基于松下PLC機房精密空調溫濕度采集系統的設計與實現

常云峰

【摘 要】隨著廣播電視技術的發展，電視節目制作及播出全部實現數字化，核心的服務器及儲存都需要機房恒溫恒濕的環境確保正常工作。本文簡單介紹一下機房精密空調溫濕度采集系統的設計與實現。

【關鍵詞】機房空調 PLC 集中監控

一、國內外研究及發展現狀

1.機房空調控制系統的發展現狀

對機房空調的研究始于20世紀50年代，最開始是在美國發展起來，隨著程控機房數量的增加，機房空調的使用也越來越廣泛，業內對機房空調的研究也得到了相應重視。從追求更高的運行精度到提高機組的可靠穩定性，到提高空調機組的運行效益、節能降耗，再到對機房空調的管理維護，無處不體現出技術人員的努力與成績。

最開始對機房空調的精度要求并不高，隨著機房設備的不斷更新，越來越多的高精密設備的引入，對運行環境也提出了更高的要求，機房空調的控制精度也不斷提高。空調系統不斷地優化，控制方法不斷地發展與更新，PID技術、變頻技術、人工智能模糊控制等先進的技術都應用到機房空調的控制中，使機房空調的控制精度有所提高和發展。

從控制方式上，機房空調溫濕度采集系統控制可分為三種：繼電器控制系統、直接數字式控制器DDC和可編程邏輯控制器PLC。早期主要采用繼電器控制，但這種方式存在明顯的缺點，比如系統復雜，功耗高，出現故障檢修困難等，因此也注定將其淘汰。后來出現的直接數字式控制器DDC在智能化方面有了明顯的進步，但DDC也有本身的缺點，真正限制了其應用范圍的原因在于它的抗干擾能力問題，及其分級分步式結構所帶來的局限性。到了PLC控制階段，機房空調控制系統才真正得到滿足。PLC與前兩種控制方式相比有著明顯的優勢，比如PLC控制系統運行可靠，抗干擾能力強，應用和維護方便等等，尤其突出的是PLC強大的聯網通信能力能夠適用于新型高速網絡的發展，這些顯著的優點使其得到廣泛的應用。

2.機房空調溫濕度采集系統的發展現狀

國內對機房空調的研究起步較晚，一直以來，對機房空調系統的研究主要集中在新技術的應用，對機房空調的系統管理及空調工作狀態的監控沒有足夠的認識，導致機房管理自動化水平、信息化水平一直比較低。由于空調系統的設計，是在一定的工況和前提條件下才能發揮空調的最大制冷效果，對于維護好空調，能夠優化運行從而達到節能的目的。另外一方面，機房空調作為信息系統的重要支撐，需要24小時不停運轉，人工維護難度大，不利于維護機房環境的穩定。隨著業務機房的數量越來越多，規模越來越大，對空調的維護管理也逐漸得到了工作人員的重視，機房環境溫濕度的管理從一開始的人工現場維護到遠程集中監測，得到了飛速的發展。加上計算機技術、網絡通信技術、PLC技術等相關技術在機房溫濕度采集系統中的應用，大大增強了機房設備管理的自動化水平，使機房設備維修簡單、方便，保證了機房設備的可靠運行，目前國內機房溫濕度采集系統有以下幾種形式：

①人工檢測形式

這種方式還屬于比較原始的監控方式，是靠維護人員現場利用檢測儀進行檢測，檢測儀上集成CPU、外圍電路A/D轉換、溫濕度傳感器，通過它可以實現簡單的數據采集和計算、查看當前機房環境溫濕度，檢測空調機組的運行狀態。這種方式雖然有投資少、移動靈活的優點，但功能過于簡單，無法實現實時監控和數據處理、遠程監控、集中管理功能，無法實現空調機組的24小時監控，不利于保證運行環境的長期穩定可靠。

②集中式溫濕度檢測形式

集中式溫濕度檢測形式由信號采集、A/D轉換、主機監控、信號傳輸等組成，這種方式通過現場總線傳遞給上位機，上位機對接收的數據進行計算處理，并通過顯示器將機房溫濕度參數顯示給監控人員。這種方式對于管理維護已經很方便，但也有缺點，模擬信號傳輸過程受到距離的影響，當傳輸距離長時容易產生干擾，導致信號波動，甚至失真。

③多層分布式結構形式

此種模式由監控觸摸屏和采集控制模塊組成，每個采集控制模塊具有信號采集、A/D轉換、數據計算、數據傳輸功能，有獨立的CPU，可以將采集的模擬量信號轉換成數字信號，這就解決了模擬信號傳輸過程受距離影響的問題。監控觸摸屏通過現場總線技術輪詢監測各采集模塊，再將采集的數據分析處理，通過觸摸屏畫面顯示給維護人員。這種結構形式中，每個機房都具有獨立的溫濕度采集控制單元，再由現場總線組合成一個完整的監控系統，這樣不僅實現了對機房溫濕度的實時監控，也大大減小了機房環境巡查及空調維護的難度。

