基于PLC中央空调的控制系统设计_开题报告

（一）国内研究现状

随着人们生活水平的不断提高，智能大厦的不断涌现，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为21世纪建筑业的发展主流。所谓智能建筑就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系统和“聪明”的头脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活条件。而中央空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个行业各个部门中得到了广泛的应用。一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和处理，使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满足人们的生产、生活需要；另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60%以上，空调系统要以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率”的要求。

中央空调系统是楼宇控制系统监控的重点，往往占总监控点的60%以上，其投资超过水电等其余监控系统的总和。中央空调系统管路复杂，运行工况多变，是建筑物能耗大户，一般耗电占建筑物总用电量的40%以上。

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。本系统在空调自控中应用PLC控制技术。不但用逻辑编程取代硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备，既可编程序控制器。可编程控制器（PLC）具有编程方便，维修简单，体积小，可靠性高等一系列的优点，它在工业控制方面的作用越来越大 ，是一个理想的控制装置。在空调技术中应用PLC控制适应空调技术的发展趋势。

良好的控制器的设计和控制参数的调节有赖于系统的数学模型，所以近年来国内外学者都热衷于建立空调系统的模型。

国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在1999年通过分析空调系统各个环节的热力学特性，用RC模型代替空调系统各个环节的模型，此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在2002年通过对空调房间的热力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。随着控制系统的发展，人们开始关注基于现代智能控制理论的各环节模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。同济大学孟华老师在2004年从热力学和传热传质的基本原理出发，以TANSYS为仿真平台，建立了表冷器的数学模型。

国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用，该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因子对系统的影响后，采用了在输入的比例因子后加权因子的方法，优化了控制效果。同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。

（二）国外研究现状

早在1985年美国学者ClarkDR等就已经在ASHRAE上发表文章，建立了送风管道的数学模型。1900年Underwood和Crawford合作，依据非线性控制理论的发展，在大量实验的基础上提出了水加热器的数学模型。同一时期，Maxwell也在实验的基础上获得了冷却器的模型。由于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想对我们研究空调系统很有价值。 

伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC---供热通风与空调工程（Heating Ventilation and Air Conditioning）系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统，直到1984年。美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（Direct Digital Control）。

作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PID控制，因其控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性---系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。1982年Shavit和Brandt等对由控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984年Brandt和Shavit对PID控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上，现在大多数空调系统都是采用PID控制。虽然PID控制在空气调节中广泛使用，但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差，甚至不稳定。再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系，研究者们又转向其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。  

智能控制与传统的PID控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型，同时具有自寻优特点，并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策，通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式，以获取整体最优控制性能。由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985年日本“三菱重工”就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的Albert.P.SO等人于1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。同年，香港的S.Huang和美国的Nelso对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制规则的策略，并分析了控制器的多阶继电器特性。1999年Kasahara等设计了自适应PID控制器，此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。Ghiaus则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊控制来较好的实现，并且可以克服PID控制过程出现的超调。

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。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。

（三）发展趋势

综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理论的发展，智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。目前，中央空调控制方法有双位ON／OFF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

二、^范文提纲

摘要

1文献综述

1.1国内研究现状

1.2国外研究现状

1.3.发展趋势

2中央空调变流控制的原理

2.1中央空调系统的结构和原理

2.1.1概述

2.1.2制冷原理

2.1.3中央空调系统的构成

2.2中央空调变流量控制的原理及特点

2.2.1变流量空调系统概述

2.2.2中央空调变流量控制的实现方式

2.2.3中央空调系统变流量系统的特点

2.3电机的软启动原理及应用

2.3.1软启动设备介绍

2.3.2软启动器的应用场合

2.3.3软启动器与变频器之间的区别对比

2.4 PID控制的设计

2.4.1PID控制原理

2.4.2PID控制器的参数整定

2.4.3PID的反馈逻辑

2.4.4P、I、D参数调整原则

2.4.5对空调系统的PID变频控制

2.4.6实现设定值的自动调节

2.4.7PID控制器设计及实现

2.5本章小结

3中央空调控制系统的硬件设计

3.1变频器的原理

3.2西门子MM440变频器性能介绍

3.2.1主要特征

3.2.2控制性能的特点

3.2.3保护功能

3.2.4变频器运行的环境条件

3.2.5使用变频器设计系统时需注意的问题

3.3PLC选型

3.3.1PLC简介

3.3.2PLC控制功能的选择

3.3.3西门子S7-200PLC介绍

3.3.4模拟量I/O模块的种类

3.3.5EM231技术指标

3.3.6EM232技术指标

3.3.7EM231 RTD接线及注意事项

3.4 PT100温度传感器

3.5 PT100温度变送器

3.6 人机界面设计

3.7 系统硬件设计

3.8 本章小结

4控制系统软件设计

4.1 设备间通讯

4.1.1 RS-485介绍

4.1.2 USS协议

4.2 PLC的初始设定

4.3 PLC主程序流程图

4.4 PLC编程软件

4.5 程序设计

4.5.1 中央空调控制系统的I/O分配表

4.5.2 程序中使用的存储器及功能

4.6 中央空调控制系统的MCGS组态

4.6.1 MCGS组态软件简介

4.6.2 MCGS 6.2通用版介绍

4.6.4 系统脚本程序编写

4.6.5 组态运行界面

4.7 本章小结

参考文献

三、参考文献

李怿峰．《中央空调节能智能控制系统的研究与实现》．华南理工大学硕士   ^范文，2002：42—52

赵彬．《中央空调变频节能的应用及展望》．厦门大学学报：2000，20(1)：25—42

陈鑫．《模糊控制技术在空调监控系统中的应用》，2004：50—56

潘金文，江琼珍．《变频控制技术在中央空调水泵系统中的应用》．大连理工大学学报：2003，35(2)： 53—55

张卫政．《基于模糊控制的风机盘管空调系统应用研究》，广东工业大学硕士^范文，2005：70—81

梁春生，智勇．《中央空调变流量控制节能技术》．电子工业出版社，2005：70—72

韩宝琦，李树林．《制冷空调原理及应用》．机械工业出版社，2006：60—64

纪文英，刘泽华．《中央空调系统水泵变频运行性能的实验研究和节能分析》．吉林大学学报，2004，25(1)：89—98

Rob moult．Fundamentals of DDC，ASHRAE J，2000，(4)：34—52

刘素芹．《PID与模糊控制算法的比较及其改进》，石油大学学报， 2003，30(1)：45—52

Michel．A．Bemier,Bernard Bourret．Pumping energy and variable frequency drives．December 1999：20—21

X．Huang，Ｍ．Ｌ．Yong　，Ｍ．Ｌ．Qiang．Study on the semi -centralized evaporative cooling air-conditioning system’s automation，Journal of Xi'an University of Technology，2011，28(1)：45—56

《MM440 变频器使用大全》，西门子(中国)有限公司，2005：27—35

《S7-200 SIMATIC 文本显示用户手册》，2007：20—35

何文雪，刘华俊．《PLC编程与应用》．机械工业出版社，2010：258—266

吴作明．《工控组态软件与PLC应用技术》．北京航空航天大学出版社，2007：  1—63