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路海制冷之中央空调主机西门子PLC控制系列说明
工程量转换的方法
经常在论坛上看到网友提出工程量显示的问题，想在此做个专题，供各位网友参考。
1、基本概念
我们生活在一个物质的世界中。世间所有的物质都包含了化学和物理特性，我们是通过对物质的表观性质来了解和表述物质的自有特性和运动特性。这些表观性质就是我们常说的质量、温度、速度、压力、电压、电流等用数学语言表述的物理量，在自控领域称为工程量。这种表述的优点是直观、容易理解。在电动传感技术出现之前，传统的检测仪器可以直接显示被测量的物理量，其中也包括机械式的电动仪表。
2、标准信号
在电动传感器时代，中央控制成为可能，这就需要检测信号的远距离传送。但是纷繁复杂的物理量信号直接传送会大大降低仪表的适用性。而且大多传感器属于弱信号型，远距离传送很容易出现衰减、干扰的问题。因此才出现了二次变送器和标准的电传送信号。二次变送器的作用就是将传感器的信号放大成为符合工业传输标准的电信号，如0－5V、0－10V或4－20mA（其中用得最多的是4－20mA）。而变送器通过对放大器电路的零点迁移以及增益调整，可以将标准信号准确的对应于物理量的被检测范围，如0－100℃或-10－100℃等等。这是用硬件电路对物理量进行数学变换。中央控制室的仪表将这些电信号驱动机械式的电压表、电流表就能显示被测的物理量。对于不同的量程范围，只要更换指针后面的刻度盘就可以了。更换刻度盘不会影响仪表的根本性质，这就给仪表的标准化、通用性和规模化生产带来的无可限量的好处。
3、数字化仪表
到了数字化时代，指针式显示表变成了更直观、更精确的数字显示方式。在数字化仪表中，这种显示方式实际上是用纯数学的方式对标准信号进行逆变换，成为大家习惯的物理量表达方式。这种变换就是依靠软件做数学运算。这些运算可能是线性方程，也可能是非线性方程，现在的电脑对这些运算是易如反掌。
4、信号变换中的数学问题
信号的变换需要经过以下过程：物理量－传感器信号－标准电信号－A/D转换－数值显示。
声明：为简单起见，我们在此讨论的是线性的信号变换。同时略过传感器的信号变换过程。
假定物理量为A，范围即为A0－Am，实时物理量为X；标准电信号是B0－Bm，实时电信号为Y；A/D转换数值为C0-Cm，实时数值为Z。
如此，B0对应于A0，Bm对应于Am，Y对应于X，及Y=f(X)。由于是线性关系，得出方程式为Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0。又由于是线性关系，经过A/D转换后的数学方程Z=f(X)可以表示为Z=(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0。那么就很容易得出逆变换的数学方程为X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0。方程中计算出来的X就可以在显示器上直接表达为被检测的物理量。
5、PLC中逆变换的计算方法
以S7-200和4－20mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是，及C0=6400，Cm=32000。于是，X=(Am-A0)*(Z-6400)/()+A0。
例如某温度传感器和变送器检测的是-10－60℃，用上述的方程表达为X=70*(Z--10。经过PLC的数学运算指令计算后，HMI可以从结果寄存器中读取并直接显示为工程量。
用同样的原理，我们可以在HMI上输入工程量，然后由软件转换成控制系统使用的标准化数值。
在S7-200中，(Z-的计算结果是非常重要的数值。这是一个0－1.0（100％）的实数，可以直接送到PID指令（不是指令向导）的检测值输入端。PID指令输出的也是0－1.0的实数，通过前面的计算式的反计算，可以转换成，送到D/A端口变成4－20mA输出。
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PLC在中央空调系统中的应用
