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基于PLc的中央空调控制系统设计论文 毕业设计题目基于PLC的中央空调控制系统设计基于PLC的中央空调控制系统设计摘要中央空调现已广泛的应用在各大商场办公大厦等场所中传统控制系统中在控制较适宜的温度的同时却消耗了大量的能量如今人们越来越重视中央空调的舒适性和节能性本文重点研究了中央空调冷冻泵机组控制系统为舒适的生活工作环境及有效节能提供了技术条件本文首先介绍了中央空调的结构和工作原理总结了传统中央空调的缺点即冷冻泵冷却泵不能自我调节负载长期处于满负荷运行造成了极大的能源浪费随着变频技术日趋成熟利用变频器PLC数模转换模块温度传感器等器件的有机结合构成温差闭环自动控制系统自动调节水泵的输出流量达到节能目的该系统采用西门子的S7200PLC作为主控制单元利用传统 PID 控制算法通过西门子 MM440 变频器控制水泵运转速度保证系统根据实际负荷的情况调整流量实现恒温控制同时又可以节约大量能源通过对中央空调的理论分析验证了以出回水温差为根据对其进行变流量控制的可靠性对变频控制系统进行了设计为实现温度信号远距离传送设计了基于 USS 协议的RS-485总线通讯的网络通过西门子 TD200 文本显示器实现人机界面的设计最后使用 MCGS 工控组态软件进行了系统的组态设计研究关键词 中央空调PLC变频器PIDRS-485PLC Based Central Air Conditioning Control System DesignAbstractCentral air conditioning has been widely used in major shopping malls office buildings and other places the traditional control system in the control of suitable temperature at the same time it consumes a lot of energynowadays people pay more and more attention to central air conditioning comfort and energy efficiency this paper focuses on the research of central air conditioning refrigeration pump unit control system for comfortable living and working environment and effective energy-saving provide technical conditionsThis paper introduces the structure and working principle of central air conditioning summarizes the traditional central air-conditioning system shortcomings namely refrigeration pump cooling pump can not self regulation in long-term load full load operation causing great waste of energy along with the frequency conversion technology is mature with each passing day the use of frequency converter PLC digital to analog conversion module temperature sensors and other devices the organic combination of form thermoelectric closed-loop automatic control system automatically adjust the pump output flow to achieve the purpose of energy saving The system adopts Siemens S7-200PLC as the main control unit by using the traditional PID control algorithm through the MM440 Siemens inverter control pump speed ensure the system according to the actual load adjusting flow to achieve constant temperature control but also can save a lot of energyThrough the theoretical analysis on the central air conditioning proved to a backwater