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基于PLC的醫院中央空調控制系統設計文檔

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ID:456835 發表于 2018-12-27 21:37 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
1緒論
1.1引言

中央空調系統是現代大型建筑物不可缺少的配套設施之一,電能的消耗非常大,約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計,而實際上在一年中,滿負載下運行最多只有十多天,甚至十多個小時,幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。通常中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載,而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載,幾乎長期在100%負載下運行,造成了能量的極大浪費,也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。

醫院是一種特殊公眾聚集場所,也是空氣污染較為嚴重的場所之一。我國中央空調通風系統有47.1%屬嚴重污染,有46.7%為中度污染,合格只占62%[1]。醫院室內空氣中浮游的致病細菌種類多、濃度高,其散發的病菌極易造成醫患間的感染。醫院場所的特殊性決定了醫院中央空調的特殊性。科學、安全地設計中央空調系統對減少細菌傳播途徑、防止污染擴散、減少并控制感染具有重要作用。為此,本文對醫院中央空調設計、使用、管理作出研究。

PLC是20世紀80年代發展起來的新一代工業控制裝置,是自動控制、計算機和通信技術相結合的產物。它不僅具有優越的控制性能,良好的性能價格比,而且具有較高的可靠性和抗干擾能力,在自動控制各個領域應用相當普遍[2]。

隨著變頻技術的日益成熟,利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合,構成溫差閉環自動控制系統,自動調節水泵的輸出流量,為達到節能目的提供了可靠的技術條件。

1.2中央空調控制系統的現狀

在變頻調速技術用于中央空調控制系統之前,中央空調系統的控制方法主要存在以下問題:

1.冷卻水系統的不足

從設計角度考慮,冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量(即環境氣溫最高,且所有場所的空調都開足)的情況下,再取一定的安全系數來確定的。而通常情況下,由于季節和晝夜溫差的變化以及開機數目的不足,實際換熱量遠小于設計值,因此,電機容量遠大于實際負荷,出現了大馬拉小馬的情況。

在從冷卻水流量來考慮,冷卻水的作用是要及時將冷凝器中的熱量帶走以保證制冷機能正常工作。從節能的角度看,只要能保證制冷機正常工作,冷卻水的流量越小,所做的無用功就越少,節能也就越明顯。根據流量公式Q=SV,過去由于轉速不能調,只能通過調節節流閥來改變管道橫切面積S的方式來調節流量Q,節流閥的存在對水流產生阻力,從而產生節能損耗,并且會引起機械振動和產生噪音。

冷卻水是用冷卻水泵將其送到冷卻搭中去的,由冷卻塔風扇對其進行噴淋冷卻,與大氣進行熱交換,將熱量散發到大氣中去,這樣會對中央空調系統周圍的環境造成熱島效應。

2.冷凍水系統的不足

冷凍水泵的作用是將經制冷機降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調的各出風口處的風機盤管組件中,對環境起降溫作用,冷凍水的流量與冷凍水泵的轉速成正比,當冷凍水泵轉速高時,冷凍水的流量大,流速也快。因此,當冷凍水流過風機盤管組件時,還沒有充分的時間將所攜冷量全都釋放完,就又返回到制冷機去了,因此冷凍水泵電機做了很多無用功,這些都是不必要的能耗。若能夠調節冷凍水泵電機的轉速,根據實際熱負荷的大小來調節冷凍水的流量(實際上是調節交換冷量的大小)和流速,以便讓冷凍水在風機盤管組件中有充分的時間釋放與熱負荷大小相當的冷量,冷凍水泵電機的功耗可大大降低。

3.水泵頻繁開啟的不足

通過水泵開啟臺數的控制,造成電機起停頻繁,對設備長期安全運行帶來不利影響,起動電流通常為額定值的5倍左右,電機在如此大的電流沖擊下,進行頻繁的起停,對電機、接觸器觸點、空氣形狀觸點產生電弧沖擊,也會給電網帶來一定沖擊,起動時帶來的機械沖擊和停止時的承重現象也會對機械傳動、軸承、閥門等造成疲勞損傷。