二、PLC介紹

機房精密空調溫濕度采集系統采用PLC控制系統，Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，是工業控制的核心部分。自20世紀60年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發展，在世界各地得到了廣泛應用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。

三、網絡通信設計

在機房精密空調溫濕度采集系統采用RS485總線通信網絡結構。RS485接口組成的半雙工網絡，一般是兩線制，多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓撲結構在同一總線上最多可以掛接99個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。在該系統設計中采用了松下PLC AXPF-COM4模塊作為通信接口。

四、硬件設計

在該系統中采用昆侖通態的觸摸屏作為人機對話顯示工具，分別將PLC采集的溫濕度的數據顯示出來，提供給值班人員作為參考，同時提供報警輸出。

在機房關鍵設備安裝北京昆侖海岸溫濕度一體變送器，供電為24V直流，溫度量程為0-50℃，最小分辨率為0.1℃，濕度為0-100%，最小分辨率為5%，將環境溫度及濕度轉化為0-20mA工業模擬量信號輸出。。

在四個機房安裝松下PLC14R作為核心處理器，對采集的數據進行邏輯比較運算對比設定數值，大于時輸出報警信息。在PLC上加裝AXPF-COM4模塊，提供一路的485通信接口，四個機房的PLC用一根屏蔽1.0雙絞線鏈接，作為從站，主站的觸摸屏安裝在值班室實現數據通信。

五、系統軟件設計

1.梯形圖

在該工程項目中采用梯形圖的編程語言，也是在實際設計中最常用的一種語言。因與繼電器電路很相似，所以具有直觀易懂的特點，很容易被熟悉繼電器控制的電氣技術人員所掌握，特別適合于數字邏輯控制。

梯形圖是一種圖形化的編程語言，沿用了傳統的電氣控制原理圖中的繼電器觸點、線圈、串聯和并聯等術語和一些圖形符號，左右的豎線稱為左右母線。在程序中，最左邊是主信號流，信號流總是從左向右流動的。梯形圖由觸點、線圈和指令框構成。觸點代表邏輯輸入條件，線圈代表邏輯運算結果，指令框用來表示定時器、計數器或數學運算等功能指令。梯形圖的觸點只有常開和常閉兩種，觸點可以是PLC外部開關連接的輸入繼電器的觸點，也可以是PLC內部繼電器的觸點或內部定時器、計數器等的觸點。梯形圖中的觸點可以任意地串、并聯，但線圈只能并聯。內部繼電器、定時器、計數器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能作為中間結果供CPU使用。PLC按照循環掃描的方式處理控制任務，并沿梯形圖的先后順序執行。

2.溫度采集程序設計

溫度采集程序起始使用R9010常閉特殊內部繼電器，F1DMV為32位傳送指令將第一路的溫度采集數字量傳送到地址寄存器DT100中，F326DFLT將DT100轉換為浮點數，F313為浮點數除法指令，將獲取的數字量除以最高數字量程4000再使用F312浮點數乘法指令，乘以溫度傳感器的最大測量值50，得出的值就是實際溫度值儲存在DT106地址寄存器中作為觸摸屏的顯示地址。

3.濕度采集程序設計

濕度采集程序起始使用R9010常閉特殊內部繼電器，F1DMV為32位傳送指令將第二路的濕度采集數字量傳送到地址寄存器DT108中，F326DFLT將DT108轉換為浮點數，F313為浮點數除法指令，將獲取的數字量除以最高數字量程4000再使用F312浮點數乘法指令，乘以傳感器的最大測量值100，得出的值就是實際濕度的百分比值儲存在DT114地址寄存器中作為觸摸屏的顯示地址。

4.溫濕度報警程序設計

報警程序設計中使用了一個報警預置值，作用是在PLC上電時避免報警輸出。PLC上電第一個掃描周期，將浮點數26和90傳輸到報警上限地址寄存器中，其溫度上限為26℃，濕度上限為90%。再根據實際的情況在觸摸屏輸入相應的報警上限值。

報警程序指令F345為浮點比較指令，DT106為實際溫度值，DT116為報警上限值，R900A為大于輸出內部繼電器，當實際溫度大于設定溫度時R900A為常閉，R0為常閉，觸摸屏讀取R0報警輸出。

六、總結

本項目介紹了一套機房精密空調集中控制系統的設計過程。該系統實現了每個機房精密空調的獨立監控，控制功能主要由松下小型PLC FPX14R完成，通過對PLC的軟件編程，實現機房的溫濕度集中采集，保證空調機組的可靠性和精度要求。可以通過上位機觸摸屏對機房的溫濕度進行集中監控，高于設定溫度及濕度時輸出報警，保證機房24小時不間斷地穩定在要求的環境條件下工作。

（作者單位：遼寧廣播電視臺）