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1、毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 1 -摘 要随 着 我 国 各 行 业 不 断 地 发 展 ， 能 源 问 题 在 我 国 日 渐 突 出 ， 而 且 近 期 内 无 法 根 本 解决 ， 节 能 工 作 相 当 艰 巨 。 在 现 代 工 厂 企 业 、 办 公 大 楼 、 商 厦 、 酒 店 等 环 境 中 ， 中 央 空调 系 统 是 不 可 缺 少 的 ， 它 虽 然 能 给 人 们 提 供 一 个 舒 适 的 环 境 ， 但 是 耗 电 量 也 相 当 大 。因 此 ， 在 人 们 日 益 重 视 环 保 与 节 能 的 今 天 ， 中 央 空 调 的 节 能 问 题 这 是 人

2、们 所 期 待 要 解决 的 关 键 技 术 问 题 。中 央 空 调 系 统 除 主 机 的 耗 能 。 冷 冻 、 冷 却 水 泵 是 第 二 大 耗 能 设 备 ， 由 于 冷 冻 泵 、 冷却 泵 的 配 置 是 按 夏 季 最 大 流 量 (在 此 基 础 上 还 要 放 大 余 量 )来 确 定 的 ， 而 实 际 使 用 中 由于 气 候 情 况 ， 客 观 流 量 活 动 内 容 等 各 种 因 素 的 变 化 ， 所 需 负 荷 的 不 断 变 化 (负 荷 极 少 达到 最 大 值 )。 因 此 为 使 中 央 空 调 系 统 温 度 稳 定 ， 需 要 按 工 况 变 化

3、 对 冷 冻 、 冷 却 泵 进 行 调节 ， 这 就 需 要 有 较 好 的 自 动 控 制 模 块 。本 文 阐 述 了 中 央 空 调 系 统 自 动 化 控 制 和 节 能 设 计 的 一 些 基 本 思 路 和 方 法 ， 并 介 绍了 交 流 电 动 机 变 频 调 速 的 特 点 及 节 能 原 理 ， 还 介 绍 了 西 门 子 S7-200 主 要 功 能 模 块 及 应用 ， PID 算 法 在 变 频 调 速 系 统 中 的 应 用 ， 并 对 系 统 的 主 回 路 和 控 制 回 路 的 硬 件 部 分 进行 了 详 细 介 绍 。 本 文 主 要 是 对 空 调 出

4、 口 温 度 进 行 检 测 ， 采 用 变 频 器 调 节 中 央 空 调 的 转速 ， 使 其 高 效 运 行 ， 达 到 节 能 的 目 的 。整 个 系 统 采 用 模 块 化 设 计 ， CPU 主 模 块 是 采 用 CPU226， 模 拟 量 扩 展 模 块 采 用EM231， 可 根 据 需 要 灵 活 配 置 各 模 件 数 量 。 通 过 软 件 设 计 完 成 中 央 空 调 所 需 的 参 数 设置 和 控 制 要 求 ， 系 统 软 件 由 主 程 序 、 初 始 化 程 序 、 模 拟 量 检 测 程 序 组 成 ， 通 过 调 用 子程 序 来 完 成 系 统 的

5、 数 据 采 集 、 模 拟 量 检 测 等 功 能 。关 键 词 ： 中 央 空 调 ; 变 频 调 速 技 术 ; PLC; PID毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 2 -AbstractAs every profession and trade of our country is being developed constantly, the energy question is outstanding day by day in our country, and unable to solve at all in the near future, the energy conserva

6、tion is quite arduous. In such environments as the enterprise, office block, commercial building, hotel of modern factory, etc, the central air conditioner system is dispensable, though it can provide a comfortable environment for people, but the power consumption is quite large. So paying attention

7、 to environmental protection and energy-conserving today day by day people, energy-conserving problem of the central air conditioner is a key technology problem to solve. Besides dissipation energy of the host computer, central air conditioner system also has the second largest consume energy equipm

8、ent, such as air blower, freeze and cool water pump. Based on the large flow of summer, the disposition of air blower, freeze and cool water pump are determined (sets the margin on this basis). Because of the climate situation while using actually, such changes of different factors as objective flow

9、 activity content, etc. Constant change of necessary load (load seldom reaches the maximum). In order to make the systematic temperature of central air conditioner steady, the air blower, freeze and cool water pump are changed by working condition, this needs better automatically controlled module.