原國家經貿委于1994年下發了763號文件《關于加強風機、水泵節能改造的意見》,鼓勵支持變頻節能技術在各行各業中推廣使用,使變頻節能獲得政策上的支持。另外,根據交流電機的特性,要實現連續平滑的速度調節,最佳的方法就是采用變頻調速技術,變頻器是將標準的交流電轉成頻率、電壓可變的交流電,供給電機并能對電機轉速進行調節的裝置。采用變頻調速技術對風機、水泵的節能改造,不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費,而且還會極大提高控制和調節的精度,從而方便地實現恒溫空調系統和恒壓供水系統。

在近年來出現一些對中央空調系統實施變頻改造的項目,取得不錯的節能效果。而如何采用更先進的控制方法實現系統更加節能而高效的運行值得進一步研究。設計優良的控制系統要能在各種供冷負荷條件下高效運行,水泵風機等的流量可以隨著負荷變化而自動調節變化,用戶側室溫保持穩定,而更重要的是能給投資者帶來良好的投資回報。

1.3 中央空調在國內外的發展趨勢

我國是一個人均資源相對貧乏的國家,因此節能降耗有著十分重要的意義。近年來,由于國民經濟的快速發展,使我國的能源顯得越來越緊張。

變頻節能空調近幾年來成為我國空調市場上的新寵,擁有變頻調速系統的中央空調能夠通過溫度反饋改變電機的轉速使制冷量和環境達到一個平衡,具有更節能、更舒適、更環保的特點。

變頻空調在日本的市場占有率已超過90%以上,在歐美等發達國家的市場占有率也超過50%。2009年以來,變頻空調在我國國內市場的發展更是日新月異,銷售增速達56.24%,銷量已占空調總銷量的17.33%。據有關專家預測,2010年變頻空調市場份額有望達25%。

據統計,我國電動機裝機總容量約4億KW,其用電量占當年全國發電量的60%~70%,而風機、水泵設備裝機總功率達1.6億KW,年耗電量3200KW.h,約占當年全國電力消耗總量的1/3。而應用變頻器節電率一般在20%~60%,投資回收期1~3年,經濟效益相當可觀。所以大力推廣應用變頻調速技術不僅是當前推進企業節能降耗、提高產品質量重要手段,而且也是實現經濟增長方式轉變的必然要求。

1.4本設計的主要工作

本設計的主要研究工作包括:

(1)設計基于PLC的醫院中央空調控制系統;

(2)采用PLC模擬量輸入單元采集中央空調水泵水溫數據,PLC通過RS-485與工控機通信;

(3)編寫PLC程序,控制中央空調系統硬件設備,實現中央空調系統的無人值守;

(4)在工控機上采用組態王開發人機界面,實現水溫數據的實時顯示,監測并控制中央空調系統運行狀況。

2系統簡介2.1中央空調系統簡介

所謂“中央空調”是由一臺主機通過風道過風或冷熱水管或管線連接多個末端的方式來控制不同的房間以達到室內空氣調節目的的空調。

一般酒店,大型商場用的是風管式的中央空調,它的原理是主機通過通往各個空間區域的通風管道將處理后的冷熱空氣輸送到位。它的優點是成本低、操控簡便、噪音低,最主要的缺點是:各個區域(房間)控溫不準確。

中央空調的工作原理與家用一樣,都是利用冷媒(運輸熱量的媒質叫冷媒)的物理原理把室內的熱量帶到室外去達到制冷的效果。

中央空調工作過程如圖2-1所示。

圖2-1  中央空調工作過程

中央空調系統主要由冷凍主機、冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、風機盤管系統、風機和冷卻塔等組成。

工作原理:冷凍主機是中央空調的致冷源,從冷凍主機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,帶走房間內的熱量,使房間內的溫度下降。冷卻水塔為冷凍主機提供冷卻水,冷卻水經管道盤旋流過冷凍主機后,將帶走冷凍主機所產生的熱量,使冷凍主機降溫。

中央空調冷凍系統有3種控制方式:早期的繼電器控制系統、直接數字式控制器(Direct Digital Controller,DDC) 和PLC控制系統。繼電器控制系統由于故障率高、系統復雜、功耗高等明顯的缺點已逐漸被人們淘汰;DDC雖然在智能化方面有了很大的發展,但由于DDC本身的抗干擾能力問題和分級分步式結構的局限性限制了其應用范圍;PLC 控制系統以其運行可靠、使用與維護方便、抗干擾能力強、適合新型高速網絡結構等顯著優點而逐步得到廣泛的應用。

