基于S7-200PLC与变频器的中央空调网络控制系统设计.pdf

I 违 匐 似 基于S 7 ． 2 0 0 P L C 与变频器的中央空调网络控制系统设计 The desi gn of cent r al ai r - con di t i oni ng con t r ol s ys t em bas ed on S7- 2 O0PLC aN d i nv er t er 易铭 YI Mi n g 佛山职业技术学院 机电工程系。佛山 5 2 8 1 3 7 摘要针对中央空调系统的工作特点，本文设计了一种采用P R O F IB U S 总线技术的基于s 7 2 0 0 P L O 与 变频器的网络控制系统 ， 重点分析了控制网络的结构设计，控制系统的组成，探讨了变频器的 参数设置和温度采样程序、系统通讯程序的设计方法，这种先进的空调控制技术，节能明显， 具有较大的推广价值。 关键词中央空调；s 7 2 0 0 P L C； 变频器 ； 程序设计 中图分类号T P2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 2 上 一0 0 7 8 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 2 上 ． 2 5 0 引言 现场总线是一种用于智能化现场设备和 自动 化系统的开放式、数字式、双向串行、多结点的 通信技术，是 自动化技术发展方向的其 中一个热 点。P R OF I B US总线技术是 目前 国际上 通用的现 场总线标准之一 ，具有总线技术的先进特点，特 别是对现场环境具 有很强 的适应性 ，因而应用十 分普遍 _ 】 。 中央空调系统 电能消耗非常大 ，有的 甚至能达到建筑物 总电能消耗 5 0 ％。本文构建 了 一 种基 于 S 7 2 0 0 P L C与变频器的中央空调 网络控 制系统，采用 P R O F I B US总线技术进行网络控制， 技术先进 ，节能效果显著。 1 系统工作原理 系统 主要 由主机 和水循 环系统构成 ，水循环 系统又 包括冷却水循 环 系统和冷 冻水循环 系统。 其典型结构如图 1 所示。 图l 中央空调系统典型结构 首先 ，通过压缩机将从蒸发器流过来的低压制 冷剂蒸汽压缩成为高压蒸汽 ，高压蒸汽随后进入冷 凝器中并与冷却水进行热交换，制冷剂蒸汽释放出 大量的热能，温度下降并逐渐冷凝成高压液体。一 方面这部分高压液态制冷剂在通过热力膨胀阀时 ， 压力迅速下降，成为低压液态制冷剂，同时也伴随 有一部分气化，这种低压气液混合物流入到蒸发器 ， 在蒸发器 中，制冷剂与冷冻水进行充分 的热交换 ， 制冷剂因不断吸收冷冻水的热量开始沸腾气化 ，最 后经过回气管重新回到主机压缩机 ，而从蒸发器流 出的低温低压冷冻水则经由冷冻泵加压进入冷冻水 循环管道，在与室 内空间进行充分的热交换后重新 回到主机蒸发器。另一方面 ，冷凝器中的冷却水吸 收热能后温度升高并且通过冷却泵被压入冷却水塔 中，经过热量交换后通过冷却回水系统被送回到主 机冷凝器。新一轮的制冷循环启动，周而复始。 在整个 中央空调控制 系统 中，中央空调的外 部热交换过程主要通过冷却水和冷冻水两个循环系 统来完成，循环水系统的出水温度与回水温度的差 值，反映了与系统热交换的程度。因此，利用出水 温度与回水温度的差值来控制循环水的流量，从而 控制制冷剂与冷冻水或制冷剂与冷却水 的热交换 的速度，是一种 比较合理的控制方法。通常 中央 空调系统 中水泵 电机的耗电量可以占到总耗电量 的 3 0 ％- 4 0 ％，但水泵 电机不能 自动调节负载，几 乎长期在 1 0 0 ％负载下运行 ，造成 了能量的极大浪 费，节能空间十分巨大。在中央空调 系统设计中引 收稿日期2 0 1 2 - 0 9 - 0 7 作者简介易铭 1 9 7 3 一，女 ，湖南湘乡人，讲师，硕士，主要研究方向为自动控制及机械电子应用。 [ 7 8 1 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 匐 化 入变频技术 ，通过变频器 自动调节水泵转速，控制 热交换速度 ，对中央空调系统进行节能改造是降低 成本 、减少污染、增加效益的一条有效途径。 