基于PLC的中央空调水泵变频调速控制系统设计

基于PLC的中央空调水泵变频调速控制系统设计

摘 要

随着人们生活质量的普遍提高以及科学技术的不断进步，中央空调也逐渐进入了人们的视野，成为人们生活中重要的一部分，同时它所消耗的能量也引起了社会的关注，中央空调的节能问题成为了人们期待解决的关键问题。
中央空调采用的变频技术从一定程度上极大地减少了能量的损耗，采用变频调速后，一方面成功的实现了电动机的软启动，在另一方面也减弱了振动和磨损，增长了电动机的寿命。中央空调水泵变频技术是中央空调节能降耗的一个有效途径，而且也得到国家政策的支持，代表了今后空调行业节能技改的方向。
这次所做的方案主要就是通过西门子S7-200系列的CPU226 作为控制元件来研究并且设计中央空调水泵变频调速控制系统。该设计论文将会叙述变频器和可编程控制器的工作原理，完成变频器、可编程控制器等的选型和参数设置，重点完成PLC硬件电路图和程序设计。
中央空调水泵变频调速控制系统的经济性十分可观，将会具有很好的前景和开阔的市场。
该论文有图43幅，表1个，参考文献31篇。

关键词：中央空调 变频调速 可编程控制器

Central Air conditioning’s Water Pump Frequency Control of Motor Speed Control System Design Based on PLC

Abstract

With the continuous progress in science and technology and improvement of the quality of life, the central air conditioning has gradually entered the people’s vision, which has become an important part of people’s life . At the same time ,the energy it consumes also caused concern in the community.The energy saving problem of central air-conditioning has become the key problem that people expect to solve .
Central air-conditioning system which is based on variable frequency technology in a certain extent greatly can reduce energy consumption., It adopts speed-adjusted system through frequency conversion ,which on the one hand brings the success of the motor soft start,and on the other hand which also reduce the vibration and abrasion and prolongs the life of the motor. Central air-conditioning pump variable frequency technology is an effective way to save energy.Moreover，it has get the support of national policy and it has been on behalf of the future direction of energy-saving air-conditioning industry technical.
This graduation design is mainly designed by Siemens S7-200 cpu226 which is used to control element for the research and design of central air conditioning water pump frequency control of motor speed control system. The design in this thesis will explains the principle ,model selection and parameter design of the converter and the programmable controller.The design will focus on the completion of PLC hardware circuit diagram and program design.
The economy of the central air conditioning water pump frequency conversion speed control system is very considerable which will have a very good prospect and open market.

Key Words: Central Air Conditioning Variable Frequency Speed Control Programmable Controller

目 录

摘 要 I
Abstract II
目 录 III
1绪论 1
1.1设计中央空调变频调速系统的意义 1
1.2 变频调速技术的简单介绍 1
1.3 本文的主要工作 2
1.4 本章小结 3
2 中央空调系统方案 4
2.1中央空调系统构成 4
2.2中央空调变频控制系统的PID构架 4
2.3总体设计方案的确定 5
2.4 本章小结 6
3 设计中相关器件型号的选择 7
3.1可编程控制器型号的选择 7
3.2 I/O模块型号的选择 10
3.3 温度变送器型号的选择 11
3.4 变频器的型号的选择 12
3.5 本章小结 13
4 硬件部分设计 14
4.1硬件系统的简述 14
4.2 PLC控制电路的模块设计 14
4.3 主电路模块 16
4.4热电阻与EM231硬件连接图 17
4.5温测模块和水泵调节模块 17
4.6 本章小结 18
5 系统软件的梯形图设计 19
5.1 主程序设计 19
5.2 PID控制的设计及实现 25
5.3 A/D和D/A转换模块程序 33
5.4中断服务程序 34
5.5本章小结 36
附录1 电路图 38
附录2 梯形图 39
附录3 指令语句 51
附录4 器件单 64
参考文献 65
致 谢 67

