基于S7-300PLC的新風(fēng)空調(diào)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究

張?zhí)?，徐竟?/p>

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065）

0 引言

隨著現(xiàn)代辦公大廈建筑面積的加大，樓層的增高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，空調(diào)系統(tǒng)為人們提供適宜的溫濕度和控制二氧化碳的濃度就變得尤為重要，其設(shè)計(jì)也就在當(dāng)今的大廈建筑設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了舉足輕重的作用。而在傳統(tǒng)空調(diào)控制系統(tǒng)中，主要存在三方面的問題：一是配置的大量機(jī)電設(shè)備，導(dǎo)致管理復(fù)雜度的增加和成本的提高；二是純?nèi)斯じ深A(yù)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無法做到設(shè)備的自動(dòng)切換，不能精準(zhǔn)控制溫濕度和CO2濃度，造成資源浪費(fèi)；三是現(xiàn)在大多辦公大廈新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)并沒有結(jié)合到一起，空調(diào)只有控制溫度的作用，無法調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度和CO2濃度，不利于身體健康。針對以上問題和國家對節(jié)能減排的倡導(dǎo)，通過現(xiàn)代工控技術(shù)，設(shè)計(jì)新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控就具有十分重要的意義。

本文針對西安某大廈暖通自控項(xiàng)目中對室內(nèi)溫濕度和CO2濃度要求設(shè)計(jì)了新風(fēng)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)。該大廈位于未央?yún)^(qū)，共二十七層，地下兩層，地上二十五層，總建筑面積為34381平方米。根據(jù)實(shí)際情況，地下二層放置制冷供熱系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備，1到2層和6到25層（3到5層外租，不做設(shè)計(jì)）每層放置一臺(tái)新風(fēng)機(jī)組并布置風(fēng)機(jī)盤管。采用基于S7-300PLC的DCS控制系統(tǒng)，利用PROFINET和PROFIBUS-DP總線將各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給CPU處理，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)空調(diào)的監(jiān)控和CO2的恒值控制。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 制冷供熱系統(tǒng)的工藝流程

新風(fēng)空調(diào)的制冷供熱系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、采暖循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等組成[1]，如圖1所示。

其中螺桿冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔和電動(dòng)蝶閥構(gòu)成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。自來水經(jīng)軟水器過濾后，先由分水器進(jìn)入辦公空調(diào)供水管道DN300，帶走室內(nèi)的熱量，攜帶熱量的水進(jìn)入集水器，隨后流入螺桿冷水機(jī)組冷卻，再由冷卻水泵將水送入冷卻塔中，然后由水塔風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將熱量散發(fā)到空氣中，進(jìn)行熱交換，而被送回到冷凍機(jī)中的冷卻水（回水），繼續(xù)吸收室內(nèi)的熱量[2]。

冷凍泵、冷凍管道及風(fēng)機(jī)盤管組成冷凍水循環(huán)系統(tǒng)[1]。從螺桿冷水機(jī)組流出的冷凍水，經(jīng)由冷凍泵帶入分水器，通過風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)入各樓層的各個(gè)房間，帶走室內(nèi)的溫度，增加濕度，使室內(nèi)溫度下降，濕度上升。帶走室內(nèi)溫度的水升溫后流向集水器，接著流向螺桿冷水機(jī)組，形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)[1]。

圖1 制冷供熱系統(tǒng)工藝流程

采暖循環(huán)系統(tǒng)由板式換熱器和采暖循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)盤管構(gòu)成。當(dāng)室內(nèi)溫度較低時(shí)，經(jīng)過軟水器的水經(jīng)過采暖循環(huán)泵和板式熱換器轉(zhuǎn)換為熱水經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管，提高房間溫度[3]。

1.2 新風(fēng)系統(tǒng)的控制原理圖

每層設(shè)置一臺(tái)新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組的功能包括調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度、送風(fēng)相對濕度以及防凍控制、CO2濃度控制等。本設(shè)計(jì)中主要控制的是CO2濃度，在每個(gè)樓層選擇人群密集的點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)，放置CO2濃度傳感器，控制送風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速[4]。新風(fēng)系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