　　摘 要：以写字楼的中央空调系统工程项目的设计为对象，设计了以PLC为核心的中央空调控制系统，实现了中央空调的自动控制。基于当前中央空调行业冷水机组的技术不断趋于成熟为起点，对楼群制冷和制热方面进行分配和能源管理优化为目的，然后加以群控为手段来达到节能高效的目的。 中国论文网 /1/view-5338891.htm　　关键词：中央空调；PLC；控制系统；节能 　　引言 　　随着我国经济的发展，城市中智能建筑大量增加，这些建筑大都采用中央空调提供舒适的办公或居住环境。但是中央空调能耗高的问题也在制约着中央空调的发展，因此节能、高效是中央空调系统的重要课题。文章以某写字楼的中央空调系统的设计为对象，介绍该系统在节能、高效应用方面的设计。 　　1 系统组成 　　1.1 中央空调系统的组成 　　中央空调系统主要由冷热源、冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔和空调末端等组成。与一般中央空调系统不同的地方是该系统的冷源是靠水冷机组提供的，热源是使用市政蒸汽通过热板换进行热量交换增加循环水水温来实现的。采用两台130KW的压缩式冷水机组提供冷源，用于制冷；采用两套热板换进行热交换增加循环水水温，用于制热。空调末端采用的是新风空调机组和风机盘管两种类型，新风机组主要用于保证室内新鲜空气的质量，控制送风温湿度；风机盘管通过热交换为室内提供冷量和热量。 　　1.2 控制系统的组成 　　传统的中央空调控制方法是采用DDC控制方式，将各个温度、湿度检测点和控制点连接到多台DDC上，进行多点监控。但是由于现代智能建筑楼层较多，多组中央空调设备位于不同楼层，温湿度检测点分布于各个房间，采用DDC方式进行控制有着线路复杂、施工不便、资源浪费、系统的实时性和可靠性不高等缺点。PLC控制集成度低于DDC，可以自由编写，价格低，且运行可靠，这些优点使其得到广泛的应用。 　　中央空调系统的现场设备有一台西门子的S7-200 CPU226 PLC作为主控制器；两个EM223数字量输入输出模块，分别为32DI/32DO和8DI/8DO；一个EM231 8AI模拟量输入模块；一个EM232 4AQ模拟量输出模块；一个EM321RTD 热电阻输入模块，提供两路模拟量输入；一个MP277触摸屏最为上位机。上位机负责对整个系统的运行情况进行监测和控制，对各参数进行实时记录，系统的结构如图1所示： 　　2 系统应用及功能 　　2.1 冷水机组的应用及功能 　　冷水机组为整个系统提供冷源。冷冻水循环系统通过冷水机组后，将循环水水温降低。然后通过冷冻水泵、集水器供给空调末端。由于冷水机组的发展已经趋于成熟，文章不介绍其内部工作原理。为了满足不同冷量的需求，在冷水机组较为成熟的基础上，对冷水机组的投入数量以及冷量进行精确群控，以达到控制房间温度恒定。相对于单冷水机组的中央空调系统，群控拥有更多的冷量冗余和更节能的运行策略。 　　2.2 控制系统的选型特点与功能 　　控制系统由S7-200系列PLC及HMI设备组成。在选型方面，由于西门子PLC的稳定性较强，而对于中央空调群控来说，无需大量冗余。所以可以选择西门子S7-200系列PLC来担当控制部分。由西门子EM231模块对现场温度和流量进行采集，以便于运算出当前系统冷量是否充足。通过调节冷冻水泵的转速来调节冷量的输送能力。 　　当楼群的冷量需求较大时，群控PLC通过压差信号和流量计算当前所需冷量，是否大于当前冷水机组额定冷量的80%。如果大于，在对冷冻水出水温度与回水温度比较是否大于允许的设定数值（如冷冻水出水温度是否大于7℃，回水温度是否大于12℃），如果大于该数值，且当前第一组冷水机组已经工作在80%的额定状态，则进行加机操作，使另外一台冷水机组投入运行。在系统运行过程中，如果系统计算得出的冷量，小于冷水机组减1的80%额定冷量，且出水水温和回水水温都在设定值之下。则可以执行减机操作。在系统中将一台冷水机组停止。 　　由于文章所述的系统控制部分均放在楼群的底层（-1层）。所以在选择监视和控制机构时选择使用更能适用于当前环境的触摸屏（MP277-10寸）作为主要设备。此款触摸屏除拥有基本的控制和监视功能外，还可以满足系统报表和数据统计的需求，且符合工业标准。 　　2.3 冷冻水循环系统 　　冷冻水循环系统在整个系统中起到将冷量或者热量传输的功能。使用3台37KW的变频调速电机作为动力源。在制冷过程中，冷冻水泵将从冷水机组中流出的冷冻水输送到楼群末端进行热交换。 　　不同的地方在于，本系统中的3台冷冻水泵由一台MM440变频器驱动。借用恒压供水中的一台变频驱动多台电机的方法。始终只有一台泵处于变频调速状态，这样可以有效的减少硬件成本。而对于泵的工频与变频切换部分，也由群控PLC来完成。 　　2.4 冷却水循环系统 　　在冷水机组工作过程中，冷冻水回水水温由于已经在空调末端参与了热量交换。在热交换过程中，水温升高。冷水机组在通过热交换，对冷冻水水温进行降温。在降温过程中产生的热量，便是由冷却水循环系统来释放。冷却水循环系统将冷水机组热交换中产生的热量带入冷却塔中。在由冷却塔进行释放。本例中冷却水循环系统由2台冷却水循环泵，和2个冷却塔组成。所有的电机均由冷水机组内部程序单独控制，在群控系统中不予以干涉。 　　3 系统功能必要性总结 　　在本系统的实施过程中，基于当前中央空调行业冷水机组的技术不断趋于成熟为起点，对楼群制冷和制热方面进行分配和能源管理优化为目的，使用多台小功率（相对于总制冷功率）冷水机组为系统分散式冷源，然后加以群控为手段，来达到冷量可调节范围更宽，能量利用效率提高的目的。 　　