中央空调电气控制系统设计
天津职业技术师范大学
Tianjin University of Technology and Education
毕
专 业:
班级学号:
学生姓名:
指导教师: 设 计 电气技术教育 电气0611-05 付斌 田库 副教授
二〇一一年六月业
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
中央空调电气控制系统设计
Central Air-Conditioning Electrical
Control System Design
专业班级:电气0611
学生姓名:付斌
指导教师:田库 副教授
学 院:自动化与电气工程学院
2011 年 6 月
天津职业技术师范大学2011届本科生毕业设计
摘 要
该设计以纺织车间为设计背景,针对传统中央空调调节方式的局限性,选用西门子PLC S7-200和MM430变频器, 充分利用恒v/f变频技术,实现对中央空调风机转速的控制,以此来为纺织车间设计了中央空调送风系统电气控制线路。
文中详细地介绍了中央空调送风系统电气控制线路的设计和开发过程。该设计主要包括两部分,即硬件的选择和软件的设计,硬件选择主要是对低压电器控制柜、变频器、PLC 及扩展模块等的选择。软件设计主要是为满足中央空调控制要求而编写的PLC 程序及对一些相关变频参数的设置。在此基础上借助变频调速技术,让风机在一定范围内平滑调速,进而使系统由局部送风来满足织机的湿度要求,而整个车间则按照舒适性空调的要求进行全面送风。由于对电机实现了软起动,大大降低了起动电流,避免了对电机和电网的冲击。同时系统还设计了报警和保护功能,使中央空调在发生异常时,能够自动报警和停机保护。
关键词:中央空调;PLC ;变频调速技术
Abstract
The design background of textile design workshop,The traditional way of the limitations of central air conditioning,Use Siemens PLC S7-200 and MM430 Inverter,Full use of constant v / f frequency technology,Fan speed to achieve control of central air conditioning,Textile workshop in order to design a central air conditioning system electrical control circuit.
Introduced in detail the central air conditioning system electrical control circuit design and development process.The design includes two parts,That the choice of hardware and software design,Hardware choices of the low-voltage electrical control cabinet, inverter, PLC, and the choice of expansion modules, etc..Software designed primarily to meet the requirements of the central air-conditioning control program written in PLC and frequency conversion of some related parameter settings.On this basis, with frequency conversion technology,So smooth fan speed within a certain range,Then the system by the local air supply to meet humidity requirements loom,The entire plant in accordance with the requirements of comfort air conditioning full blast..Achieved due to soft start the motor,Greatly reduce the starting current,Avoid the impact of the motor and power grid.At the same time the system is also designed to alarm and protection,The central air conditioning when an exception occurs,Automatically alarm and shutdown protection.
Keywords: central air conditioning; PLC; frequency control technology
目 录
1 引 言 ............................................................. 1
1.1 课题的选题背景及意义 . ............................................... 1
1.2 课题的主要研究内容 . ................................................. 1
2 中央空调送风系统整体方案设计 ......................................... 3
2.1系统整体设计思想 .................................................... 3
2.2 系统控制方案的设计与选择 . ........................................... 4
2.3 系统设计内容 . ....................................................... 5
