基于松下PLC機房精密空調(diào)溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

常云峰

【摘 要】隨著廣播電視技術(shù)的發(fā)展，電視節(jié)目制作及播出全部實現(xiàn)數(shù)字化，核心的服務(wù)器及儲存都需要機房恒溫恒濕的環(huán)境確保正常工作。本文簡單介紹一下機房精密空調(diào)溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】機房空調(diào) PLC 集中監(jiān)控

一、國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀

1.機房空調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

對機房空調(diào)的研究始于20世紀50年代，最開始是在美國發(fā)展起來，隨著程控機房數(shù)量的增加，機房空調(diào)的使用也越來越廣泛，業(yè)內(nèi)對機房空調(diào)的研究也得到了相應(yīng)重視。從追求更高的運行精度到提高機組的可靠穩(wěn)定性，到提高空調(diào)機組的運行效益、節(jié)能降耗，再到對機房空調(diào)的管理維護，無處不體現(xiàn)出技術(shù)人員的努力與成績。

最開始對機房空調(diào)的精度要求并不高，隨著機房設(shè)備的不斷更新，越來越多的高精密設(shè)備的引入，對運行環(huán)境也提出了更高的要求，機房空調(diào)的控制精度也不斷提高?？照{(diào)系統(tǒng)不斷地優(yōu)化，控制方法不斷地發(fā)展與更新，PID技術(shù)、變頻技術(shù)、人工智能模糊控制等先進的技術(shù)都應(yīng)用到機房空調(diào)的控制中，使機房空調(diào)的控制精度有所提高和發(fā)展。

從控制方式上，機房空調(diào)溫濕度采集系統(tǒng)控制可分為三種：繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器DDC和可編程邏輯控制器PLC。早期主要采用繼電器控制，但這種方式存在明顯的缺點，比如系統(tǒng)復(fù)雜，功耗高，出現(xiàn)故障檢修困難等，因此也注定將其淘汰。后來出現(xiàn)的直接數(shù)字式控制器DDC在智能化方面有了明顯的進步，但DDC也有本身的缺點，真正限制了其應(yīng)用范圍的原因在于它的抗干擾能力問題，及其分級分步式結(jié)構(gòu)所帶來的局限性。到了PLC控制階段，機房空調(diào)控制系統(tǒng)才真正得到滿足。PLC與前兩種控制方式相比有著明顯的優(yōu)勢，比如PLC控制系統(tǒng)運行可靠，抗干擾能力強，應(yīng)用和維護方便等等，尤其突出的是PLC強大的聯(lián)網(wǎng)通信能力能夠適用于新型高速網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這些顯著的優(yōu)點使其得到廣泛的應(yīng)用。

2.機房空調(diào)溫濕度采集系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對機房空調(diào)的研究起步較晚，一直以來，對機房空調(diào)系統(tǒng)的研究主要集中在新技術(shù)的應(yīng)用，對機房空調(diào)的系統(tǒng)管理及空調(diào)工作狀態(tài)的監(jiān)控沒有足夠的認識，導(dǎo)致機房管理自動化水平、信息化水平一直比較低。由于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，是在一定的工況和前提條件下才能發(fā)揮空調(diào)的最大制冷效果，對于維護好空調(diào)，能夠優(yōu)化運行從而達到節(jié)能的目的。另外一方面，機房空調(diào)作為信息系統(tǒng)的重要支撐，需要24小時不停運轉(zhuǎn)，人工維護難度大，不利于維護機房環(huán)境的穩(wěn)定。隨著業(yè)務(wù)機房的數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大，對空調(diào)的維護管理也逐漸得到了工作人員的重視，機房環(huán)境溫濕度的管理從一開始的人工現(xiàn)場維護到遠程集中監(jiān)測，得到了飛速的發(fā)展。加上計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、PLC技術(shù)等相關(guān)技術(shù)在機房溫濕度采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，大大增強了機房設(shè)備管理的自動化水平，使機房設(shè)備維修簡單、方便，保證了機房設(shè)備的可靠運行，目前國內(nèi)機房溫濕度采集系統(tǒng)有以下幾種形式：

①人工檢測形式

這種方式還屬于比較原始的監(jiān)控方式，是靠維護人員現(xiàn)場利用檢測儀進行檢測，檢測儀上集成CPU、外圍電路A/D轉(zhuǎn)換、溫濕度傳感器，通過它可以實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)采集和計算、查看當(dāng)前機房環(huán)境溫濕度，檢測空調(diào)機組的運行狀態(tài)。這種方式雖然有投資少、移動靈活的優(yōu)點，但功能過于簡單，無法實現(xiàn)實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理、遠程監(jiān)控、集中管理功能，無法實現(xiàn)空調(diào)機組的24小時監(jiān)控，不利于保證運行環(huán)境的長期穩(wěn)定可靠。

②集中式溫濕度檢測形式

集中式溫濕度檢測形式由信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、主機監(jiān)控、信號傳輸?shù)冉M成，這種方式通過現(xiàn)場總線傳遞給上位機，上位機對接收的數(shù)據(jù)進行計算處理，并通過顯示器將機房溫濕度參數(shù)顯示給監(jiān)控人員。這種方式對于管理維護已經(jīng)很方便，但也有缺點，模擬信號傳輸過程受到距離的影響，當(dāng)傳輸距離長時容易產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致信號波動，甚至失真。

