組態(tài)設(shè)計(jì)在空調(diào)箱控制中的應(yīng)用研究

王 斌 　 高 巖

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京　100044)

在大型商業(yè)建筑和公共建筑中,集中空調(diào)系統(tǒng)能耗能占到整個能耗的50%以上,有的甚至達(dá)到了70%以上[1]。由于自動控制技術(shù)的不成熟加之配合設(shè)備使用的不方便,許多工程在設(shè)計(jì)階段直接取消了自動控制系統(tǒng)，在后期運(yùn)行維護(hù)時由人工進(jìn)行操作，但空調(diào)系統(tǒng)各個設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行是存在復(fù)雜耦合關(guān)系的，僅僅靠人工控制根本達(dá)不到國家對節(jié)能減排的要求。因此采用良好的空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控控制的措施是很有必要的。而隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,運(yùn)用PLC控制器和上位機(jī)的組態(tài)軟件的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制技術(shù)來降低集中空調(diào)系統(tǒng)能耗對減少建筑物的能耗具有非常深遠(yuǎn)而廣泛的現(xiàn)實(shí)意義[2]。本文在分析集中空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)箱構(gòu)造基礎(chǔ)上，運(yùn)用組態(tài)軟件對北京建筑大學(xué)的基于PLC的集中空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)箱進(jìn)行組態(tài)界面設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對此系統(tǒng)監(jiān)測、控制的功能。對傳統(tǒng)空調(diào)領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)中加入了自動控制方面的知識，探討組態(tài)技術(shù)在空調(diào)箱控制方面的應(yīng)用實(shí)踐。

1　組態(tài)監(jiān)控及PLC控制器

1.1　空調(diào)箱控制系統(tǒng)的組成

空調(diào)箱作為集中空調(diào)系統(tǒng)重要的空氣處理單元，其運(yùn)行良好與否會大大的影響集中空調(diào)系統(tǒng)的能耗以及房間溫濕度的穩(wěn)定，所以對空調(diào)箱的運(yùn)行進(jìn)行控制調(diào)節(jié)是很有必要的。空調(diào)箱控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、控制器、執(zhí)行器、傳感器這四大部分組成。上位機(jī)主要有組態(tài)軟件，組態(tài)軟件主要是顯示系統(tǒng)運(yùn)行概況，接收控制器傳輸過來的數(shù)據(jù)信號，并對系統(tǒng)起到監(jiān)控調(diào)節(jié)的作用。控制器是空調(diào)箱控制系統(tǒng)的核心，一方面它接收從傳感器采集而來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，另一方面控制器會根據(jù)這些采集來的數(shù)據(jù)和自身邏輯編程的內(nèi)容，將控制信號給執(zhí)行器，由執(zhí)行器去真實(shí)地調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)。

1.2　組態(tài)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對自動化過程和裝備的監(jiān)視和控制，具備工況調(diào)節(jié)和安全保護(hù)的功能。通過在計(jì)算機(jī)中對相關(guān)部件模塊的拼裝組合形成系統(tǒng)界面，在系統(tǒng)各設(shè)備自動化運(yùn)行過程時，控制器采集各種數(shù)字信號和模擬信號等信息，并將信息傳輸給計(jì)算機(jī)中的組態(tài)，以更易于理解的方式進(jìn)行顯示，對系統(tǒng)各測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。一旦系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題會將重要的信息傳送到相關(guān)人員，對信息執(zhí)行必要分析處理和存儲。組態(tài)向控制設(shè)備和管理設(shè)備提供很多軟、硬件接口，可以實(shí)現(xiàn)與第三方的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行集成。組態(tài)軟件基本的程序及組件包括：工程管理器,實(shí)時數(shù)據(jù)庫DB，I/O驅(qū)動程序，人機(jī)界面VIEW，控制策略生成器以及各種數(shù)據(jù)服務(wù)及擴(kuò)展組件等。

1.3　PLC控制器特點(diǎn)

本文主要研究的是上位機(jī)組態(tài)與PLC控制器的聯(lián)合通信和運(yùn)行關(guān)系，PLC是可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時、順序控制、算術(shù)與計(jì)數(shù)的操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入與輸出來控制各種類型的機(jī)械生產(chǎn)過程。可編程邏輯控制器實(shí)際上是一種專門用于工業(yè)控制的一種計(jì)算機(jī)，它的硬件結(jié)構(gòu)基本上與電腦相同。

2　集中空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)箱的組態(tài)設(shè)計(jì)

