基于Modbus網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)

（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004）

當前市場上大多數(shù)中央空調(diào)控制系統(tǒng)采用耦變壓器降壓[1]啟動方式來實現(xiàn)整體系統(tǒng)控制，但這種辦法對系統(tǒng)運行的可靠性及實時性有較高的要求，同時有較大的人力、物力資源成本壓力，并且此方式還影響到水泵電動機的使用壽命，更嚴重的是加重了整體系統(tǒng)的運行能耗。本文以郴州某電子廠為例，介紹了基于Modbus協(xié)議的中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。

為確保中央空調(diào)系統(tǒng)能夠長期安全可靠地運行，采用了臺達DVP28SV型PLC作為系統(tǒng)的主控制器，同時配合使用智能檢測儀表來實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控。利用模糊自適應(yīng)PID控制方法來調(diào)節(jié)中央空調(diào)變頻器，以此來控制冷卻水泵和冷凍水泵的轉(zhuǎn)速，使功率的損耗維持在一個合理的范圍。上位機采用Intouch 11.0組態(tài)軟件實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、運行設(shè)備的實時監(jiān)控及各種信號報警等功能，通過選擇Modbus總線的RTU模式與PLC進行通訊[2]，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的功能。通過PLC與HMI（人機界面）組成工業(yè)控制局域網(wǎng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)地采集及對設(shè)備運行狀態(tài)地控制和監(jiān)視。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該電子廠的中央空調(diào)主要包括空調(diào)主機、冷凍冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、風(fēng)機盤管系統(tǒng)和檢測控制系統(tǒng)，空調(diào)主機由壓縮機、蒸發(fā)器、水冷式冷凝器及節(jié)流閥組成。外界的新風(fēng)從通風(fēng)道進入空氣機組進行濕、熱處理，經(jīng)送風(fēng)機送進車間，并在車間內(nèi)進行空氣循環(huán)，從而調(diào)節(jié)車間里的溫濕度。在此過程中系統(tǒng)的主要能耗是由制冷機組和循環(huán)水泵風(fēng)機產(chǎn)生的，循環(huán)水系統(tǒng)又包括冷卻水循環(huán)和冷凍水循環(huán)，所以系統(tǒng)主要是對冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風(fēng)機等被控設(shè)備進行節(jié)能控制，中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of central air condition structure

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

中央空調(diào)控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)管、分散協(xié)控、數(shù)據(jù)共享”的設(shè)計理念，實現(xiàn)工廠管理員對整體系統(tǒng)的遠程監(jiān)控以及現(xiàn)場各設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信[3]。結(jié)合現(xiàn)場的實際工況，需要把系統(tǒng)設(shè)備分別安裝在主機房控制室和現(xiàn)場設(shè)備控制站中，整個控制系統(tǒng)按功能分為4層，自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動控制系統(tǒng)Fig.2 System diagram of automatic control

第1層為上位機監(jiān)控管理層。上位機是由2臺研華IPC-610H工控機（配有Windows操作系統(tǒng)，臺達ISPsoft V2.01編程軟件和組態(tài)監(jiān)控軟件，其中1臺作為熱備）、1臺彩色打印機及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等組成，安裝在主控室內(nèi)供工程師監(jiān)控。操作人員可以通過上位機來遠程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行情況，能精確地檢測設(shè)備的參數(shù)及實時的控制設(shè)備運行狀態(tài)，并能對歷史數(shù)據(jù)曲線進行記錄、查看、事件報警等操作。

第2層為數(shù)據(jù)通信層。本層完成整個Modbus系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集成，能夠接受各層設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)、信息以及上位機控制臺發(fā)出的指令，同時還能把指令反饋到各層設(shè)備，實現(xiàn)了上層信息與設(shè)備層信息的數(shù)據(jù)傳輸和交換。

第3層為PLC控制層。在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中，當變頻器開始運行時，各子站PLC應(yīng)該同步對變頻進行實時控制。將溫度傳感器的水溫采集信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后回送到PLC中，與初始設(shè)定值進行比較，對得出的結(jié)果進行模糊自適應(yīng)PID運算[4]，將運算結(jié)果傳送給變頻器[5]，通過預(yù)先給變頻器設(shè)定好的程序從而根據(jù)信號來調(diào)整輸入電源頻率的大小，通過降低循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速達到變頻節(jié)能的目的。

第4層為物理設(shè)備層。如電磁閥、變頻器、負荷隔離開關(guān)及緊急制動切閥等各種儀器儀表。為了確保在停電、雷擊及頻率干擾的情況下仍能正常運行，加入了避雷器、不間斷電源、工業(yè)以太網(wǎng)交換機等確保整個系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定地傳輸各種信號。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用上位機監(jiān)控系統(tǒng)+下位機PLC系統(tǒng)[6]的形式來完成設(shè)備運行過程參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、自動控制、界面顯示、監(jiān)控報警及打印報表等功能。在上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，采用Intouch 11.0[7]組態(tài)軟件來開發(fā)HMI，可以增強用戶的體驗，使操作更加簡單化、人性化，從而提高工效率和工作能力。在下位機PLC系統(tǒng)的設(shè)計中采用臺達DVP28SV型PLC作為主控制器，DVP-SV2系列PLC作為全球最完整的高功能薄型PLC，具有高速脈沖輸出、高速計數(shù)器、高速精準定位控制等特點，同時還具有自動備份程序與數(shù)據(jù)以及程序掉電保護的功能，并有多達4重的PLC密碼，使開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)得到保護。該系列的PLC還具備了強大的通信功能，支持Modbus主/從站模式，將PLC和上位機組成工業(yè)控制局域網(wǎng)，實現(xiàn)對整體設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控。