2 网络控制系统设计 某 中央空调 系统 由于生产设备制冷 的需要使 用 了两 台设备制 冷机组 ，选取 额定 功率为 4 5 k W 的设 备冷冻水 循环 泵两 台，一 台工作 一 台备 用； 另外 由于环 境制 冷 的需 要使 用两 台空调 制冷 机 组，选 取额定功率 5 5 k W 的空调 冷冻水循环泵 三 台，两 台工 作 一 台备 用； 同时 采用 软 启动 方 式 控制 4台井水 泵。控 制 系统核 心 部件 采 用 西 门 子 S 7 2 0 0 P L C，冷 冻水 循 环泵 由 Mi c r o Ma s t e r 4 3 0 MM4 3 0 变频器控制 ，通过 P R OF I B US总线技术 构 建新型的数 字化 和网络 化的新型中央 空调节能 自动化控制 系统 ，由 P L C和变频器配合实现 自动 恒温差控制。其具体控制要求如下 1 按设计要求每次运行两台，一 台备用 ，l O 天轮换一次。 2 出回水温差超出上限温度时 ，一台水泵全 速运 行，另一 台变频运行 ；出回水温差小于下限 温度时 ，一台水泵变频低速运行 ，另一台停机 。 系统采用西门子变频器 MM4 3 0两台，额定功 率 4 5 k w 的一台用于控制设备冷冻水循环泵变频系 统 ，额定功率 5 5 k w 的另一台用于控制空调冷冻水 循环泵变频系统。作为水泵类和风机类的专用变频 器 ，MM4 3 0系列变频器通过内置 的 P I D调节器可 以实现对供水压力的精确控制和系统的动态响应。 选用额定功率 9 O k w 的 S I R J US 3 R W4 0系列一台用 于井水泵的软起动器，选用 T r a n s mi t G 一 2 5 0 8系列的 双路温差控制器来实现对温差设定的控制，经 P I D 处理后获得 的标准模拟信号 电流信号 4～ 2 0 mA， 送至 MM4 3 0变频器 ；选用一个压力变送器 ，用来 实时监测冷冻水管网压力，并将压力数据同步传送 给冷冻水变频器，实现对水流速度的控制。选用四 个温度变送器 ，用来实时监测主机冷凝器出水和回 水处的温度、蒸发器出水处和回水处的温度 ，并将 相应的温度信号传送至 P I D温差控制器进行计算， 系统根据计算 出来的出回水温差 ，自动调节变频器 的工作频率 ，进行 出回水 的恒温差控制，达到空调 系统节能运行的目的 J 。 S 7 2 0 0 P L C通过 P R O F I B US D P总线读取或改 写 MM4 3 0变频器的运行数据 ，实时监控空调循环 水泵变频系统的运行状态 ，实现对循 环水泵 的无 级 自动调速，控制井水泵软起动器 的运行 ，系统 的运转 效率得到 大幅度的提升 。系统整体结构如 图 2所示。 图2 控制 系统 结构 图 3 变频器MM4 3 0 参数设置与控制系 统主要程序设计 3 ． 1变频器M M 4 3 0 参数设置 本系统中，变频器 MM4 3 0通过总线接插件的 方式接入 P R O F I B US D P总线，S 7 2 0 0 P L C利用其 总线访 问权 ，读取或改写 MM4 3 0变频器 的状态 ； P R 0 F I B US - D P和 US S协议 属于主 ／ 从通讯，P L C 作为主站 ，MM4 3 0驱动器作为从站。P R OF I B US ． DP通讯的数据结构可以是 P P O类型 1 或者是 P P O 类型 3 ，也可以按 自己的需要选用 I ／ O数量，P P O 类型实 质上就 是用来发送报文 中的控制字、设定 值 和接 收报文 的状 态字、实 际值等过程数据 ，通 常由主站确定。通讯报文的过程数据区 P Z D主要 用来监测和控制变频器系统 ，参数数据 P KW 主要 用于 P L C读 ／ 写变频器 的参数 【 4 ] 。由于过程数据 处理 总是优先 于参数数据处理 ，从 而保 证了最新 数据 的有效传 送。两 台变频器都是远程控制 ，通 信协议相同，因此两台 MM4 3 0 变频器的通信参数 设置类似，如表 1 所示。 