temperature based on the variable flow control reliability The frequency conversion control system was designed in order to realize the temperature signal remote transmission based on USS protocol the design of RS-485 bus communication network Siemens TD200 text display is realized through the man-machine interface design finally using the MCGS configuration software for system configuration design and researchKeywords Central air conditioning PLC frequency converter PID RS-485目 录摘要IAbstractII第1章 绪论111 课题背景112 中央空调控制的研究现状及发展2121 中央空调控制系统的发展2122 中央空调变流量控制的发展313 本研究课题的主要工作4第2章 中央空调变流量控制的原理521 中央空调系统的结构和原理5211 概述5212 制冷原理5213 中央空调系统的构成522 中央空调变流量控制的原理及特点5221 变流量空调系统概述5222 中央空调变流量控制的实现方式7223 中央空调系统变流量系统的特点923 电机的软启动原理及应用10231 软启动设备介绍10232 软启动器的应用场合10233 软启动器与变频器之间的区别对比1024 PID控制的设计11241 PID控制原理11242 PID控制器的参数整定12243 PID的反馈逻辑12244 PID参数调整原则13245 对空调系统的PID变频控制13246实现设定值的自动调节13247 PID控制器设计及实现1325 本章小结15第3章 中央空调控制系统的硬件设计1631 变频器的原理1632 西门子MM440变频器性能介绍16321 主要特征17322 控制性能的特点17323 保护功能17324 变频器运行的环境条件17325 使用变频器设计系统时需注意的问题1833 PLC选型18331 PLC简介18332 PLC控制功能的选择18333 西门子S7-200PLC介绍20334 模拟量IO模块的种类20335 EM231技术指标21336 EM232技术指标21337 EM231 RTD接线及注意事项2134 PT100温度传感器2135 PT100温度变送器2236 人机界面设计2237 系统硬件2338 本章小结25第4章 控制系统软件设计2641 设备间通讯26411 RS-485介绍26412 USS协议2642 PLC的初始设定2743 PLC主程序流程图2944 PLC编程软件3045 30451 中央空调控制系统的IO分配表30452 程序中使用的存储器及功能3146 中央空调控制系统的MCGS组态32461 MCGS组态软件简介32462 MCGS 62通用版介绍32464 系统脚本程序编写34465 组态运行界面3547 本章小结36结论37致谢38参考文献39附录C40第1章 绪论11 课题背景随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高为了保证温度恒定中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域例如酒店宾馆办公大厦商场工厂厂房等场所随着时间的推移人们对中央空调控制系统运行效果的评价也改变了舒适节能才是最符合人们对中央空调系统提出新的要求希望在能耗更低的情况下保持室内合适的温度湿度统计数字显示传统的中央空调控制系统耗电量极大且存在巨大的能源浪费中央空调系统普遍存在着30以上的无效能耗有些中央空调系统的无效能耗甚至可以高达50以上采用新技术降低系统能耗成为当务之急因为能源是发展国民经济的重要因素我国近年来能源短缺的现实节能减排才是重中之重建设节能型社会促进经济可持续发展是实现全面建设小康社会宏伟目标构建和谐社会的重要基础保障1在传统的设计中中央空调的制冷机组冷冻水循环系统冷却水循环系统冷却塔风机系统风机盘管系统等都是按照建筑物最大负荷制定的且留有充足余量不管在什么时间负荷的多少各电机都长期处在工频状态下全速运行虽然可满足最大的用户负荷但不具备随用户负荷动态调节的功能而在大多数时间里用户负荷是较低的这样就造成很大的能源浪费有个例子可以很好的说明这些中央空调系统中的冷冻水泵和冷却水泵一年四季长期在固定的最大流量下工作但由于季节昼夜和用户负荷的变化在绝大部分时间内空调的实际热负载与决定水泵流量和压力的最大设计负载相比一年中负载率在50以下的小时数约占全部运行时间的60以上一般冷冻水设计温差为57冷却水的设计温差为45在系统流量固定的情况下全年绝大部分运行时间温差仅为13即在低温差大流量情况下工作从而增加了管路系统的能量损失严重浪费了水泵运行的输送能量也就是说中央空调系统存在着至少30以上的节能空间