辦公樓變風量新風控制系統設計

高俊釵　楊云龍

摘要：本文采用SIMATIC S7-200 PLC、WINCC 6.0和PC Access等產品設計了變風量辦公樓新風控制系統，并建立了其主從網絡控制結構。采用總風量控制方法，基于限幅P1D控制算法對風機轉速進行快速調節，得到了系統送風量的最優控制策略。通過Simulink進行了仿真，仿真實驗表明，該控制方法簡單、易行，可以快速穩定地實現新風控制。

關鍵詞：變風量控制系統；限幅P1D控制；主從控制

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.017

引言

變風量空調系統（VAV）是通過改變送入房間的風量來滿足室內變化的需求。變風量空調系統有節能、系統可控性好、能實現分區控制等優點。隨著我國各類商業辦公建筑的大批建設，VAV空調系統逐漸得到了更多的應用。

對新風系統的各點位進行監控，可以有效地節約能源。根據末端新風量的需求，合理地設計所需新風量。圖1是新風系統監控原理圖。

1 控制系統構成

1.1 網絡結構

考慮系統可靠性要求及規模大小，此辦公樓新風系統的控制網絡采用PPI通信。PPI通信協議中S7-200 CPU 226和S7-200 CPU 224采用主從方式進行通信，主設備是S7-200 CPU226，它有26路數字量輸入、1 6路數字量輸出端口，可以滿足本項目的需求，從站設備是S7-200 CPU 224，它有1 4路數字量輸入，10路數字量輸出端口。其通信過程是按照PPI主從通信格式，用一定格式的數據向PLC發送通信命令。S7-200CPU 226用順控的方式讀取16個從站的數據和向16個從站寫數據以及對數據進行處理。如命令數據格式無誤，則從站PLC向主站發出表示命令正確的初步應答信號，主站在收到初步應答信號后，再向從站PLC發送確認命令。從站收到確認命令后，執行命令響應。網絡組態結構原理圖如圖2所示。

S7-200PLC控制器是整個控制系統的核心，它通過模擬量輸入通道（A1）和數字量輸入通道（D1）采集實時數據，然后按照一定的控制規律進行運算，最后發出控制信號，并通過模擬量輸出通道（AO）和數字量輸出通道（DO）直接控制設備的運行。

PC Access可以用于連接西門子或者第三方支持OPC技術的上位軟件。WINCC是視窗控制中心，它是一個過程監視系統，通過組態畫面讀取各層新風系統的相關參數及運行狀態。由主界面可進入工作日歷，根據工作日歷提前設置每天風機的工作狀態（工作或者休息），操作者可根據需要對風機進行自由設置。

1.2 基于限幅PID的總風量控制方法

總風量控制方法是基于VAV末端風量求和的一種控制方法，變風量空調機組控制器讀取本系統所有末端的需求風量，得出總需求風量。風機風量與轉速是一個近似的正比關系，可在初調時通過實測得到。

中央空調末端控制面板上對應著低、中、高三個檔位，每個檔位對應著不同送風量需求。假定低、中、高檔分別對應的風量需求為∑₁、∑₂和∑₃。其中∑₁對應的送風量為30%，∑₂對應的送風量為60%，∑₃對應的送風量為90%。本文的最終目的就是要保證各個房間所需的送風量都可以達到，并考慮留有15%的余量，當房間所需風量發生變化時，總送風量也會隨之發生變化。假定有n個末端，其中有n₁個房間開啟低檔，有n₂個房間開啟中檔，有n₃個房間開啟高檔，考慮到給定風量要滿足所有末端的風量需求，不至于波動太大，要留有一定余量Qy=1S%Q，Q為總送風量。則存在以下關系式：

n₁+n₂+n₃=n （1）

n₁∑₁+n₂∑₂+n₃∑₃+Q_y=Q （2）

通過檢測末端各房間開啟空調的模式，再由上式確定總送風量，平穩的調節風機的轉速，這樣既節約的能源，又降低的風機的損耗。

我們還可以對總送風量進行優化調節，從而滿足各末端的變化。優化調節有兩種方式：1）當送風量的變化AQ>20%時，控制中心會對總送風量的設定值進行重新設定；2）每10分鐘就對總送風量的給定值進行調節。這兩種調節方式的并行運用，能更好的滿足末端風量需求的變化，從而達到最優的狀態。

通過對壓力無關型變風量末端的分析得出了設定風量作為控制變量，進而提出了變風量系統總風量控制方法。系統總送風量控制通過調節風機轉速來維持風機保持在較小的耗能范圍。風量控制方式主要有兩種策略：靜壓控制方式和總風量控制方式。但由于受到系統設計、施工及風機選型等因素的影響，管道中靜壓設定點的靜壓檢測值會產生較大的波動，會對壓力測量產生影響，故本文采用總送風量控制方法。

風機總風量控制方法是基于壓力無關型的VAV末端研究出的一種新的簡單易行的空調系統的控制方法。風機控制環節的控制線路如圖3所示。通過此控制環路的分析，發現了設定總風量是一個很有價值的量，根據各末端所需風量，并對各末端風量求和得出總送風量，達到系統希望達到的風量狀態。

隨著各房間所需風量的變化，其變化波動較大，但是在實際中為了達到給定風量需要不停的調節風機，這樣會使風機的損耗過大，這時就需要我們對給定風量進行一些優化控制，使系統處于相對平穩的狀態。

常用的線性PID控制策略必須使控制器工作在線性區。為保證控制器的輸出不超出限幅，可以選用限幅足夠大的控制器，而限幅大的控制器價格也較昂貴；也可以通過調整PID參數，使控制器的輸出始終小于限幅。本文將控制器的限幅考慮在內，即在PID控制器與被控對象間插入一個飽和環節，如圖4所示。使用位置式數字PID控制算法，設采樣周期為T，控制器的限幅為um，其控制規律為：

2 仿真及結果分析

根據ziegler-Nichols整定公式，對文中被控對象進行simulink仿真。經測量取Ka=78.75，T=63。采樣周期Tc=0.1s，控制器的限幅U_m=10，系統指標取絕對誤差積分指標JITAE。在沒有人為經驗的情況下，用窮舉法搜索PID參數。為保證搜索的廣度和精度，搜索分為兩步進行：第一步，在[0，50]的范圍內以1為步長搜索PID參數；第二步，在第一步得到的最優點附近以0.1為步長進行搜索。搜索耗時20分15秒。線性區最優PID參數為：K_p=1.28、K_i=0.0、K_d=0.68；全局最優PID參數為：K_p=14.1、K_i=0.1、K_d=15.8。系統單位階躍響應如圖5所示。

從圖5中可以看出，全局最優PID參數對應的限幅PID控制策略，在初始時段控制器以最大量輸出，使得系統的響應速度更快，調節時間更短，使超調量不至于過大，并且具有相對較高的穩定性。

3 結論

本文提出的基于限幅的PID控制策略很好的利用了控制器的輸出限幅，既發揮了傳統PID控制器的能力，又體現了PID控制器良好的魯棒性。在參數整定時，使用高效的搜索算法可以快速地搜索到最佳的PID參數，使得項目能夠快速順利的進行。在項目實際調試過程中，西門子PLC產品的靈活性、開放性，尤其是WINCC強大的腳本功能使現場調試時間得到了有利保證。