利用PAC的教學樓智能化控制系統的設計

楊洋，李鐘慎

（華僑大學機電及自動化學院，福建廈門361021）

利用PAC的教學樓智能化控制系統的設計

楊洋，李鐘慎

（華僑大學機電及自動化學院，福建廈門361021）

基于可編程自動化控制器（PAC）和數據采集與監視控制（SCADA）等組態軟件，設計教學樓的智能化控制系統.上位機采用SCADA和iFIX組態軟件，應用多線程的COM組件；下位機采用Pacsystem Rx3i器件，用戶可以靈活選擇構建系統所使用的模塊；上位機和下位機之間采用Genius，Profibus DP和工業以太網等總線協議，中央控制總站與各個分控室模塊通過網絡總線進行通信.設計的控制系統有自動和手動兩種切換的模式，可通過觸摸屏進行選擇.

可編程自動化控制器；Pacsystem Rx3i；總線協議；人機界面；iFIX組態軟件

智能化控制系統是指運用系統集成的方法，將計算機控制技術、自動化控制技術、通信技術和檢測控制技術有機地結合起來，通過對采集的有效信號進行處理，對系統中設備的自動監測和控制，以獲得安全、高效和節能的效果.系統設計應考慮自動化控制系統在工業控制的廣泛實用性［1］.根據新世紀節能環保和智能化的理念，高環保的自動控制系統在工業領域如寫字樓、大型辦公樓等得到了廣泛的運用，也特別適合高校中電力節約和自動化控制的要求.本文主要采用美國通用公司適應工業自動化控制的成熟軟件［2］，進行教學樓智能化控制系統的設計.

1 控制系統的工作原理

1.1 框架結構

圖1為控制系統的框架結構.控制系統共有3個層次：1）中央控制室實現對整個網絡的管理功能，接收通過總線傳遞的各個分控室的數據信號；2）分控室通過對底層信號的采集實現監測和控制功能；3）網絡的底層是各個樓棟的教室，通過安裝在室內外的的多種傳感器獲得相應的數據信號.

圖1 系統功能結構圖Fig.1 Function structure chart of the system

圖2 系統的控制原理Fig.2 Control principle of the system

1.2 控制原理

圖2為系統的控制原理圖.系統PC機和PAC Rx3i進行通信，完成程序的下載；設備的信號采集通過Versa Max Remote I／O模塊來實現；Versa Max Remote I／O通過Genius，Profibus DP和工業以太網等總線協議［3］，與PAC Rx3i進行通信，將采集到的信號發送到PAC分控室；然后，通過Profibus DP等現場總線通信模塊，將信號傳遞到中央控制室CPU并受其控制.

1.3 監控原理

圖3為控制系統各層次之間的連接圖.根據現場實際操作的需要，教學樓智能化控制系統通過結構緊湊、可靠性高的Quick Panel工業觸摸屏，實現實時監控系統運行狀態.上位機通過TCP／IP協議與PAC中央控制室進行通信，實現HMI／SCADA和iFIX監控軟件［4］與PAC之間的信息交換，完成教學樓智能化控制系統的監控任務.

圖3 控制系統各層次連接示意圖Fig.3 Connection diagram among the control system at all levels

2 硬件設計

2.1 溫度信號檢測

LM35D傳感器采用溫度系數的基準源作為其溫敏元件，芯片的內部則采用了差分管等線性化的技術，提高了溫度傳感器的線性度［5］，也提高了傳感器的精度.外圍電路通過調零和調整電路將采集的信號與溫度近似的線性電壓作為輸出［6］，將放大后的電壓信號經過模擬量輸入模塊，送入控制器，即可完成系統對室外溫度信號的采集.通過在程序中設定一定的溫度值（該溫度值根據時間有所不同），兩者比較對室內開啟的設備數量產生一定的控制.

2.2 人數信號檢測

根據控制系統實際檢測距離的需要，光電開關采用E3JK－5M2對射常開型.兩個光電開關之間的信號干擾較小，以減少對人數檢測的誤差［7］.當有人進出教室時，信號接通，發射端發出的紅外信號，接收端收到信號，并在輸出端產生一個電流脈沖信號；當有人進入教室時，光電開關1，2會先后在常開觸點處產生一個正向脈沖信號；反之，則產生一個負向脈沖信號.由此判別此人是進還是出，然后將脈沖信號輸入PAC的輸入模塊.系統采用常開型光電開關，在教室的前、后門都統計進出室內的人數.