这至少30的节能空间来源于很多方面第一负荷估算值偏大系统消耗能量大大增加现在的新型制冷主机可以根据负载的变化自动加载卸载而水泵的流量却不能随制冷主机而调节必然存在很大的能量浪费除此之外每年的气象条件是随季节呈周期性的变化的系统并不能做出相应的调节许多环节上都留有节能空间第二空调主机选型容量加大在冷负荷估算值加大后空调主机制冷量也相应的加大第三水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量压力冷冻水系统和冷却水系统中消耗了水泵较大的输送能量在传统的运行方式下只要启动水泵就会在工频满负荷状态下运行第四起停频繁对设备长期安全运行带来不利影响起动电流通常为额定值的5倍左右电机在如此大的电流冲击下进行频繁的起停对电机接触器触点产生电弧冲击也会给电网带来一定冲击起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动轴承阀门等造成疲劳损伤为此如果能通过冷冻水供回水温度压差冷却水泵的流量等工艺参数进行调整并对空调设备进行优化起停使空调系统高效节能运行将产生非常明显的经济效果另外根据交流电机的特性要实现连续平滑的速度调节最佳的方法就是采用变频器调速采用变频器进行风机水泵的节能改造不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费而且还会极大提高调节和控制的精度从而方便地实现恒温空调系统2空调节能的目的是有效利用能源以最小的能耗创造出一个适合人居住工作的室内环境空调水系统实现节能运行可以有效地减少空调系统能耗和建筑总能耗提高能源利用率对减少温室气体排放减轻环境污染实现人类社会的可持续发展12 中央空调控制的研究现状及发展121 中央空调控制系统的发展1在单室内机的房间空调器方面变频技术微电脑和电子膨胀阀在空调器上的应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件我国自90年代初开始研究空调器的智能控制现已研制出多种形式的变频空调器或智能空调器对推进我国空调业的进步作出了贡献西安交大朱瑞琪于1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术李家朋针对我国房间空调器普遍采用单相压缩机的现状探索开发出两相变频器并应用电子膨胀阀进行变流量控制利用16位微机并引进模糊概念提高空调器的控制功能为变频空调器国产化作出了大胆的探索李家朋在空调器舒适性和节能运行的控制中提出了用表征房间热负荷大小的热容C和表征房间漏热程度的热阻R进行模糊辩识的方法研究表明用此方法研制的模糊控制空调器会按季节气温漏热情况等条件自动地选择合适的工作模式保证了空调环境的舒适度和制冷系统的节能要求2在多室内机的房间空调器一机多挂系统方面由于多室内机空调器的节能和舒适性控制涉及到必须对系统中的工质循环量和进入各室内机的工质流量加以严格精确地控制问题它不仅与系统的控制有关同时也与系统的设计有着密切的关系在这方面目前国内主要是在研制一拖二和一拖三空调器根据其结构形式和运转特点可分为如下四种方式1 一台定速压缩机对应一台室内机的多制冷系统这种机型在控制上难度最小但结构复杂体积大成本高不能体现一机多挂系统的价格优势和节能优势2 单台定速压缩机多台室内机间歇供冷热系统由于制冷工质按时间交替分配给各室内机所以根本不能满足室内环境的舒适性要求3 单台定速压缩机多台室内机同时供冷热系统这种系统采用定速压缩机降低了空调器成本并能减少压缩机的启停次数较好地实现房间的舒适性控制但并不能从本质上解决压缩机的起停损失和对电网的冲击不能提高空调器的能效比和季节性能比4 单台变频压缩机多台室内机同时供冷热系统通过采用电子膨胀阀调节进入各室内机的工质流量使之满足各室内的冷热负荷要求改变压缩机的运转频率调节制冷系统所需要的工质循环量并采用软硬件相结合的方式调节室内外风扇转速四通阀室内机的风向调节板等可控部件实现室内环境的高舒适性和系统的节能控制随着智能建筑在中国的飞速发展楼宇自动控制技术和装置也得到快速的发展对于楼宇自动控制而言在确保建筑内舒适和安全的办公环境的同时还要实现高效节能目的因此诞生了综合现代计算机技术现代控制技术现代通信技术和现代图形显示技术的集散型控制系统集散型中央空调监控系统在我国的智能建筑中得到广泛应用其自动监视测量控制和管理功能是相当优越的自动化程度高节约了大量的劳动力和运行费用320世纪90年代未至21世纪初我国在中央空调系统的控制领域同时推出两项节能技术和产品中央空调变频调速控制节能系统和中央空调变流量控制节能系统将这两项技术相结合在集散型中央空调监控系统的基础上增加PLC和变频技术并且与智能控制方法相结合将原有的定流量系统改为变流量控制系统从而使中央空调的各泵组和冷却塔风机的运行跟随负荷的变化而同步变化就能够在保证负荷需求的前提下实现中央空调系统的最大节能国内还有一些科研机构和企业的科研团体也都开展了智能空调器的研制工作其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的研究其研究成果还未见公开发表智能型空调器是一个综合技术的聚合体开发难度较大现在的样机或产品在控制模式上控制系统的稳定性和鲁棒性方面相比国际先进技术还存在很大的差距有待于进一步的研究和提高122 