本次設計的中央空調系統由3臺冷卻水泵、3 臺冷凍水泵、1 臺冷卻塔風機、2 臺冷水機組等主要設備組成。如圖2-2所示,其中,冷水機組由壓縮機、冷凝器與蒸發器組成,由微處理器自動控制。

圖2-2 系統原理圖

2.2工藝流程

冷水機組壓縮機把制冷劑壓縮,壓縮后的制冷劑進入冷凝器,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入蒸發器蒸發吸收熱量,使冷凍水降溫,然后冷凍水進入冷風機盤管吸收空氣中的熱量。如此循環不已,把室內的熱量帶出,達到降低環境溫度的目的[3]。

2.3控制要求

控制系統的基本操作功能設置為手動和自動兩種選擇,手動功能主要是對設備單機試運轉和維護保養時所選用,而自動功能是由車間內的各組空調處理機組或新風機組的啟停來控制泵組工作的。在手動或自動的啟停操作時,冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、制冷機組在設定的時間內,按照順逆程序進行啟動和停止,并且在任何功能中有操作錯誤時均為無效,以確保各組設備保持正常的操作狀態。主要的控制要求有以下幾點:

(1)測量冷凍水供回水溫度及流量,從而計算空調實際的冷負荷,根據實際的冷負荷來決定冷水機組的開啟臺數,達到最佳節能狀態。

(2)各設備的程序聯動。啟動:冷卻塔風機—冷卻水泵—冷凍水泵—冷水機組;停止:冷水機組—冷凍水泵—冷卻水泵—冷卻塔風機。當其中一臺冷卻水泵/冷凍水泵出現故障時,備用冷卻水泵/冷凍水泵會自動投入工作。

(3)測量冷凍水系統供回水管的壓差△P=P1- P2控制其旁通閥(TV)的開口度,使其維持壓差。

3系統設計3.1設計原則

(1)最大限度地滿足被控對象的控制要求

充分發揮PLC的功能,最大限度地滿足被控對象的控制要求,是設計PLC控制系統的首要前提,這也是設計中最重要的一條原則。這就要求設計人員在設計前就要深入現場進行調查研究,收集控制現場的資料,收集相關先進的國內、國外資料。同時要注意和現場的工程管理人員、工程技術人員、現場操作人員緊密配合,擬定控制方案,共同解決設計中的重點問題和疑難問題。

(2)保證PLC控制系統安全可靠

保證PLC控制系統能夠長期安全、可靠、穩定運行,是設計控制系統的重要原則。這就要求設計者在系統設計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮,以確保控制系統安全可靠。例如:應該保證PLC 程序不僅在正常條件下運行,而且在非正常情況下(如突然掉電再上電、按鈕按錯等),也能正常工作。

(3)力求簡單、經濟、使用及維修方便

一個新的控制工程固然能提高產品的質量和數量,帶來巨大的經濟效益和社會效益,但新工程的投入、技術的培訓、設備的維護也將導致運行資金的增加。因此,在滿足控制要求的前提下,一方面要注意不斷地擴大工程的效益,另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設計者不僅應該使控制系統簡單、經濟,而且要使控制系統的使用和維護方便、成本低,不宜盲目追求自動化和高指標。

(4)適應發展的需要

由于技術的不斷發展,控制系統的要求也將會不斷地提高,設計時要適當考慮到今后控制系統發展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數和內存容量時,要適當留有裕量,以滿足今后生產的發展和工藝的改進。

硬件電路主要實現:信號采集,控制信號輸出,水泵控制,故障報警等功能。其系統邏輯框圖如圖3-1所示。

3.2硬件設計
3.2.1 PLC
選型

空調變頻控制系統選配的SIMATIC S7-200 PLC主要由CPU226模塊(24DI/16DO)、模擬量輸入EM231模塊(4AI)和模擬量輸出EM232模塊(2AO)三部分組成。

