(hào)備用電機(jī)運(yùn)行情況，將其工頻運(yùn)行10分鐘后停止。見圖5-1，圖5-2。圖5-1冷卻泵3號(hào)備用電機(jī)工頻啟動(dòng)10分鐘①按下I0.7，Q0.0、Q0.7得電。1號(hào)變頻器和2號(hào)變頻器得電。②按下I0.7，M2.0得電、自鎖。③常開觸點(diǎn)M2.0閉合，Q0.5得電、自鎖。3號(hào)電機(jī)工頻啟動(dòng)。常開觸點(diǎn)M2.0閉合，定時(shí)器T37通電計(jì)時(shí)。圖5-2冷卻泵3號(hào)備用電機(jī)停止①10min〔600S〕后常開觸點(diǎn)T37閉合，M2.4得電，M2.0被復(fù)位。②常閉觸點(diǎn)M2.4斷開，Q0.5失電，3號(hào)電機(jī)停止。常開觸點(diǎn)M2.0斷開，定時(shí)器T37停止計(jì)時(shí)。常開觸點(diǎn)T37斷開。〔2〕1、2號(hào)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行按下I0.0，Q0.1得電，自鎖。1號(hào)電機(jī)工頻啟動(dòng)。如圖5-3。按下I0.2，Q0.3得電，自鎖。2號(hào)電機(jī)工頻啟動(dòng)。如圖5-4。圖5-3冷卻泵1號(hào)電機(jī)工頻啟動(dòng)圖5-4冷卻泵2號(hào)電機(jī)工頻啟動(dòng)〔3〕冷凍泵啟動(dòng)當(dāng)1號(hào)、2號(hào)冷卻泵啟動(dòng)后，冷凍泵啟動(dòng)。按下I0.0，I0.2，Q1.0得電，冷凍泵啟動(dòng)。如圖5-5。圖5-5冷凍泵電機(jī)工頻啟動(dòng)5.2冷卻水、冷凍水系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)程序調(diào)試由于S7-200仿真軟件無法調(diào)用PID程序，中斷程序。所以用于反應(yīng)輸入AIW0、AIW2的標(biāo)準(zhǔn)化處理，要用轉(zhuǎn)換公式計(jì)算[8]。〔5-1〕式中-標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值〔0.0～1.0〕；-32位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；-標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，雙極性64000，單極性32000；-偏置值，單極性取0，雙極性取0.5。又因本文中EM321的單極性模擬量輸入范圍選為0～5V，所以有如下關(guān)系式：〔5-2〕式中-單極性模擬量輸入電壓〔0～5V〕。-A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；所以，有公式〔5-1〕和〔5