3 系统硬件设计 ......................................................... 6
3.1系统组成及各部分的分析选择 .......................................... 6
3.2 系统电气控制原理图 . ................................................. 7
3.3 PLC 外围接线图 ..................................................... 10
3.4 控制系统的I/O地址分配 . ............................................ 10
3.5 系统外围接线图 . .................................................... 12
4 系统软件设计与调试 ................................................. 13
4.1 系统工作过程分析 . .................................................. 13
4.2 PLC 程序设计 ....................................................... 13
4.3 MM430参数设置 ..................................................... 22
4.4 系统调试 . .......................................................... 24
5 系统模拟实验 ........................................................ 27
5.1 模拟实验台的硬件组成 . .............................................. 27
5.2 模拟实验软件设计 . .................................................. 27
5.3 系统模拟实验过程 . .................................................. 30
5.4 实验小结 . .......................................................... 30
结 论 .............................................................. 31
参考文献 .............................................................. 32
致 谢 .............................................................. 33
1 引 言
随着现代工业的不断发展,生产技术的不断进步,对于产品的精度要求也不断提高,生产工艺对车间内温度、湿度、风速、洁净度等参数的要求更是越来越高,因此对恒温恒湿中央空调的使用要求也就越来越高。改革开放和经济的迅猛发展,也加速了我国空调产业的发展,这为各种高精度空调工程的实现提供了有力的保证。
空气调节应用于工业及科学实验的过程一般称为工艺性空调,在各行各业中,为保证生产的质量和精度,对生产的环境温度、相对湿度和清洁度等参数提出了不同的要求,其中恒温恒湿中央空调是最常见的一种。
1.1 课题的选题背景及意义
纺织工业中的棉纺织工业、人造纤维工业、合成纤维工业等都对环境有一定的恒温恒湿要求,棉纤维具有吸湿和放湿性能,对空气湿度较敏感,棉纤维的含湿量直接影响纤维度,也影响纤维之间和纤维与机械之间相互摩擦的静电大小,对纺织工艺和产品质量关系密切。
随着无梭织机在我国数量的不断增加,转速超过1000 rpm 的织机比比皆是,运转速度和电机功率都大幅增加,纺织车间内的发热量也随之加大,生产过程中产生的大量飞花和粉尘,严重影响了车间生产,这对纺织车间的空调系统也提出了更高的要求。由于在纺织车间中同时存在着工人和织机,在空调系统中就必然要综合考虑舒适性和工艺性。纺织过程要求的湿度较高,这么高的湿度对工人的工作环境极为不利,而舒适性空调所要求的湿度显然又无法满足织机生产的需要,于是考虑使用局部送风方式。该方式由局部送风来满足织机的湿度要求,而整个车间则按照舒适性空调的要求进行全面送风。针对这两方面的要求,设计出了这一新的送风方式和控制系统,即PLC 控制的恒压送风系统。恒压送风包括局部送风的恒压控制和全面送风的恒压控制。恒压送风保证了车间送风的质量,同时以PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能,提高了系统的可靠性。
1.2 课题的主要研究内容
变频恒压送风系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面、各种传感器等组成。鉴于变频调速恒压送风系统在我国已成为空调行业发展的主流趋势。该系统参考了各类供给设备并结合该设计的特点,采用性能可靠的西门子S7-200系列PLC 作为控制核心,在此基础上,系统加入变频调速技术,使电机在很宽范围内平滑调速,这样去掉了大量节流阀,避免了节流损耗,从而通过改变电机转速而改变风量。
采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。电机的变频调速系统是由
PLC 控制器进行切换和控制的。该系统对电机实现了软起动,大大降低了起动电流,避免了对电机和电网的冲击。另外系统具备报警和保护功能,当系统发生异常时,能够自动报警和停机保护。
为满足纺织车间送风要求,降低送风能耗,实现自动、可靠、稳定的送风,需要采用变频恒压送风技术,并辅以计算机来进行远程监控、管理及故障报警。因此,课题内容如下:
(1) 研究并完成利用PLC 、变频器和多台风机等主要设备构建变频调速恒压送风系统的方案设计与设备选型。为提高变频器的使用效率,减少设备投资,采用一台变频器拖动多台风机变频运行的方案。
(2) 深入分析变频恒压送风系统的工况变化过程,确定工况转换方式,完成PLC 控制程序的设计,保证风机工频、变频的可靠、安全切换。
