基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的公共建筑電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

摘 要：針對現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)控制能力不足的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC（Programmable Logic Controller）技術(shù)設(shè)計了一種公共建筑電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用S3C2440A芯片作為中央處理器，通過模糊PID控制方法實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的能源管理，引入改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化管理效果；并通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)進(jìn)行電氣系統(tǒng)的精準(zhǔn)故障分析預(yù)測，大幅提高系統(tǒng)預(yù)測效率。在實(shí)驗中，該控制系統(tǒng)節(jié)能效果提高約50%，效率提高約41.18%，預(yù)測效率平均提高35.23%。該系統(tǒng)有效提高了對公共建筑中電力設(shè)備的控制能力。

關(guān)鍵詞：電氣控制；物聯(lián)網(wǎng)；PLC；模糊PID控制；射頻識別；能源管理；故障預(yù)測

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design and Application of Electrical Control System

for Public Buildings Based on Internet of Things and PLC

QIU Xifei

（Shanghai SIPO Polytechnic， Shanghai 200000，China）

Abstract：Aiming at the problem of insufficient control ability of existing electrical control systems， a public building electrical control system based on the internet of things and PLC （Programmable Logic Controller） technology is designed. The system uses S3C2440A chip as the central processor， realizes the energy management of power equipment by fuzzy PID control method， and introduces improved particle swarm optimization algorithm to optimize the management effect. And through radio frequency identification （RFID） technology for accurate fault analysis and prediction of electrical systems， greatly improve the efficiency of system prediction. In the experiment， the energy saving effect of the control system is increased by about 50%， the efficiency is increased by about 41.18%， and the prediction efficiency is increased by 35.23% on average. The system can effectively improve the control ability of power equipment in public buildings.

Key words：electrical control; internet of things; PLC; fuzzy PID control; radio frequency identification; energy management; fault prediction

公共建筑是指辦公建筑、科教文衛(wèi)建筑、旅游建筑、通信建筑、交通運(yùn)輸建筑等為民眾提供公共活動場所的建筑。隨著公共建筑規(guī)模的擴(kuò)大，建筑中電力設(shè)備越來越多，且電力設(shè)備的部署方式也越來越復(fù)雜，通過控制系統(tǒng)對其進(jìn)行相應(yīng)規(guī)劃管理可減少大量的管理控制成本，減少電力設(shè)備的維護(hù)工作。

對此，文獻(xiàn)[1]對公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備按功能進(jìn)行分類，通過對應(yīng)的控制系統(tǒng)完成設(shè)備控制，并建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行控制信息共享。但該控制方法較為煩瑣，且控制成本較高。

文獻(xiàn)[2]基于PLC技術(shù)設(shè)計出公共建筑電氣智能化系統(tǒng)，以PLC控制器為系統(tǒng)核心，控制公共建筑中各類電力設(shè)備所構(gòu)成功能模塊的智能運(yùn)行。但該系統(tǒng)不具備能源管理功能。

文獻(xiàn)[3]通過分析建筑內(nèi)電力設(shè)備的內(nèi)耗指標(biāo)，建立耗能最小的目標(biāo)函數(shù)，并基于機(jī)會約束構(gòu)建優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的能源管理。但該方法不能對電氣系統(tǒng)進(jìn)行故障分析及預(yù)測。

文獻(xiàn)[4]通過智能感知技術(shù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立自編碼器參量模型，確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后，進(jìn)行動態(tài)特征提取，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的故障分析預(yù)測。但該方法的預(yù)測時間較長。

綜上所述，本次研究基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC（Programmable Logic Controller）技術(shù)設(shè)計出電氣控制系統(tǒng)，使用模糊PID控制方法進(jìn)行能源管理，引入改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化管理效果；通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)進(jìn)行電氣系統(tǒng)的精準(zhǔn)故障分析預(yù)測。并在實(shí)驗中與其他電氣控制系統(tǒng)或方法進(jìn)行對比，以驗證該系統(tǒng)的可行性。

1 公共建筑電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計

針對上述研究存在的技術(shù)缺口，本研究設(shè)計了公共建筑電氣控制系統(tǒng)。并通過模糊PID控制方法優(yōu)化電氣系統(tǒng)的可控性，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的能源管理，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約；通過射頻識別技術(shù)優(yōu)化電氣系統(tǒng)的故障分析功能，提高故障預(yù)測效率。最后通過實(shí)驗驗證本研究的可行性。

本研究有以下2個創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）基于模糊PID控制方法實(shí)現(xiàn)能源管理。模糊PID控制方法是一種通過控制比例、微分、積分等運(yùn)算環(huán)節(jié)的權(quán)重比例，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動化控制的閉環(huán)控制方法。通過對該方法進(jìn)行改進(jìn)，可以有效提高控制系統(tǒng)的控制能力，從而提升系統(tǒng)的節(jié)能效果。