参考文献 　　[1]郭琼.PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社. 　　[2]吴木荣.浅谈中央空调系统节能改造[J].电源世界，2010（8）：55-58 　　[3]杨振彪.PLC在中央空调控制系统中的节能应用[J].广东科技，2011（16）：50-51. 　　[4]霍小平.中央空调自控系统设计[M].中国电力出版社，2004. 　　[5]钟钦华，李永光，冯志明.PLC在中央空调控制系统中的节能应用[J].制冷，2009（10）：30-34.
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随着我国经济的不断发展，社 会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动化系统开始。本文主要针对我们本次的 毕业设计《智能化小型中央空调》阐述PLC控制设计与智能化中央空调(冷冻站)系统的关系。
1.2 系统及工艺简介
现 介绍如下：我们本次的设计中有两套中央空调系统，由三台冷却水泵、三台冷冻水泵、一台冷却塔风机、两台冷水机组等主要设备组成两套制冷系统（因系统小，冷 却塔功率大，实验室要求等，本系统较一般两套制冷系统不同的是两台冷水机组却只选择一个冷却塔，经计算核定，这并不影响其效果）其中冷水机组是由设备生产 厂成套供应的。根据本次设计的实验室要求，我们选择了2*5匹全封闭式压缩机冷水机组。它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制。冷水机组由 压缩机、冷凝器与蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷机进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大 气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量，使冷冻水降温，然后冷冻水进入冷风机盘管吸收空气中的热量。 如此循环不已，把室内的热量带出，达到降低环境温度的目的。因此，中央空调冷冻系统的工艺控制要求为：
（1）测量冷冻水供回水温度及流量，从而计算空调实际的冷负荷，根据实际的冷负荷来决定冷水机组的开启台数，达到最佳节能状态。
（2）各设备的程序联动：启动：冷却塔风机——冷却水泵——冷冻水泵——冷水机组。停止：冷水机组——冷冻水泵——冷却水泵——冷却塔风机。当其中一台冷却水泵/冷冻水泵出现故障时，备用冷却水泵/冷冻水泵会自动投入工作。
（3）测量冷冻水系统供回水管的压差△P=P1－P2控制其旁通阀(TV)的开口度，使其维持压差。
（4）因我们本次设计的实验室的目的是为给同学们更形象生动的学习理解中央空调系统，所以设计过程中，我们还会考虑到在合适并重要的位置处装上便于观察制冷剂或水流情况的窥视镜。
1.3 PLC原理及应用
中 央空调冷冻系统的控制有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。继电器控制系统由于故障率 高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分 级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使 其逐步得到广泛的应用。
可编程控制器是计算机家族中的一员。于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各 种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器 （Programmable Logic Controller）, 即简称为PLC。
PLC具有 功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计 繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。随着科 学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。因此今天这种装置被我们称 作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。
2 PLC的体系结构
2.1 PLC结构图
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图2.1.1所示：
