基于PLC的办公楼宇中央空调控制系统研究

魏立明, 高伟阳,2

(1.吉林建筑大学, 吉林 长春 130118;2.长春市市直机关事务管理局, 吉林 长春 130000)



基于PLC的办公楼宇中央空调控制系统研究

*魏立明1, 高伟阳1,2

(1.吉林建筑大学, 吉林 长春 130118;2.长春市市直机关事务管理局, 吉林 长春 130000)

针对楼宇中央空调滞后大、温/湿度设定不合理等现象,进行了中央空调的改进水系统调节、系统上位机设计和下位机设计。采用模糊控制PID调节算法改进水系统调节,应用MATLAB软件对其算法进行仿真。下位机部分完成了中央空调控制系统核心程序的设计。上位机部分应用组态王6.53软件完成中央空调控制系统整体运行动态仿真界面、温/湿度检测监控界面、变频器频率监控界面和历史数据记录监控界面。

办公楼宇; 中央空调; 模糊PID; PLC控制

0 引 言

针对办公楼宇内中央空调控制系统的需求[1],以及目前空调工艺上存在的不足进行设计,本文使用可编程控制器PLC对中央空调进行系统控制,再加以改进水系统调节控制,将其控制过程、数据采集,运用组态王软件进行模拟仿真研究。

1 理论分析

模糊控制是以模糊集合论、模糊数学、模糊语言形式的知识和模糊逻辑的规则推理为理论基础,采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统[2-3]。模糊控制包括输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机和解模糊接口等。模糊控制主要分为3个过程:① 将精确值偏差e和偏差变化ec模糊化成E、EC;② 根据整理的相关模糊控制表进行模糊推理,得出推理结果U;③ 将所得值U进行模糊判决,并转化为精确值用于实际控制。此过程需要引入量化因子ke、kec和比例因子kU来实现连续域到有限域的转变。模糊控制过程结构如图1所示。量化因子连续域到有限域的转变如图2所示。

图1 模糊控制过程结构

图2 量化因子连续域到有限域的转变

(1)

式中:eL——低极限值;eH——高极限值。

(2)

(3)

式中:ecL——低级限值;ecH——高极限值;

uL——低极限值;uH——高极限值。

因此,求出

(4)

(5)

对式(4)、式(5)运算取整数。设论域为[-3 3],则可求出ke=1,kec=6。

依据上述原理,建立模糊控制器。取偏差e、控制量u和偏差变化ec，将其模糊化为偏差E、控制量U和偏差变化EC。定义E、EC和U的论域范围为[-3 3],NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB为模糊化偏差。偏差变化量和控制量的语言变量构成三角形的模糊隶属度函数。三角形的模糊隶属度函数形成过程如图3所示。

图3 三角形的模糊隶属度函数形成过程

选择平面积分的方法将模糊控制量U转化为精确量,即去模化。模糊控制仿真模型如图4所示。

图4 模糊控制仿真模型

在Simulink中运行仿真图像,模糊控制仿真如图5所示。

图5 模糊控制仿真

由图5可知,应用模糊控制方法时无需建立数学模型,依靠控制经验即可,在动态响应上优于传统PID控制;其鲁棒性较好,对过程中的非线性误差和延迟有良好的控制[4-5]。模糊控制也有无法克服的问题,控制结果不稳定,会出现偏差。传统PID控制技术设计原理相对简单,对各种控制系统适应性相对较强,鲁棒性易于实现,比较稳定,调整精度较高,但传输延迟时间较大。本文采用改进PID调节,即传统PID与模糊控制相结合的方法。改进PID调节结构如图6所示。

图6 改进PID调节结构

中央空调控制系统庞大复杂,以冷热水控制为例介绍改进的PID控制设计。冷热水控制过程中用传感器采集冷热水液位,将采集到的模拟量信号转化成数字量信号。此外,采集中央空调送风口温度模拟量,并转化为相应数字量信号。将两部分数字量信号整合到改进PID控制的固有范围内进行控制,并达到改进效果。改进PID控制流程如图7所示。