2.3 光照強度信號檢測

利用光電池BPW21的伏安特性［8］，可以將光信號轉換成的電壓信號并將其信號放大.通過PAC Rx3i的模擬輸入模塊，達到對室內亮度模擬信號的采集的要求；然后，通過程序設定一定的電壓信號（確定室內光線相對比較合適時候的電壓信號）進行比較后確定室內設備的開啟狀況.系統根據室外自然光對比設定值，室內燈光會自動熄滅和開啟，以保持室內亮度.

3 軟件設計

Proficy HMI／SCADA軟件解決方案可提供易于使用的現成分析和信息工具，幫助操作員智能化地快速利用HMI／SCADA數據.iFIX提供了強大的SCADA引擎、豐富的連接選項、開放式架構和具有高度擴展性和分布式特點的聯網模式.iFIX開發工具包提供一組API.dll，讓用戶能夠通過VC或VB讀寫數據庫，處理報警和歷史數據.

中央控制室可以通過選擇教學樓對分控室的數據進行監控，也可以對最底層用電設備的啟閉狀態及報警顯示進行監測.系統軟件與監控軟件之間的連接需要利用GE9驅動進行歷史數據庫與采集的數據信號的設置.通過設置對輸入模塊的端口地址的對應，實現分控室內的數據采集，以便對各個教室內的用電設備的用電狀況進行統計，便于操作人員從歷史數據庫中獲得信息對各棟教學樓以及各個教室的用電量進行分析，合理地管理.

4 結束語

所設計的系統充分考慮到系統出現線路等安全隱患問題，中央控制室及各個分控室設置統一的手動啟動功能，增強整個網絡系統的可靠性.系統采用先進的模塊化原則，結合觸摸屏（Quick Panel）人機界面（HMI），實現了對控制系統的網絡化、集成化控制和監測，達到電力節約和系統的高度自動化.

［1］ 姚勝興，王新輝，劉伯中.集散控制下的樓宇自動化系統與設計［J］.測控技術，1999，18（10）：118－124.

［2］ LEE G B，ZANDONG H，LEE J S，et al.Automatic generation of ladder diagram with control Petri Net［J］.Journal of Intelligent Manufacturing，2004，15（2）：245－252.

［3］ 雷霖.現場總線控制網絡技術［M］.北京：電子工業出版社，2004：117－207.

［4］ 王振明.SCADA（監控與數據采集）軟件系統的設計與開發［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［5］ 蔡成濤，朱齊丹，趙健.實用溫度檢測系統的設計與實現［J］.應用科技，2006，33（7）：19－21.

［6］ 趙東世，凌朝東，黃煒煒，等.一種新型實時時鐘芯片溫度誤差補償方法［J］.華僑大學學報：自然科學版，2011，32（4）：478－480.

［7］ 郭傳寶，劉峰，朱本宏.光電傳感器的應用［J］.中國井礦鹽工程與設計，2011，42（1）：29－30.

［8］ 杜梅方，姜志進.光電池非線性區PN結光生伏特效應的研究［J］.上海理工大學學報，2002，24（1）：65－72.

Design of the Intelligent Academic Building Control System Based on PAC

YANG－Yang，LI Zhong－shen
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

This paper introduces an intelligent control system of academic building based on programmable automatic controller（PAC）and supervisory control and data acquisition（SCADA）configuration software.The upper computer uses SCADA and iFIX configuration software that applies multi thread COM components and the lower computer adopts a Pacsystem Rx3i device，so that users can select and construct the module of the system flexibly.The Genius，Profibus DP and industrial ethernet bus protocol are adopted between the upper computer and lower computer.It communicates by bus network between the central control station and various points control rooms.The designed control system has both automatic and manual switching modes which can be choosed by touch screen.

programmable automatic controller；Pacsystem Rx3i；bus protocol；human－machine interface；iFIX configuration software

TP 273.5

A

（責任編輯：錢筠 英文審校：鄭亞青）

1000－5013（2012）05－0481－03

2012－03－11

李鐘慎（1971－），男，教授，主要從事先進控制理論與控制工程的研究.E－mail：lzscyw＠hqu.edu.cn.

福建省自然科學基金資助項目（2011J01350）；福建省泉州市科技計劃項目（2010Z52）