基于PLC模糊控制的廠房空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

楊志方，彭新顯，孫小兵，危必波

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205）

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對工作和生活環(huán)境的要求也越來越高。為人們提供舒適的工作環(huán)境，確保機組以最佳性能運行是工廠空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)目標(biāo)。現(xiàn)在有許多工廠的空調(diào)系統(tǒng)對環(huán)境變化時溫度的調(diào)控不迅速，使人產(chǎn)生不舒適感，導(dǎo)致機器經(jīng)常在過熱或過冷的環(huán)境中運行及調(diào)控方式不節(jié)能等諸多問題［1］。為此，筆者對基于PLC模糊控制的廠房空調(diào)控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

廠房空調(diào)系統(tǒng)框架圖如圖1所示。冬季采暖熱源引至輔汽聯(lián)箱，經(jīng)減溫減壓至3kgf／cm2的飽和蒸汽；夏季制冷源引至集中制冷站的2臺約克YCWJ型冷水機組 （一運一備）的冷凍水。回風(fēng)風(fēng)機從集控室／電子間抽出的空氣與新風(fēng)風(fēng)機從外界抽進的新空氣混合，經(jīng)過冷水循環(huán)冷卻或高溫蒸汽加熱，由送風(fēng)風(fēng)機再抽入到集控室／電子間。此外，利用送風(fēng)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速變化控制送風(fēng)量的大小，由此調(diào)節(jié)集控室／電子間的溫度。

圖1 廠房空調(diào)控制系統(tǒng)框架圖

1.2 工作原理

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)由2臺Smart700觸摸屏、西門子S7200PLC和特殊功能模塊以及MM430變頻器組成，以S7200PLC為控制核心，其Porto口通過USS協(xié)議控制2個MM430變頻器，其中變頻器1可以在變頻模式下控制集控室風(fēng)機電機1或2，變頻器2可以在變頻模式下控制電子間風(fēng)機電機1或2，通過PLC控制各回路的通斷來選擇工作機組；在工頻模式下，同樣可以通過PLC實現(xiàn)對任意一個風(fēng)機電機的控制。Port1口通過RS485總線和機柜上的觸摸屏通信，遠程控制的觸摸屏通過EM277擴展的Port0口采用RS485總線與PLC通信。

該系統(tǒng)的所有控制指令都由2臺Smart700觸摸屏發(fā)出，其中一臺觸摸屏位于電氣柜上，用于切換手動工頻模式和自動變頻模式。在手動工頻模式中，可以分別工頻啟停集控室和電子間的工作機組1?；蚬ぷ鳈C組2＃，并可以實時顯示當(dāng)前集控室和電子間的溫度和濕度；在自動變頻模式中，可以對集控室和電子間的工作機組 （一運一備）及空調(diào)工作模式 （夏季模式和冬季模式）進行選擇，并進入相應(yīng)的溫度自動控制設(shè)定界面，用戶可以通過觸摸屏上的按鈕對指定預(yù)期溫度進行調(diào)節(jié)，并實時顯示當(dāng)前集控室和電子間的溫度和濕度以及各個濾網(wǎng)的壓力異常情況。另一臺觸摸屏位于集控室，通過EM277Profibus DP模塊與PLC通信，用于自動變頻模式下的遠程控制。自動變頻模式下的溫度設(shè)定與監(jiān)控界面如圖3所示。

2 總線協(xié)議

S7200PLC和2個MM430變頻器通過基于串行總線進行數(shù)據(jù)通訊的USS協(xié)議通信，在USS總線上，S7200作為主站，2個MM430變頻器作為從站，總線上的每個從站都有1個站地址 （在從站參數(shù)中設(shè)定），主站依靠其識別每個從站；每個從站也只對主站發(fā)來的報文做出響應(yīng)并回送報文，從站之間不能直接進行數(shù)據(jù)通訊［2］。

圖3 監(jiān)控界面示意圖

圖4 USS協(xié)議初始化

使用USS協(xié)議的初始化模塊USS＿INIT初始化S7200的PORT0端口 （見圖4），二進制2＃110000000表示初始化地址為7的集控室機組的變頻器和地址為8的電子間機組的變頻器；波特率為19200bps。MM430變頻器的運行參數(shù)如表1所示。

3 軟件算法

3.1 數(shù)據(jù)分析處理

該系統(tǒng)中，PLC擴展EM231模擬量輸入模，讀取溫濕度傳感器傳回的溫濕度電流數(shù)據(jù)；外接的溫濕度傳感器為AF3020Y，其溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為0～99.9%RH，對應(yīng)的輸出為4～20mA電流信號。集控室和電子間采集到的溫度數(shù)據(jù)A分別存放在模擬輸入量AIW4和AIW8中，濕度數(shù)據(jù)B分別存放在模擬輸入量AIW6和AIW10中，溫度、濕度的測量數(shù)據(jù)A、B與T（實際溫度）、ρw（實際濕度）之間的換算關(guān)系如下:

圖5 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于從溫濕度傳感器讀來的數(shù)據(jù)為整型，如果單一的直接做整型的減法和除法，每進行一次運算都會把小數(shù)丟掉，這樣對系統(tǒng)的精度會產(chǎn)生一定影響，甚至?xí)斐上到y(tǒng)不穩(wěn)定。所以，先把整型通過I＿DI轉(zhuǎn)換為雙整型，再通過DI＿R轉(zhuǎn)換為實數(shù)型，對數(shù)據(jù)進行實數(shù)型的運算 （見圖5）。

3.2 模糊PID算法

考慮到工廠溫度的多變化、干擾大、非線性等特點，該系統(tǒng)采用模糊PID （Fuzzy－PID）控制算法，其基本原理是首先找出PID的3個參數(shù)（KP、KI和KD）與溫度偏差e（t）和溫度偏差變化率Δu之間的模糊關(guān)系，然后在運行中連續(xù)檢測e（t）并計算Δu，最后利用模糊控制原理對PID的3個參數(shù)進行在線修改以滿足在不同e（t）和Δu時對控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能［4］。模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示 （執(zhí)行機構(gòu)采用MM430變頻器，集控室和電子間溫度為被控對象）。

3.3 軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程設(shè)計圖如圖6所示 （其中f為變頻器輸出頻率，f0為設(shè)定溫度對應(yīng)的基準(zhǔn)頻率，模糊PID算法函數(shù)為y（e））。

圖6 軟件流程圖

4 結(jié)語

對以觸摸屏近／遠程控制并采用模糊PID算法實現(xiàn)的廠房空調(diào)控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，同時介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計原理、協(xié)議總線及程序算法。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在現(xiàn)場運行過程中性能穩(wěn)定，操作人性化，在穩(wěn)定安全高性能運行的同時達到了較高的自動化水平。

［1］蔣紅梅 .模糊PID控制在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 ［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2001.

［2］楊秀峰 .淺談暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問題在系統(tǒng)設(shè)計中的重要性 ［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，18（9）:23－25.

［3］梁志國 .基于PLC的中央空調(diào)控制系統(tǒng) ［J］.承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報，2009（12）:67－69.