（2）使用射頻識別技術(shù)進(jìn)行故障預(yù)測分析。射頻識別技術(shù)屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對特征數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注形成標(biāo)簽，并由閱讀器向標(biāo)簽發(fā)射射頻信號生成標(biāo)簽信息，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。該方法可以進(jìn)行精準(zhǔn)的電氣系統(tǒng)故障分析，并大幅度提升了預(yù)測效率。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

在電氣控制系統(tǒng)中，常通過若干電器元件互相配合，實(shí)現(xiàn)對某電力設(shè)備的自動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測分析等。但控制能力有待提升。

物聯(lián)網(wǎng)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)萬物聯(lián)網(wǎng)的信息交換和通信技術(shù)，通過射頻識別、全球定位系統(tǒng)（GPS）和激光傳感器等傳感器件，使不同類型的物體能夠進(jìn)行通信[5]。而可編程邏輯控制器是由中央處理器、電源、通模數(shù)轉(zhuǎn)換元件等構(gòu)成的一種可編譯的運(yùn)算控制器[6]，也廣泛應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。

現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)設(shè)計公共建筑電氣控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可知，該電氣控制系統(tǒng)主要由中央處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、通信模塊以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備、顯示設(shè)備構(gòu)成，中央處理器控制采集設(shè)備進(jìn)行電力數(shù)據(jù)的采集，由通信單元發(fā)送至上位機(jī)于遠(yuǎn)程控制服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲及分析處理，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備能源管理和故障預(yù)測分析，并通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。分析后做出的電力設(shè)備管理決策再由通信單元重新反饋至中央處理器，通過執(zhí)行單元進(jìn)行電力設(shè)備控制。

在電氣控制系統(tǒng)中，核心元件為中央處理器，本次研究選用S3C2440A芯片作為中央處理器，通過該芯片控制各個模塊，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)能源控制、設(shè)備故障預(yù)測等功能。

通信模塊能夠?qū)?shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行銜接。在本研究中采用RS485標(biāo)準(zhǔn)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸，并選用MAX13485E通信驅(qū)動芯片進(jìn)行通信模塊的控制。該芯片的通信模式簡單，采取半雙工的形式進(jìn)行通信，不容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾現(xiàn)象[7]。芯片的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送由高低電平控制DE和RE引腳來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輸入高電平時，則表示允許發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；反之，則不可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收操作[8]。

遠(yuǎn)程控制服務(wù)器收到由通信模塊傳輸?shù)碾娏?shù)據(jù)后，在服務(wù)器中進(jìn)行存儲，并與服務(wù)器中的信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，實(shí)現(xiàn)公共建筑電氣系統(tǒng)的能源管理與故障預(yù)測分析。本研究主要針對電氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行改進(jìn)。

3 公共建筑電氣系統(tǒng)能源管理與故障分析

3.1 基于模糊閉環(huán)控制的能源管理

閉環(huán)控制是一種進(jìn)行控制后的輸出量重新回到控制系統(tǒng)的輸入端，成為輸入端控制因素的一部分的反饋控制方式[9]。模糊PID控制是一種通過比例（Proportional，P）、積分（Integral，I）、微分（Derivative，D）各環(huán)節(jié)之間權(quán)重的控制，從而實(shí)現(xiàn)各類系統(tǒng)的自動控制管理的閉環(huán)控制方法[10]。

由于建筑電氣設(shè)備所包含的控制變量較多，且模糊PID控制并不需要確切的被控對象，故本研究在傳統(tǒng)的模糊PID控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，用于公共建筑電氣系統(tǒng)的能源管理優(yōu)化。主要包括誤差參數(shù)ke、誤差變化參數(shù)kec、比例參數(shù)kpu、積分參數(shù)kiu和微分參數(shù)kdu這5個控制參數(shù)，以控制參數(shù)偏差值為目標(biāo)，建立的函數(shù)模型為：

式中，t是采樣的瞬時時間值，W是輸入數(shù)據(jù)值和輸出數(shù)據(jù)值的相對差值。

現(xiàn)引入粒子群算法提高模糊PID控制方法的控制能力[11]，式（1）即為尋優(yōu)函數(shù)模型，相對差值W就是尋優(yōu)的對象，設(shè)算法中粒子的初始速度和位置分別為vi和xi，則粒子的速度和位置變化更新可表示為：

vn+1i=φvni+λ1r1pni－xni+λ2r2qni－xnixn+1i=xni+vn+1i（2）

式中，i代表某一類控制參數(shù)，n是粒子更新的次數(shù)，φ是算法中的慣性參數(shù)，λ1和λ2是算法中的學(xué)習(xí)因子，r1和r2是兩個不相等的隨機(jī)數(shù)，pi和qi分別為部分最優(yōu)解和整體最優(yōu)解。且慣性參數(shù)的取值與控制參數(shù)的適應(yīng)度有關(guān)，當(dāng)?shù)趇類控制參數(shù)的適應(yīng)度比平均適應(yīng)度小或與平均適應(yīng)度相等時，φ=φmin －φmax －φmin μi－μmin －μmin ；反之，φ=φmax 。μi是第i類控制參數(shù)的適應(yīng)度，是平均適應(yīng)度，φmax 和φmin 是慣性參數(shù)的最大值和最小值。