表1 2 台MM4 3 0变频器的通信参数设置 变频器 1 变频器 2 参数 设置 意义 P O 0 0 3 2 P 0 O 0 3 2 访问级 别为扩展级 P 7 0 0 5 P 7 0 0 5 设置远程控制 P 1 0 0 0 5 P l 0 0 0 5 允许 发送主站设定值 P 2 0 l 0 6 P 2 0 1 0 6 数据传输速率波特率为 9 6 0 0 b i t ／ t P 2 0 1 1 1 P 2 0 l l 2 设 置从站变频器地 址 P 2 0 1 2 2 P 2 0 1 2 2 US S协议 中过程数据 区 P Z D长度 P 2 0 1 3 1 2 7 P 2 0 1 3 l 2 7 US S协议 中参数数据 P KW 长度 P 2 0 1 4 0 P 2 0 1 4 0 US S协议停止传输时间 3 ．2 控制系统主要程序设计 中央空调控制系统程序首先要构建关键程序 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 I 7 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 模块，然 后再对每个模块的制约与驱动关 系进行 梳理优化 ，编制合理 完善 的程序。关键程序 模块 主要 是主程 序块、初始化 程序块 、通讯程 序块 、 温度采样程序块、冷冻水恒压控制程序块 、空调 冷冻水循环泵变频调速控制程 序块等部分。本文 重点分析温度采样程序、初始化程序与通讯程序。 1 温度采样程序 LD SM 0． 1 M OVB 1 0 0， M W 0 LD SM 0． 0 MO Vw A I Wl O ，VWl 0 ／ ／ 4 2 0 mA电 流形 式的数字量转换成 0 1 0 0 。温度 实数形式 。 一I VW l 0． 6 40 0 I TD VW l 0． VD2 O DTR VD2 0． VD2 0 ／ R VD2 0．2 5 6 ． 0 M 0VR VD20． M D20 值保存到 MD 2 0中 LD S M 0 ． 0 M 0VW AI W 1 2． VW 1 0 式的数字量转换成 0 1 0 0 。温度 一I VW l 0． 6 4 0 0 I TD VW 1 O． VD20 ． DTR VD20． VD2 0 ／ R VD2 0． 25 6． 0 M OVR VD2 0． M D2 4 值保存到 MD2 4中 值保存到 MD2 8中 值保存到 MD3 2中 LD SM 0． 0 R M D4 0．M D2 0 R M D4 4．M D2 4 R M D4 8．M D28 R M D5 2．M D3 2 L D S M0 ． 0 DECB M W 0 LDBM W 0 ． 0 ／ R M D40 ． 1 0 O ／ R M D4 4． 1 00 ／ R M D48 ． 1 0 0 ／ R M D52 ． 1 0 0 ／ ／ 通道 A I W1 0的 ／ ／ 4 - 2 0 mA 电 流 形 实数形式 。 ／／通道 AI W1 2的 ／ ／ 通道 AI W 1 4的 ／ ／ 通道 AI W 1 6的 [ 8 0 1 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 MOV R MD4 0 ， MD 6 0 ／ ／ 通 道 AI W 1 0采 样 1 0 0次的平均值温度保存到 MD6 0中 MO VR MD 4 4 ， MD 6 4 ／ ／ 通道 A I W1 2采 样 1 0 0次的平均值温度保存到 MD6 4中 MO VRMD 4 8 ， MD 6 8 ／ ／ 通道 A I W1 4采 样 1 0 0次的平均值温度保存到 MD6 8中 MO VRMD5 2 ， MD7 2 ／／通道 A I W1 6采 样 1 0 0次的平均值温度保存到 MD 7 2中 M OVR 0． M D40 M OVR 0． M D4 4 M 0VR 0．M D48 M 0VR 0．M D5 2 2 MOVB 0 ．