中央空调变流量控制的发展空调水系统最重要的目的是为空调系统的各末端装置提供能量的交换如何在满足这个要求的前提下尽可能的节能是首先需要解决的问题冷水系统的设计已经历了大约六七十年的发展并仍在不断地完善在这个发展和完善的过程中总是不断的遇到新问题如冷水温差过小水系统阻力损失过大管网水力不平衡等问题这些问题的不断解决最终推动了变流量技术的发展变流量空调技术的发展与控制技术和水泵变频技术的发展是紧密相联的可以说变流量技术是随着变频技术的出现才逐渐发展起来的4这种技术在美国得到了广泛的研究和应用在变频技术和数字控制技术出现之前通常不考虑负荷的变化冷冻水泵以固定的流量输运冷冻水到环路中这种做法的后果不仅造成了能耗的浪费还导致冷冻水系统的供回水低温差运行从九十年代术期开始随着计算机及电子技术的高速发展变流量技术也得到深入的发展水泵变频驱动器控制器等设备性能的提高大大满足了水系统控制的要求随着变流量技术的成熟在国外应用变流量技术开始成为暖通行业的标准在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行管理控制方法具体控制方法上基本上采用多个回路的PID控制5各种类型的PID控制器因其参数物理意义明确易于调整并且具有一定的鲁棒性因而得到了广泛的应用PID控制器之所以能够在过程控制领域获得广泛地应用是因为在实际的应用中PID控制器的设计可只借助于系统输出等反馈信息进行控制从而减少了控制系统对对象模型的依赖性目前中央空调控制方法有双位ONOFF控制PID控制最优控制模糊控制等方法以PID算法为核心的各种DDC控制系统是目前中央空调工程和设备较普遍的使用方法这种控制方法在工况较稳定的情况下可以得到较好的控制效果13 本研究课题的主要工作本文在分析和综合了PID控制的特点发展趋势以及中央空调控制任务的基础上对中央空调冷冻水机组采用传统PID控制对基于USS通信协议的RS-485总线设计的控制系统进行了研究并进行了组态设计最终设计了中央空调变频节能控制系统研究工作的具体内容如下1对空调系统变频控制进行了理论分析2对变频控制系统进行设计以实现工频变频切换功能3设计了基于RS-485网络的控制系统可将采集的出回水温度等数据信号通过网络送到主控系统实现远距离传送4文中对冷冻水机组的控制系统进行了硬件和软件的设计采用西门子TD200文本显示屏作为人机界面西门子S7-200 PLC作为主控制器用一台变频器结合工频供电的方式灵活的驱动冷冻水机组的三台水泵第2章 中央空调变流量控制的原理21 中央空调系统的结构和原理211 概述空调即空气调节器挂式空调是一种用于给空间区域提供处理空气温度变化的机组它的功能是对该房间或区域内空气的温度湿度洁净度和空气流速等参数进行调节以满足人体舒适或工艺过程的要求中央空调系统是一种大型的对建筑物进行集中空气调节并进行管理的设备一般由空气处理设备送 回 风机送 回 风通道空气分配装置及冷热源等组成根据需要它们能组成不同形式的系统在工程实际中应从建筑物的用途和性质热湿负荷特点空调机房面积和位置初投资和运行维修费用等许多方面去考虑选择合理的空调系统212 制冷原理气态制冷工质如氟利昂经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器与水空气进行等压热交换变成低温高压液态液态工质经干燥过滤器去除水份杂质进入膨胀阀节流减压成为低温低压液态工质在蒸发器内气化液体气化过程要吸收气化潜热而且液体压力不同其饱和温度 沸点 也不同压力越低饱和温度越低例如1kg的水在绝对压力为000087MPa饱和温度为5气化时需要吸收24887KJ热量1kg的氨在1个标准大气压力 010133MPa 下气化时需要吸收136959KJ热量温度可抵达-3333因此只要创造一定的低压条件就可以利用液体的气化获取所要求的低温依此原理气化过程吸取冷冻水的热量使冷冻水温度降低 一般降为7 制冷工质在蒸发器内吸取热量温度升高变成过热蒸气进入压缩机重复循环过程213 中央空调系统的构成中央空调系统包括空调主机风机盘管系统水系统及相应的控制系统空调主机由压缩机蒸发器和冷凝器组成风机盘管系统为房间内的末端水系统出冷冻水循环系统冷却水循环系统组成7典型的中央空调系统的结构如图2-1所示冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者因此对冷冻水和冷却水循环系统的控制是中央空调控制系统的重要组成部分22 中央空调变流量控制的原理及特点221 变流量空调系统概述早前国内的中央空调系统基本上都采用传统的定流量控制方式也就是说只要启动空调主机冷冻水泵冷却水泵和冷却塔风机都在50Hz工频状态下运行定流量控制方式的特征是系统的循环水量保持恒定当负荷发生变化时通过改变供水或回水温度来满足要求定流量供水方式最主要的优点是系统简单不需要复杂的自控设备但这种控制方式存在以下问题1 中央空调系统是一个多参量非线性时变性的复杂系统由于末端负荷的频繁波动必然造成系统的运行参量偏离空调主机的最佳工作状态导致主机热转换效率大大降低系统长期在低效率状态下运行也会增加系统的能源消耗2 