現(xiàn)對傳統(tǒng)的粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)，引入動態(tài)學(xué)習(xí)因子，構(gòu)造λ1為單調(diào)遞增函數(shù)，λ2為單調(diào)遞減函數(shù)：

λ1=2sin2πn2nlimit

λ2=2sin2π21－nnlimit（3）

式中，nlimit是最大限制更新次數(shù)，函數(shù)圖像如圖2所示。

該方法使得初期時能在較短時間內(nèi)快速搜索到最優(yōu)解，將最優(yōu)解賦予模糊PID控制系統(tǒng)中的對應(yīng)參數(shù)，即可完成建筑電氣控制系統(tǒng)的能源優(yōu)化管理。

3.2 基于射頻識別技術(shù)的故障分析

射頻識別技術(shù)是一種可進(jìn)行自動識別的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)對典型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽操作，閱讀器發(fā)射射頻信號至標(biāo)簽，標(biāo)簽接收后由感應(yīng)電流主動生成標(biāo)簽信息，遞交至數(shù)據(jù)分析處理單元進(jìn)行信息處理[12]。

在本研究中，公共建筑電氣設(shè)備系統(tǒng)中發(fā)生故障的位置信息為x，y，第i個閱讀器的位置信息為Xi，Yi，且閱讀器的總數(shù)為N，則公共建筑系統(tǒng)中電氣設(shè)備的運(yùn)行誤差函數(shù)模型為：

φ=T－Laz0a≈cR02κ2，1cR03κ3，1cR0NκN，1（4）

式中，T為時間參數(shù)，La是閱讀器常量，za是電氣設(shè)備未來數(shù)據(jù)量，za=zp，R1T，R0i是包含故障信息的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，則故障數(shù)據(jù)標(biāo)簽于閱讀器之間的位置差距可用Ri，1表示。c為誤差因子，κ是誤差因子模型。

通過式（4）計算電氣設(shè)備發(fā)生故障的位置信息初始值x0，y0，由此可計算出故障信息的預(yù)計位置差異為：

LTtΣ－1Lt－1LTtΣ－1Tt=ΔxΔyΔxΔy=R′i=Xi－x02+Yi－y02（5）

式中，Lt是閱讀器權(quán)重系數(shù)矩陣，Σ是數(shù)據(jù)信息的協(xié)方差矩陣，Tt是時間參數(shù)的權(quán)重矩陣，Ri′是第i個包含故障信息的數(shù)據(jù)標(biāo)簽。且位置差異的約束條件為：

Δx+Δylt;α （6）

式中，Δx和Δy分別為x方向和y方向的位置絕對差異，α是約束門限值。

閱讀器再根據(jù)標(biāo)簽信息獲取算術(shù)平均值后，進(jìn)行故障預(yù)測分析：

X=x1+x2+…+xnnY=y1+y2+…+ynn （7）

式中，n是故障分析次數(shù)，X和Y是最終的故障預(yù)測分析結(jié)果。

為使故障預(yù)測分析結(jié)果更加精確，現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)方法對數(shù)據(jù)篩選處理：

xtm=xtm，1－amsm（8）

式中，xtm是篩選后電氣系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)據(jù)，m是數(shù)據(jù)總數(shù)，xtm，1是在t時刻設(shè)備數(shù)據(jù)的特征向量Xt，1中的元素，且Xt，1=［xt1，1，xt2，1，…，xtn，1］，am是數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，sm是數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

通過上述方法可以有效完成公共建筑電氣系統(tǒng)故障分析預(yù)測。

4 實(shí)驗分析

為測試電氣控制系統(tǒng)的能源管理和故障分析預(yù)測性能，現(xiàn)在某小型辦公大樓內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗測試，且經(jīng)人工檢驗，該建筑內(nèi)的電氣設(shè)備，即照明系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等電氣設(shè)備均正常運(yùn)行，保證測試環(huán)境條件一致?，F(xiàn)將本研究所設(shè)計的改進(jìn)型模糊PID控制方法與經(jīng)典PID控制方法進(jìn)行對比，從而驗證本文所設(shè)計的控制方法的可行性。將目標(biāo)參數(shù)控制量設(shè)為10，兩種控制方法的控制結(jié)如圖3所示：