圖3-1  系統邏輯框圖

S7-200系列PLC功能強、速度快、擴展靈活,具有模塊化、緊湊的結構。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛,覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域,包括電力設施、民用設施、機械、機床等領域。S7-200系列PLC具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內置豐富的集成功能、實時特性,強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。S7-200系列的強大功能使其無論是在獨立運行中,或相連成網絡都能實現復雜控制功能。所以它具有極高的性價比。

CPU模塊不斷地采集輸入信號,通過執行用戶程序,去刷新系統的輸出。輸入和輸出模塊,是聯系外部現場和CPU模塊的橋梁。通過一臺安裝有STEP7-Micro/WIN32編程軟件的計算機、一根連接計算機和PLC的PC/PPI通訊電纜,即可對S7-200進行用戶編程。

為了滿足以上所介紹的空調控制工藝要求,整個控制系統需要的I/O 點分別是18 點和15點。為了便于今后系統的改造或者升級留出一定的I/O點以做擴展時使用。根據以上具體要求,我們選用西門子的S7-200PLC作為核心控制器。其中主機:CPU226 為24 輸入/16輸出共40個數字量I/O點;模擬量擴展模塊:4道模擬量輸入點;數字量擴展模塊:2道數字量輸出點;共計28道輸入點,實際用18道,10道備用;18道輸出點,實際用15道,3道備用。有RS-485通訊端口,并配有STEP7編程軟件,可以通過PC 機對其進行編程輸入[4]。該軟件還能在PLC 運行時監控其運行狀況。再有結合人機界面直接操作,配置結構如圖3-2所示。

圖3-2 PLC控制系統硬件配置

此外該控制器獨到之處還有強大的指令集令包括位邏輯指令、計數器、定時器、復雜數學運算指令、通訊指令以及和智能模塊配合的指令等;豐富強大的通訊功能,包括以太網通訊在內等。

3.2.2變頻器的選擇

常規設計的交流電動機,通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。此時,軸上輸出轉矩、輸出功率都可以達到額定值。在變頻調速的情況下,供電頻率是變化的,電機的實際輸出也會變化。由于變頻器有一定的通用性,因此在與不同拖動場合的電機配合時,需要選配相應的變頻器。

在一臺變頻器驅動一臺電機的情況下,變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流,或者是變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率。根據以上的介紹以及系統功能的需求,本文選擇了三菱FR-A540變頻器。

本系統所用的單臺水泵功率為2.2kW。三菱FR-A540變頻器的容量為0.4kW~7.5kW。由于本系統采用的是一臺變頻器只為一臺電機提供電源,即一臺變頻器對應一臺水泵,所以三菱FR-A540的功率以足夠勝任。并且三菱FR-A540變頻器性能可靠,價格低廉,市場占有份額大,便于購買。所以選擇三菱FR-A540作為本系統的變頻器[5]。

3.2.3輸入輸出點地址分配

表3-1 輸入輸出地址分配表

模塊號

輸入端子號

輸出端子號

地址號

信號名稱

說明

CPU226

1

I0.0

1號啟動

按鈕

2

I0.1

1號停止

按鈕

3

I0.2

2號啟動

按鈕

4

I0.3

2號停止

按鈕

5

I0.4

3號啟動

按鈕

6

I0.5

3號停止

按鈕

7

I0.6

緊急停車

按鈕

8

I0.7

總啟動

按鈕

9

I1.0

控制溫度+1

按鈕

10

I1.1

控制溫度-1

按鈕

11

I1.2

1號電機故障

按鈕

12

I1.3

2號電機故障

按鈕

1

Q0.0

變頻器給電

繼電器

2

Q0.1

1號泵工頻啟動

繼電器

3

Q0.2

1號泵變頻運行

繼電器

4

Q0.3

2號泵工頻啟動

繼電器

5

Q0.4

2號泵變頻運行

繼電器

6

Q0.5

3號泵工頻啟動

繼電器

7

Q0.6

3號泵變頻運行

繼電器

8

Q0.7

2號變頻器給電

繼電器

9

Q1.0

冷凍泵變頻運行

EM231

1

AIW0

1號熱電阻

PT100

2

AIW2

2號熱電阻

PT100

EM232

1

AQW0

1號變頻器

電壓

2

AQW2

2號變頻器

電壓

3.3軟件設計

系統軟件由初始化程序、主程序和中斷服務程序三部分組成。主程序主要對存儲區標志位、緩沖區、定時器和PID調節器進行初始化。子程序由PID調節子程序和尋找最佳工作模式子程序組成。