圖2 新風(fēng)系統(tǒng)的控制原理圖

1.3 監(jiān)控點(diǎn)數(shù)

新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)要監(jiān)控的對象主要包括：旁通閥門、電動(dòng)蝶閥、冷凍水泵、熱水泵、冷水機(jī)組、冷卻塔、風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水電磁閥、冷熱水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機(jī)啟停、新風(fēng)風(fēng)閥。最終整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的模擬量輸入點(diǎn)數(shù)共有71個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)21個(gè)，數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)152個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)232個(gè)，并留有15%擴(kuò)展余地[5]。如表1所示。

表1 系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對地下二層機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況和每一層新風(fēng)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，便于操作員監(jiān)控運(yùn)行畫面，處理報(bào)警故障和記錄數(shù)據(jù)。

2 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

新風(fēng)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用S7-300PLC的控制功能，利用STEP7軟件設(shè)定控制程序[6]，調(diào)節(jié)新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的閥門開度、水泵啟停，采集系統(tǒng)中溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器等過程控制級中現(xiàn)場儀器儀表的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為操作級中組態(tài)王6.55可用的數(shù)據(jù)格式完成組態(tài)。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

工控機(jī)（IPC）作上位機(jī)，S7-300 PLC和分布式I/O設(shè)備作為下位機(jī)，由多總線結(jié)構(gòu)構(gòu)成IPC+PLC+分站的控制系統(tǒng)[7]，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)空調(diào)中機(jī)組設(shè)備的自動(dòng)檢測與控制，如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)

鑒于整個(gè)新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)需要穩(wěn)定性以及要解決對CO2濃度的恒值控制，整個(gè)控制系統(tǒng)基于西門子S7-300PLC，包含ET200M分布式I/O及相應(yīng)的Profibus-DP總線。顯示屏選用三星液晶顯示器，工控機(jī)選用研華工控機(jī)IPC-610H，PLC的CPU模塊選用西門子公司的CPU 315-2DP模塊。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件選用Kingview 6.55，依托于研華IPC-610H中的Windows XP系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。監(jiān)控畫面包括地下二層工況圖，每層新風(fēng)系統(tǒng)控制圖，1層和2層的盤管系統(tǒng)，2層的組合空調(diào)系統(tǒng)以及報(bào)警界面等。同時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)中需要控制的目標(biāo)值是二氧化碳濃度，控制器為模糊PID控制，在MATLAB中搭建Simulink控制策略原理圖，實(shí)現(xiàn)仿真和計(jì)算，并通過OPC通訊協(xié)議，實(shí)時(shí)傳送MATLAB回送的控制量給組態(tài)王[8-9]。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

監(jiān)控主畫面可通過Kingview的動(dòng)態(tài)顯示功能將現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)地顯現(xiàn)出來，便于操作員在計(jì)算機(jī)前就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況；利用報(bào)警功能，當(dāng)冷卻水供水溫度、回水溫度、送風(fēng)溫度、二氧化碳濃度不在設(shè)定范圍內(nèi)的時(shí)候，啟動(dòng)報(bào)警程序、產(chǎn)生報(bào)警信息并在組態(tài)畫面中顯示出來，提醒相關(guān)人員檢修；利用報(bào)表功能，可將現(xiàn)場各種實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)記錄并存儲(chǔ)，方便工作人員查詢[10]。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.4 新風(fēng)機(jī)組控制策略

（1）新風(fēng)機(jī)組CO2濃度控制策略

科學(xué)研究表明，隨著CO2濃度的增加，室內(nèi)人員的生理會(huì)發(fā)生相應(yīng)的發(fā)生改變，如圖6所示。

圖6 室內(nèi)二氧化碳的濃度對室內(nèi)人員的影響

根據(jù)《室內(nèi)空氣中二氧化碳衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 17904-1997）的標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合圖6中人員的生理反應(yīng)，設(shè)置室內(nèi)空氣中二氧化碳日平均最高容許濃度為≤0.09%（1800mg/m3），為了滿足此標(biāo)準(zhǔn)，本文研究通過改變新風(fēng)量的大小控制室內(nèi)的CO2濃度[11]。利用CO2濃度傳感器檢測室內(nèi)CO2濃度，采用質(zhì)量平衡原理：

