基于S7-300PLC的新風空調計算機監控系統研究

張甜，徐竟天

（西安石油大學電子工程學院，西安710065）

0 引言

隨著現代辦公大廈建筑面積的加大，樓層的增高，內部結構的日趨復雜，空調系統為人們提供適宜的溫濕度和控制二氧化碳的濃度就變得尤為重要，其設計也就在當今的大廈建筑設計中產生了舉足輕重的作用。而在傳統空調控制系統中，主要存在三方面的問題：一是配置的大量機電設備，導致管理復雜度的增加和成本的提高；二是純人工干預的系統運行時無法做到設備的自動切換，不能精準控制溫濕度和CO2濃度，造成資源浪費；三是現在大多辦公大廈新風系統和空調系統并沒有結合到一起，空調只有控制溫度的作用，無法調節室內濕度和CO2濃度，不利于身體健康。針對以上問題和國家對節能減排的倡導，通過現代工控技術，設計新風空調系統并對其進行實時監控就具有十分重要的意義。

本文針對西安某大廈暖通自控項目中對室內溫濕度和CO2濃度要求設計了新風空調監控系統。該大廈位于未央區，共二十七層，地下兩層，地上二十五層，總建筑面積為34381平方米。根據實際情況，地下二層放置制冷供熱系統的機電設備，1到2層和6到25層（3到5層外租，不做設計）每層放置一臺新風機組并布置風機盤管。采用基于S7-300PLC的DCS控制系統，利用PROFINET和PROFIBUS-DP總線將各類傳感器采集到的數據傳送給CPU處理，使系統運行更加可靠，實現新風空調的監控和CO2的恒值控制。

1 系統簡介

1.1 制冷供熱系統的工藝流程

新風空調的制冷供熱系統主要由冷水機組、冷凍水循環系統、采暖循環泵和冷卻水循環系統等組成[1]，如圖1所示。

其中螺桿冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔和電動蝶閥構成冷卻水循環系統。自來水經軟水器過濾后，先由分水器進入辦公空調供水管道DN300，帶走室內的熱量，攜帶熱量的水進入集水器，隨后流入螺桿冷水機組冷卻，再由冷卻水泵將水送入冷卻塔中，然后由水塔風機旋轉將熱量散發到空氣中，進行熱交換，而被送回到冷凍機中的冷卻水（回水），繼續吸收室內的熱量[2]。

冷凍泵、冷凍管道及風機盤管組成冷凍水循環系統[1]。從螺桿冷水機組流出的冷凍水，經由冷凍泵帶入分水器，通過風機盤管進入各樓層的各個房間，帶走室內的溫度，增加濕度，使室內溫度下降，濕度上升。帶走室內溫度的水升溫后流向集水器，接著流向螺桿冷水機組，形成一個循環系統[1]。

圖1 制冷供熱系統工藝流程

采暖循環系統由板式換熱器和采暖循環泵和風機盤管構成。當室內溫度較低時，經過軟水器的水經過采暖循環泵和板式熱換器轉換為熱水經過風機盤管，提高房間溫度[3]。

1.2 新風系統的控制原理圖

每層設置一臺新風機組，新風機組的功能包括調節送風溫度、送風相對濕度以及防凍控制、CO2濃度控制等。本設計中主要控制的是CO2濃度，在每個樓層選擇人群密集的點作為監測點，放置CO2濃度傳感器，控制送風風機轉速[4]。新風系統的控制原理圖如圖2所示。

圖2 新風系統的控制原理圖

1.3 監控點數

新風空調系統要監控的對象主要包括：旁通閥門、電動蝶閥、冷凍水泵、熱水泵、冷水機組、冷卻塔、風機、補水電磁閥、冷熱水電動調節閥、風機啟停、新風風閥。最終整個監控系統的模擬量輸入點數共有71個，輸出點數21個，數字量輸入點數152個，輸出點數232個，并留有15%擴展余地[5]。如表1所示。

表1 系統監控點統計表

整個監控系統主要實現對地下二層機電設備運行狀況和每一層新風系統的集中監控，便于操作員監控運行畫面，處理報警故障和記錄數據。

2 新風空調系統設計與實現

新風空調監控系統設計利用S7-300PLC的控制功能，利用STEP7軟件設定控制程序[6]，調節新風空調系統中的閥門開度、水泵啟停，采集系統中溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器等過程控制級中現場儀器儀表的數據，并轉換為操作級中組態王6.55可用的數據格式完成組態。

2.1 監控系統硬件設計

工控機（IPC）作上位機，S7-300 PLC和分布式I/O設備作為下位機，由多總線結構構成IPC+PLC+分站的控制系統[7]，實現新風空調中機組設備的自動檢測與控制，如圖3所示。

圖3 硬件設計

鑒于整個新風空調系統需要穩定性以及要解決對CO2濃度的恒值控制，整個控制系統基于西門子S7-300PLC，包含ET200M分布式I/O及相應的Profibus-DP總線。顯示屏選用三星液晶顯示器，工控機選用研華工控機IPC-610H，PLC的CPU模塊選用西門子公司的CPU 315-2DP模塊。監控系統的硬件結構圖如圖4所示。