由圖3可知，本研究所設(shè)計的改進(jìn)模糊PID控制方法比經(jīng)典PID控制方法更容易實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)參數(shù)的控制，穩(wěn)定性更好。且使用經(jīng)典PID控制方法使控制參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的時間為96 s，而本研究所設(shè)計的控制方法僅需68 s，控制效率提升約41.18%。

接著將本研究所使用的能源管理方法與文獻(xiàn)[3]控制方法進(jìn)行對比。在該辦公大樓內(nèi)，使用上述兩個電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行同時間段內(nèi)的電氣設(shè)備能源優(yōu)化管理，并進(jìn)行不同數(shù)量設(shè)備的分組實(shí)驗，電氣設(shè)備節(jié)能情況統(tǒng)計如表1所示：

表1中，所節(jié)約能耗的單位為千瓦，且隨著電氣設(shè)備的增多，節(jié)能效果越好，與文獻(xiàn)[3]相比，設(shè)備平均能耗節(jié)約50%。

現(xiàn)進(jìn)行電氣設(shè)備的故障預(yù)測分析實(shí)驗。在辦公大樓電氣設(shè)備運(yùn)行時，可通過射頻識別技術(shù)對電力設(shè)備設(shè)置不同的預(yù)測標(biāo)簽，通過對電力設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行綜合評分，再轉(zhuǎn)化為電力設(shè)備的故障預(yù)測值。設(shè)備運(yùn)行狀況綜合評分模型為：

S=∑j=1ajbj（9）

式中，S是電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合評分，aj是電力設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，bj是綜合評分指標(biāo)。電力設(shè)備在k時刻的綜合評分為：

Sk=Stek+te （10）

式中，Sk是k時刻的綜合評分，Ste是綜合評分的估計值，te是預(yù)期還可運(yùn)行的時間。

建立電力設(shè)備相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的概率分布函數(shù)模型：

Fq=min ∑Kk=1Dfq（t）‖fkq（t） （11）

式中，Dfq（t）‖fkq（t）是在概率分布中各數(shù)據(jù)的信任程度，fq（t）是數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)，fkq（t）是交叉熵參數(shù)。

在該辦公大樓中電氣設(shè)備最終故障預(yù)測模型為：

S=∑Ki=1pkSkH=fq（t）·fkq（t）pkFq·S（12）

式中，pk為k時刻數(shù)據(jù)信息的權(quán)重指標(biāo)，H是電力設(shè)備運(yùn)行時間預(yù)測模型。

由上述模型即可完成公共建筑電氣系統(tǒng)故障分析預(yù)測。

現(xiàn)驗證本研究所設(shè)計方法的故障預(yù)測準(zhǔn)確度和效率。在辦公大樓中人為制造若干電力設(shè)備運(yùn)行故障，記錄故障運(yùn)行原因，并通過本文所設(shè)計方法對故障進(jìn)行預(yù)測分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，本研究方法所預(yù)測的故障類型與實(shí)際故障原因一致，表明本研究所設(shè)計的故障預(yù)測分析方法可以完成公共建筑電氣系統(tǒng)的故障預(yù)測分析。

現(xiàn)將本文方法與文獻(xiàn)[4]中故障預(yù)測方法進(jìn)行對比。分別設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)簽個數(shù)不同的5個實(shí)驗對照組，并監(jiān)測其進(jìn)行故障預(yù)測分析所需要的時間，結(jié)果如圖4所示：

圖4中，本文所設(shè)計的方法相較于文獻(xiàn)[4]中的方法預(yù)測時間更短，效率更高，且效率平均提高了35.23%。由上述實(shí)驗可證明本文所設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)能夠有效提高電力設(shè)備的控制能力。

5 結(jié) 論

本研究基于模糊PID控制方法和射頻識別技術(shù)設(shè)計出新型公共建筑電氣控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗，驗證了系統(tǒng)在能源管理和故障預(yù)測中的可行性。

本研究的創(chuàng)新之處在于：引入改進(jìn)粒子群算法提高模糊PID控制方法的控制能力，通過動態(tài)學(xué)習(xí)因子提高系統(tǒng)的尋優(yōu)能力，從而提高能源管理能力，使系統(tǒng)的節(jié)能效果提高50%，效率提高約41.18%；通過射頻識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障預(yù)測分析，使預(yù)測效率平均提高35.23%。有效提高了公共建筑電氣控制系統(tǒng)的控制能力。

本研究所設(shè)計系統(tǒng)可以有效提高公共建筑中的電氣設(shè)備的控制能力，但射頻識別技術(shù)的成熟度不高，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一，且該技術(shù)所需的建設(shè)成本較高，在一定程度上降低了該系統(tǒng)的市場積極性，使得該系統(tǒng)存在一定的局限性。

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