10、This paper explained some basic ideas and methods that the systematic automation on the automation control and energy-conservation of central air conditioner and recommended the characteristic and energy-conserving principle of VVVF on alternator. It also recommended Siemens S7-200 main functional m

11、odule and application and the application of PID algorithm in VVVF. The paper made a detailed instruction to the main circuit and the hardware of control circuit. This subject detected the export temperature of air conditioner, adopt the frequency converter to regulate the rotational speed, and make

12、 it run high-efficiently and achieve the goal of energy-conserving. The whole system uses the modular design, the CPU module uses CPU226, the simulation quantity expansion module uses EM231, may according to need to dispose various modules quantity nimbly. Completes the parameter establishment and t

13、he control request through the software design which the central air conditioning needs. The system software consists of the master routine, the initialization routine and the analog quantity examination procedure. Through calling the subroutine, the system completes the data acquisition, the examin

14、e of analog quantity and the functions of audible and visual alarm.Key Words： Central Air-condition； Variable Frequency Regulating Speed； PLC； PID毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 1 -毕 业 设 计 （ 论 文 ） 原 创 性 声 明 和 使 用 授 权 说 明原 创 性 声 明本 人 郑 重 承 诺 ：所 呈 交 的 毕 业 设 计 （论 文 ），是 我 个 人 在 指 导 教 师 的 指 导下 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 成 果

15、 。尽 我 所 知 ，除 文 中 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的地 方 外 ，不 包 含 其 他 人 或 组 织 已 经 发 表 或 公 布 过 的 研 究 成 果 ，也 不 包 含 我 为获 得 及 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 学 历 而 使 用 过 的 材 料 。对 本 研 究 提供 过 帮 助 和 做 出 过 贡 献 的 个 人 或 集 体 ，均 已 在 文 中 作 了 明 确 的 说 明 并 表 示了 谢 意 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 指 导 教 师 签 名 ： 日 期 ： 使 用 授 权 说 明本 人 完 全 了 解 大 学 关 于 收 集 、保 存 、使

16、 用 毕 业 设 计 （论 文 ）的 规定 ，即 ：按 照 学 校 要 求 提 交 毕 业 设 计 （论 文 ）的 印 刷 本 和 电 子 版 本 ；学 校 有 权保 存 毕 业 设 计 （论 文 ）的 印 刷 本 和 电 子 版 ，并 提 供 目 录 检 索 与 阅 览 服 务 ；学 校可 以 采 用 影 印 、缩 印 、数 字 化 或 其 它 复 制 手 段 保 存 论 文 ；在 不 以 赢 利 为 目 的前 提 下 ，学 校 可 以 公 布 论 文 的 部 分 或 全 部 内 容 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 2 -学 位 论 文 原 创 性 声 明

17、本 人 郑 重 声 明 ：所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 导 师 的 指 导 下 独 立 进 行 研 究 所 取得 的 研 究 成 果 。除 了 文 中 特 别 加 以 标 注 引 用 的 内 容 外 ，本 论 文 不 包 含 任 何 其他 个 人 或 集 体 已 经 发 表 或 撰 写 的 成 果 作 品 。对 本 文 的 研 究 做 出 重 要 贡 献 的个 人 和 集 体 ，均 已 在 文 中 以 明 确 方 式 标 明 。本 人 完 全 意 识 到 本 声 明 的 法 律 后果 由 本 人 承 担 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日学 位 论 文 版 权 使 用 授

18、权 书本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 学 校 有 关 保 留 、使 用 学 位 论 文 的 规 定 ，同 意 学校 保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 ，允 许 论 文 被查 阅 和 借 阅 。本 人 授 权 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ，可 以 采 用 影 印 、缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存和 汇 编 本 学 位 论 文 。涉 密 论 文 按 学 校 规 定 处 理 。作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日导

19、师 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 3 -目 录摘 要 .1Abstract .2引 言 .11 绪 论 .21.1 中 央 空 调 变 频 调 速 的 意 义 .21.1.1 变 频 调 速 技 术 介 绍 .21.1.2 基 于 PLC 控 制 下 的 变 频 调 速 系 统 工 作 原 理 .41.2 中 央 空 调 的 结 构 原 理 .51.3 空 调 变 频 控 制 系 统 的 构 架 .81.4 总 体 设 计 方 案 的 确 定 .91.5 本 文 主 要 工 作 .102 具 体 电 路 设 计 .112.1 温 度 检 测 部 分 设 计