2.2 監控系統軟件設計

上位機監控軟件選用Kingview 6.55，依托于研華IPC-610H中的Windows XP系統進行設計[5]。監控畫面包括地下二層工況圖，每層新風系統控制圖，1層和2層的盤管系統，2層的組合空調系統以及報警界面等。同時新風系統中需要控制的目標值是二氧化碳濃度，控制器為模糊PID控制，在MATLAB中搭建Simulink控制策略原理圖，實現仿真和計算，并通過OPC通訊協議，實時傳送MATLAB回送的控制量給組態王[8-9]。監控系統的軟件結構圖如圖5所示。

監控主畫面可通過Kingview的動態顯示功能將現場設備的運行狀況實時地顯現出來，便于操作員在計算機前就可以實時監控設備的運行狀況；利用報警功能，當冷卻水供水溫度、回水溫度、送風溫度、二氧化碳濃度不在設定范圍內的時候，啟動報警程序、產生報警信息并在組態畫面中顯示出來，提醒相關人員檢修；利用報表功能，可將現場各種實時和歷史數據記錄并存儲，方便工作人員查詢[10]。

圖4 監控系統硬件結構

圖5 監控系統軟件結構

2.4 新風機組控制策略

（1）新風機組CO2濃度控制策略

科學研究表明，隨著CO2濃度的增加，室內人員的生理會發生相應的發生改變，如圖6所示。

圖6 室內二氧化碳的濃度對室內人員的影響

根據《室內空氣中二氧化碳衛生標準》（GB/T 17904-1997）的標準，并結合圖6中人員的生理反應，設置室內空氣中二氧化碳日平均最高容許濃度為≤0.09%（1800mg/m3），為了滿足此標準，本文研究通過改變新風量的大小控制室內的CO2濃度[11]。利用CO2濃度傳感器檢測室內CO2濃度，采用質量平衡原理：

確定新風量的大小，通過先進控制過程改變風機轉速，來滿足計算得出的新風量的需求[11]。流程圖如圖7所示。設置模糊控制器，模糊控制器的框圖如圖8所示[12]。

圖7 新風量控制原理

圖8 室內CO2模糊PID控制

（2）基于OPC的模糊PID算法與工控軟件的通信

本文研究的大廈新風空調設計中，嘗試使用常規的PID控制，發現KP、KI、KD設定后不變，不具備自適應的能力，效果欠佳，而使用模糊 PID控制時，KP、KI、KD會隨外界環境的變化自動調節，保證了控制系統的穩定性。而在工控軟件中僅提供PID控制模塊，無法實現模糊PID對CO2濃度的控制，本文以西門子工控軟件（STEP7 V5.5）和組態王（Kingview 6.55）為實現平臺，采用Simulink中的OPC通訊模塊來完成組態王監控界面和MATLAB先進控制算法（模糊PID）程序之間的數據傳輸[13]，其信息傳遞流程如圖9所示。

圖9 信息傳遞流程

一旦OPC通信成功，則基于MATLAB的模糊控制PID模塊的計算結果，由OPC接口直接傳回組態王中，最終通過PROFIBUS-DP將控制信息下傳到PLC中，完成對二氧化碳濃度的恒值控制。

（3）MATLAB、STEP7和組態王的聯合仿真及結果分析

仿真環境：WindowsXP操作系統，選用STEP7 V5.5為編程軟件和Kingview 6.55軟件為上位機監控軟件，利用MATLABR2014a/Simulink建立仿真模型，結果如圖10所示。

圖10 常規PID與模糊PID曲線對比圖

由圖10可以看出，常規PID與模糊PID控制均能使控制系統最終達到穩定，但與前者（粉色線條）相比，后者（紅色線條）σ（超調量）明顯下降，系統的調節時間縮短，魯棒性好，因此在控制CO2濃度方面采用模糊PID能夠取得更優的控制效果[16]。

3 監控系統運行結果

整棟大廈的新風空調系統選用Kingview 6.55設計監控界面，通過以太網將組態軟件與PLC連接[14]。點擊組態文件中的切換view畫面，畫面顯示啟動的狀況，主界面如圖11所示，地下二層機電設備的閥門根據實際情況開啟或斷開，管道內的水質流動，且具有箭頭、文字標識，起到美觀醒目的作用。同時，可以切換到不同樓層監視新風機組的運行狀況，并設置了報警和報表頁面，操作員能夠方便、直觀和實時監控整個新風空調系統的設備、管道、閥門的連接情況和運行狀態[17]，如圖12所示。

圖11 人機監控主界面

4 結語

圖12 新風系統監控界面

本文研究了基于OPC的先進控制算法與西門子S7-300PLC的通訊，實現了自動調節二氧化碳濃度和整棟大廈新風空調系統的監控，符合智能可持續建筑的要求，具有強大的控制功能、人機交互靈活和可靠的優點，大大減少了手動開關數量，簡化了操作流程，實現對設備的遠程監控。該監控系統已成功應用于旭隆能源大廈的中央空調暖通自控系統中，目前運行狀況良好。