基于PLC的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與控制系統(tǒng)設(shè)計

胡際萬1，黃媛媛2，李健健1

（1.中國人民解放軍63981部隊，武漢 430000；

2.中冶南方（武漢）威仕工業(yè)爐有限公司，武漢 430000）

基于PLC的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與控制系統(tǒng)設(shè)計

胡際萬1，黃媛媛2，李健健1

（1.中國人民解放軍63981部隊，武漢 430000；

2.中冶南方（武漢）威仕工業(yè)爐有限公司，武漢 430000）

空調(diào)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行的過程中，由于外部環(huán)境的多變性、干擾性以及機(jī)組各設(shè)備控制手段的單一性，導(dǎo)致各設(shè)備調(diào)整控制參數(shù)的過程異常繁瑣，從而導(dǎo)致了各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)波動大，嚴(yán)重影響了調(diào)控精度和周期；為解決以上問題，論文以PLC控制器為核心，完成了系統(tǒng)總體構(gòu)架的設(shè)計，并設(shè)計了一套智能監(jiān)控終端，完成了對上位機(jī)（即智能監(jiān)控終端）程序的流程設(shè)計和各模塊的功能設(shè)計，以及下位機(jī)（PLC控制器）的程序設(shè)計，包括硬件組態(tài)、主程序流程設(shè)計以及通訊程序的設(shè)計，完成了整個優(yōu)化運(yùn)行和控制系統(tǒng)的設(shè)計，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比對，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠同時完成系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化和各設(shè)備的自動調(diào)控，大大提高了系統(tǒng)的調(diào)控效率和周期，降低了運(yùn)行成本。

PLC控制器；監(jiān)控終端；優(yōu)化；控制

0 引言

倉庫內(nèi)的貨物對空氣參數(shù)具有很高的精度要求，而空調(diào)機(jī)組憑借其對空氣的良好可控性，在倉庫存儲著發(fā)揮著重要作用。但由于空調(diào)機(jī)組中各設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中存在運(yùn)行效率低、控制手段單一、耗電量大等缺點(diǎn)，因此如何提高各設(shè)備的運(yùn)行效率和實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動化控制過程，使機(jī)組始終運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)，從而降低運(yùn)行成本，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架是基于網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而建立的。在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件和其他硬件設(shè)施基礎(chǔ)上，構(gòu)建了如圖1所示的系統(tǒng)總體構(gòu)架：監(jiān)控層、控制層及優(yōu)化層。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

監(jiān)控層負(fù)責(zé)完成傳感器的信號采集；控制層PLC綜合控制器負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)，并通過485總線傳輸給智能監(jiān)控終端；智能監(jiān)控終端負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和分配參數(shù)，同時還可以通過交換機(jī)或路由器等硬件設(shè)備與監(jiān)控服務(wù)器相連，構(gòu)建以“以太網(wǎng)＋智能采集終端＋PLC”為主體的新型結(jié)構(gòu)［1］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及研發(fā)

2.1 PLC綜合控制器搭建

本系統(tǒng)采用西門子S7－300系列PLC作為主控制器，既能實(shí)時監(jiān)測所有基礎(chǔ)控制器的運(yùn)行狀態(tài)，還可以通過其內(nèi)部的邏輯運(yùn)算模塊和算數(shù)模塊，計算得到其他無法直接獲取的控制量［2］。圖2為PLC控制器的組成結(jié)構(gòu)圖。

圖2 PLC控制器的組成結(jié)構(gòu)圖

PLC綜合控制器與各類傳感器、基礎(chǔ)控制器的通信是基于PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)的。它是將單一的、分散的現(xiàn)場設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并通過總線電纜（帶通信接口）依次連接建立一個通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PROFIBUS－DP協(xié)議符合RS485標(biāo)準(zhǔn)，傳輸介質(zhì)采用的是雙絞屏蔽線，能夠很好地隔離外部信號的干擾［3-5］。S7－300系列PLC有專門的PROFIBUS －DP接口，通過編程電纜可以將CP341通信模塊連接到DP網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及程序下載。

2.2 智能監(jiān)控終端設(shè)計

2.2.1 結(jié)構(gòu)組成

智能監(jiān)控終端是一臺集成機(jī)箱，其內(nèi)部主要由主控制器、存儲硬盤、信號采集卡、AC－DC模塊、恒流源、PCB轉(zhuǎn)接板等器件組成。各器件之間的相互關(guān)系如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端內(nèi)部組成圖

