基于PLC的空调变频节能控制系统设计

基于PLC的空调变频节能控制系统设计

摘要：随着全球气候变暖的加剧，许多国家正在大力推行节能环保政策，节能已经成为衡量一座建筑质量的关键指标，因此，开发出节能技术，降低用电量，以及有效控制空调能源消耗，显得尤为重要。

在这篇文章中，我们将深入探讨如何利用PLC技术来实现变频空调的节能。我们将根据变频空调的概念和它的组成部分，对整个变频空调系统的总体架构进行分析。我们将使用西门子S7-1200PLC来实现这一目标，硬件部分用变频器G120。用G120变频器来控制，结合模糊PID控制算法，我们不仅可以精确控制水泵的运行速率，而且还可以有效地控制系统的流量，从而达到恒定的工作状态，并且还有效地减少了能耗。

关键词：可编程控制器；空调；变频节能；PID控制

第1章绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容 2

第2章基于PLC的空调变频节能系统总体设计 4

2.1变频空调定义 4

2.2空调系统的结构 5

2.3制冷系统工作原理 6

2.4系统总体方案设计 6

第3章基于PLC的空调变频节能系统硬件设计 9

3.1 PLC选型 9

3.2变频器选型 11

3.3人机界面设计 12

3.4系统接线图设计 13

3.5温度传感器选型 15

第4章基于PLC的空调变频节能系统软件设计 16

4.1设备通讯 16

4.2 I/O分配表 17

4.3 PLC主程序设计 18

4.4初始化主程序 19

4.5控制程序 19

4.6水泵电机变频与工频运行控制程序 20

4.7 PLC梯形图设计 21

第5章系统调试与仿真 27

5.1系统调试 27

5.2系统仿真 27

5.3系统测试 28

结论 31

致谢 32

参考文献 33

第1章绪论

1.1研究背景及意义

随着现代化的发展，空调系统的应用越来越广泛，它对现代建筑的设计和维护都发挥了至关重要的作用。然而，随着全球化的推进，我们的日常需求和资源的利用都变得越来越昂贵，因此，节约能源成为当今时代的首要任务。目前，许多行业已开始应用空调技术，而随着技术的提高，能源的利用效率将会更高。然而，中国的煤矿、石灰岩等自然资源的分布存在着明显的差异，从而导致了能源的短缺，从而引起了对于管道空调系统的节约能源的需求[1]。一般而言，在规划时，应该考虑到极端的温差（炎热）环境，以便合理地配置空调系统，从而达到安全工程师所规定的20%的容错范围。此外，由于空调的特殊性，早晚会有一定的负荷，而这种负荷的大小也会影响到空调的性能，因此，必须严格控制冷凝器和冷却器的配置。随着日益加剧的气候变暖，早晨、傍晚、夏天等高峰期的负荷变动，冷冻水和冷却水体系的性能也发生了巨大的变化，使得它们的性能一直处于最佳状态，但也产生了大量的能源。为了满足日益增多的环境实际问题，我们应该采取有效的措施，如应用技术、新材料、新工艺技术等，来减小空调系统的能源，为构建一个绿色、健康的未来作准备。应用高新技术，既可合理节约大量的能源，又可大大减少对设备的维护与花费。

随着“节能环保”政策的实施，节约用电已被广泛认可，并被视作是当今社会最高目标。因此，在实施节约用电政策时，我们必须积极探索新型空调系统，从而降低其能源消耗，保护环境，改善居住条件，促进国家可持续发展。虽然中国的空调技术尚未完善，但是根据最新的研究发现，75%的家庭空调系统的使用寿命都不足以满足需求，其承受的负荷仅为原来的一半。因此，必须加强对空调技术的研究，以提高中国的空调技术水平。因此，为了提高空调系统的使用效率，应该加强对其负载的监控，以确保其正常运行。随着技术的发展，家用空调的变频节能技术已经取得了重大突破，它可以根据实际负荷的变化而自动调整泵和风扇的转速，从而减少了不必要的能量消耗[2]。经过使用空调变频节能系统，能够明显改善环境，大幅度降低能耗，为国家的经济发展带来积极影响。