確定新風(fēng)量的大小，通過先進(jìn)控制過程改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，來滿足計(jì)算得出的新風(fēng)量的需求[11]。流程圖如圖7所示。設(shè)置模糊控制器，模糊控制器的框圖如圖8所示[12]。

圖7 新風(fēng)量控制原理

圖8 室內(nèi)CO2模糊PID控制

（2）基于OPC的模糊PID算法與工控軟件的通信

本文研究的大廈新風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)中，嘗試使用常規(guī)的PID控制，發(fā)現(xiàn)KP、KI、KD設(shè)定后不變，不具備自適應(yīng)的能力，效果欠佳，而使用模糊 PID控制時(shí)，KP、KI、KD會(huì)隨外界環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而在工控軟件中僅提供PID控制模塊，無法實(shí)現(xiàn)模糊PID對CO2濃度的控制，本文以西門子工控軟件（STEP7 V5.5）和組態(tài)王（Kingview 6.55）為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，采用Simulink中的OPC通訊模塊來完成組態(tài)王監(jiān)控界面和MATLAB先進(jìn)控制算法（模糊PID）程序之間的數(shù)據(jù)傳輸[13]，其信息傳遞流程如圖9所示。

圖9 信息傳遞流程

一旦OPC通信成功，則基于MATLAB的模糊控制PID模塊的計(jì)算結(jié)果，由OPC接口直接傳回組態(tài)王中，最終通過PROFIBUS-DP將控制信息下傳到PLC中，完成對二氧化碳濃度的恒值控制。

（3）MATLAB、STEP7和組態(tài)王的聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

仿真環(huán)境：WindowsXP操作系統(tǒng)，選用STEP7 V5.5為編程軟件和Kingview 6.55軟件為上位機(jī)監(jiān)控軟件，利用MATLABR2014a/Simulink建立仿真模型，結(jié)果如圖10所示。

圖10 常規(guī)PID與模糊PID曲線對比圖

由圖10可以看出，常規(guī)PID與模糊PID控制均能使控制系統(tǒng)最終達(dá)到穩(wěn)定，但與前者（粉色線條）相比，后者（紅色線條）σ（超調(diào)量）明顯下降，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，魯棒性好，因此在控制CO2濃度方面采用模糊PID能夠取得更優(yōu)的控制效果[16]。

3 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

整棟大廈的新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)選用Kingview 6.55設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，通過以太網(wǎng)將組態(tài)軟件與PLC連接[14]。點(diǎn)擊組態(tài)文件中的切換view畫面，畫面顯示啟動(dòng)的狀況，主界面如圖11所示，地下二層機(jī)電設(shè)備的閥門根據(jù)實(shí)際情況開啟或斷開，管道內(nèi)的水質(zhì)流動(dòng)，且具有箭頭、文字標(biāo)識(shí)，起到美觀醒目的作用。同時(shí)，可以切換到不同樓層監(jiān)視新風(fēng)機(jī)組的運(yùn)行狀況，并設(shè)置了報(bào)警和報(bào)表頁面，操作員能夠方便、直觀和實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備、管道、閥門的連接情況和運(yùn)行狀態(tài)[17]，如圖12所示。

圖11 人機(jī)監(jiān)控主界面

4 結(jié)語

圖12 新風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控界面

本文研究了基于OPC的先進(jìn)控制算法與西門子S7-300PLC的通訊，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)二氧化碳濃度和整棟大廈新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控，符合智能可持續(xù)建筑的要求，具有強(qiáng)大的控制功能、人機(jī)交互靈活和可靠的優(yōu)點(diǎn)，大大減少了手動(dòng)開關(guān)數(shù)量，簡化了操作流程，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該監(jiān)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于旭隆能源大廈的中央空調(diào)暖通自控系統(tǒng)中，目前運(yùn)行狀況良好。