运用PLC和组态技术开发中央空调实训控制系统

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摘 要：本文主要论述plc、组态技术、变频器等在中央空调控制技术中的应用。为了更好地让学生全面掌握智能控制对中央空调节能调节的应用，引入新组态软件设计一种模拟教学环境，可以激发学生的学习兴趣，收到良好教学效果。

关键词：中央空调实训控制系统 PLC 组态王软件 温度传感器

随着我国经济的不断发展，新的高科技技术不断应用到各个方面，智能控制技术也已经完全融入到中央空调控制系统中。为了更好地适应社会对电子和制冷专业技术人员的要求，并创造一个生动直观的模拟教学环境，激发学生的学习兴趣，提高学生学习积极性，我们在原有旧继电器控制的中央空调系统基础上，引入PLC、组态王和变频器控制技术对旧系统进行了改造，经过一年多的教学试用，教学水平得到一定的提高，学生的学习积极性和动手能力得到加强，收到良好的教学效果。

一、中央空调的主要系统组成

1.中央空调主要系统的构成

中央空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、冷却风机、冷冻水循环系统、冷却水循环系统等构成。

2.中央电气控制系统组成

系统所需的主要硬件有工控屏、变频器、冷水泵机组、传感器、PLC及扩展模块等，其组成框图如图1所示。

图1 中央空调系统电气组成

（1）工控屏及温度传感器。工控触摸屏是一个HMI（人机对话界面），在中央空调系统中做监控和操作使用，即监控和演示中央空调系统运行情况，实时控制，并设置触摸按钮代替现实中的按钮进行操作使用。触摸屏包含HMI硬件和相应的专用画面组态软件，连接到PLC。而组态软件是运行于PC硬件平台、Windows操作系统下的一个通用工具软件产品，和PC机或工控机一起可以组成人机对话界面的控制。传感器作为PLC输入控制端子的一部分，对中央空调系统进行输入信息的采集。在中央控制系统中，通过温度传感器将实时检测到的温度这一物理量转换成电信号，提供给控制器，以实现温度的自动控制，这里主要讨论用于室温的检测。

（2）PLC及扩展模块。三菱FX2N PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件由丰富的PLC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。它是整个中央空调控制系统的核心，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实现以及对外的数据交换。本系统选用的PLC是属于模块式的，它主要包含CPU模块、I/O模块等，PLC一端接传感器，另一端接执行器，从传感器得到的数据经PLC读、运算等处理下达给执行器，执行器动作。FX2N-4AD-PT特殊功能模块在系统中的作用是将温度传感器检测到的模拟量转化为数字量输入PLC中，将转换的数据存储于缓冲存储器（BFM）中。

（3）变频器和冷泵机组。变频器和冷泵机组作为中央空调系统的执行机构，完成系统对内外温度量交换输送。温度控制环节是变频器对冷水泵进行转速控制，变频器根据传感器送来的控制信号改变冷水泵的运行频率，从而完成对温度变化的控制。利用传感器直接对系统中的各种信号进行采集，并通过变频调速器和接触器对执行机构进行控制。在运行过程中，当传感器出现故障时，系统会进行报警。系统采用手动或变频固定方式运行，因为如果电动机的功率较大，不允许直接启动时，需采用软启动器进行降压启动。当系统的自动控制系统出现问题，而冷水泵系统又不能中断时，手动启动就成为系统不可缺少的组成部分。

二、中央空调控制系统电气控制设计

1.中央空调控制系统主电路

中央空调的电气控制系统主电路分别由PLC、冷水机组电动机、冷冻水泵电动机、冷却水泵电动机、冷却塔电动机、送风电动机、冷凝机组电动机、冷风电动机组成。两台西门子MM430变频器分别控制冷冻水泵电动机、冷却水泵电动机。