图7 改进PID控制流程图

改进PID控制先用模糊控制方法选取较大的比例系数和积分时间常数,使PID控制的时间减少,系统参数可较快地接近目标值。当系统接近稳态值时,选取的较大积分参数可缓慢地靠近目标值。此时将风机管道中的的温/湿度信息转换为4～20 mA的电流信号,由模拟量模块采集,转化为数字量信号,传送给可编程控制器PID进行调节,从而控制冷热水的供水量及喷淋泵的启停。若控制符合要求,则再将数字量转化成模拟量输出(由于PID控制过程主要将模拟量转化成数字量,而PID调节范围有限,故将此数字量除以相应整数倍)。若不符合要求,则对出现误差进行分析。调整误差法有两种,一种是自动调节,另一种是手动调节。若使用手动调节,需要在PLC软件调节栏中设置整定参数。

2 中央空调控制系统下位机设计

本文依据中央空调实际运行原理,抽象提炼出新风采集、回风处理和送风检测的设计理念。由于风体输送要经过温/湿度检测、阀门调节控制、加温加湿、冷热水调节和变频器运行等过程控制,所以将其软件设计模块化,归类为以上相应的子程序,由主机集成管理。运用组态王仿真软件对风体运行进行实时监控,触摸屏控制面板作为控制调整工具,达到对中央空调高效、有序的管理。传统的中央空调控制系统组件庞大,过程控制极复杂,滞后严重,稳定性和兼容性差,严重影响了中央空调控制系统的工作效率。软件设计要求运用EPLAN软件绘制中央空调控制系统原理图,使用西门子PLC可编程控制软件STEP7的特殊运算指令完成中央空调控制系统的数据传送、定时计数和回路控制等程序编译,并同硬件进行连线调试。最终,在模块和计算机上模拟完成中央空调控制系统的各子程序运行。中央空调控制系统软件设计流程如图8所示。

图8 中央空调控制系统软件设计流程

3 中央空调控制系统上位机设计

依据中央空调控制系统整体运行原理,设计了组态王仿真的登录界面、中央空调控制系统整体运行界面和部分核心监控界面,如图9～图13所示。

图9 中央空调控制系统登录界面

图10 中央空调控制系统整体运行界面

图11 湿度实时曲线界面

图12 变频器频率和风速检测界面

图13 历史数据记录监控界面

4 结 语

针对楼宇内部中央空调滞后大、温/湿度设定不合理等现象,进行了中央空调的改进水系统调节、上位机设计和下位机设计。改进水系统调节采用模糊控制PID调节算法,应用软件分别对其控制算法进行仿真。下位机部分主要完成中央空调控制系统核心程序的设计。上位机部分应用组态王6.53软件完成中央空调控制系统各元器件数据变量编译、整体运行动态仿真界面、温/湿度检测监控界面、变频器频率监控界面和历史数据记录监控界面。

[1] 杨春艳.模糊PID控制技术在中央空调系统中的应用[J].山西电子技术,2013(6):17-18.

[2] 张建林,邓小龙.模糊控制技术在空调控制系统中的应用[J].电子科技,2014,27(3):41-45.

[3] 张广会.基于模糊控制的中央空调节能群控制系统研发[D].广州:华南理工大学,2012.

[4] 吴壮勇.S7-200PLC在中央空调节能系统中的应用[J].电子世界,2014(9):67-68.

[5] 任英.基于PID模糊控制的中央空调节能群控系统研发[J].电子测试,2013(8):10-14.

Research on Central Air-conditioning Control System of Office Building Based on PLC

WEILiming1, GAO Weiyang1,2

(1.Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China;2.Changchun Municipal Authorities Affairs Bureau, Changchun 130000, China)

Aiming at the problems of the large lagged central air conditioning,unreasonable temperature and humidity setting in office building,this paper introduced the regulation of the improved central air-conditioning system,upper computer system design and lower computer design.The fuzzy control PID control algorithm which was simulated using MATLAB software,improved the water system regulation.The lower computer completed the core program design of the central air-conditioning control system.The upper computer completed the overall operating dynamic simulation interface,temperature monitoring interface,humidity detection monitoring interface,inverter frequency monitoring interface and historical data recording control interface of the central air-conditioning control system based on Kingview 6.53 software.

office building; central air conditioning; fuzzy PID; PLC control

高伟阳 (1986—),男,硕士研究生,从事建筑电气及智能化方面的工作。

吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教科合字[2016]第143号)

魏立明(1974—),男,教授,硕士生导师,研究方向为建筑电气与智能化。

TU 855

B

1674-8417(2016)12-0004-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.12.002

2016-07-06