PLC主要是模块式的，包含CPU模块、I/O模块等，PLC一端接传感器，另一端接执行器，从传感器得到的数据经PLC读、运算等处理下达给执行器，执行器动作。PLC相当于 继电器的作用，其好处是可靠性高，自动化程度高、可进行网络化等。
2.2 PLC的选型及设置
为 了满足以上所介绍的空调工艺要求，整个控制系统需要可编程序控制器的输入、输出点分别是112点和32点，其中模拟量输入、输出为6点和4点。根据PLC 的I/O原理使用原则，即留出一定的I/O点以做扩展时使用，以及系统设计中实际所需的I/O点数。选用华光电子工业有限公司的SU－5/B型。主 机：SU－5/B；输入模块：U－25N、U－01AD；输出模块：U－05T、U－01DA。这种机型的I/O点数为256点，有RS－422通讯端 口，其编程指令有143条，并配有相应的编程软件S－62P，不仅可以通过手持编程器对其编程。而且可以通过PC机对其进行编程输入。该软件还能在PLC 运行时监控其运行状况。
2.3 软件设计
制冷系统的启 动/停止是用于制冷系统的手动启动/停止控制。也可以通过温度设定，依据冷负荷的需要自动开启制冷系统。每台设备均设有自动、手动、备用三种运行状态，自 动用于联锁集中控制；手动用于调试或检修；备用状态用于热备用。三台水泵二工一备。其中备用泵循环轮换，提高设备的保养率。各台设备按工艺要求顺序自动启 动/停止时，采用每台设备启动后经15s左右延时，再启动下一台设备。一是考虑水泵稳定运行有个过程，二是避免数台电动机同时启动，冲击变压器，影响供电 质量。
为提高中央空调系统的经济性、可靠性及可维护性，需采用控制产品对中央空调系统的各个设 备进行控制。早期的中央空调控制器多为就地式专用控制器和DDC控制器，它们具有控制功能简单、不易联网及信息集成度不高等缺点。随着计算机技术、控制技 术和网络技术的发展，现在的中央空调系统都倾向于采用先进、实用、可靠的可编程控制器(PLC)来进行控制。
3 PLC控制系统主要功能与特点
3.1 PLC控制系统功能说明
如空气处理机PLC控制原理简图所示：
1. 当启动空气处理机时，PLC发出控制指令。首先开户回风门和新风门到设定位置，然后启动送风机，同时通过控制变频器，从而调节风机的转速。
2. 露点温度与系统设定值相比较后,用PID方式调节冷水电动阀,控制冷水流量, 使送风温度达到设定值。
3. 送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值相比较后，用PID方式控制变频器，从而调节风机的转速，达到调节回风温度的目的。
4．当过滤网前后压差超出设定值时，PLC发出过滤堵塞报警信号。
5．当空气处理机停止运行后，新风门、回风门和冷水电动阀回复到全关位置，并关停冷水环泵。
上位机监控系统主要完成对工艺参数的检测、各机组的协调控制以及数据的处理、分析等任务，下位PLC主要完成数据采集、现场设备的控制及连锁等功能。除此以外，PLC系统还有如下功能：
◆ 数据显示功能
显示机组的运行参数，包括冷水出口温度、冷水入口温度、冷却水出口温度、冷却水入口温度、蒸汽压力、蒸汽阀门开度，以及溶液泵、冷剂泵等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息。
◆ 历史数据的存储及检索功能
对重要的数据进行在线存储，数据的存储时间最长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据。
◆ 控制功能
根 据设定的参数，并考虑经验运行数据，PLC应用反馈数据 (如室内温度等)进行PID调节，以保证运行参数满足系统要求。控制系统有三种运行方式：就地手动、软手动和自动。就地手动就是通过就地手动操作设备对机 组进行控制，软手动是通过PLC对机组进行手动控制，自动则是根据编好的控制程序自动控制相关设备的启、停及调节量。采用程序控制方式，杜绝冷剂污染，有 效便捷地实现冷水、冷却水的变频控制。通过有效合理地开、停控制，达到启动速度快、停机时间短的目的，即能节省能耗，还能避免结晶，从而提高中央空调系统 的安全性和经济性。
◆ 连锁与保护功能
各机组相关设备的启、停具有一定的连锁关系和时间顺序，该功能由PLC的连锁程序完成。同时，为保证机组的可靠运行，对相关参数采取了一定的保护措施，如冷水、冷却水与机组的连锁控制、冷却水系统与冷却塔的连锁控制等。
3.2 系统特点
本控制系统选用可利用公司的小型一体化PLC代替传统空调主机控制系统中的单片机，较大程度地提高了系统配置及控制的灵活性，能更好地满足不同用户的不同需求。同时，明显缩短了程序开发周期。
◆ 高可靠性
PLC控制核心能够在恶劣的环境中长期可靠、无故障运行，并且易接线、易维护、隔离性好、抗腐蚀能力强，能适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔(MTBF)大于15年。
