基于PLC模糊控制的廠房空調控制系統設計

楊志方，彭新顯，孫小兵，危必波

（武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205）

隨著國民經濟的迅速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對工作和生活環境的要求也越來越高。為人們提供舒適的工作環境，確保機組以最佳性能運行是工廠空調系統的基礎目標。現在有許多工廠的空調系統對環境變化時溫度的調控不迅速，使人產生不舒適感，導致機器經常在過熱或過冷的環境中運行及調控方式不節能等諸多問題［1］。為此，筆者對基于PLC模糊控制的廠房空調控制系統進行了設計。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

廠房空調系統框架圖如圖1所示。冬季采暖熱源引至輔汽聯箱，經減溫減壓至3kgf／cm2的飽和蒸汽；夏季制冷源引至集中制冷站的2臺約克YCWJ型冷水機組 （一運一備）的冷凍水。回風風機從集控室／電子間抽出的空氣與新風風機從外界抽進的新空氣混合，經過冷水循環冷卻或高溫蒸汽加熱，由送風風機再抽入到集控室／電子間。此外，利用送風風機的轉速變化控制送風量的大小，由此調節集控室／電子間的溫度。

圖1 廠房空調控制系統框架圖

1.2 工作原理

系統控制結構圖如圖2所示。該系統由2臺Smart700觸摸屏、西門子S7200PLC和特殊功能模塊以及MM430變頻器組成，以S7200PLC為控制核心，其Porto口通過USS協議控制2個MM430變頻器，其中變頻器1可以在變頻模式下控制集控室風機電機1或2，變頻器2可以在變頻模式下控制電子間風機電機1或2，通過PLC控制各回路的通斷來選擇工作機組；在工頻模式下，同樣可以通過PLC實現對任意一個風機電機的控制。Port1口通過RS485總線和機柜上的觸摸屏通信，遠程控制的觸摸屏通過EM277擴展的Port0口采用RS485總線與PLC通信。

該系統的所有控制指令都由2臺Smart700觸摸屏發出，其中一臺觸摸屏位于電氣柜上，用于切換手動工頻模式和自動變頻模式。在手動工頻模式中，可以分別工頻啟停集控室和電子間的工作機組1＃或工作機組2＃，并可以實時顯示當前集控室和電子間的溫度和濕度；在自動變頻模式中，可以對集控室和電子間的工作機組 （一運一備）及空調工作模式 （夏季模式和冬季模式）進行選擇，并進入相應的溫度自動控制設定界面，用戶可以通過觸摸屏上的按鈕對指定預期溫度進行調節，并實時顯示當前集控室和電子間的溫度和濕度以及各個濾網的壓力異常情況。另一臺觸摸屏位于集控室，通過EM277Profibus DP模塊與PLC通信，用于自動變頻模式下的遠程控制。自動變頻模式下的溫度設定與監控界面如圖3所示。

2 總線協議

S7200PLC和2個MM430變頻器通過基于串行總線進行數據通訊的USS協議通信，在USS總線上，S7200作為主站，2個MM430變頻器作為從站，總線上的每個從站都有1個站地址 （在從站參數中設定），主站依靠其識別每個從站；每個從站也只對主站發來的報文做出響應并回送報文，從站之間不能直接進行數據通訊［2］。

圖3 監控界面示意圖

圖4 USS協議初始化

使用USS協議的初始化模塊USS＿INIT初始化S7200的PORT0端口 （見圖4），二進制2＃110000000表示初始化地址為7的集控室機組的變頻器和地址為8的電子間機組的變頻器；波特率為19200bps。MM430變頻器的運行參數如表1所示。

3 軟件算法

3.1 數據分析處理

該系統中，PLC擴展EM231模擬量輸入模，讀取溫濕度傳感器傳回的溫濕度電流數據；外接的溫濕度傳感器為AF3020Y，其溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為0～99.9%RH，對應的輸出為4～20mA電流信號。集控室和電子間采集到的溫度數據A分別存放在模擬輸入量AIW4和AIW8中，濕度數據B分別存放在模擬輸入量AIW6和AIW10中，溫度、濕度的測量數據A、B與T（實際溫度）、ρw（實際濕度）之間的換算關系如下:

圖5 模糊PID控制系統結構圖

由于從溫濕度傳感器讀來的數據為整型，如果單一的直接做整型的減法和除法，每進行一次運算都會把小數丟掉，這樣對系統的精度會產生一定影響，甚至會造成系統不穩定。所以，先把整型通過I＿DI轉換為雙整型，再通過DI＿R轉換為實數型，對數據進行實數型的運算 （見圖5）。

3.2 模糊PID算法

考慮到工廠溫度的多變化、干擾大、非線性等特點，該系統采用模糊PID （Fuzzy－PID）控制算法，其基本原理是首先找出PID的3個參數（KP、KI和KD）與溫度偏差e（t）和溫度偏差變化率Δu之間的模糊關系，然后在運行中連續檢測e（t）并計算Δu，最后利用模糊控制原理對PID的3個參數進行在線修改以滿足在不同e（t）和Δu時對控制器參數的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態性能［4］。模糊PID控制系統結構如圖5所示 （執行機構采用MM430變頻器，集控室和電子間溫度為被控對象）。

3.3 軟件流程設計

系統軟件流程設計圖如圖6所示 （其中f為變頻器輸出頻率，f0為設定溫度對應的基準頻率，模糊PID算法函數為y（e））。

圖6 軟件流程圖

4 結語

對以觸摸屏近／遠程控制并采用模糊PID算法實現的廠房空調控制系統進行了設計，同時介紹了該系統的設計原理、協議總線及程序算法。實際應用表明，該系統在現場運行過程中性能穩定，操作人性化，在穩定安全高性能運行的同時達到了較高的自動化水平。

［1］蔣紅梅 .模糊PID控制在變風量空調系統中的應用研究 ［D］.西安:西安建筑科技大學，2001.

［2］楊秀峰 .淺談暖通空調系統節能問題在系統設計中的重要性 ［J］.中國新技術新產品，2011，18（9）:23－25.

［3］梁志國 .基于PLC的中央空調控制系統 ［J］.承德石油高等專科學校學報，2009（12）:67－69.