无论末端负荷大小如何变化空调系统均在设计的额定状态下运行系统能耗始终处于设计的最大值而由于受多种因素不断变化的影响如季节交替气候昼夜变化使用频率人流量增减等空调负荷的这种不恒定性决定了系统对空调冷量的需求也是一个随机变化的量若不进行系统优化定会造成能源浪费3 在工频状态下启停大功率水泵和风机冲击电流大不利于电网的安全运行且水泵风机等机电设备长期在工额额定状念下高速运行机械磨损严重导致使用寿命缩短和设备故障大幅度增加综上来看定流量控制凸显出来的问题很多变流量系统则是根据实际负荷的大小改变冷冻水流量水泵也可以根据系统实际所需流量自动调节其转速或运行台数从而达到节约水泵能耗的目的7如图2-2所示图2-1 中央空调系统结构图2-2 冷冻水变流量控制系统222 中央空调变流量控制的实现方式中央空调循环水变流量控制系统是将整个中央空调系统从节能高效环保健康安全管理等方面进行全面综合考虑把科学的节能理念和方法与成熟的控制理论技术网络通讯技术检测技术变频技术及其产品进行融合形成了一个完整的节能与管理体系 1变频调速的原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系 21 式中为同步转速单位为rmin为电源频率单位为Hz为磁极对数异步电动机的转速总是小于其同步转速异步电机的实际转速可由下式给出 22 式中n电动机实际转速s异步电动机的转差率由式 22 可知改变参数s中的任意一个就可以改变电动机的转速即对异步电动机进行调速控制因此可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制从某种意义上说变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源在电动机调速时一个重要的因素是希望保持每极磁通量为额定值不变磁通太弱没有充分利用电机的磁心是一种浪费若要增大磁通又会使磁通饱和从而导致过大的励磁电流严重时会因为绕组过热而损坏电机对于直流电机来说励磁系统是独立的所以只要对电枢反应的补偿合适保持磁通量不变是很容易做到的在交流异步电机中磁通是定子和转子合成产生的8三相异步电机定子每相电动势的有效值是 23 式中气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值单位为V定子频率单位为Hz定子每相绕组串联匝数基波绕组系数每极气隙磁通量由式 23 知只要控制好和便可以控制磁通不变需要考虑基频以下和基频以上两种情况1基频下调速即采用恒定的电动势由上式可知要保持磁通量不变但频率从额定值向下调节必须同时降低然而绕组中的感应电动势是很难控制的但电动势较高可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降而认定定子相电压 E则得常数低频时和都较小定子阻抗压降所占的份量都比较显着不能在忽略这时可以人为的把电压抬高一些以便近似的补偿定子压降带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b线无补偿的为a线如图2-3所示图2-3 恒压频比控制特性2基频以上调速在基频以上调速时频率可以从往上增高但电压磁通与频率成反比的降低相当于直流电机弱磁升速的情况把基频以下和基频以上两种情况合起来可得到异步电动机的变频调速控制特性如图2-4所示如果电动机在不同的转速下都具有额定电流则电动机都能长期运行这时转矩基本上随磁通变化在基频以下属于恒转矩调速的调速而在基频以上基本上属于恒功率调速图2-4 异步电动机变频调速控制特性在中央空调水系统中最主要的运行设备是水泵水泵调速运行节电的理论之一是水泵学比例律幽水泵学比例律可知对于同一台水泵当以不同转速运行时水泵的流量Q扬程H轴功率P与转速n有如下关系91213 2-4 由公式 2-4 知流量与转速成正比扬程与转速的平方成正比轴功率与转速的立方成正比由此可见当降低转速时功率的减少量远比流量的减少量大得多因此控制水泵的转速可以有效地控制水泵的消耗功率这就是中央空调系统高效节能的基础通过频率变化来改变电机转速与传统变速方法相比有以下优点启动为软启动减小了启动电流对电网的冲击调速范围广可实现无级平滑调速能做到与直流调速不相上下的程度2变频技术的应用交流变频调速技术是将电力电子自动控制微电子电机学等技术集成的一项高新科技它以其优异的调速性能显著的节能效果以及在国民经济各领域广泛的适用性被国内外公认为是世界上应用最广效率最高最理想的电气传动方案是电气传动的发展方向它为提高产品质量和产量节约能源降低消耗提高企业经济效益提供了重要的新手段223 中央空调系统变流量系统的特点变流量节能控制系统是目前最先进的节能控制技术它与普遍使用的定流量中央空调控制模式相比具有以下技术特点实现中央空调综合性能最优必须针对空调系统的各个环节 包括主机冷冻水泵冷却水泵冷却塔风机等 