2.2.2 機(jī)箱設(shè)計

監(jiān)控終端機(jī)箱的設(shè)計包括機(jī)箱外形設(shè)計、內(nèi)部元器件布局、接口大小和功能設(shè)計、顯示屏以及面板設(shè)計等，同時還需要考慮在安裝調(diào)試和拆卸維修過程中的便捷性和散熱性。綜合監(jiān)控終端的功能需求，設(shè)計了監(jiān)控終端內(nèi)部硬件電氣原理圖，如圖4所示。

圖4 硬件電氣原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計

3.1.1 流程設(shè)計

按照設(shè)計要求，主程序應(yīng)具備采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、調(diào)用MATLAB功能模塊和優(yōu)化模塊。上位機(jī)程序總體流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

3.1.2 各模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1）采集模塊：采集模塊是底層的數(shù)據(jù)采集程序，負(fù)責(zé)采集所有電流傳感器中的數(shù)據(jù)，主要包括采集方案的配置、軟硬件初始化、數(shù)據(jù)的保存以及采集時間獲取、數(shù)據(jù)曲線的繪制。

2）通信模塊：PLC與智能監(jiān)控終端的通信是基于專用CP341模塊的通信模塊實(shí)現(xiàn)的。首先約定PLC與智能監(jiān)控終端的通信協(xié)議，然后以ASCII碼的形式向PLC發(fā)送請求指令，PLC接收到請求指令并確認(rèn)指令正確后，啟動定時發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，智能監(jiān)控終端則啟動定時接收線程，接收來自PLC的數(shù)據(jù)。

3）MATLAB模塊：當(dāng)主程序運(yùn)行至調(diào)用MATLAB模塊處時，啟動MATLAB以接收從CVI發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后打開相應(yīng)的遺傳算法程序（.m文件）并運(yùn)行，將優(yōu)化后的結(jié)果保存后向CVI發(fā)送優(yōu)化值［6-7］。

4）優(yōu)化模塊：優(yōu)化模塊是整個上位機(jī)程序的核心，通過將接受到的PLC數(shù)據(jù)與實(shí)時空氣狀態(tài)比對，確實(shí)工況后，啟動MATLAB進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行空氣處理。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計

3.2.1 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是Step7軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，是指模擬實(shí)際PLC硬件系統(tǒng)，將電源、CPU以及其他子模塊安裝在相應(yīng)的機(jī)架上，并對各硬件模塊的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和修改的過程［6］。系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖6所示。

添加各模塊時，必須保證組態(tài)的模塊信息與實(shí)際組態(tài)中的模塊信息一致，否則會導(dǎo)致組態(tài)失敗。完成系統(tǒng)的硬件組態(tài)后，進(jìn)行編譯，成功后下載至CPU中，以備通信程序的調(diào)用。

3.2.2 主控制程序

組織塊OB1控制整個系統(tǒng)的循環(huán)，在OB1中可以調(diào)用所有功能塊：DB1中讀取系統(tǒng)所有離散量數(shù)據(jù)，包括各設(shè)備啟動和運(yùn)行的開關(guān)量值、投入數(shù)量。在功能塊FC5中通過調(diào)用數(shù)據(jù)塊DB1，可以隨時獲取機(jī)組各設(shè)備的狀態(tài)。FC6主要負(fù)責(zé)接收傳感器傳輸?shù)哪M量數(shù)據(jù)。但是，傳感器采集到的數(shù)據(jù)與PLC存儲的數(shù)據(jù)類型不一致，因此在FC2中進(jìn)行了數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。在FC6調(diào)用FC2將整型的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，并將其存儲在數(shù)據(jù)塊DB2中。功能塊FC7通過DB3對各設(shè)備進(jìn)行輸出控制。功能塊FC14通過調(diào)用系統(tǒng)程序庫中的接收塊FB7、發(fā)送塊FB8實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。各功能塊和數(shù)據(jù)塊之間相互調(diào)用的關(guān)系如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)硬件組態(tài)

圖7 程序各模塊關(guān)系圖

3.2.3 通信程序

通信程序通過調(diào)用Step7軟件程序庫中的發(fā)送功能塊和接收功能塊，實(shí)現(xiàn)與主控制程序的對接。

首先由智能監(jiān)控終端向PLC發(fā)送ASCII碼，請求PLC發(fā)送存儲的模擬量數(shù)據(jù)。接收到ASCII碼后，需要將其轉(zhuǎn)換為整型數(shù)據(jù)，并通過與事先約定好的協(xié)議進(jìn)行比對，接收到正確的ASCII碼后，觸發(fā)發(fā)送功能塊FB8，PLC將數(shù)據(jù)塊DB26中的待優(yōu)化參數(shù)傳遞給監(jiān)控終端，經(jīng)過終端計算后，重新傳遞至PLC中，最后下載至各設(shè)備。整個通信程序的運(yùn)行流程如圖8所示。

