基于PLC的辦公樓宇中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究

魏立明, 高偉陽(yáng),2

(1.吉林建筑大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春 130118;2.長(zhǎng)春市市直機(jī)關(guān)事務(wù)管理局, 吉林 長(zhǎng)春 130000)

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基于PLC的辦公樓宇中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究

*魏立明1, 高偉陽(yáng)1,2

(1.吉林建筑大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春 130118;2.長(zhǎng)春市市直機(jī)關(guān)事務(wù)管理局, 吉林 長(zhǎng)春 130000)

針對(duì)樓宇中央空調(diào)滯后大、溫/濕度設(shè)定不合理等現(xiàn)象,進(jìn)行了中央空調(diào)的改進(jìn)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)和下位機(jī)設(shè)計(jì)。采用模糊控制PID調(diào)節(jié)算法改進(jìn)水系統(tǒng)調(diào)節(jié),應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)其算法進(jìn)行仿真。下位機(jī)部分完成了中央空調(diào)控制系統(tǒng)核心程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)部分應(yīng)用組態(tài)王6.53軟件完成中央空調(diào)控制系統(tǒng)整體運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真界面、溫/濕度檢測(cè)監(jiān)控界面、變頻器頻率監(jiān)控界面和歷史數(shù)據(jù)記錄監(jiān)控界面。

辦公樓宇; 中央空調(diào); 模糊PID; PLC控制

0 引 言

針對(duì)辦公樓宇內(nèi)中央空調(diào)控制系統(tǒng)的需求[1],以及目前空調(diào)工藝上存在的不足進(jìn)行設(shè)計(jì),本文使用可編程控制器PLC對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行系統(tǒng)控制,再加以改進(jìn)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制,將其控制過程、數(shù)據(jù)采集,運(yùn)用組態(tài)王軟件進(jìn)行模擬仿真研究。

1 理論分析

模糊控制是以模糊集合論、模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ),采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)[2-3]。模糊控制包括輸入量模糊化接口、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、推理機(jī)和解模糊接口等。模糊控制主要分為3個(gè)過程:① 將精確值偏差e和偏差變化ec模糊化成E、EC;② 根據(jù)整理的相關(guān)模糊控制表進(jìn)行模糊推理,得出推理結(jié)果U;③ 將所得值U進(jìn)行模糊判決,并轉(zhuǎn)化為精確值用于實(shí)際控制。此過程需要引入量化因子ke、kec和比例因子kU來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)域到有限域的轉(zhuǎn)變。模糊控制過程結(jié)構(gòu)如圖1所示。量化因子連續(xù)域到有限域的轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D2所示。

圖1 模糊控制過程結(jié)構(gòu)

圖2 量化因子連續(xù)域到有限域的轉(zhuǎn)變

(1)

式中:eL——低極限值;eH——高極限值。

(2)

(3)

式中:ecL——低級(jí)限值;ecH——高極限值;

uL——低極限值;uH——高極限值。

因此,求出

(4)

(5)

對(duì)式(4)、式(5)運(yùn)算取整數(shù)。設(shè)論域?yàn)閇-3 3],則可求出ke=1,kec=6。

依據(jù)上述原理,建立模糊控制器。取偏差e、控制量u和偏差變化ec，將其模糊化為偏差E、控制量U和偏差變化EC。定義E、EC和U的論域范圍為[-3 3],NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB為模糊化偏差。偏差變化量和控制量的語(yǔ)言變量構(gòu)成三角形的模糊隸屬度函數(shù)。三角形的模糊隸屬度函數(shù)形成過程如圖3所示。

圖3 三角形的模糊隸屬度函數(shù)形成過程

選擇平面積分的方法將模糊控制量U轉(zhuǎn)化為精確量,即去?；Ｄ：刂品抡婺Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 模糊控制仿真模型

在Simulink中運(yùn)行仿真圖像,模糊控制仿真如圖5所示。

圖5 模糊控制仿真

由圖5可知,應(yīng)用模糊控制方法時(shí)無(wú)需建立數(shù)學(xué)模型,依靠控制經(jīng)驗(yàn)即可,在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制;其魯棒性較好,對(duì)過程中的非線性誤差和延遲有良好的控制[4-5]。模糊控制也有無(wú)法克服的問題,控制結(jié)果不穩(wěn)定,會(huì)出現(xiàn)偏差。傳統(tǒng)PID控制技術(shù)設(shè)計(jì)原理相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)各種控制系統(tǒng)適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng),魯棒性易于實(shí)現(xiàn),比較穩(wěn)定,調(diào)整精度較高,但傳輸延遲時(shí)間較大。本文采用改進(jìn)PID調(diào)節(jié),即傳統(tǒng)PID與模糊控制相結(jié)合的方法。改進(jìn)PID調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)PID調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

中央空調(diào)控制系統(tǒng)龐大復(fù)雜,以冷熱水控制為例介紹改進(jìn)的PID控制設(shè)計(jì)。冷熱水控制過程中用傳感器采集冷熱水液位,將采集到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信號(hào)。此外,采集中央空調(diào)送風(fēng)口溫度模擬量,并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)字量信號(hào)。將兩部分?jǐn)?shù)字量信號(hào)整合到改進(jìn)PID控制的固有范圍內(nèi)進(jìn)行控制,并達(dá)到改進(jìn)效果。改進(jìn)PID控制流程如圖7所示。