◆ 强大的功能
现 代的PLC的编程语言遵从易学、易懂、易用的标准。除了具备传统PLC助记符和梯形图编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图编程功能。PLC提供各种 功能模块，包括各种通讯功能选择、通讯参数设置，以及可以具体到某年、某月、某日、某个时刻的多种定时器和超长定时器等，方便了各种功能的实现，有利于缩 短开发周期和节省程序容量。
◆ 优良的开放性
上位软件Focsoft3.1支持DDE、OPC、ODBC、SQL，并提供丰富的API编程接口，方便接入其它系统。
4 控制方法
对 于冷冻水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，而回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为：5℃（比 如：出水7℃，回水12℃），现采用在蒸发器出水管和回水管上装有检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水温差 （如：△T=5℃）控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。
对于冷冻水系统，由于低温冷冻水的温度取决于冷却塔的工作情况，我们只需控制高温冷冻水（ 冷凝器出水）的温度，即可控制温差。现采用温差变送器、 PID 调节器和变频器组成闭环控制系统，冷凝器出水的温度控制在 T2（ 如：37℃），使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。
在 管道中取压力信号采样和温差变送器，通过PID调节器进行优化计算，通过PLC控制变频器，以此控制3台水泵电机的运行，系统启动开始工作，当第1台电机 运行至工频状态时，如管网压力不够，变频器控制第2台电机开始工作，若工作到工频状态时管网管压仍不够时，变频器自动切换至第3泵使其变频运行，第1、2 台电机工频运行，直至管网所需管压。当外部需求降低，管网管压提高时，第3台运行停止，变频器自动切换至第2泵，使其工作在变频状态下若还达不到要求，再 切换至第1电机，如此周而复始，始终让系统工作在最优、最佳、最省的工作状态。
5 系统的设计和应用总结
由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中，许多设计还处于探讨之中，众多功能还未付诸实施。
现 在本文就系统改造实现情况作简单介绍：本文的系统调试应分为两步，设备电气控制系统调试和中心网络系统调试。我们就已完成的设备电气控制系统设计、调试及 使用情况作一下说明：针对实验室的要求：要求电气系统运行稳定，感温精确度高，维护方便寿命长，并能联网进行管理。除此之外在实际使用中系统的故障报警部 分设计还不够完善，许多功能还未开发。本文经过对设备状况和同学们对中央空调学习认识的调研，本文认为可采用三菱公司的A系列PLC作为设备的控制系统核 心。它不仅具备普通PLC可编程控制器的各种优点，而且能够利用以太网网络模块（B2/B5）组建MELSECNET网络，最终达到建成先进的分布式控制 系统，既实现各种设备之间的联网，实现远程控制和管理。
当然系统基本达到了设计的要求，它不仅具备基本逻辑控制功能，还具有联网通信功能和管理功能等。另外相对与老的控制系统，它工作稳定、故障率低，并能进行系统自动报警，操作及维护十分简便，维修综合成本（待机时间等）大大降低。
在 智能化中央空调冷冻系统中，采用PLC控制系统是切实可行的，中央空调冷冻系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠，便于维护，且性能价格比高。 同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调主机的控制及两台主机之间的协调控制，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。
1．《中央空调工程设计与施工》，吴继红、李佐周编著，高等教育出版社
2．《制冷空调自动控制》，张子慧等编著，科学出版社1
3. 三菱公司，三菱微型可编程控制器编程手册，2000
4. 《可编程控制器原理及应用》，顾战松、陈铁年编著，国防工业出版社，1996
5. 肖海亮等编著，实现微机和PLC在以太网中的通信，电气自动化，2001.5
6. 宋伯生编著，可编程控制器配置、编程、联网，中国气象出版社，1995.5
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