PLC控制下變頻調速系統的工作原理,PLC是變頻調速控制系統的關鍵部件。其作用是協調各機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行邏輯切換來實現系統的控制方案。PLC的輸入信號有機組選擇信號、運行方式選擇信號、冷卻塔和主機開/關信號、冷凍泵和冷卻泵的起/停信號等。輸入信號經程序運算,發出相應的動作信號,經微型繼電器及相應的常閉、常開觸頭分別控制變頻器及中央空調系統的運行,以及聲、光報警器件的動作。PLC軟件程序設計采用梯形圖語言編程,直觀易懂。

通常情況下,變頻調速系統主要由變頻器、可編程控制器、主接觸器、水泵機組及溫度檢測裝置組成閉環自動控制系統。PLC用I/O擴展板接口分別接入A/D和D/A從模塊。A/D模塊通過PLC將溫度模擬量轉換為數字量,D/A模塊將PLC輸出的開關量轉換為模擬量,以控制變頻器升速過程及降速過程。需要注意的是,在水泵進行工頻和變頻電網的切換過程盡可能快,各接觸器間互鎖和動作時間要設置好。

本系統是利用電壓信號控制變頻器,進而控制水泵轉速和溫度。控制程序采用PID控制算法控制輸出電壓。其中子程序SBR-0為1號變頻器的電壓控制參數;SBR-1為2號變頻器的電壓控制參數。主程序OBI分別調用SBR-0,SBR-1子程序塊傳送PID控制參數。定時中斷0為每10毫秒中斷一次,進入INT-0。中斷服務程序INT-0對2個變頻器分別控制。

表3-2 內存變量分配
序號
名稱
地址
注釋
序號
名稱
地址
注釋
1
1號啟動
I0.0
上升沿
27
1號過程變量
VD0
32bit
2
1號停止
I0.1
上升沿
28
1號設定值
VD4
32bit
3
2號啟動
I0.2
上升沿
29
1號輸出值
VD8
32bit
4
2號停止
I0.3
上升沿
30
1號增益
VD12
32bit
5
3號啟動
I0.4
上升沿
31
1號采樣時間
VD16
32bit
6
3號停止
I0.5
上升沿
32
1號積分時間
VD20
32bit
7
緊急停車
I0.6
上升沿
33
1號微分時間
VD24
32bit
8
總啟動
I0.7
上升沿
43
2號微分時間
VD60
32bit
9
溫度+1
I1.0
上升沿
44
2號積分前項
VD64
32bit
10
溫度-1
I1.1
上升沿
45
2號過程前值
VD68
32bit
11
1號電機故障
I1.2
上升沿
46
2號PID輸出
VW418
16bit
12
2號電機故障
I1.3
上升沿
47
顯示存儲區
VW100
16bit
13
變頻器給電
Q0.0
“1”有效
34
1號積分前項
VD28
32bit
14
1號泵工頻啟動
Q0.1
“1”有效
35
1號過程前值
VD32
32bit
15
1號泵變頻運行
Q0.2
“1”有效
36
2號PID表
VB36
8bit
16
2號泵工頻啟動
Q0.3
“1”有效
37
2號過程變量
VD36
32bit
17
2號泵變頻運行
Q0.4
“1”有效
38
2號設定值
VD40
32bit
18
3號泵工頻啟動
Q0.5
“1”有效
39
2號輸出值
VD44
32bit
19
3號泵變頻運行
Q0.6
“1”有效
40
2號增益
VD48
32bit
20
2號變頻器給電
Q0.7
“1”有效
41
2號采樣時間
VD52
32bit
21
冷凍泵變頻運行
Q1.0
“1”有效
42
2號積分時間
VD56
32bit
22
1號熱敏電阻
AIW0
12bit
48
EM232最大值
VW400
16bit
23
2號熱敏電阻
AIW2
12bit
49
EM232最小值
VW402
16bit
24
1號變頻器控制電壓
AQW0
12bit
50
1號PID輸出
VW416
16bit
25
2號變頻器控制電壓
AQW2
12bit
51
中間值變量
VD72
32bit
26
1號PID表
VB0
8bit