1绪论

1.1设计中央空调变频调速系统的意义
变频调速在减少中央空调能耗达到节能的目的方面有着重要的作用，另一方面，它在我国提倡的的可持续发展上也做出了巨大的贡献[[[] BG1002姚一鸣毕业设计[D].大学生论文联合比对库,2014.]][4]。
在正常的情况下，中央空调系统的送风量都是维持恒定不变的，而且，已经安装了空调的房间里面的湿度和透气性会直接决定该房间的送风量。不过，这种传统的改变方式十分的消耗能量，现实意义存在一定的缺陷。现在经过改进后，当空调的负荷减少时，系统将会通过频率的变换来调节风温度也就是调节再热量从而保持室内温度是恒定的[1][[[]基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计-百度文库[J/OL].互联网文档资源,2012-9-22.http://wenku.baidu.com/view/94c4fc2b2af90242a895e5d5.html.]]。
简单来说，变频空调就是在一般空调的基础上增进了变频器也就是变频系统。变频器就是用来控制和调整压缩机电机转速的控制系统，让它处于最佳的转速状态，从而能够达到提高能效比（比常规的空调能够节能20%~30%）的目的。
1.2 变频调速技术的简单介绍
众所周知，变频调速控制系统里面最主要的就是变频器了。变频器通常由功率主电路、控制电路和显示及控制面板构成[[[] 顾婧弘.西门子PLC组网的研究与实现[D].见：内蒙古科技大学硕士论文，2014-6-6.]]。
一般情况下，我们习惯性根据变换的方式来划分变频器的种类，具体如下：
（1）交-交变频器
交-交变频器是将输入的交流电转换成频率能够改变的目标交流电，该类变频器相比其他种类的变频器略去了中间的间接环节，所以效率十分的高[1][2]。
（2）交-直-交变频器
交-直-交变频器是先将工频交流电整流成直流电，再将直流电转换成频率和电压都可以调节和控制的交流电，其又被称为间接式变频器。虽然这种变频器多了一个中间直流环节，但是这种变频器在进行逆变过程的时候与其他类变频器相比相当容易控制，所以，在某些方面，交-直-交变频器存在着明显的优势[[[] 黄邢华.中央空调的PLC变频控制系统设计 毕业设计论文[D].大学生论文联合比对库，2014.]]。
顾名思义，变频器便是变频，不过，由于异步电机的磁极对数不同的时候，其在同样的频率下的速度也是不一样的，也就是说调节的变化范围也是不尽相同的，因此基于这种情况我们可以同时完成变频和变极调速，这样便能够很大程度上提高它运行的效率[1][4]。
基于转速与频率的关系公式，即：
（1-1）
式中：-转速；
-频率；
-电机磁极对数；
-转差率[2]。
通过式(1-1)我们可以知道：在其他参数恒定不变的情况下，转速和极对数是成反比的关系；在其他参数恒定不变的情况下，转速和频率呈现正相关的关系；在其他参数恒定不变的情况下，转速和转差率呈现斜率为负值的线性关系。
如果先使得电机在50Hz的状态下运行，之后通过改变频率把频率变成10Hz，那么电机运行时的转速n将会改变，它会降为额定转速也就是原来转速的20%,即：
（1-2）
（1-3）
因此，电机运行在20Hz时的实际功率为：
（1-4）
则节约电能的差率为：
（1-5）
根据上面公式的计算结果我们可以知道，如果电机能够以10Hz的频率运行工作，在理论上，电机消耗的功率仅仅占在以50Hz运行时的0.8%左右[1][2]，此时，理论上的节约电能的差率将会高达99.2%，不过，实际上由于环境等客观因素节约电能的差率会比理论值稍微低一点。总体来看，交流变频调速能够帮助人们省很大部分的电量，也有很可观的经济效益。
1.3 本文的主要工作
本次毕业设计主要是通过变频器和PLC技术来使得中央空调达到节约能量的效果,其中着重利用了闭环控制的PID运算。
系统方案采用测量模块和温度传感器对冷冻水泵和冷冻水泵的水温进行测量以便进行温差的计算。如果计算出来的温度小于0，表示室内的温度比较低，则应该根据计算结果适当地减小频率来升高温度[[[]中央空调系统_别墅低源热泵空调[EB/OL].互联网文档资源，2011-5-10.http://blog.sina.com.cn/s/blog_7e51d3a60100qwo3.html.]]。如果计算出来的温度差大于0，则应该根据计算结果适当地增大频率从而增大转速来降温[[[] 深圳市四方电气技术有限公司.中央空调系统变频节能改造-方案应用[J/OL].中国工控网，2009-4-8.http://www.gongkong.com/article/200904/6253.html.]]。
综上所述，本次设计主要通过温度传感器PT100来把温度信号经过变送器和A/D转换模块转换后传送到PLC可编程控制器中进行处理，然后通过可编程控制器以及变频器来适当地改变频率从而改变电机的速度[1]。
1.4 本章小结
本章节主要重点介绍了中央空调水泵变频调速的意义，并从变频器的分类方面介绍了变频调速技术，另外，本章节还明确了本次设计方案的主要工作，即通过冷却水泵、冷冻水泵系统的闭环控制利用PID运算完成系统的变频调速。

2 中央空调系统方案

2.1中央空调系统构成
具体的中央空调的组成框图如图2-1所示。