(3) 研究 PLC和计算机的通信模式,确定通信协议,实现送风系统的远程监控、管理与报警。
(4) 加强系统的可靠性设计,提高系统的冗余度,设计手动、自动、工频、变频运行方式。通过该项目的研究和实施可以极大地改善纺织车间中央空调的可靠性和稳定性,而且可以降低能耗及维护成本,方便管理。
2 中央空调送风系统整体方案设计
2.1系统整体设计思想
该设计以纺织车间为设计背景,纺织车间空气调节的作用大体可分为二个:其一、满足纺织生产工艺所适合的温度、湿度条件;其二、保证生产工人拥有一个良好、健康的工作环境,这两点具有同等的重要性。为了保证整个车间的温、湿度控制质量,首先需要一个总控开关按照一定控制要求来启动和关闭中央空调系统,利用中央空调系统内部安装的传感器,随时检测车间和织机的温、湿度状况,而后将信号送给控制机构,控制的对象就是几台风机,风机启动之后,通过一个阀门根据需要来决定给车间或织机送风,也就是使系统由局部送风来满足织机的湿度要求,或使整个车间按照舒适性空调的要求进行全面送风,同时根据需风量的大小,利用变频技术使局部送风在恒压状态下进行。在用风量小的情况下,如果一台风机连续运行超过一定工作时间,则按照控制要求自动切换到下一台风机,即系统具有“风机转换功能”,避免因一台风机工作时间过长,降低生产效率和影响风机工作寿命。同时,系统启动时采用软启动来提高系统性能,在应急或检修时,系统配备手动控制功能,最后,为了保证系统安全、顺利的工作,还需设置完善的报警功能。
基于以上的设计思想,中央空调恒压送风系统原理图如图2-1所示。
总控
图2-1 中央空调恒压送风系统原理图
在该系统设计中,采用了1#、2#、3#三台风机,首先由总控来控制电磁阀YV1, 根据需求启动和关闭中央空调, 平时电磁阀YV2处于失电状态,也就是关闭局部送风阀。中央空调的局部送风或全面送风,由传感器将检测到的信号(采用人工模拟实现)直接送给控制机构,来选择正确的送风方式。局部送风和全面送风共用1#、2#、3#三台风机,一般情况下,三台风机根据全面送风的需求多少,利用变频器按一定的控
制逻辑运行,使全面送风在恒压状态下进行。此时处在运行中的织机,当传感器检测到其湿度不足时,电磁阀YV2得电,此时关闭全面送风阀,打开局部送风阀,1#、2#、3#风机开始提供局部送风,以此来满足织机的湿度需求,并根据需风量的大小,利用变频器使局部送风也在恒压状态下进行。系统经过一段时间的工作,织机湿度合适后,三台风机再次转换为全面送风使用。
2.2 系统控制方案的设计与选择
长时间以来,自动控制系统存在着多种控制方式,比如继电接触器控制方式、逻辑电子电路控制方式、单片机控制方式、可编程序控制器(PLC)控制方式等四种主要的控制方式。其特点分别如下:
(1)继电接触器控制的特点
该控制电路硬件接线多,体积大,连线复杂,修改困难。触点开、闭速度为几十毫秒,难以实现对控制执行速度要求高的场合,而且容易出现触点抖动。时间继电器在限时控制方面,精度不高,易受环境影响。系统设计、施工、调试周期长,可靠性与可维护性差,寿命短。因价格低廉,该系统可用于要求不高的控制场合。
(2)逻辑电子电路控制的特点
该控制电路往往采用一台电机固定于变频状态,其余电机均为工频状态的方式,难以实现电机机组全部软启动、全流量变频调节,控制精度较低,工频启动时有冲击,抗干扰能力较弱。
(3)单片机控制的特点
尽管单片机控制优于逻辑控制,但在对不同管网调试麻烦,扩展功能时往往要对主电路进行修改,不够灵活方便。
(4)可编程序控制器控制的特点
PLC (Programmable Logic Controller)是一种面向生产过程控制的数字电子装置,它使用了可编程序的存贮器以存贮指令,用以执行诸如逻辑、顺序、定时、计数及算术运算等功能,并通过数字或模拟的输入、输出接口控制机械或生产过程。这种控制电路跟踪快、控制精度高、抗干扰能力强、扩展功能灵活方便,可实现恒压 (或变压) 全流量变频调节,具有稳定性好、高效节能、调试方便等显著优点。
鉴于以上四种方案的特点比较,故该设计采用可编程序控制器控制方式。在硬件设计上,只需确定PLC 的硬件配置和I/O的外部接线,不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。当控制要求改变,需要变更控制系统的功能时,只要改变存贮器中的控制程序即可。PLC 的输入、输出可直接与交流220V 、直流24V 等强电相连,并有较强的带载能力, PLC 抗干扰能力强、可靠性高。在PLC 的电源电路和 I/O接口中,还设置了多种滤波电路,以抑制高频干扰信号。软件上,PLC 设置
了故障检测及自诊断程序,用来检测系统硬件是否正常,程序是否正确,便于自动地做出相应的处理,如报警、封锁输出、保护数据等。通过计算机或编程器可以方便的对PLC 控制程序进行写入、读出、检测、修改等; 还可对PLC 的工作进行监控,使PLC 的操作及维护变得容易。PLC 还具有很强的自诊断能力,能随时检查出自身的故障,并显示给操作人员,使操作人员能迅速检查、判断故障原因。由于用软件编程取代了继电器硬接线,实现控制,使得工作量大为减少,缩短了施工周期。
该系统主要的设计任务就是利用恒压控制单元使一台变频器同时控制多台风机,或者循环控制多台风机,实现送风的恒定和风机的软起动,以及风机的工频与变频的切换,同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求,结合系统的使用场所,该设计决定采用“PLC+变频器+传感器”的核心控制模式。
该控制方式灵活方便,具有良好的通信接口,可以方便地与其他的系统进行数据交换,而且由于PLC 产品的系列化和模块化,所以可灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。同时由于PLC 的抗干扰能力强、可靠性高,因此该系统能适用于各类不同要求的恒压送风场合,并且与送风机组的容量大小无关。该控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点,又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.3 系统设计内容
由上一节选择、设计的系统方案,可以看出该设计实质上就是PLC 与变频器及传感器的一个应用系统,所以系统的设计主要包括硬件设计、软件设计两部分,具体设计内容有:
(1)硬件设计
要进行硬件的设计,首先要正确选取硬件的组成部分,硬件选择主要是对变频器、风机机组、传感器、控制柜及操作台、PLC 及扩展模块的选择。由于该系统应用了PLC, 这里需要对控制系统的I/O及地址分配做一定的工作,除此之外,系统还对主电路、控制电路及变频调速电路作了具体的设计。
(2)软件设计
应用软件是根据指令系统及系统功能的要求进行的,因此,选择的指令系统,其功能好坏对应用系统软件设计影响很大。该系统软件设计,主要是为配合硬件控制要求编写的PLC 程序及一些相关变频参数的设置。当接下来调试系统时,也主要是对系统中的PLC 程序及变频器关键参数进行一番调试。
为了直观的体现该系统的方案设计,和进一步检验设计的正确性,系统借助自动化系MM430变频器实验室已有的控制设备,从实际应用的角度,在正确连接控制线路的基础上,通过PLC 编程和MM430参数设置,简单的模拟了一下该系统基本的主要控制功能。
3 系统硬件设计
3.1系统组成及各部分的分析选择
3.1.1 系统组成
系统所需的主要硬件有: 软启动器、变频器、风机机组、传感器、PLC 及扩展模块、控制柜及操作台等。其组成框图如图3-1所示。
图3-1 系统硬件组成
3.1.2 系统各部分的分析选择
(1)PLC
PLC 是整个变频恒压送风控制系统的核心,它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。
西门子S7-200 PLC 系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架由丰富的CPU 模块和扩展模块组成,它能够满足各种设备的自动化控制需求。S7-200 除具有PLC 基本的控制功能外, 更在以下方面有独到之处: ①功能强大的指令集。 ②丰富而强大的通讯功能。③编程软件的易用性。
CPU 226,24点输入,16点输出,DC24V ,集成了以下丰富的内置功能:①高速记速器输入 ②短暂脉冲捕捉功能 ③高速脉冲输出 ④I/O硬件中断事件 ⑤PID 控制,PID 自整定功能 ⑥支持多种工艺配方 ⑦数据记录(归档)。
选择PLC 时,考虑到了西门子PLC S7-200的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件方便等多方面因素。所以, 系统选用了西门子PLC S7-200作为中央空调送风系统的程序控制平台。
(2)变频器和风机机组
变频器和风机机组作为系统的执行机构,完成系统对外的送风量输送。风机是输出环节,变频器是对风机进行转速控制的单元,变频器根据传感器送来的控制信号改
变风机的运行频率,从而完成对风机的转速控制。
MM430为水泵和风机的专用型变频器,功率为7.5kw ~250kw ,三相交流电源(380v ~480v ),内置PID 控制器,具有6个数字输入,2个模拟输入,1个用于电动机过热保护的PTC/KTV输入;2个模拟输出,3个继电器输出,是 S7-200自动化系统的理想配套设备;从7.5kw 至250kw 的变频器都具有统一的控制方法和I/O界面。
MM430调速系统的电机使用了专用于变频调速的进口西门子三相异步电动机,250kW ,4极380V 进线。 (3)传感器
传感器直接对系统中的各种信号进行采集,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和接触器对执行机构 (即风机) 进行控制。该设计主要是将织机湿度信号变成模拟量信号。
在运行过程中,当传感器出现故障时,系统有可能开启所有的风机,而此时的用风量又达不到,出现这样的情况时,关闭所有风机并进行报警。 (4)软启动器
当系统采用手动或变频固定方式运行时,如果电机的功率较大,不允许直接启动时,需采用软启动器进行降压启动。在选择软启动器时,注意了与电机的额定功率、额定电流相匹配。当系统的自动部分出现问题时,而此时的送风又不能中断, 因此手动启动是系统不可缺少的组成部分。 (5)控制柜及操作台
控制柜内装有空气开关、交流接触器、快速熔断器、三相进线电抗器、MM430变频器、出线电抗器、S7—200PLC 等主器件,柜门装有运行指示灯、显示仪表等。操作台上需装有各种指示灯、按钮、电压表,电流表,频率显示仪表等,便于观察和记录。计算机内安装MM430变频器调试软件和S7—200PLC 编程软件。 (6)报警装置
作为一个控制系统,报警是必不可少的重要组成部分。由于该系统能适用于不同的送风领域,所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行,防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动等故障,因此系统必须要对各种报警量进行监测,由PLC 判断报警类别,进行显示和保护动作控制,以免造成不必要的损失。
以上就是对系统所需设备的简单分析及选择,这项工作正确合理与否关系着整个系统的工作性能和状态。
3.2 系统电气控制原理图
3.2.1 系统主电路图
图3-2所示为电气控制系统主电路图。三台风机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、
KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行;接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行;FR1、FR2、FR3分别为三台风机过载保护用的热继电器;QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台风机主电路的隔离开关;FU1为主电路的熔断器,VVVF 为西门子MM430变频器。
在QS1、QS2、QS3、QS4隔离开关闭合的情况下,若KM1得电吸合,风机M1起动,执行全面送风,当需局部送风,变频运行时,KM2得电闭合,同时断开KM1,风机M1执行变频调速的局部送风。同理,风机M2、M3在系统需要时,按照要求起停。
N 图3-2 系统主电路图
3.2.2 系统控制电路图
图3-3所示为电气控制系统控制电路。图中SA 为手动/自动转换开关,SA 打在1的位置为手动控制状态;打在2的状态为自动控制状态。手动运行时,可用按钮SB1—SB8控制三台风机的启/停和电磁阀YV2的通/断;自动运行时,系统在PLC 程序控制下运行。