③多層分布式結(jié)構(gòu)形式

此種模式由監(jiān)控觸摸屏和采集控制模塊組成，每個采集控制模塊具有信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)傳輸功能，有獨立的CPU，可以將采集的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就解決了模擬信號傳輸過程受距離影響的問題。監(jiān)控觸摸屏通過現(xiàn)場總線技術(shù)輪詢監(jiān)測各采集模塊，再將采集的數(shù)據(jù)分析處理，通過觸摸屏畫面顯示給維護人員。這種結(jié)構(gòu)形式中，每個機房都具有獨立的溫濕度采集控制單元，再由現(xiàn)場總線組合成一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)，這樣不僅實現(xiàn)了對機房溫濕度的實時監(jiān)控，也大大減小了機房環(huán)境巡查及空調(diào)維護的難度。

二、PLC介紹

機房精密空調(diào)溫濕度采集系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。自20世紀60年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。

三、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

在機房精密空調(diào)溫濕度采集系統(tǒng)采用RS485總線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓撲結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接99個結(jié)點。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。在該系統(tǒng)設(shè)計中采用了松下PLC AXPF-COM4模塊作為通信接口。

四、硬件設(shè)計

在該系統(tǒng)中采用昆侖通態(tài)的觸摸屏作為人機對話顯示工具，分別將PLC采集的溫濕度的數(shù)據(jù)顯示出來，提供給值班人員作為參考，同時提供報警輸出。

在機房關(guān)鍵設(shè)備安裝北京昆侖海岸溫濕度一體變送器，供電為24V直流，溫度量程為0-50℃，最小分辨率為0.1℃，濕度為0-100%，最小分辨率為5%，將環(huán)境溫度及濕度轉(zhuǎn)化為0-20mA工業(yè)模擬量信號輸出。。

在四個機房安裝松下PLC14R作為核心處理器，對采集的數(shù)據(jù)進行邏輯比較運算對比設(shè)定數(shù)值，大于時輸出報警信息。在PLC上加裝AXPF-COM4模塊，提供一路的485通信接口，四個機房的PLC用一根屏蔽1.0雙絞線鏈接，作為從站，主站的觸摸屏安裝在值班室實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.梯形圖

在該工程項目中采用梯形圖的編程語言，也是在實際設(shè)計中最常用的一種語言。因與繼電器電路很相似，所以具有直觀易懂的特點，很容易被熟悉繼電器控制的電氣技術(shù)人員所掌握，特別適合于數(shù)字邏輯控制。

梯形圖是一種圖形化的編程語言，沿用了傳統(tǒng)的電氣控制原理圖中的繼電器觸點、線圈、串聯(lián)和并聯(lián)等術(shù)語和一些圖形符號，左右的豎線稱為左右母線。在程序中，最左邊是主信號流，信號流總是從左向右流動的。梯形圖由觸點、線圈和指令框構(gòu)成。觸點代表邏輯輸入條件，線圈代表邏輯運算結(jié)果，指令框用來表示定時器、計數(shù)器或數(shù)學(xué)運算等功能指令。梯形圖的觸點只有常開和常閉兩種，觸點可以是PLC外部開關(guān)連接的輸入繼電器的觸點，也可以是PLC內(nèi)部繼電器的觸點或內(nèi)部定時器、計數(shù)器等的觸點。梯形圖中的觸點可以任意地串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)。內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能作為中間結(jié)果供CPU使用。PLC按照循環(huán)掃描的方式處理控制任務(wù)，并沿梯形圖的先后順序執(zhí)行。

2.溫度采集程序設(shè)計

溫度采集程序起始使用R9010常閉特殊內(nèi)部繼電器，F(xiàn)1DMV為32位傳送指令將第一路的溫度采集數(shù)字量傳送到地址寄存器DT100中，F(xiàn)326DFLT將DT100轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，F(xiàn)313為浮點數(shù)除法指令，將獲取的數(shù)字量除以最高數(shù)字量程4000再使用F312浮點數(shù)乘法指令，乘以溫度傳感器的最大測量值50，得出的值就是實際溫度值儲存在DT106地址寄存器中作為觸摸屏的顯示地址。

3.濕度采集程序設(shè)計

濕度采集程序起始使用R9010常閉特殊內(nèi)部繼電器，F(xiàn)1DMV為32位傳送指令將第二路的濕度采集數(shù)字量傳送到地址寄存器DT108中，F(xiàn)326DFLT將DT108轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，F(xiàn)313為浮點數(shù)除法指令，將獲取的數(shù)字量除以最高數(shù)字量程4000再使用F312浮點數(shù)乘法指令，乘以傳感器的最大測量值100，得出的值就是實際濕度的百分比值儲存在DT114地址寄存器中作為觸摸屏的顯示地址。

4.溫濕度報警程序設(shè)計

報警程序設(shè)計中使用了一個報警預(yù)置值，作用是在PLC上電時避免報警輸出。PLC上電第一個掃描周期，將浮點數(shù)26和90傳輸?shù)綀缶舷薜刂芳拇嫫髦?，其溫度上限?6℃，濕度上限為90%。再根據(jù)實際的情況在觸摸屏輸入相應(yīng)的報警上限值。

報警程序指令F345為浮點比較指令，DT106為實際溫度值，DT116為報警上限值，R900A為大于輸出內(nèi)部繼電器，當(dāng)實際溫度大于設(shè)定溫度時R900A為常閉，R0為常閉，觸摸屏讀取R0報警輸出。

六、總結(jié)

本項目介紹了一套機房精密空調(diào)集中控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。該系統(tǒng)實現(xiàn)了每個機房精密空調(diào)的獨立監(jiān)控，控制功能主要由松下小型PLC FPX14R完成，通過對PLC的軟件編程，實現(xiàn)機房的溫濕度集中采集，保證空調(diào)機組的可靠性和精度要求。可以通過上位機觸摸屏對機房的溫濕度進行集中監(jiān)控，高于設(shè)定溫度及濕度時輸出報警，保證機房24小時不間斷地穩(wěn)定在要求的環(huán)境條件下工作。

（作者單位：遼寧廣播電視臺）