1.2国内外研究现状

空调已经在世界上使用了一百余年了，在中国也有着几十年的使用历史。近年来，随着全球气候变暖的加剧，节能减排的重要性日益凸现，许多国家都开始重视和努力解决这一重要课题。由于季节的变化空调负荷会逐步增加，因此空调系统的节能方法可以总结为以下几点：1）空调系统的节能技术尤其重要，它不仅要求冷凝器的转速要合理，还要求压缩机的压力要有一定的稳定性，从而有助于降低温度，改善室内环境，实现更加舒适的室内环境。2）由于压缩机的频繁的开关机，使得变频压缩机的操作范围受到限制，从而影响了它的效果。然而，通过对压缩机的精确控制，如合理设置冷却负荷、温度等参数，有助于有效地节省空调系统的能源消耗。3）随着科学技术的发展，中国的大多数公司正致力于开发更加先进的空调变频节能系统，其中大多数采用的是模糊PID的控制方案，从而推动了行业的发展。以科龙公司的立柜式空调柜机为代表，格力公司的圆柱型空调柜机也是其中的佼佼者，它们均采用了先进的PID控制技术，实现了更高效的节能效果。科龙公司的KFR-72LW/QV1X-X1型号空调，拥有全屋最佳的环境，从四个角度均衡的送风，Hi-nano负离子净化，以及自然风的除湿，以及0-100级的无级调速，使其成为当今中国最受欢迎的家用电器之一。格力公司的“热源感应送风技术”变频空调拥有出色的智能化功能，它可以实时监控房间里的居民的活跃程度，并且可以按照居民的喜好，通过“热源感应送风技术”的控制，可以自由地改变扫描的方向，从而达到让居民享受到舒适的生活，这款产品已经成为中国最优秀的空调。

LuL.等人通过对理想型除湿系统与标准系统的分析，为后续的优化设计提供了有力的证据，并基于此构建出一个完整的制冷除湿控制系统的数学模型。影响可变风量下工作效率的重要原因依旧是热处理技术、温度变化、能量传输以及空调终端设备的热惯性。为了解决这个问题，可以通过预测控制的方法，就是提高送风温度来提高空调的有效控制，以达到最优的时间不确定性延迟系统效果。

1.3研究内容

本文旨在探讨基于PLC的空调变频节能系统，并将其分为几个重要的部分：

第一部分旨在阐明本文所涉及的主题，强调其重要性，并对当前国内外学术界的研究进行深入探讨，以期获得更多有价值的见解。

第二部分将深入探讨基于PLC的空调变频节能系统，详细阐述其定义、结构、工作原理，并给出一个完整的系统方案，以实现空调变频节能的有效运行。

第三部分，我们将重点关注基于PLC的空调变频节能系统，并对其硬件进行精心挑选，以确保其可靠性和可操作性。此外，我们还将提供系统接线图。

第四部分，我们将重点关注使用PLC技术来构建一个高效的空调变频节能系统，并制定I/O协议、流程表、梯度表和连接表。

第五部分，我们使用MATLAB软件来构建一个完整的控制系统，并通过实际测量来评估它的性能。我们通过将传统的控制方法与使用PLC的空调变频节能技术相结合，发现使用PLC技术可以获得更好的控制结果。

参考文献

[1]詹卢卡·科恰，保拉·达阿加罗，乔瓦尼·科尔泰拉，法比奥·波洛纳拉，阿莱西亚·阿尔泰科尼.超市暖通制冷水循环热泵一体化系统的需求侧管理分析[J].应用热能工程，2019.

[2]张军，张侃宇.基于自适应遗传算法的多冷水机组负荷优化分配策略[C]， 2010第二届世界资源研究所全球智能系统大会:5-8.

[3]张倩. 变频技术在制冷空调系统中的应用及节能分析[J].山东工业技术, 2019(15).

[4]王兵. 空调水系统变频节能技术工程应用与分析[J].城市住宅, 2019,292(06):153-154.