图3-3的HL10为自动运行状态电源指示灯,Q1.0—Q1.7为PLC 的输出继电器,旁边的4、6、8等数字为接线编号。
图3-3 系统控制电路图
3.3 PLC外围接线图
选用主机为CPU226(24入/16继电器输出)一台,由于系统需要4个输入端口,12个输出端口,但所选设备西门子PLC 与MM430之间本身占用了16个输入端口,7个输出口,因此这里加上一台扩展模块EM222(8继电器输出) ,再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/AO), 整个PLC 系统的配置如图3-4所示。
PLC 外围接线图,如图3-5所示。当织机湿度不足时,传感器信号SA1被触动,I1.0为1。
图3-4 PLC系统组成
图3-5 PLC 外围接线图
3.4 控制系统的I/O地址分配
控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表3-1和表3-2所示。
表3-1 输入/输出信号的代码及地址编号
表3-2 输入/输出信号的代码及地址编号(续表)
3.5 系统外围接线图
DC0V
图3-6 系统外围接线图
如图3-6所示,控制系统使S7-200 PLC控制MM430变频器, 由变频器直接控制M1、M2、M3三台风机的运行。
4 系统软件设计与调试
应用软件是根据指令系统及系统功能的要求进行的。鉴于该设计的控制方案,系统适时的选用了西门子S7-200PLC 及MM430变频器,配合硬件共同实现系统的各方面工作要求。
西门子S7-200PLC 的编程语言是STEP 7-micro/win32,它是用于S7-200系列PLC 进行编程、调试的全新软件,该软件可以运行于通用微机中,在WINDOWS 环境下进行语言编程。将它通过计算机的串口和一根PC/MPI转接电缆与PLC 的MPI 口相连,即可进行相互间的通信。通过STEP-7micro/win32编程软件,不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程,经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC 的内存中执行,而且在调试运行时,还可以在线监视程序中的各个输入输出或状态点的通断状况,甚至进行在线修改程序中的变量,给调试工作也带来极大的方便。 STEP7-micro/win32软件的一个特点是调试功能很强大,不仅能在线读取数据,而且能在线修改过程数据, 对于调试大型复杂控制程序非常有效。STEP 7-micro/win32软件还附带一些控制程序模块,如PID 调节模块,这些模块可以从主控制程序中直接调用,以便实现不同的功能。STEP 7-micro/win32软件工具包采用模块化的程序设计方法,它采用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。该工具软件包为S7-200 CPU 与其它系统部件 (如触摸屏、变频器) 的使用提供了便利。
4.1 系统工作过程分析
正常情况下,中央空调的风机机组按照程序要求工频运行,给车间全面送风,若传感器检测到织机湿度不足时,启动报警指示,关闭全面送风,开启局部送风,此时启动自动变频运行方式,首先使1#风机变频运行,在1#风机工作过程中,变频器根据送风信号的变化通过PID 调节器调整1#风机的转速来控制风量。若用风量继续增加,变频器输出频率达到上限频率时,仍达不到设定要求,那么同时起动2#风机变频运行,若还达不到设定要求,那么也同时起动3#风机变频运行,这样三台风机共同变频送风,直至满足织机湿度要求,报警指示消失,同时系统再次起动全面送风,工频运行,循环工作。当用风量较小的时候,系统按照“先起先停”原则逐台关闭处于工频或变频运行的风机。
4.2 PLC程序设计
该系统的程序是建立中央空调恒压送风方案基础上的, 是按照PLC 应用的步骤开发完成的。
程序控制的目的是实现整个送风系统的恒压运行,为此必须控制变频器的频率以及三台风机的顺序投入与切除,以此保证系统的安全性与可靠性。
该程序共分为三部分:主程序、子程序以及中断程序。把逻辑运算及报警处理等放在主程序,系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成,这样可以节省扫描时间。
利用定时器中断功能实现PID 控制的定时采样及输出控制。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容。它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。全面送风时系统设定值为满量程的70%,局部送风时系统设定值为满量程的90%,在该系统中,只是用比例(P )和积分(I)控制,其回路增益和时间常数可通过计算初步确定,但还需要进一步调整以达到最优控制效果。
PID 控制器参数的整定步骤如下:
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作。
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下此时的比例放大系数和临界振荡周期。
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID 控制器的参数。
常规PID 参数整定的理论方法要有对象准确的数学模型,但这对大多数的工业控制系统是难以做到的。因此通常的做法,可以通过实验的方法来整定PID 参数。
该系统的PID 参数整定采用现场实验整定法。
现场实验整定法,是人们在长期的工程实践中,从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析中,总结出来的一种行之有效,并且得到广泛应用的工程整定方法。在现场的应用中,将调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的程序置于某些经验数值后,把系统闭合起来,然后再作给定值扰动,观察系统过渡过程曲线。若曲线不够理想,则改变调节器的δ、Ti 和Td 值,进行反复凑试,以寻求“最佳”的整定参数,直到控制质量符合要求为止,从而确定PID 的参数。