3.3.1 PLC編程軟件

該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言,即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言。語句表(STL)語言類似于計算機的匯編語言,特別適合于來自計算機領域的工程人員,它使用指令助記符創建用戶程序,屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統中的電氣控制原理圖,是應用最多的一種編程語言,與計算機語言相比,梯形圖可以看作是PLC的高級語言,幾乎不用去考慮系統內部的結構原理和硬件邏輯,因此,它很容易被一般的電氣工程設計和運行維護人員所接受。PLC控制程序由一個主程序、若干子程序構成,程序的編制在計算機上完成,編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC,控制任務的完成,是通過在RUN模式下主機循環掃描并連續執行用戶程序來實現的。

S7-200的編程語言是STEP7,它是用于S7系列PLC進行編程、調試的全新軟件,它是在國際標準IEC1131-3的基礎上建立的,可以用LAD,CSF和STL來編程。通過STEP7編程軟件,不僅可以非常方便的使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程,經過編譯后通過轉接電纜直接下載入PLC的內存中執行,而且在調試運行時,還可以在線監視程序中各個輸入輸出或狀態點的通斷狀況,給調試工作也帶來極大的方便。STEP7軟件的一個特點是調試功能很強大,不僅能在線讀取數據,而且能在線修改過程數據,對于調試大型復雜控制程序非常有效。STEP7軟件還附帶一些控制程序模塊,如P功調節模塊,這些模塊可以從主控制程序中直接調用,實現不同功能[6]。

3.3.2主程序設計

在本系統中,PLC程序設計的主要任務是接受外部開關信號(按鈕、繼電器)的輸入,判斷當前的系統狀態以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件,以完成相應的控制任務。

PLC程序設計共有四個模塊:

(1)控制按鈕模塊主要處理各電機和電磁閥的啟停控制。

(2)報警處理模塊主要處理變頻器的故障報警和報警信息。

(3)變頻器給定模塊將處理變頻器的工作模式,調用變頻器設定模塊。

(4)變頻器設定模塊,是接受由模擬量輸入模塊(EM231)接受速度傳感器轉換而來的信號,與頻率給定值進行比較后再作為輸入信號經D/A轉換成模擬量給變頻器PLC主程序設計,當PLC的主程序開始運行之后,就處于反復的循環執行之中,每一次循環被稱為一次掃描:即對主程序的語句逐條掃描執行。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行初始化程序,然后進行遙信自處理程序,若有通信要求,則進行通信處理,否則結束主程序,完成一次掃描工作[7]。

PLC程序的運行方式為循環掃描式,因此將主要功能模塊設計成主程序,如圖3-3,在每一掃描周期內該主程序均被執行,而壓縮機啟停順序生成模塊則設計成子程序供調用。

圖3-3 主程序流程圖
3.3.3壓縮機啟停順序生成及實現

用常規元件控制的電控箱,壓縮機的啟動順序一般是固定的,也有部分電控箱(進口機組居多)是由一撥動開關人為控制。采用PLC控制后,壓縮機的啟動順序有PLC按壓縮機運行時間的長短自動生成。當機組在第一臺壓縮機啟動前,調用壓縮機的啟停順序生成子程序,得到3臺壓縮機的啟停順序,分別存于開關數據單元。

主程序調用子程序是的參數傳遞采用公用參數的方式傳遞。即主程序及子程序訪問相同的數據區域及其寄存器[5]。

3.3.4參數設置、顯示、保護、報警等功能實現

機組運行的各參數從PLC的輸入端讀取,在每次讀取后通過程序直接寫入PLC的數據寄存器。在開關設置上,將系統的默認值設置成不需要按下任何開關,既方便用戶,也使現場安裝后忘記設置這些開關時,系統可以最佳的狀態運行。

機組設置總運行、故障輸出,壓縮機單機的運行、故障狀態可選項,其輸出可以接也可以不接。當程序檢測到某壓縮機有故障(高低壓保護、過載)時,會對故障自動進行統計,達到設定的故障次數后,將自動停止該臺壓縮機的運行,同時機組輸出故障報警信號[6]。

3.3.5程序設計

程序采用梯形圖的形式,它沿用了繼電器的觸點和線圈等符號,圖形表示易于理解。部分梯形圖程序如下:(完整程序見附錄)