20、 .112.1.1 检 测 元 件 选 取 .112.1.2 模 拟 量 输 入 模 块 的 选 取 （ A/D） .132.1.3 模 拟 量 输 出 模 块 的 选 取 （ D/A） .162.2 显 示 电 路 设 计 .182.3 变 频 器 的 选 择 .192.4 PLC 的 选 择 .243 硬 件 电 路 设 计 .263.1 系 统 的 设 计 原 则 .263.2 PLC 控 制 下 水 泵 变 频 调 速 系 统 .273.3 输 入 输 出 点 地 址 分 配 .283.4 总 体 电 路 图 .293.5 变 频 器 容 量 的 确 定 .30毕 业 设 计 （ 论

21、文 ）- 4 -4 PLC 控 制 中 央 空 调 变 频 调 速 系 统 的 软 件 设 计 .314.1 内 存 变 量 分 配 .324.2 PLC 编 程 软 件 .334.2.1 主 程 序 设 计 .334.2.2 PID 控 制 器 设 计 及 实 现 .374.2.3 冷 却 水 系 统 循 环 控 制 及 PID 调 节 程 序 .394.2.4 冷 冻 水 系 统 循 环 控 制 及 PID 调 节 程 序 .424.2.5 传 送 冷 却 水 和 冷 冻 水 PID 参 数 子 程 序 .434.2.6 中 断 服 务 程 序 .45结 论 .49参 考 文 献 .50致

22、 谢 .51毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 1 -引 言现 代 工 厂 企 业 、 办 公 大 楼 、 商 厦 、 酒 店 等 环 境 ， 中 央 空 调 系 统 是 不 可 缺 少 的 。 中央 空 调 的 耗 电 量 是 很 大 的 ， 应 用 变 频 调 速 技 术 与 PLC 自 动 控 制 系 统 可 以 大 幅 度 节 约 电能 和 提 高 系 统 的 自 动 化 程 度 , 并 使 系 统 具 有 运 行 可 靠 、 结 构 简 化 、 维 护 维 修 方 便 等 优点 。空 调 冷 冻 泵 变 频 节 能 ,在 国 内 外 都 是 一 个 令 人 感 兴 趣 的 课 题 ，

23、很 多 空 调 专 业 人 士 对此 进 行 了 研 究 。 但 对 于 如 何 计 算 及 分 析 空 调 冷 冻 泵 变 频 运 行 的 工 况 参 数 及 能 耗 ,颇 多 局限 于 泵 的 相 似 定 律 的 直 接 应 用 ， 即 利 用 在 一 定 条 件 下 水 泵 的 流 量 Q、 扬 程 H、 功 率 N 与转 速 n 间 的 关 系 式 (称 为 相 似 定 律 或 比 例 定 律 )（ 1）32121212 )(,)(, nNHQ直 接 进 行 计 算 ， 导 致 人 们 普 遍 认 为 空 调 水 泵 的 耗 电 量 与 转 速 或 流 量 的 三 次 方 成 正 比

24、,，只 要 降 低 泵 的 转 速 就 能 以 三 次 方 的 规 律 降 低 耗 电 量 。 事 实 上 ， 据 此 所 得 的 结 果 与 试 验或 实 际 结 果 存 在 着 一 定 的 差 异 ， 一 些 研 究 者 针 对 这 些 差 异 进 行 了 研 究 ， 但 方 法 与 结 论 各不 相 同 ， 如 Michel A.Bernier 和 Bernard Bourrent 认 为 是 泵 的 全 效 率 的 影 响 ， 从 泵 的 全 效率 的 角 度 提 出 泵 的 耗 功 不 与 流 量 的 3 次 方 成 正 比 ； 谢 明 华 等 则 利 用 水 电 比 拟 原 理 提

25、 出冷 冻 水 泵 的 耗 功 与 流 量 的 一 次 方 成 正 比 ， 似 乎 过 分 贬 低 了 其 节 能 潜 力 ； James B.Rishel则 认 为 泵 的 扬 程 与 负 荷 的 n 次 方 成 直 线 关 系 ， 虽 考 虑 了 负 荷 大 小 及 全 效 率 但 忽 略 了 其它 因 素 的 影 响 1。随 着 人 民 生 活 水 平 的 提 高 ， 对 空 调 的 需 求 越 来 越 大 ， 中 央 空 调 以 其 高 精 度 的 恒 温控 制 ， 大 面 积 集 中 调 节 ， 为 人 们 提 供 宜 人 的 生 产 和 生 活 环 境 。 但 中 央 空 调 系