在具体整定时,令PID 调节器的Td=0,Ti=∞,使其成为纯比例调节器。比例度δ按经验数据设置,如表4-1(常用过程控制系统控制器的参数经验范围)。整定纯比例控制系统的比例度,使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程曲线,然后,再加积分作用。在加积分作用之前,应将比例度加大为原来的1.2倍。将积分时间由大到小进行调整,直到系统得到4:1衰减振荡的过渡过程曲线为止。
该系统初步确定的增益和时间常数为: 增益Kc=0.25; 采样时间Ts=0.2s; 积分时间Ti=30min.
表4-1 常用过程控制系统控制器的参数经验范围
程序中使用的PLC 元器件及其功能如表4—2所列
表4—2 程序中使用的元器件及功能
4.2.1 系统运行主程序
系统运行主程序首先要使扩展模块 (通讯模块、A/D模块等) 、变频器等设备与PLC 的数据传输正常。同时在系统运行过程中要及时进行故障检测,以防止设备损坏和意外发生; 当出现故障时,要及时进行报警输出,方便维修人员维修,有利于系统恢复正常工作。无故障情况下,系统自动启动后,进行恒压控制。其参考程序梯形图如图4-1所示。
网络1急停
I0.4
M0.0
网络2变频器合闸
I0.0
Q0.0
网络3变频器启动
I0.2
I0.1
M0.0
Q0.0
I0.3M0.0Q0.1
Q0.1
网络4合闸反馈
I0.5
Q0.2Q0.3
网络5正反转控制
I0.6
Q0.4
网络6故障报警
I0.5
I0.7Q0.5Q0.6
网络 7上电初始化,调初始化子程序
SM0.0
EN
网络 8 局部/全面送风给定值设置
网络 9上电和故障结束时重新激活变频风机号存储器
网络 282号泵变频运行控制逻辑
M0.6
VB300
B 2
Q1.3
M3.0
M0.4
Q1.2
Q1.3
网络 293号泵变频运行控制逻辑
VB300
M3.0
M0.4
Q1.4
Q1.5
B 3
Q1.5
网络 301号泵工频运行控制逻辑
M0.5
VB300
VB301Q1.1
Q1.0
B B 2
0Q1.0
VB301
B B 3
1
网络 312号泵工频运行控制逻辑
M0.5
VB300
VB301Q1.3
Q1.2
B
B 30Q1.0
VB300
VB301B B 1
1
网络 323号泵工频运行控制逻辑
M0.5
VB301
Q1.5
Q1.4
B B 10Q1.2
B B 2
1
网络 33织机的湿度不足时,阀YV2打开
I1.0
Q2.0
网络 34变频器故障指示灯
SM0.5
I1.3
Q2.2
M3.1
I1.5
网络 35织机湿度不足时指示灯
SM0.5
I1.0
Q2.3
M3.2
I1.5
网络 36变频器故障消铃逻辑
I1.3I1.4
M3.1
M3.1
网络 37织机湿度不足消铃逻辑M3.2
图4-1 系统主程序
4.2.2系统运行子程序
系统初始化的一些工作放在初始化子程序程序中完成,这样可节省扫描时间。其梯形图如图4-2所示。
网络 1
初始化子程序
图4-2 系统子程序
4.2.3系统运行中断程序
利用定时器中断功能实现PID 控制的定时采样及输出控制,全面送风时系统设定值为满量程的70%,局部送风时系统设定值为满量程的90%。其梯形图如图4-3所示。
图4-3 系统中断程序
4.3 MM430参数设置
常规中央空调的风机为恒转速,即基本上以额定转速运行。该系统为了配合PLC 使风机变频运行,采用了MM430变频器,MM430为风机专用型变频器, 通过改变电机的转速可降低电耗,改善设备运行。为使该系统风机可靠运行,就要对MM430参数进行精确的设置。 4.3.1 设置参数流程
系统要对变频器进行正确的参数设计,首先要编辑变量符号,输入和编辑程序,编译。在完成编程计算机与CPU 通讯之后,下载程序,对此进行运行和调试。然后合闸操作,最后输入参数。其参数设置流程图如图4-4所示。
图4-4 参数设置流程图
4.3.2 参数设置 (1)恢复工厂设置
为了把所有参数复位到工厂缺省设置值,对下列参数进行以下设定: 设定P0010 = 30;P0970 = 1。 (2)快速调试
用户的参数访问级一般采用标准级,故设P0003=3,要快速调试,P0010=1。为了使变频器的参数设置与所用电机相吻合, 根据风机额定电压380V, 额定电流 15.00A,额定功率250KW, 电机额定频率 50.00HZ,电机额定转速1450r/min,故设:P0304=380V,P0305=15A,P0307=7.5,P0310=50HZ,P0311=1450。
电流、电压、频率、功率都参照了电机上的名牌上额定数据,有效的提高了系统工作的可靠性和稳定性。 (3)运行指令
选择命令源端子,即终端数字输入,设P700=2。当从P0700 = 1变成P0700 = 2时,使所有的数字量输入设定成缺省设置。
(4)正反转指令
风机正向运行使P701=2,反向运行使P702=12。
(5)故障输出
传动装置故障激活时,使P732=52.3。 其详细的参数设置如下: (1)恢复工厂设置
P0010=30 // 调试用的参数
P0970=1 // 复位为工厂设置值 (2)快速调试
P0003=3 // 用户的参数访问级(标准级) P0010=1 // 快速调试
P0304=380V // 电机额定电压 380V
P0305=15A // 电机额定电流 15.00A P0307=250 // 电机额定功率 250KW P0310=50HZ // 电机额定频率 50.00HZ P0311=1450 // 电机额定转速 1450r/min
P3900=2 //“快速调试”结束,进行电动机计算和I/O复位 (3)运行指令
P700=2 //选择命令源端子(终端数字输入)
P701=2 ON/OFF1 //数字输入1的功能(正向运行) (4)正反转指令
P702=12 // 数字输入2的功能(反向运行)
P1110=0 // 禁止负向的频率给定值
(5)故障输出
P732=52.3 // 数字输出2的功能(故障输出)
(6)模拟量输入 P756=0 //ADC 的类型
P757=0 //ADC1 输入特性定标的值x1[V/mA] P758=0 //ADC1 输入特性定标的值y1 P759=10 //ADC输入特性定标的值x2[V/mA] P760=100 //ADC输入特性定标的值y2 P1000=2 //选择模拟给定值1 P1070=755:0 //CI:主给定值 (7)模拟量输出 ① 电流输出
