组态设计在空调箱控制中的应用研究

王 斌 　 高 岩

(北京建筑大学环境与能源工程学院，北京　100044)

在大型商业建筑和公共建筑中,集中空调系统能耗能占到整个能耗的50%以上,有的甚至达到了70%以上[1]。由于自动控制技术的不成熟加之配合设备使用的不方便,许多工程在设计阶段直接取消了自动控制系统，在后期运行维护时由人工进行操作，但空调系统各个设备的联合运行是存在复杂耦合关系的，仅仅靠人工控制根本达不到国家对节能减排的要求。因此采用良好的空调系统监控控制的措施是很有必要的。而随着计算机控制技术的不断发展,运用PLC控制器和上位机的组态软件的联合协调控制技术来降低集中空调系统能耗对减少建筑物的能耗具有非常深远而广泛的现实意义[2]。本文在分析集中空调系统的空调箱构造基础上，运用组态软件对北京建筑大学的基于PLC的集中空调系统空调箱进行组态界面设计，以实现对此系统监测、控制的功能。对传统空调领域的节能技术中加入了自动控制方面的知识，探讨组态技术在空调箱控制方面的应用实践。

1　组态监控及PLC控制器

1.1　空调箱控制系统的组成

空调箱作为集中空调系统重要的空气处理单元，其运行良好与否会大大的影响集中空调系统的能耗以及房间温湿度的稳定，所以对空调箱的运行进行控制调节是很有必要的。空调箱控制系统主要包括上位机、控制器、执行器、传感器这四大部分组成。上位机主要有组态软件，组态软件主要是显示系统运行概况，接收控制器传输过来的数据信号，并对系统起到监控调节的作用。控制器是空调箱控制系统的核心，一方面它接收从传感器采集而来的各项数据，另一方面控制器会根据这些采集来的数据和自身逻辑编程的内容，将控制信号给执行器，由执行器去真实地调节空调系统。

1.2　组态设计特点

组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制，具备工况调节和安全保护的功能。通过在计算机中对相关部件模块的拼装组合形成系统界面，在系统各设备自动化运行过程时，控制器采集各种数字信号和模拟信号等信息，并将信息传输给计算机中的组态，以更易于理解的方式进行显示，对系统各测点数据进行实时监控。一旦系统运行出现问题会将重要的信息传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储。组态向控制设备和管理设备提供很多软、硬件接口，可以实现与第三方的软、硬件系统进行集成。组态软件基本的程序及组件包括：工程管理器,实时数据库DB，I/O驱动程序，人机界面VIEW，控制策略生成器以及各种数据服务及扩展组件等。

1.3　PLC控制器特点

本文主要研究的是上位机组态与PLC控制器的联合通信和运行关系，PLC是可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术与计数的操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入与输出来控制各种类型的机械生产过程。可编程逻辑控制器实际上是一种专门用于工业控制的一种计算机，它的硬件结构基本上与电脑相同。

2　集中空调系统空调箱的组态设计

2.1　空调箱系统控制概况

本文运用北京建筑大学的集中空调系统空调箱，对其进行控制实验平台的搭建，以对此系统关键点的温度压力等数据进行实时监控和调节。系统中控制器采用西门子PLC控制器S7-300，主要传感器有温度传感器、湿度传感器、风压传感器、水压传感器，执行器有电动两通阀、电动三通阀、风阀执行器、风机变频器、加热器及加湿器。各传感器、执行器等I/O设备将采集到的数值以信号的形式传给控制器，控制器再将数据输入到计算机组态中，组态能够显示系统监测点实时数据的变化，起到监控系统数据的作用。

2.2　组态设计

2.2.1建立组态画面

本试验台采用四通组态软件进行设计，打开四通组态，让其先与PLC控制器实现连接，能够通信，然后根据中法能源中心的空调箱内部各个设备的实际布置情况，在组态软件的窗口界面中画出合适的图标，标注出测试的各个数据点并设计恰当的图元来创建系统的组态画面。

2.2.2组态与PLC控制器数据库点实现通信

根据空调箱中各个执行器和传感器等I/O设备的实际接口，与西门子S7-300控制器的各个接点进行准确地连接，这样就可以在控制器的软件中能够准确的查询到各个温度压力等数据点的地址，并在四通组态软件中设置对应的地址，与此控制器相通信，根据实际接点的地址和含义，在组态软件中建立I/O数据库点，实现上位机与控制器的通信。如图1所示，温度T1点的变量设定中，在PLC控制器的地址设定中表示这个点的地址是DB10.DBD0,DB表示的是数据块，那么在组态中相应输入完毕后点击确定，此时在四通组态运行系统中就会显示出温度T1的实际值；以此类推，再把其他的温度压力点等设置完毕，例如图2所表示的是一系列温度数据点设定完毕的情况。

2.2.3组态控制界面

如图3所示，在组态软件中完成控制系统搭建和监测点布置。在设备和数据库点进行一一匹配连接后，就能实现对系统运行时，各个测点的温度压力和各执行设备等数据点进行实时监测。

3　对加热器进行PI控制实验

在完成整个空调箱控制试验台设计和搭建后，选取回风加热器进行PI控制实验，温度采集设为5 s一次。开始时发现曲线超调量较大，将Kp调整降低，调整后发现曲线超调量变小。如图4所示的部分实验曲线，后面继续调整Kp,Ti的值，减小曲线波动，在16:39时回风温度稳定在设定值26 ℃，可以看出此控制试验台具有良好的控制调节功能。

4　结语

本文在分析建筑自动控制的大背景下，对组态软件和PLC控制器等这些计算机控制技术和设备做了详细的介绍，然后利用北京建筑大学的集中空调的空调箱进行了组态控制的设计，此实验的结果表明运用上位机的组态可以对空调箱关键温度、压力、流量等进行实时的数据反映和监控，当系统运行出现问题时，这省去了人工查找和检测故障的财力和人力，并且通过对空调箱关键设备的PI控制，可以得到良好的控制效果，对集中空调系统能耗的降低起到了显著的作用。

参考文献:

[1]喻勇.基于TRNSYS的集中空调及其控制系统仿真[D].北京:北京建筑大学，2014.

[2]范峰海，韩宁，岳子丰,等.BA系统在集中空调设备节能控制中的应用[J].智能建筑电气技术，2013,12(7)：43-47.