26、统 耗 能 很 大 , 其 电 能 和 热 能 的 消 耗 量 占 整 个 建 筑 能 耗 量 的 40%左 右 ， 而 在 我 国 目 前 的 建 筑 设 计 中 很少 注 重 节 能 观 念 ， 忽 视 设 备 运 行 费 用 和 能 源 消 耗 ， 造 成 能 源 的 巨 大 浪 费 ， 如 何 解 决 空 调系 统 的 节 能 问 题 ， 已 成 为 当 务 之 急 。毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 2 -1 绪 论1.1 中 央 空 调 变 频 调 速 的 意 义随 着 空 调 应 用 的 日 益 普 及 ， 其 能 耗 在 社 会 总 能 耗 中 所 占 的 比 例 越 来 越

27、高 。 减 少 空调 系 统 的 能 耗 对 全 社 会 的 节 能 ， 促 进 国 民 经 济 的 持 续 发 展 具 有 重 大 意 义 。常 规 中 央 空 调 系 统 的 送 风 量 是 根 据 空 调 房 间 的 最 大 热 、 湿 负 荷 确 定 ， 且 保 持 不 变 。空 调 负 荷 减 少 时 ， 通 过 调 节 送 风 温 度 （ 调 节 再 热 量 ） 来 维 持 室 温 。 这 种 方 法 不 仅 浪 费了 热 量 而 且 浪 费 制 冷 机 组 相 当 的 冷 量 。 在 变 风 量 空 调 系 统 中 ， 可 根 据 房 间 温 湿 度 参 数的 变 化 ， 通 过

28、 变 频 调 速 装 置 调 节 风 机 的 转 速 ， 改 变 送 风 量 （ 应 大 于 最 小 送 风 量 ） ， 送 风温 度 保 持 不 变 。 显 然 变 风 量 空 调 系 统 可 充 分 利 用 最 大 送 风 温 差 ， 节 约 再 热 量 和 与 之 相应 的 冷 量 ， 减 少 风 机 的 功 率 消 耗 ， 提 高 空 调 系 统 的 运 行 经 济 性 1。在 夏 季 室 内 负 荷 下 降 时 ， 先 减 少 送 风 量 ， 当 送 风 量 减 至 最 小 送 风 量 时 可 利 用 末 端再 热 装 置 适 应 室 内 冷 负 荷 的 减 少 。 当 再 热 量

29、不 足 以 补 偿 室 内 负 荷 变 化 时 ， 系 统 由 夏 季工 况 转 至 冬 季 运 行 工 况 ， 系 统 开 始 送 热 风 。 为 节 省 能 量 ， 可 先 进 行 定 风 量 变 风 温 的 调 节方 法 ， 当 供 热 负 荷 继 续 增 加 时 ， 再 改 为 变 风 量 调 节 方 法 。1.1.1 变 频 调 速 技 术 介 绍变 频 调 速 具 有 高 效 率 、 宽 范 围 和 高 精 度 等 特 点 ， 是 运 用 最 广 、 最 有 发 展 前 途 的 调速 方 式 。 交 流 电 机 变 频 调 速 系 统 的 种 类 很 多 ， 从 50 年 代 提

30、出 的 电 压 源 型 变 频 器 开 始 ，相 继 发 展 了 电 流 源 型 、 脉 宽 调 制 型 等 各 种 变 频 器 。（ 1） 变 频 器 按 变 换 环 节 分1） 交 -交 变 频 器把 频 率 固 定 的 交 流 电 源 直 接 变 换 成 频 率 连 续 可 调 的 交 流 电 源 。 其 主 要 优 点 是 没 有中 间 环 节 ， 故 变 换 效 率 高 。 但 其 连 续 可 调 的 频 率 范 围 窄 ， 一 般 为 额 定 频 率 的 一 半 以 下 ，故 它 主 要 用 于 容 量 较 大 的 低 速 拖 动 系 统 中 。2） 交 -直 -交 变 频 器先

31、把 频 率 固 定 的 交 流 电 整 流 成 直 流 电 ， 再 把 直 流 电 逆 变 成 频 率 连 续 可 调 的 三 相 交流 电 。 由 于 把 直 流 电 逆 变 成 交 流 电 的 环 节 容 易 控 制 ， 因 此 ， 在 频 率 的 调 节 范 围 ， 以 及改 善 变 频 后 电 动 机 的 特 性 等 方 面 ， 都 具 有 明 显 的 优 势 。 目 前 迅 速 地 普 及 应 用 的 主 要 是这 一 种 。（ 2） 变 频 器 按 电 压 的 调 制 方 式 分毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 3 -1） PAM（ 脉 幅 调 制 ） 变 频 器 输 出 电 压