统一考虑全面控制使全系统协调运行才能实现最佳综合节能变流量控制系统对中央空调的运行进行优化控制实现最佳节能效果实现空调系统负荷的跟随性变流量控制系统突破了传统中央空调冷媒系统的运行方式通过对中央空调运行系统的动态监测和闭环控制将空调主机的定流量运行改为变流量运行实现空调主机冷媒流量跟随末端负荷需求而同步变化在空调系统的任何负荷条件下既能确保中央空调系统的舒适性又实现最大的节能空调主机始终保持高的热转换效率众所周知随着中央空调系统负荷的变化必将导致整个空调系统运行参数偏离空调主机的最佳设计参数导致主机热转换效率降低这一直是传统中央空调运行方式无法解决的一大难题变流量控制系统的一个基本思想就是按照中央空调主机所要求的最佳运行参数去控制中央空调系统的运行根据系统的运行工况及制冷剂工质参数的变化通过PID控制调节确保空调主机始终处于优化的最佳工作点上使主机始终保持较高的热转换效率有效地解决了传统中央空调系统在低负荷状态下热转换效率下降的难题提高了系统的能源利用率10随着变频器技术的成熟及其价格的大幅下降越来越多的设计师开始认识到在空调水系统中应用变频器改变水泵转速所带来的巨大效益这里说到了软启动方式下面来介绍下23 电机的软启动原理及应用231 软启动设备介绍电压由零慢慢提升到额定电压使电机启动的全过程都不存在冲击转矩而是平滑的启动运行这就是软启动电机的软启动可以通过软启动器或者变频器来实现软起动器是一种集软停车轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置国外称为SoftStarter它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路运用不同的方法控制三相反并联闸管的导通角使被控电机的输入电压按不同的要求而变化就可实现不同的功能变频器Variable-frequency DriveVFD是应用变频技术与微电子技术通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备变频器主要由整流交流变直流滤波逆变直流变交流制动单元驱动单元检测单元微处理单元等组成通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压进而达到节能调速的目的另外变频器还有很多的保护功能如过流过压过载保护等等随着工业自动化程度的不断提高变频器也得到了非常广泛的应用232 软启动器的应用场合原则上笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用目前的应用范围是交流380V也可660V电机功率从几千瓦到800kW软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载需要软起动与软停车的场合同样对于变负载工况电动机长期处于轻载运行只有短时或瞬间处于重载场合应用软起动器不带旁路接触器则具有轻载节能的效果233 软启动器与变频器之间的区别对比软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品变频器是用于需要调速的地方其输出不但改变电压而且同时改变频率软起动器实际上是个调压器用于电机起动时输出只改变电压并没有改变频率变频器具备所有软起动器功能但它的价格比软起动器贵得多结构也复杂得多软启动器是通过星三角转换来降低启动电流而变频器是通过改变频率来调节电机的转速的能降低能耗变频器也有软启动功能是通过改变电源频率实现软启动器只能通过晶闸管调压实现电机软启动软停车但不具备调速功能变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电机控制调速装置通过变频控制电机运行是真正的高效调速方式效率很高变频器能够实现真正的软启动软停止和高效调速两者可以配合使用大中型供水设备中常由变频器带动一台泵变速运行由一台软启动器完成其余各泵开停操作变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡运行中变频与工频可实现平稳切换24 PID控制的设计在生产过程自动控制的发展历程中PID控制是历史最久生命力最强的基本控制方式在本世纪40年代以前除在最简单的情况下可采用开关控制外它是唯一的控制方式PID控制具有很多优点111适应性强可以广泛的应用于各种行业2算法简单使用方便容易通过简单的硬件和软件方式实现由于其有这些优点PID控制直到现在仍然是应用最广泛的基本控制方式之一温度是一个普通而又重要的物理量在许多领域里人们需对温度进行测量和控制长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究产生了大批温度控制器如性能成熟应用广泛的PID调节器智能控制PID调节器自适应控制等241 PID控制原理PID在温度控制中已使用数十年是一种成熟的技术它具有结构简单易于理解和实现且一些高级控制都是以PID为基础改进的在工业过程控制中40以上的控制系统回路具有PID结构在目前的温度控制领域应用十分广泛PID调节器又称为比例积分微分调节器它具有比例积分微分三种调节可见温度PID调节器有三个可设定参数即比例放大系数积分时间常数微分时间常数对一个控制系统而言合理地设置这三个参数可取得较好的控制效果图2- PID控制系统原理图PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下1比例增益P比例增益 P就是用来设置差值信号的放大系数的任何一种变频器的参数P 