2.1　空調(diào)箱系統(tǒng)控制概況

本文運(yùn)用北京建筑大學(xué)的集中空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)箱，對其進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)平臺的搭建，以對此系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中控制器采用西門子PLC控制器S7-300，主要傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)壓傳感器、水壓傳感器，執(zhí)行器有電動兩通閥、電動三通閥、風(fēng)閥執(zhí)行器、風(fēng)機(jī)變頻器、加熱器及加濕器。各傳感器、執(zhí)行器等I/O設(shè)備將采集到的數(shù)值以信號的形式傳給控制器，控制器再將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)組態(tài)中，組態(tài)能夠顯示系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)的變化，起到監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的作用。

2.2　組態(tài)設(shè)計(jì)

2.2.1建立組態(tài)畫面

本試驗(yàn)臺采用四通組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，打開四通組態(tài)，讓其先與PLC控制器實(shí)現(xiàn)連接，能夠通信，然后根據(jù)中法能源中心的空調(diào)箱內(nèi)部各個設(shè)備的實(shí)際布置情況，在組態(tài)軟件的窗口界面中畫出合適的圖標(biāo)，標(biāo)注出測試的各個數(shù)據(jù)點(diǎn)并設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膱D元來創(chuàng)建系統(tǒng)的組態(tài)畫面。

2.2.2組態(tài)與PLC控制器數(shù)據(jù)庫點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信

根據(jù)空調(diào)箱中各個執(zhí)行器和傳感器等I/O設(shè)備的實(shí)際接口，與西門子S7-300控制器的各個接點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確地連接，這樣就可以在控制器的軟件中能夠準(zhǔn)確的查詢到各個溫度壓力等數(shù)據(jù)點(diǎn)的地址，并在四通組態(tài)軟件中設(shè)置對應(yīng)的地址，與此控制器相通信，根據(jù)實(shí)際接點(diǎn)的地址和含義，在組態(tài)軟件中建立I/O數(shù)據(jù)庫點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器的通信。如圖1所示，溫度T1點(diǎn)的變量設(shè)定中，在PLC控制器的地址設(shè)定中表示這個點(diǎn)的地址是DB10.DBD0,DB表示的是數(shù)據(jù)塊，那么在組態(tài)中相應(yīng)輸入完畢后點(diǎn)擊確定，此時在四通組態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)中就會顯示出溫度T1的實(shí)際值；以此類推，再把其他的溫度壓力點(diǎn)等設(shè)置完畢，例如圖2所表示的是一系列溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)定完畢的情況。

2.2.3組態(tài)控制界面

如圖3所示，在組態(tài)軟件中完成控制系統(tǒng)搭建和監(jiān)測點(diǎn)布置。在設(shè)備和數(shù)據(jù)庫點(diǎn)進(jìn)行一一匹配連接后，就能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行時，各個測點(diǎn)的溫度壓力和各執(zhí)行設(shè)備等數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3　對加熱器進(jìn)行PI控制實(shí)驗(yàn)

在完成整個空調(diào)箱控制試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)和搭建后，選取回風(fēng)加熱器進(jìn)行PI控制實(shí)驗(yàn)，溫度采集設(shè)為5 s一次。開始時發(fā)現(xiàn)曲線超調(diào)量較大，將Kp調(diào)整降低，調(diào)整后發(fā)現(xiàn)曲線超調(diào)量變小。如圖4所示的部分實(shí)驗(yàn)曲線，后面繼續(xù)調(diào)整Kp,Ti的值，減小曲線波動，在16:39時回風(fēng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值26 ℃，可以看出此控制試驗(yàn)臺具有良好的控制調(diào)節(jié)功能。

4　結(jié)語

本文在分析建筑自動控制的大背景下，對組態(tài)軟件和PLC控制器等這些計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和設(shè)備做了詳細(xì)的介紹，然后利用北京建筑大學(xué)的集中空調(diào)的空調(diào)箱進(jìn)行了組態(tài)控制的設(shè)計(jì)，此實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明運(yùn)用上位機(jī)的組態(tài)可以對空調(diào)箱關(guān)鍵溫度、壓力、流量等進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)反映和監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題時，這省去了人工查找和檢測故障的財(cái)力和人力，并且通過對空調(diào)箱關(guān)鍵設(shè)備的PI控制，可以得到良好的控制效果，對集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的降低起到了顯著的作用。

參考文獻(xiàn):

[1]喻勇.基于TRNSYS的集中空調(diào)及其控制系統(tǒng)仿真[D].北京:北京建筑大學(xué)，2014.

[2]范峰海，韓寧，岳子豐,等.BA系統(tǒng)在集中空調(diào)設(shè)備節(jié)能控制中的應(yīng)用[J].智能建筑電氣技術(shù)，2013,12(7)：43-47.