32、的 大 小 通 过 改 变 直 流 电 压 的 大 小 来 进 行 调 制 。在 中 小 容 量 变 频 器 中 ， 这 种 方 式 几 乎 己 经 不 采 用 了 。2） PWM（ 脉 宽 调 制 ） 变 频 器 输 出 电 压 的 大 小 通 过 改 变 输 出 脉 冲 的 占 空 比 来 进 行调 制 。 目 前 普 遍 应 用 的 是 占 空 比 按 正 弦 规 律 安 排 的 正 弦 波 脉 宽 调 制 （ SPWM） 方 式 。（ 3） 变 频 器 按 直 流 环 节 的 储 能 方 式 分1） 电 流 型 直 流 环 节 的 贮 能 元 件 是 电 感 线 圈 。2） 电 压 型

33、 直 流 环 节 的 贮 能 元 件 是 电 容 器 。变 频 器 的 功 用 是 将 频 率 固 定 （ 通 常 为 工 频 50Hz） 的 交 流 电 （ 三 相 的 或 单 相 的 ） 变换 成 频 率 连 续 可 调 （ 多 数 为 0 400Hz） 的 三 相 （ 或 单 相 ） 交 流 电 2。由 上 式 可 知 道 ： 当 频 率 连 续 可 调 时 ， 电 动 机 的 同 步 转 速 也 连 续 可 调 。 又 因 为 异0n步 电 动 机 的 转 子 转 速 n 总 是 比 同 步 转 速 略 低 一 些 ， 所 以 ， 当 连 续 可 调 时 ， n 也 连0n续 可 调

34、。由 于 磁 极 对 数 p 不 同 的 异 步 电 动 机 ， 在 相 同 频 率 时 的 转 速 是 不 同 的 。 所 以 ， 即 使频 率 的 调 节 范 围 相 同 ， 转 速 的 调 节 范 围 也 是 各 异 的 ， 因 此 采 用 变 频 和 变 极 调 速 相 结 合的 方 法 ， 可 以 大 大 提 高 变 频 器 的 工 作 效 率 。由 于 转 速 n 与 频 率 f 成 正 比 ， 即 ：（ 1.1）psfn)1(*60式 中 ： n为 转 速 ； f为 频 率 ；p为 电 机 磁 极 对 数 ；s为 转 差 率 。若 将 电 机 的 运 行 频 率 由 原 来 的

35、50Hz 下 调 到 40Hz 时 ， 电 机 的 实 际 转 速 n， 降 为 额 定转 速 的 80%,即 =0.8* ， 由 于 电 机 的 额 定 功 率 W= K*n3， 因 此 ， 电 机 运 行 在 40Hzn1n时 的 实 际 功 率 为 ：（ 1.2）01152.*WK毕 业 设 计 （ 论 文 ）- 4 -则 节 电 率 为 ：（ 1.3）%8.4512.0%01WW由 此 可 见 ， 若 风 机 和 水 泵 的 电 机 运 行 在 40Hz 时 ， 理 论 上 ， 电 机 实 际 消 耗 的 功 率 只有 额 定 功 率 的 一 半 左 右 ， 此 时 ， 理 论 上 节

36、 电 率 为 48.8%， 交 流 变 频 调 速 的 节 电 效 果 相 当显 著 ， 经 济 效 益 十 分 可 观 。中央空调系统采用变频调速技术，电机可在很宽的范围内平滑调速, 可将所有节流阀去掉, 使管道畅通，可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速, 从而改变水的流量，达到制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，达到节能目的。采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。这种系统可由多台水泵电机组成，其中只有一台水泵处于变频调速状态，就可以达到节能目的。这种系统最大程度地节约了设备。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制。1.1.2 基 于 PLC 控 制 下

37、的 变 频 调 速 系 统 工 作 原 理PLC 是 变 频 调 速 控 制 系 统 的 关 键 部 件 。 其 作 用 是 协 调 各 机 组 与 变 频 器 之 间 的 电 气连 接 ， 通 过 接 触 器 与 变 频 器 柜 的 继 电 器 和 接 触 器 进 行 逻 辑 切 换 来 实 现 系 统 的 控 制 方 案 。PLC 的 输 入 信 号 有 机 组 选 择 信 号 、 运 行 方 式 选 择 信 号 、 冷 却 塔 和 主 机 开 /关 信 号 、 冷 冻泵 和 冷 却 泵 的 起 /停 信 号 等 。 输 入 信 号 经 程 序 运 算 ， 发 出 相 应 的 动 作 信 号 ， 经 微 型 继 电器 及 相 应 的 常 闭 、 常 开 触 头 分 别 控 制 变 频 器 及 中 央 空 调 系 统 的 运 行 ， 以 及 声 、 光 报 警 器件 的 动 作 。 PLC 软 件 程 序 设 计