M W 0 2 初始化程序在 初始化程序 中完成 C P U2 2 6 输入、输 出缓冲区的设置。 Ne t wo r k 1 LD S M 0 ． 0 A B S MB 2 2 4 ，2／ ／ 判断是否在数据交换状态 MOV D VB 2 ，V D2 0 0 0／ ／ 输出缓冲区从 VB 2 开始偏移 I TD S M W 2 26． ACI D AC1 ，VD 2 0 0 0／ ／ 获取起始输 出指针绝对地址 Ne t wo r k2 LD SM 0． 0 AB S M B22 4， 2 M OVD VD2 0 0 O． VD2 0 04 BTI S M B2 2 8． ACl I TD AC1 ． AC1 DAC1 ，VD 2 0 0 4 ／ ／ 获取 起 始 输入 指针绝对地址 Ne t w o r k 4 LD S M 0． 1 MOV B 2 0 0 ，S MB 3 4 ／ ／ 设 置 2 0 0 ms的 定时中断 A T C HC o mm i n t ，1 0 ／ ／在 中断 中完成 P R OF I B US通信 ENI 3 通讯程序 P R O R I B US DP采用主 ／ 从通讯工 作方式，通过 S 7 2 0 0 P L C的通讯接 口模块 E M2 7 7 以 DP从站形式接入 D P网络，当导入通讯模块的 G S D文件后设置好地址。系统运行时 ，主站通过 DP网络按顺序访问每个从站 ，从站不仅接收从主 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 违 匐 似 站来的数据 ，而且将输入数据返回给主站。主站和 从站在数据 交换模式中，E M2 7 7模块既可写入主 站输 出的数据 ；同时响应最新的输入数据 ，并把最 新的数据提供给 DP主站。本程序设计的主从站通 讯 的同步计数器 {j }t e m p ，保证了主站与从站之间数 据传输的可靠性 ，部分通讯程序如下所示 Ne t wo r k 2 LD S M 0 ． 0 AB SM B2 2 4， 2 BM B 术 VD20 O 0， c o mm a n d Co u nt e r ， VB20 0 8 M OVBAc k _C o u n t e r ， t e r n p ／ ／ 比较同步计数器 I NCB t e mpLDB t e mp， c o mma n dCo u n t e r ／ ／ 判断是否同步 I NCW CO u n t e r CRET I L DBc o mma n d Be g i n n e r ． 6 4∥是命令帧开始字吗 AB c o mma n d Ad d r e s s ，4 ／ ／ 串联 条 件 是从 站的地址号吗 A B c o mma n d E n d ，1 3 ／ ／ 串联 条 件 是命 令帧结束字吗 MOV W 0 ，C o u n t e r ／ ／通讯 不 同步计 数器置 0复位 I NCBAc k Co un t e r MOV B c o mma n d C o mma n d ，C o mma n d／ ／ 把 命 令帧中的命令字复制到全局变量 M0VB c o mma n d P a r a 1 ．Mo t i o n P a r a l 4 结束语 P I F I B US是欧洲工业界得到最广泛应用的一 个现场总线标准，也是过程控制的发展方向，其开 放性允许众 多厂商 开发各 自的符合 P R O F I B US协 议的产品，因此采用这种总线技术的中央空调网络 控制 系统 ，实用性强 ，灵活性好。P R 0F mUS属于 现 场级、单元级的 S I MI T AC网络 ，在现场完全可 以完成计算任务和基本过程控制以及报警等控制要 求，从而提高信号传输 的可靠性 。在中央空调控制 系统中引入 P L C与变频器技术 ，通过对系统主机冷 凝器与蒸发器出回水的恒温差控制，自动调节变频 器 的工作频率 ，实现对循环水泵的无级 自动调速， 冷冻水、冷却水循环 系统本身可节能 3 0 ％ ～6 O ％， 促进主机间接节能 5 ％ ～ 1 0 ％，经济效益显著，具 有现实和推广意义 。 