2.中央空调中的PLC控制系统设计

中央空调制冷控制系统采用的是三菱PLC型号FX2N-48MR，是属于模块式的，它主要包含CPU模块、I/O模块等。温度传感器的作用是实时地将所检测到的温度这一物理量转换成电信号，提供给控制器，以实现温度的自动控制，主要用于室温的检测。FX2N-4AD-PT特殊功能模块，是将温度传感器检测到的模拟量转化为数字量输入PLC中，并将转换的数据存储于缓冲存储器（BFM）中。通过PLC的TO（P）指令进行A/D转换的控制，FROM指令进行数字量的读入即可。在这个控制系统中，温度点的检测使用带开关量输出的温度传感器来完成，把温度信号用温度传感器转换成连续变化的模拟量，使这个中央空调制冷控制系统变成一个模拟量控制系统。对于一个模拟量控制系统，选用FX2N-48MR基本单元与FX2N-4AD-PT模拟量输入单元，方便地实现了模拟控制环境要求。

3.中央空调控制系统PLC的I/O分配表

表

系统的输入信号 系统的输出信号

名称 功能 编号 功能 编号

SB1 自动模式 X0 自动运行指示灯 Y0

SB2 自动启动按钮 X1 手动运行指示灯 Y1

SB3 增温按钮 X2 故障指示灯 Y2

SB4 减温按钮 X3 冷风机 Y3

SB5 停止按钮 X4 冷凝机 Y4

SB5 手动模式 X5 冷却泵变频器 Y5

SB6 停止按钮 X6 冷冻泵变频器 Y6

SB7 冷风机启动 X7 冷水机组 Y7

SB8 冷凝机启动 X10 冷却塔电动机 Y10

SB9 冷却泵变频器启动 X11 送风电动机 Y11

SB10 冷冻泵变频器启动 X12

SB11 冷水机组启动 X13

SB12 冷却塔电动机启动 X14

SB13 送风电动机启动 X15

4.中央空调控制系PLC部分梯形图（图2）

图2

该制冷系统使用两台电动机型空气压缩机组，当用户按下启动按钮后系统已默认的最低温度16℃开始运行，用户可以通过温度增减按钮设定所需温度（最高设定温度为28℃）。此时温度传感器开始检测室内温度并将检测到的温度通过FX2N-4AD-PT特殊功能模块转换成数字量送入PLC中，当检测到的温度在低于设定温度时不启动机组，在温度高于设定温度时启动一台空气压缩机，2秒后启动另一台空气压缩机。当温度降低到设定温度时停止其中一台空气压缩机组，要求先启动的一台空气压缩机停止运行；当温度降到14℃时另一台空气压缩机也停止运行；当温度低于9℃时，系统发出超低温报警，3秒后系统自动停止运行。当用户按下停止按钮后系统立刻停止运行。

三、组态软件远程控制设计

中央空调控制系统分别由操作站和触摸屏来分别控制，分为本地和远程两种控制模式，其切换方式是在电柜的面板上设计一组切换开关，可以用来切换本地和远程控制。该系统的控制方式分为自动和手动：在自动时，系统按程序及用户设定的参数自动运行，相关参数设定输入框在自动时会自动显示在相关系统画面上；在手动时，所有的设备可单独开停控制，水阀、风阀手动设定开度，设定输入框会显示在相关系统画面上。自动和手动的切换方式在本地和远程两种控制模式系统中分别都有相应的切换按钮。

图3 设定用户设定数值对话框

图4 中央空调实训系统总控制画面

如图3、图4所示，通过组态王软件可以监控设备运行状态，还可以随时修改设备运行各种参数，方便技术维护，保证设备正常运行，还可以利用组态王软件动画模拟仿真设备运行状况。

参考文献：

[1]毛臣健.可编程控制器应用技术及项目训练[M].成都：西南交通大学出版社，2009.

[2]胡学林.可编程控制器应用技术[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]洪志郁.例说PLC[M].北京：人民邮电出版社，2006.

（作者单位：肇庆市技师学院）