圖7 改進(jìn)PID控制流程圖

改進(jìn)PID控制先用模糊控制方法選取較大的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù),使PID控制的時(shí)間減少,系統(tǒng)參數(shù)可較快地接近目標(biāo)值。當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)值時(shí),選取的較大積分參數(shù)可緩慢地靠近目標(biāo)值。此時(shí)將風(fēng)機(jī)管道中的的溫/濕度信息轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào),由模擬量模塊采集,轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號(hào),傳送給可編程控制器PID進(jìn)行調(diào)節(jié),從而控制冷熱水的供水量及噴淋泵的啟停。若控制符合要求,則再將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量輸出(由于PID控制過程主要將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量,而PID調(diào)節(jié)范圍有限,故將此數(shù)字量除以相應(yīng)整數(shù)倍)。若不符合要求,則對(duì)出現(xiàn)誤差進(jìn)行分析。調(diào)整誤差法有兩種,一種是自動(dòng)調(diào)節(jié),另一種是手動(dòng)調(diào)節(jié)。若使用手動(dòng)調(diào)節(jié),需要在PLC軟件調(diào)節(jié)欄中設(shè)置整定參數(shù)。

2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

本文依據(jù)中央空調(diào)實(shí)際運(yùn)行原理,抽象提煉出新風(fēng)采集、回風(fēng)處理和送風(fēng)檢測(cè)的設(shè)計(jì)理念。由于風(fēng)體輸送要經(jīng)過溫/濕度檢測(cè)、閥門調(diào)節(jié)控制、加溫加濕、冷熱水調(diào)節(jié)和變頻器運(yùn)行等過程控制,所以將其軟件設(shè)計(jì)模塊化,歸類為以上相應(yīng)的子程序,由主機(jī)集成管理。運(yùn)用組態(tài)王仿真軟件對(duì)風(fēng)體運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,觸摸屏控制面板作為控制調(diào)整工具,達(dá)到對(duì)中央空調(diào)高效、有序的管理。傳統(tǒng)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)組件龐大,過程控制極復(fù)雜,滯后嚴(yán)重,穩(wěn)定性和兼容性差,嚴(yán)重影響了中央空調(diào)控制系統(tǒng)的工作效率。軟件設(shè)計(jì)要求運(yùn)用EPLAN軟件繪制中央空調(diào)控制系統(tǒng)原理圖,使用西門子PLC可編程控制軟件STEP7的特殊運(yùn)算指令完成中央空調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送、定時(shí)計(jì)數(shù)和回路控制等程序編譯,并同硬件進(jìn)行連線調(diào)試。最終,在模塊和計(jì)算機(jī)上模擬完成中央空調(diào)控制系統(tǒng)的各子程序運(yùn)行。中央空調(diào)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 中央空調(diào)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

3 中央空調(diào)控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

依據(jù)中央空調(diào)控制系統(tǒng)整體運(yùn)行原理,設(shè)計(jì)了組態(tài)王仿真的登錄界面、中央空調(diào)控制系統(tǒng)整體運(yùn)行界面和部分核心監(jiān)控界面,如圖9～圖13所示。

圖9 中央空調(diào)控制系統(tǒng)登錄界面

圖10 中央空調(diào)控制系統(tǒng)整體運(yùn)行界面

圖11 濕度實(shí)時(shí)曲線界面

圖12 變頻器頻率和風(fēng)速檢測(cè)界面

圖13 歷史數(shù)據(jù)記錄監(jiān)控界面

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)樓宇內(nèi)部中央空調(diào)滯后大、溫/濕度設(shè)定不合理等現(xiàn)象,進(jìn)行了中央空調(diào)的改進(jìn)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)、上位機(jī)設(shè)計(jì)和下位機(jī)設(shè)計(jì)。改進(jìn)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)采用模糊控制PID調(diào)節(jié)算法,應(yīng)用軟件分別對(duì)其控制算法進(jìn)行仿真。下位機(jī)部分主要完成中央空調(diào)控制系統(tǒng)核心程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)部分應(yīng)用組態(tài)王6.53軟件完成中央空調(diào)控制系統(tǒng)各元器件數(shù)據(jù)變量編譯、整體運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真界面、溫/濕度檢測(cè)監(jiān)控界面、變頻器頻率監(jiān)控界面和歷史數(shù)據(jù)記錄監(jiān)控界面。

[1] 楊春艷.模糊PID控制技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù),2013(6):17-18.

[2] 張建林,鄧小龍.模糊控制技術(shù)在空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子科技,2014,27(3):41-45.

[3] 張廣會(huì).基于模糊控制的中央空調(diào)節(jié)能群控制系統(tǒng)研發(fā)[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[4] 吳壯勇.S7-200PLC在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界,2014(9):67-68.

[5] 任英.基于PID模糊控制的中央空調(diào)節(jié)能群控系統(tǒng)研發(fā)[J].電子測(cè)試,2013(8):10-14.

Research on Central Air-conditioning Control System of Office Building Based on PLC

WEILiming1, GAO Weiyang1,2

(1.Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China;2.Changchun Municipal Authorities Affairs Bureau, Changchun 130000, China)

Aiming at the problems of the large lagged central air conditioning,unreasonable temperature and humidity setting in office building,this paper introduced the regulation of the improved central air-conditioning system,upper computer system design and lower computer design.The fuzzy control PID control algorithm which was simulated using MATLAB software,improved the water system regulation.The lower computer completed the core program design of the central air-conditioning control system.The upper computer completed the overall operating dynamic simulation interface,temperature monitoring interface,humidity detection monitoring interface,inverter frequency monitoring interface and historical data recording control interface of the central air-conditioning control system based on Kingview 6.53 software.

office building; central air conditioning; fuzzy PID; PLC control

高偉陽(yáng) (1986—),男,碩士研究生,從事建筑電氣及智能化方面的工作。

吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2016]第143號(hào))

魏立明(1974—),男,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榻ㄖ姎馀c智能化。

TU 855

B

1674-8417(2016)12-0004-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.12.002

2016-07-06