基于PLC的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

王宇鵬

中移鐵通包頭分公司 內(nèi)蒙古包頭 014040

在空調(diào)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大背景下，空調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的普及程度偏低，其市場(chǎng)的價(jià)格相對(duì)偏高，再加上用戶對(duì)于空調(diào)自動(dòng)系統(tǒng)使用方法的普及不到位，就算是用戶購(gòu)買了擁有自動(dòng)控制系統(tǒng)的空調(diào)，但是在實(shí)際的生活當(dāng)中，也沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。所以，針對(duì)暖通行業(yè)的創(chuàng)新，就需要在技術(shù)層面上考慮更多的問(wèn)題。

1 PLC的組成

PLC的組成可以歸納為六大模塊，其核心部分為微處理器。PLC的組成的第一大模塊為中央處理器，中央處理器的作用主要是用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集，其程序的編制應(yīng)從用戶的需求出發(fā)，各個(gè)目標(biāo)指令的實(shí)現(xiàn)應(yīng)該根據(jù)所反饋的不同數(shù)據(jù)；數(shù)字與模擬輸入作為第二大模塊，其信號(hào)的收集可以有多個(gè)渠道，如電位器和變送器等。另一方面，關(guān)于對(duì)調(diào)節(jié)閥、變頻器、切斷閥、接觸器以及報(bào)警裝置的操作控制均可以根據(jù)數(shù)字與模擬輸出模塊來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。第三大模塊則為電源，主要的任務(wù)有兩個(gè)：一為將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，二為提供線板的電源供應(yīng)；第四大模塊為通信模塊，它不僅能把PLC信息傳送中央處理系統(tǒng)，而且也是I/O接口和計(jì)算機(jī)設(shè)備的聯(lián)系紐帶，其主要工作是對(duì)遠(yuǎn)程的通信互聯(lián)工作負(fù)責(zé)。第五大模塊編程設(shè)備模塊，主要是下載和編寫(xiě)程序，它是基于STEP7軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，WINCC軟件的應(yīng)用使程序員更易修改和編程；第六，接口模塊可以為擴(kuò)展提供電源支持，同時(shí)還能夠有效擴(kuò)充PLC的存儲(chǔ)容量。

2 優(yōu)化控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制平臺(tái)的基本框架主要分為3層。最底層是由傳感器和執(zhí)行器兩部分組成的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。其中傳感器負(fù)責(zé)采集空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部件的數(shù)據(jù)信息并發(fā)送給DDC控制器，執(zhí)行器則從DDC控制器接收控制信號(hào)，并完成各部件最優(yōu)值的設(shè)定操作。中間一層則為控制層，由DDC控制器和系統(tǒng)總線等設(shè)備組成。一方面控制器收集從傳感器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)字模擬信號(hào)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷，另一方面將從中心決策層發(fā)出的各變量最優(yōu)設(shè)定值和設(shè)備啟停信號(hào)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器可執(zhí)行的控制信號(hào)。中心決策層扮演著整個(gè)系統(tǒng)“大腦”的角色。它的主要功能是以傳感器采集到的數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和能耗模型的優(yōu)化，依據(jù)系統(tǒng)能耗模型和約束條件建立目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，最后將計(jì)算得出的各變量的最優(yōu)設(shè)定值反饋給控制層。

3 優(yōu)化控制平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主站S7-300設(shè)計(jì)

DP主站是系統(tǒng)的中央控制器，負(fù)責(zé)對(duì)總線通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，并與上位機(jī)循環(huán)交換信息。所選優(yōu)化控制平臺(tái)的主站型號(hào)為S7-300PLCCPU315-2DP。

CPU315-2DP是一款適用于中等規(guī)模控制系統(tǒng)的PLC，具有運(yùn)行穩(wěn)定、可拓展性好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能與遠(yuǎn)程I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)STEP7準(zhǔn)模PID功能塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制任務(wù)。CPU315-2P帶有PROFIBUS-DP接口，通過(guò)此接口可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP通信。在本平臺(tái)中，利用PROFIBUS-DP通信專用的屏蔽雙絞線，將主站CPU的DP接口與從站的各DP接口按順序串接。主站的電源模塊選用型號(hào)為PS30710A，其輸入電壓為220VAC，輸出電壓為24VDC。以太網(wǎng)通信模塊為CP343-1Lean模塊，其主要功能是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層上位機(jī)與控制層主站PLC之間的數(shù)據(jù)通信，通信速率最高可達(dá)100Mbps。串行通訊模塊選擇CP340-RS232C模塊，負(fù)責(zé)接收來(lái)自總線型參數(shù)巡檢儀的數(shù)據(jù)信息。

3.2 OPC技術(shù)

OPC（OLEforProcessControl，用于過(guò)程控制的OLE）指用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)，能夠?yàn)楣I(yè)應(yīng)用程序之間提供高效信息集成和交互功能的組件模型接口。對(duì)于采用不同的控制軟件和協(xié)議的系統(tǒng)，OPC均能為不同的過(guò)程控制設(shè)備間提供可通信的接口，利用OPC這一優(yōu)勢(shì)，本文實(shí)現(xiàn)了MATLAB與組態(tài)軟件WINCC之間的通信[1]。服務(wù)器（Server）是組對(duì)象的容器，包含服務(wù)器對(duì)象的所有信息，能夠向OPC客戶端提供創(chuàng)建和操作組對(duì)象的功能；組（Group）為項(xiàng)對(duì)象的容器，負(fù)責(zé)提供項(xiàng)的組織和管理機(jī)制。項(xiàng)（Item）表示具體的過(guò)程變量，也是數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的基本單位。

3.3 MATLAB與組態(tài)軟件WINCC之間的通信實(shí)現(xiàn)

WINCC是工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的監(jiān)控系統(tǒng)，具備靈活性和開(kāi)放性，能夠安全可靠地與外部應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。WINCC提供了三種OPC服務(wù)器：OPC-DA、OPC-HAD和OPC-A＆E服務(wù)器。通過(guò)OPC-DA服務(wù)器能夠獲取優(yōu)化控制平臺(tái)控制過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)改變相關(guān)過(guò)程變量的值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

WINCC與MATLAB間的數(shù)據(jù)通訊原理，PLC采集空調(diào)系統(tǒng)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將其傳送到工控機(jī)內(nèi)部的組態(tài)軟件WINCC。在工控機(jī)內(nèi)部，WINCC與MATLAB通過(guò)OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，WINCC負(fù)責(zé)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，MATLAB則根據(jù)建立的能耗模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、參數(shù)辨識(shí)、尋優(yōu)計(jì)算等過(guò)程取得各變量的最優(yōu)設(shè)定值，最后將運(yùn)行結(jié)果通過(guò)WINCC、OPC協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)返回到PLC中，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的優(yōu)化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制要求末端傳感器和執(zhí)行器具有很高的控制精度、檢測(cè)精度和可靠性，如果出現(xiàn)故障，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)最終的控制效果產(chǎn)生很大的影響，因此優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)該配置完善的故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)，這是下一步需要開(kāi)展的工作。