P776.0=0 //DAC类型
P777.0=0 //DAC输入特性定标的值x1 P778.0=0 //DAC输入特性定标的值y1 P779.0=100 //DAC输入特性定标的值x2 P780.0=15 //DAC输入特性定标的值y2 P2002=15 A //基准电流 ② 转速输出
P776.1=0 //DAC类型
P777.1=0 //输出特性定标的值x1 P778.1=0 //输出特性定标的值y1 P779.1=100 //输出特性定标的值x2 P780.1=20 //输出特性定标的值域y2 P2000=50HZ //基准电流 P2264=2878 //CI:PID 反馈 P2270=1 // PID反馈功能选择器 P2200=0 //使能PID 调节器
4.4 系统调试
4.4.1 PLC系统程序调试
PLC系统的程序调试分为以下几个步骤。
(1) 编程器不与PLC 相连,仅在离线状态下,通过使用编程软件中的“文件检查”功能检查程序中是否有重复输出线圈、各种参数值是否超出设定范围及基本语法错误。调试中发现的任何错误均显示相应的错误代码,可查找用户手册确定错误内容并及时修改。
(2) 编程器与PLC 主机在线联络,此时可以检查通信口参数的设置、PLC 和I/O状态设置,还可将各控制功能程序块提出,排除其它程序的干扰,对输入信号和中间接点信号进行状态强制,观察相应的输出接点变化是否满足程序设计的逻辑要求,对程序逻辑进行初步检查。
当在车间对整个PLC 系统进行调试时。首先,待系统上电后,通过观察CPU 模块和各接口模块的指示灯,检查CPU 和总线接口的状态是否正常,系统能否正常运行。同时检查实际PLC 系统与程序设置是否一致,以及系统的通信配置是否满足要求。至此,整个PLC 系统的配置基本确定。
将实验室调试完毕的各控制功能程序块连接起来,并观察编程器及输出模块上是否有相应的顺序输出,以此考查PLC 的编程是否满足逻辑要求。调试时同样应充分考虑各种可能情况,在系统不同的工作方式下,对逻辑图中的每一条支路、各种可能的进入路线都应逐一检查,直至在各种可能情况下,输入与输出之间的关系完全符合逻辑要求。在程序编制时有些计时器设定值较大,为缩短调试时间,程序调试时可将设定值减小,待模拟调试结束后再写入其实际设定值。在设计和模拟调试程序的同时,PLC 之外的其它控制设备(如控制台、继电器等) 的制作、接线工作可同时进行,以缩短生产周期。经调试后,应用程序的整体逻辑功能可认为基本通过。
PLC 装置在现场安装后,要进行联机调试,通过实际操作观测现场设备的运行状态,并根据现场实际情况对所编程序进行修改,使之与现场设备更为紧密地结合在一起,直至整个程控系统良好运行。 4.4.2 MM430关键参数的调试
针对该系统中的主要部件西门子MM430变频器,该节主要阐述了系统调试中的参数调整和故障处理方法。
西门子MM430变频器有上千个参数可以填写或改写。如果参数缺省(即出厂时的设定值) ,只要接线正确即可投入正常运行。但是,选择适当的参数可以提高运行的品质,达到某些必要或特殊的要求。以该系统西门子MM430为例,说明关键参数具体设置过程。
(1) P304-P311数据。P304-P311数据中关键的是电流、电压、频率、功率及控制方式等参数设置,电流、电压、频率、功率都参照了电机上的名牌上额定数据。 (2) 由于风机为单向运行,所以在方向设置时,先设置了正向,待试运行后才作了方向的确定。
(3) P2200-P2810数据。为PID 控制,要求对比例、积分参数及差值的取决对象等参数进行确定。
(4) 我国电动机电源频率为50Hz, 当电流远超过电动机额定电流时,电动机在运
行时会发热,这样运行一段时间变频器将保护停机。众所周知,电动机定子电流不仅与定子绕组电阻有关, 还与其感抗有关,如果提高基底频率设定值,则意味增加了电动机的感抗,这样励磁电流减小。
(5) 加、减速时间选择适当,特别是在运行过程中进行优化调整。由于突然加、减速造成变频器保护动作,所以适当延长加、减速时间,以使加、减速过程尽可能缓和,避免不必要的保护动作,此参数在试运行时采取了先设大,再调小。
(6) 能否超过额定频率运行呢? 通常情况下,达到60Hz 的运行频率应无问题,如继续提升频率对电动机的温升会有一定的影响。超过额定频率运行后,被驱动的机械有被损坏的可能性。变频器本身是不易损坏的,它有自己的保护系统,主要考虑的是电动机和机械部分受损的可能,所以此因素特别重要。
以上就是对变频器调试过程中的关键参数,进行的一些设定过程及处理方法。
5 系统模拟实验
为了直观的体现该系统的方案设计,和进一步检验设计的正确性,系统借助自动化系MM430变频器实验室已有的控制设备,从实际应用的角度,在正确连接控制线路的基础上,通过PLC 编程和MM430参数设置,简单的模拟了一下该系统基本的主要控制功能。
5.1 模拟实验台的硬件组成
(1)硬件部分:控制系统由控制柜、操作台、交流电动机三部分组成。 控制柜内装有空气开关、交流接触器、快速熔断器、三相进线电抗器、MM430变频器、出线电抗器、S7—200PLC 等主器件,柜门装有运行指示灯、显示仪表等。
操作台上装有各种指示灯、按钮、电压表,电流表,频率显示仪表等,便于观察和记录。计算机内安装MM430变频器调试软件和S7—200PLC 编程软件。
(2) 软件部分: 用于传动系统的DriveMonitor_V5.3,用于编程器的西门子STEP 7–Micro/WIN 4.0。
5.2 模拟实验软件设计
5.2.1 PLC编程设计 程序梯形图如图5-2所示。
网络1
I0.4
M0.0
网络2
I0.0Q0.0
网络3
I0.2
I0.3
M0.0
Q0.1
I0.1
M0.0
Q0.0
Q0.1
网络4
I0.5
Q0.2Q0.3
网络5
I0.6
Q0.4
网络6
I0.5
Q0.5Q0.6
网络7
I1.0M3.0Q1.0
M4.0
I1.1
Q1.0
网络8
I1.5
M3.0M4.0
网络9
I1.2
Q1.0
Q1.6
M2.1
Q1.1
T39
网络10
M2.0
I1.2
IN +50TON
M2.0
网络11
T37Q1.4
网络12
M2.1
I1.6
IN +50PT
网络13
T38Q1.6
T39
I1.2
Q1.6
TON