参考文献 [ 1 ]刘美俊． 西门子S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C 应用技术与实例[ M] ． 北 京 电子工业出版社， 2 0 0 9 ． [ 2 ]阳宪惠． 现场总线技术及其应用[ M] ． 北京 清华大学出 版社， 1 9 9 9 ． [ 3 ]柴瑞娟， 等． 西门子P L C 编程技术及工程 应用[ M】 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 7 ． [ 4 ]刘星桥， 等． 基于P R O F I B US 现场 总线的装箱机械手控制 系统[ J ] ． 电气传动， 2 0 0 5 ． 3 5 9 5 8 - 6 1 ． 蠡‘ {品} {出‘ 岛‘ 盘‘ 岛‘ 蠡‘ ． {岛I { ‘ 岛I 岛‘ 岛‘ 岛‘ 盘‘ 岛‘ {出‘ 品‘ 岛‘ {盘‘ 岛‘ 岛‘ 【 上接第7 4 页 】 注入资金 ，实现 良性循环 、多方共赢。 3 结束语 借鉴 国外供 应链 金融业务开展 的经验 ，本文 提 出通过构建供应链可视化平 台的方法创新 国内 供应链金融业务模式 ，具有一定的可行性和参考 性。但是 ，如何 在可视化 平 台的基础上搭建物理 供应链风险平 台与金融供应链 风险平 台，进而通 过建模 以定量形式来控制供应链金融的风险还有 待于进一步深入研 究。 参考文献 [ 1 ]Ho f ma n n ， E ． S u p p l y Ch a i n F i n a n c e s o me c o n c e p t u a l i n s i g h t s [ J ] ． L o g i s t i c Ma n a g e me n t ， 2 0 0 5 1 2 0 3 - 2 1 4 ． [ 2 】Ab e r d e e n G r o u p ． S u p p l y C h a i n F i n a n c e B e n c h ma r k R e p o r t ， 2 0 0 6 ． [ 3 1 Bi l l Di Be n e d e t t o ． S p r e a d i n g t h e we a l t h [ J ] ． J o u r n a l o f Co mme r c e ， 2 0 0 7 ， 8 【 4 8 2 4 ． 【 4 ]Wi l l i a m A t k i n s o n ． S u p p l y C h a i n F i n a n c e T h e Ne x t Bi g O p p o r t u n i t y [ J ] ． S u p p l y C h a i n Ma n a g e me n t R e v i e w． 2 0 0 8 ， 1 2 3 5 7 6 0 ． [ 5 ]刘世宁． 供应链金融的发展现状与风险防范[ J ] ． 中国物 流与采购， 2 0 0 7 ， 7 6 8 - 6 9 ． [ 6 】楼栋， 钱志新． 供应链金融的融资模式分析及其风险防 范[ J ] ． 网络财富， 2 0 0 8 ， 9 1 0 3 1 0 4 ． [ 7 ]杨育谋． 供应链金融 中小企业融资的新途径【 J ] ． 中国中 小企业， 2 0 0 7 5 6 5 7 ． 【 8 ]闫俊宏． 供应链金融融资模式及其信用风险管理研究【 D] ． 西安 西北工业大学， 2 0 0 7 ． [ 9 ]宋炳方． 商业银行供应链融资业务[ M] ． 北京 北京经济 管理 出版社， 2 0 0 8 ． [ 1 0 1 深圳发展银行一 中欧国际工商学院“ 供应链金融” 课题 组． 供应链金融 新经济下的新金融[ M】 ． 上海 上海远东 出版社， 2 0 0 9 ． 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 [ 8 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m