判斷接收到的ASCII碼是否正確的具體操作為：首先將開關(guān)量M20.2置于接通狀態(tài)，接收到的字符型ASCII碼存儲在數(shù)據(jù)塊DB28中，進(jìn)行整型變換后存在DB2中。隨后，將DB2中的數(shù)據(jù)與事先定好的協(xié)議作對比，符合協(xié)議則對線圈M20.3進(jìn)行置位，同時將接收數(shù)據(jù)塊的觸發(fā)位M20.1復(fù)位。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖9所示。

激活發(fā)送功能塊FB8后，將接收數(shù)據(jù)塊DB28中的待優(yōu)化參數(shù)傳遞給監(jiān)控終端，當(dāng)發(fā)送無錯誤時，M20.1接通，數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。

而將優(yōu)化后的參數(shù)需要重新傳遞給PLC時，重新調(diào)用接收塊FB7，因此將FB8的觸發(fā)位復(fù)位的同時，對接收塊FB7的觸發(fā)位進(jìn)行置位處理，從而構(gòu)成整個控制程序的循環(huán)執(zhí)行。

4 結(jié)論

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。對夏季工況下08：00～09：00這一時間段的空氣參數(shù)進(jìn)行取樣，各運(yùn)行參數(shù)如下表：

圖8 通信程序運(yùn)行流程

圖9 判斷ASCII碼是否正確

表1 運(yùn)行參數(shù)表

將系統(tǒng)的總能耗值繪制成曲線如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)總能耗值變化趨勢

通過將原系統(tǒng)和本系統(tǒng)的總能耗值進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)，由于其控制參數(shù)始終保持在最優(yōu)狀態(tài)點(diǎn)，可以避免運(yùn)行參數(shù)不斷振蕩的現(xiàn)象的發(fā)生。通過現(xiàn)有控制系統(tǒng)每小時平均耗電量為3.15×104kJ，原系統(tǒng)每小時平均耗電量為1.79×104kJ，比現(xiàn)有控制系統(tǒng)總能耗值降低了32.1%，同時也大大提高了機(jī)組各設(shè)備的運(yùn)行效率。

［1］姜 皓，叢 華，江鵬程.組合式空調(diào)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2009（5）：72-76.

［2］郭 超.基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件PLC的研發(fā)［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2010.

［3］費(fèi) 寧.PLC控制在汽車底盤裝配生產(chǎn)線的應(yīng)用研究［D］.沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2012.

［4］張 樸.PROFIBUS－DP在擠出機(jī)塑料板材生產(chǎn)線改上的應(yīng)用及智能從站開發(fā)的研究［D］.北京：中國科技大學(xué)，2005.

［5］王田宏.現(xiàn)場總線技術(shù)及專家系統(tǒng)在電廠化驗(yàn)站的應(yīng)用研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2004.

［6］張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).從入門到精通—西門子S7－300／400PL技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［7］雷英杰.MATLAB遺傳算法工具箱及其應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

Optimal Operation and Control System of Air－conditioning Based on PLC

Hu Jiwan1，Huang Yuanyuan2，Li Jianjian1

（1.Unit 63981 of PLA，Wuhan 43000，China；2.WISDRI（Wuhan）WIS Industrial Furnace Co.，Ltd，Wuhan 43000，China）

In actual operation of the air－conditioning unit，because of the variability and the interference of the external environment，and the singleness of the control means，the process of control parameters’adjustments of each device became very cumbersome，which created the large fluctuation of operation parameters，and seriously affecting the accuracy and cycle regulation.In order to solving the above problems，the paper takes PLC as the core，the overall system architecture and intelligent monitoring was designed，and then the PC（intelligent monitoring）program was designed，including the designer of the process and the module.Then the lower computer（PLC）program controller of the control system was designed，the optimal operation and control system was designed，which lead to the operating efficiency of its units to be significantly improved and the system power consumption value reduced greatly.

PLC integrated construction；intelligent monitoring；optimization；control

1671-4598（2016）08-0090-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.024

：TU831

：A

2016-02-23；

：2016-03-10。

胡際萬（1989-），男，湖北黃石人，碩士，主要從事機(jī)電工程方向的研究。