摘要

针对楼宇监控系统的设计，采用西门子S7-200 PLC为控制核心，组态软件MCGS为上位机，结合变频器对楼宇中央空调进行控制，检测各楼层各房间温度。通过温度传感器检测冷冻总管出入口温度，计算温差，根据温差与设定的温差进行比较，PID输出控制变频器，控制冷冻泵变频器运行。通过温度传感器检测冷却总管出入口温度，计算冷却管出入口温差，根据温差与设定的温差进行比较，PID输出控制冷却泵变频器，控制冷冻泵变频器运行。通过控制冷冻泵变频和冷却泵变频运行，和冷冻泵、冷却泵运行台数，控制房间温度适合要求。采用上位机监控系统，检测各泵运行状态，监控冷冻出入口温度，冷却出入口温度，和8个房间温度。系统设计合理，运行可靠，采用变频器可以极大的进行节能。
关键词：变频器；中央空调；冷冻泵；冷却泵

第一章绪论

1.1 楼宇监控国内外现状
楼宇监控是以建筑为平台，集中监视，集中控制，集中管理，将各种监控设备和系统组合或者集成，组成一综合系统。将安防系统，楼宇自控，消防系统等数据整合，采用统一平台进行管理，或者将楼宇，安防，消防，信息设备，信息化应用系统集成。系统集成进行节能，高效管理，成为大型公共建筑不可缺少的一部分。
1.2 楼宇监控研究目的与意义
空调系统是现代建筑中主要的设备，是楼宇监控系统的主要监控对象之一。空调耗能在建筑总能耗占40%左右，通过楼宇自动控制系统实现中央空调节能运行，意义重大。由于空调耗能大，节能问题日益突出，所以研究空调系统的控制具有广泛的意义。
1.3 课题来源
本课题来源于实际生活，中央空调需要对各楼层温度进行监控，控制冷却水入和出温度，冷冻水入和出温度，对冷冻泵电机和冷却泵电机进行变频节能控制，降低能耗。
1.4 研究思路和技术方法
分析控制要求，进行总体设计，确定控制方案，进行硬件设计，设计主电路和控制电路，设计输入和输出接线图；进行软件设计，进行流程图设计，设计梯形图程序；进行组态设计，定义通讯，定义变量，组态画面，连接动画等。

第二章总体设计

2.1 控制要求
控制系统的示意图如图2.1所示。2台冷冻泵，2台冷却泵，2台冷却塔风扇，对冷冻水入水和出水温度进行检测，对冷却水入水和出水温度进行检测，对1到4层楼温度进行检测，假设每层监控2个房间温度。

2.2 控制方案
控制系统方框图如图2-1所示，以PLC为控制核心,上位机跟PLC进行通讯，进行数据交换，监控PLC状态，进行数据显示，可以进行参数设定，实时和历史曲线显示，实时和历史报警查重。
数字量输入：启动和停止按钮接PLC的数字量输入，用于启动和停止系统，急停开关接PLC的输入用于有紧急情况，按下急停，紧急停止系统，并进行报警。自动手动模式选择开关接PLC的输入，用于模式选择。各种故障反馈接PLC的输入，用于停止相应的设备，并进行报警。各手动开关，用于手动模式单独手动控制相应的设备。

数字量输出：PLC输出信号接冷冻泵变频器，控制冷冻泵变频器运行；PLC输出接冷冻泵1和泵2运行接触器，驱动冷冻泵1和泵2运行。同样的，PLC输出信号接冷却泵变频器，控制冷却泵变频器运行；PLC输出接冷却泵1和泵2运行接触器，驱动冷却泵1和泵2运行。PLC输出接冷却塔风机继电器，然后继电器控制接触器，控制冷却塔风机1和风机2运行。PLC输出运行指示灯，故障指示灯用于状态显示。
模拟量输入：冷冻和冷却总管入口和出口温度传感器将温度信号转成电信号接PLC的模拟量输入，经模拟量输入转成0到32000的数字量信号，然后经PLC计算得到冷冻和冷却出入口温度，计算温差，跟设定温差进行比较，通过PLC内部的PID运算，PID输出，控制变频器，
模量输出：PLC模拟量输出模块输出0-10V电压信号接变频器，控制冷冻泵变频和冷却泵变频运行，控制冷冻出入口温差在设定温差附近，控制冷却出入口温差在设定温差附近。