圖3-5  冷卻水系統PID調節程序梯形圖
4監控系統設計
4.1軟件選取
4.1.1
組態軟件的特點

隨著工業自動化水平的迅速提高,計算機在工業領域的廣泛應用,人們對工業自動化的要求越來越高,種類繁多的控制設備和過程監控裝置在工業領域的應用,使得傳統的工業控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發傳統的工業控制軟件時,當工業被控對象一旦有變動,就必須修改其控制系統的源程序,導致其開發周期長;已開發成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低,導致它的價格非常昂貴;在修改工控軟件的源程序時,倘若原來的編程人員因工作變動而離去時,則必須同其他人員或新手進行源程序的修改,因而更是相當困難。通用工業自動化組態軟件的出現為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法,因為它能夠很好地解決傳統工業控制軟件存在的種種問題,使用戶能根據自己的控制對象和控制目的的任意組態,完成最終的自動化控制工程。

4.1.2常見組態軟件的比較

從目前國內組態軟件市場看,是國內組態軟件品牌和國外品牌同時并存的局面。這種局面,應該說在今后相當長的一段時期內還要長期存在。組態軟件市場經過10余年的培育和發展,目前正處在一個蓬勃發展的成長階段,用戶對組態軟件產品接受程度也日益增加。用戶正面臨從產品接受度到品牌接受度的轉變期。隨著市場競爭的加劇和一些先期發展的品牌市場推廣力度的加大,組態軟件市場對新進入者會增加越來越高的門檻。從各家組態軟件市場看,現在主要有以下品牌:

(1)國際品牌:iFix 、Intouch 、WinCC。

(2)國內品牌:組態王、MCGS 、力控、FameView 、世紀星。

從使用方便和性價比的角度來說,選取國內組態軟件還是不錯的。組態王是國內最早、裝機量最多的組態軟件。主要優勢如下:(1)品牌知名度,在許多項目中,往往是國外組態軟件的替代品,而且只要是接觸過組態軟件,基本上都知道組態王;(2)辦事處多,本地化服務能力強;(3)驅動豐富而且一般都比較可靠。可見組態王完全能夠完成本次設計的組態部分。

4.2仿真
本設計監控系統的部分監控仿真圖如下圖所示:

圖4-1 系統運行主界圖

在系統主畫面中,組態了系統所用的的所有設備,并能夠顯示設備狀態。工作人員只需在監控室,就能夠掌握所有設備的運行狀況以及所需要的信息。

圖4-2空調控制系統

結束語

本文闡述了中央空調系統自動化控制和節能設計的基本思路和方法,介紹了交流電動機變頻調速的特點,在中央空調變頻調速中應用了PID算法,對系統的主回路和控制回路的硬件應用進行了詳細介紹,完成硬件和軟件的設計,通過模擬量檢測電路檢測冷凍水和冷卻水的溫度,并經過分析處理后,數據傳輸到顯示器顯示。

本系統采用模塊化設計結構,PLC主模塊及擴展模塊的選擇能滿足系統的需要,輸入、輸出點數留有一定的裕量,以滿足系統擴展的要求。模擬量采集采用PT100和變送器組合,通過EM231與PLC相連,在可靠性,精度方面都能達到要求。由于邏輯功能通過軟件實現,從而減少了大量的中間連線,完善了連鎖保護功能,提高了系統運行的可靠性。因此系統具有開放性好、可擴充能力強、可靠性高、安裝調試方便等優點,具有良好的發展前景。

本課題主要是對空調出口溫度進行檢測,采用變頻器調節中央空調的轉速,使其高效運行,達到節能的目的。將變頻調速技術應用于中央空調系統,并且采用PLC和PID調節對系統進行自動控制,可以大大節約電能,對系統的起動特性和運行特性都有很大的改善。并且頻率下調后,電機避免了長期高速的運行,有效地延長了電機和機組的壽命。

本課題具有較好的實用價值和發展前景,值得進一步的研究和完善。





附錄1  初始化程序梯形圖

附錄2  系統組成原理圖

完整的Word格式文檔51黑下載地址:
基于PLC的醫院中央空調控制系統設計(1).doc (1.62 MB, 下載次數: 59)


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