都给出一个可设置的数值范围一般在初次调试时P可按中间偏大值预置或者暂时默认出厂值待设备运转时再按实际情况细调比例增益部分用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量能够快速反应系统输出偏差的变化情况由经典控制理论可知比例环节不能彻底消除系统偏差系统偏差随比例系数的增大而减少但比例系数过大将导致系统不稳定2积分时间I如上所述比例增益P越大调节灵敏度越高但由于传动系统和控制电路都有惯性调节结果达到最佳值时不能立即停止导致超调然后反过来调整再次超调形成振荡为此引入积分环节I其效果是使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大 或减小 从而减缓其变化速度防止振荡但积分时间I太长又会当反馈信号急剧变化时被控物理量难以迅速恢复因此I的取值与拖动系统的时间常数有关拖动系统的时间常数较小时积分时间应短些拖动系统的时间常数较大时积分时间应长些3微分时间D微分时间D是根据差值信号变化的速率提前给出一个相应的调节动作从而缩短了调节时间克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷D的取值也与拖动系统的时间常数有关拖动系统的时间常数较小时微分时间应短些反之拖动系统的时间常数较大时微分时间应长些由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点如果使用不当会使系统不稳定242 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心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PID控制器参数整定的方法很多概括起来有两大类一是理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型经过理论计算确定控制器参数这种方法所得到的计算数据未必可以直接用还必须通过工程实际进行调整和修改二是工程整定方法它主要依赖工程经验直接在控制系统的试验中进行且方法简单易于掌握在工程实际中被广泛采用PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法反应曲线法和衰减法两种方法各有其特点其共同点都是通过试验然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善现在一般采用的是临界比例法利用该方法进行 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这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243 PID的反馈逻辑所谓反馈逻辑是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性例如中央空调系统中用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速冬天制热时如果回水温度偏低反馈信号减小说明房间温度低要求提高变频器输出频率和电机转速加大热水的流量而夏天制冷时如果回水温度偏低反馈信号减小说明房间温度过低可以降低变频器的输出频率和电机转速减少冷水的流量由上可见同样是温度偏低反馈信号减小但要求变频器的频率变化方向却是相反的这就是引入反馈逻辑的原由244 PID参数调整原则各参数的预置是相辅相成的运行现场应根据实际情况进行如下细调被控物理量在目标值附近振荡首先加大积分时间I如仍有振荡可适当减小比例增益P被控物理量在发生变化后难以恢复首先加大比例增益P如果恢复仍较缓慢可适当减小积分时间I还可加大微分时间D245 对空调系统的PID变频控制在近几年对中央空调系统的变频控制中多采用PI或PID来实现出回水定温差或定压差的水泵频率控制对冷冻水控制通过检测制冷主机蒸发器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度将其温差与设定值比对通过PLC的PID控制功能或PID控制器调节冷冻泵变频器的频率值最终使温差值保持在设定值14对冷冻水控制通过检测制冷主机冷凝器的进水口处的回水温度和出水口处的出水温度通过PLC的PID控制功能调节冷却泵变频器的频率值最终使温度值保持在设定值附近其比例积分系数凭经验设定有很大的差异室温等因素也会产生较大的影响即使空调系统的水泵风机等以同样转速等情况运行其实际出回水温差也变化很大因此随环境因素实时的修改设置参数可更加节能通过建立温度查询表并通过人机界面输入到PLC存储器中可实现自动控制温度设置如下表表2-1 温度值查询表室温19以下1923232626以上设定值8765247 PID控制器设计及实现西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215CPU216开始增加了用于闭环控制的PID指令西门予公司的S7-200系列的PLC都有配套的STEP7-MicroWIN32编程软件该软件可以在PC机上运行为用户开发编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境STEP7-MicroWIN32提供了PID指令向导指导使用者定义