第三章硬件设计

3.1 PLC选择
经分析，本楼宇监控系统使用了20路数字量输入、9路数字量输出、12路模拟量输入，2路模拟量输出，系统为小型自动化应用，可以选择小型PLC。
S7-200 PLC是西门子公司的高性能小型PLC，性价比较高，编程容易，使用方便，因此选择S7-200 PLC。
根据输入和输出种类和点数，可以选择西门子的S7-200的CPU226PLC，本体含24路数字量输入16路数字量输出，外加3块EM231模拟量输入模块，每块含4路模量输入，外加一个EM232模拟量输入模块，每块含2路模拟量输出，满足本系统的使用需要。
3.2 主电路设计
主电路如图3-1所示。外部380V三相交流电，经L1，L2，L3，N供本设备使用，其中L1，L2，L3是3相火线，N是零线。QF1是总断路器，FU1是总的熔断器。
M1是冷却泵1电机，驱动冷却泵1泵冷却水循环；M2是冷却泵2电机，驱动冷却泵2泵水。QF2是冷却泵变频器断路器，A1是冷却泵变频器驱动器，驱动冷却泵1和冷却泵2电机变频运行。KA1是冷却变频器启动继电器，PLC通过控制继电器KA1线圈得电，KA1常开触点闭合，接通A1变频器端子5和9，启动A1变频器。PLC模拟输出模块输出的0到10V电压信号接A1变频器的端子2和3，控制A1变频器的频率，控制电机变速运行。KM1是冷却泵1电机接触器，FR1是冷却泵1电机过载保护热继电器。KM2是冷却泵2电机接触器，FR2是冷却泵2电机过载保护热继电器。

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第四章软件设计

4.1 系统流程图
控制程序流程图如图4-1，4-2,4-3所示。开机初始化，进行参数设定。

系统启动后，读取模拟量进行模拟量转换，计算温差，为后面PID控制使用。

当系统没有发生故障（例如急停，冷却泵电机过载，冷冻泵电机过载，冷却塔电机过载，冷却变频器故障，冷冻变频器故障等），可以运行，有故障进行报警。选择操作模式，选择手动运行方式的话，进行手动操作，通过外部的开关或者上位机单独控制各个设备。当选择自动运行方式的话，按下启动按钮，系统自动运行，按下停止按钮，停止系统运行。

冷却系统控制流程图如图4-2所示。通过选择是否运行冷却控制，控制是否执行冷却运行。

当选择了冷却控制，自动启动冷却变频器。读取的冷却总管出口温度、冷却总管入口温度，计算得到温差，跟设定的温差进行比较，通过PID命令，进行PID运算，PID输出控制冷却变频器，调节转速，进行冷却温度控制。

检测到冷却泵1电机没有过载，先自动启动冷却泵1电机。检测冷却变频器输出频率，当冷却变频器输出频率高于设定的启动2台冷却泵电机频率时，延迟一定的时间，定时到，启动冷却泵2电机，执行2台泵运行。当检测到冷却变频器输出频率低于设定的启动1台冷却泵电机频率，延迟一定时间，定时到，停止冷却泵2电机。

第五章组态设计

5.1 通讯设定
组态软件MCGS里，打开设备管理，从工具条中添加通用串口父设备0，添加S7200PPI设备0.

双击串口父设备0，打开通用串口父设备属性编辑窗口，点基本属性，初始工作状态选择1启动，最小采集周期从1000改成200ms，串口端口号选择0-COM1，通讯波特率选择6-9600，数据位位数选择1-8位，停止位位数选择0-1位，数据校验方式选择0-偶校验方式，数据采集方式0同步采集。

双击设备0-西门子S7-200 PPI，打开设备属性设置-设备0，初始工作状态选择1启动，最小采集周期选择200ms，设定PLC地址设定为2,通讯等待时间设定为500，快速采集次数设定为0，采集方式选择0分块采集。

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5.3 组态画面
根据控制要求建立监控画面，建立冷冻机组模型，插入2个冷冻水泵，2个冷却泵，2个冷却塔。建立启动按钮，停止按钮，自动手动选择开关，故障复位等按钮，和手动启动开关，选择冷却开关，选择冷冻开关。建立个指示灯，用于指示状态。建立冷冻水出水温度和回水温度显示，冷冻温差显示，冷冻频率显示。建立冷却水出水温度和冷却回水温度显示，冷却温差显示，冷却频率显示。建立一楼到四楼，各房间温度显示，共8个房间温度显示。建立管道，连接变量，组态动画。组态画面切换按钮，用于运行时切换相应画面。

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THE END