3.1 PLC的程序設(shè)計

系統(tǒng)采用ISPsoft V2.01[8]編寫程序，使PLC與各模塊間完成通訊，實現(xiàn)各設(shè)備之間的手動（啟動）、自動、停止操作，模擬量信號標準化，位置開關(guān)跑偏報警等功能。要通過變頻技術(shù)達到節(jié)能目的，需對中央空調(diào)的冷卻水泵及冷凍水泵進行變頻控制[9]，針對變頻控制中存在的非線性、時滯性及不確定性等特點，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)采用了將模糊控制[10]和常規(guī)PID控制相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PID控制器，模糊PID控制原理如圖3所示。

圖3 模糊PID控制原理Fig.3 Schematic of fuzzy PID control

ISPsoft軟件采用一種結(jié)構(gòu)化的編程方式，其功能模塊POU5作為模糊自適應(yīng) PID控制器，POU5是由4個程序塊和PID調(diào)節(jié)功能模塊FB0組成。系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID參數(shù)在線自整定的流程如圖4所示。

結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，模糊自適應(yīng)PID控制器的2個輸入變量分別選取中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)中的進水溫度與設(shè)定值的偏差e以及偏差變化率Δe，而輸出應(yīng)選取常規(guī)PID控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd。通過奧林儀表測得的進水溫度經(jīng)過處理傳送給PLC的模擬量模塊，再以5～25 mA模擬電流信號傳送至PLC的控制程序中。將進水溫度值與設(shè)定值進行比較，調(diào)用FC14模塊中的模糊推理子程序得出偏差和偏差變化率信號，經(jīng)過FC15模塊模糊化運算，得到參數(shù)的校正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，對3個參數(shù)進行在線實時校正，分別輸入到PID控制器中，達到對PID原始參數(shù)的最佳調(diào)整。通過組織塊調(diào)用FB0功能塊，以5～25 mA的模擬信號傳送到變頻器，再由變頻器去控制水泵的流速，實現(xiàn)對循環(huán)水系統(tǒng)過程變量的模糊PID調(diào)節(jié)[11]。采用模糊自適應(yīng)PID控制的控制效果優(yōu)良，能夠有效地抑制外界干擾，能及時校正實時參數(shù)，具有較強的魯棒性。通過模糊自適應(yīng)PID控制器的調(diào)節(jié)，能更好地將循環(huán)水系統(tǒng)的進水溫度穩(wěn)定在設(shè)定值處，減小進水溫度的波動，對中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的控制更加精準、有效。

圖4 模糊PID參數(shù)在線自整定Fig.4 Fuzzy PID parameter self tuning online

3.2 監(jiān)控界面的設(shè)計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計采用Intouch11.0組態(tài)軟件來開發(fā)人機界面。Intouch與其他的SCADA系統(tǒng)一樣，是以計算機為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，與國內(nèi)外常見的PLC、智能儀器儀表、變頻器等均可進行數(shù)據(jù)通訊。采用Intouch作為上位機組態(tài)軟件，符合系統(tǒng)的設(shè)計理念，可以提供全面的監(jiān)控功能，并且操作簡單，成本低。

循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求具有嚴謹、穩(wěn)定的系統(tǒng)監(jiān)控界面。Intouch具有用戶登錄注銷、ACK、ACK ALL、空調(diào)箱總覽、冰水系統(tǒng)總覽、時控設(shè)定、模擬量矯正、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、歷史曲線、事件/報警、模式選擇等一系列功能，基本滿足了中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計。通過Intouch對現(xiàn)場運行設(shè)備的監(jiān)控，可以實現(xiàn)查閱實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等功能。Intouch軟件具有豐富的函數(shù)，可以根據(jù)需要直接調(diào)用，亦能直接編寫命令語言，擴展Intouch程序的功能，如當進水溫度超過設(shè)定值，能自動調(diào)用程序“if（\station$alarm==1）ShowPicture（"回水溫度報警"）”，彈出報警畫面，及時更改參數(shù)，提高系統(tǒng)的工作效率。

系統(tǒng)采用Intouch11.0軟件設(shè)計了精美組態(tài)畫面，包括冷凍水系統(tǒng)畫面、冷卻水系統(tǒng)畫面、水泵進/出水畫面、冰水閥門畫面、實時曲線畫面與歷史曲線畫面等。采用Modbus/RTU進行通信，真實地反映了現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，能夠方便地通過對組態(tài)畫面上的可控設(shè)備進行操作。部分監(jiān)控系統(tǒng)的畫面如圖5所示。

4 結(jié)語

針對中央空調(diào)水循環(huán)過程中流量控制對象的時變性及不確定性特點，采用了模糊自適應(yīng)PID的控制方法，完成了水流量自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計?；诮M態(tài)軟件+Modbus+PLC的分布式監(jiān)控設(shè)計確保了系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的、高效的運作，并提高了變頻調(diào)速的能力，基于模糊自適應(yīng)PID的流量控制系統(tǒng)有效地解決了因水循環(huán)過程控制中的非線性和不穩(wěn)定性等不宜采用常規(guī)PID控制的情況，從而降低了整體系統(tǒng)功率損耗，大大提升了中央空調(diào)節(jié)能的效率。自2016年1月項目投運以來，運行穩(wěn)定、故障率低、而且易于操作、功能完善、節(jié)能效果明顯，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，具有較好的發(fā)展前景與實用價值。

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