I1.2
T38
Q1.4M2.1
M2.2
网络14
M2.2
I1.2
T39IN TON +50网络15
I0.2Q1.2
I1.2
Q1.0
Q1.2I1.3I1.4
网络16
I1.2
SM0.5
Q0.7
Q1.2Q1.5
Q1.5
Q1.7
图5-2 系统控制程序
5.2.2 MM430基本参数设置
(1)恢复工厂设置
P0010=30 // 调试用的参数
P0970=1 // 复位为工厂设置值 (2)快速调试
P0003=3 // 用户的参数访问级(标准级) P0010=1 // 快速调试
P0304=380V // 电机额定电压 380V
P0305=15A // 电机额定电流 15.00A P0307=250 // 电机额定功率 250KW P0310=50HZ // 电机额定频率 50.00HZ P0311=1450 // 电机额定转速 1450r/min
P3900=2 //“快速调试”结束,进行电动机计算和I/O复位 (3)运行指令
P700=2 //选择命令源端子(终端数字输入)
P701=2 ON/OFF1 //数字输入1的功能(正向运行) (4)正反转指令
P702=12 // 数字输入2的功能(反向运行)
P1110=0 // 禁止负向的频率给定值
(5)故障输出
P732=52.3 // 数字输出2的功能(故障输出)
5.3 系统模拟实验过程
由于实验室不具备反馈控制,以及传感器等设备,有些操作只能人工模拟了。 按下起动按钮I1.0, Q1.0得电,即YV1阀门打开,中央空调起动运行。在正常情况下,由于Q1.0得电,1M 得电起动工频运行,当1M 运行5秒之后停止,2M 起动工频运行,同理,当2M 运行5秒之后停止,3M 起动工频运行,这作为全面送风的一个循环,之后依次运行。但在全面送风时,若传感器检测到织机湿度不足,此时I1.2得电,Q0.7就得电,启动报警指示,同时YV2阀门打开,关闭全面送风,开启局部送风,在I0.2得电的情况下(即在已启动变频器的情况下),1M 起动变频运行,由于局部送风需要能量比较大,时间比较紧迫,若1M 送风量达不到需求,I1.3闭合,同时起动2M 变频运行,若还达不到,I1.4闭合,同时起动3M 变频运行,三台电机共同变频送风,直至满足织机湿度要求,I1.2断开,报警指示消失,系统再度起动全面送风。
5.4 实验小结
通过系统仿真实验,系统的各个组成部分按照设计要求,成功的实现了各个环节的控制要求,有效的验证了系统方案的可行性,和设计过程的正确性。从实际应用的角度,为系统将来的实际应用打下了基础。
结 论
车间中央空调送风系统是制造精密化的一个重要的组成部分。运用新技术来提高空调的使用效率以及提高节能效果对于不必要的能源损耗有着很重大的现实意义。该课题以纺织车间的空调控制为研究对象,对系统设计和分析进行了探讨。这种方法能够对整个车间的温度、湿度进行有效控制,极大地提高了产品质量和空调运行的使用效率。
该设计将变频调速技术应用于中央空调,除了可以大大节约电能以外,对系统的起动特性和运行特性都有很大的改善。由于实现了平滑的无级起动,消除了电流冲击和机械冲击,并且频率下调后,电机和机械避免了长期在高速区运行,有效地延长了电机和机组的寿命。
总结该课题的工作,可以得出以下结论:
(1)充分收集纺织车间中央空调系统技术要求的前提下,确定了影响车间温、湿度变化的环境因子,确立了解决空调系统自动控制的设计方案。 (2)讨论了自动控制及变频技术在空调设计中的具体应用方法。
(3)采用双恒压的送风系统直接给纺织车间局部送风时,系统低恒压值运行,全面送风时系统高恒压值运行,处理好局部送风状态下的低恒压及全面送风状态下的高恒压的情况下,一定程度上,能够满足纺织车间各种状态下的送风。这样不但减小了设备的维护量和管理,在经济上也是很有优势的。
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术、大功率输出技术的迅速发展,交流调速取代直流调速已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。可以预见,在不久的将来,交流变频调速将应用于更广泛的领域,并成为最有发展前途的调速技术之一。
以上就是我在纺织车间中央空调方面的一些体会,由于自身的学识水平有限和撰写论文的时间比较仓促,文中难免出现错误和不当之处,恳请各位评委、老师给予批评指正。在今后的工作中,我将继续努力,不断总结,争取在空调控制领域有更大的发展。
参考文献
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[17]王永华等编著. 现代电气控制及PLC 应用技术. 北京航空航天大学出版
社.2003
[18] SIEMENS MICROMASTER430 7.5kw-250kw使用说明书(版本12/02)
致 谢
该设计是在田库老师的精心指导下完成的,值此文章完成之际,我谨向导师致以最诚挚的谢意和最衷心的感谢!
在设计工作的一开始,田老师就对我的设计思想进行了明确的指引,使得我在设计的起步阶段,就有了明确的设计方向,树立了正确的设计方法。同时田老师为我明确的指出了该设计的重点,尤其在参考资料查阅方面提供了很多具有重要参考价值的资料方面的信息,使我能够很快的温习了电机、PLC 、变频器的有关知识,全力投入到毕业设计中来,达到了事半功倍的效果,使我在设计中避免了许多不必要的人力、物力上的浪费,工作效率大大提高。田老师总是在百忙之中给予我指导,指导了很多自己不能解决的实际问题。而且在田老师的教导和关怀下,我的各方面能力得到了较大的提高,这将为我在今后的工作奠定良好而扎实的基础。我在学业和生活中取得的每一点成绩都浸润着老师的心血和关注。老师严谨的治学态度,敏锐深邃的洞察力,强烈的创新精神,广博的知识和经验,以及平易近人、循循善诱的作风,使我受益终身,并将激励我在今后的人生道路上奋斗不息。
通过该毕业设计,是对我大学五年学习知识的一次综合性考验。在整个设计和制作过程中,我对原有的知识进行了实际的应用,同时对于一些新的知识又进行了深入的学习,使我认识到学习的知识还存在着一定的缺陷和不足。从而使我在毕业设计中得到了锻炼,增强了我的自主学习能力,为今后走向工作岗位奠定了良好的基础。
总之,这次毕业设计是我大学时期的最后一份答卷,但同时也是我人生旅途的一个新的起点。
最后,我再一次向我的导师表示诚挚的感谢!