基于PLC模糊控制的厂房空调控制系统设计

2014-09-15杨志方彭新显孙小兵危必波

长江大学学报(自科版) 2014年7期

杨志方，彭新显，孙小兵，危必波

（武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉 430205）

随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们对工作和生活环境的要求也越来越高。为人们提供舒适的工作环境，确保机组以最佳性能运行是工厂空调系统的基础目标。现在有许多工厂的空调系统对环境变化时温度的调控不迅速，使人产生不舒适感，导致机器经常在过热或过冷的环境中运行及调控方式不节能等诸多问题［1］。为此，笔者对基于PLC模糊控制的厂房空调控制系统进行了设计。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

厂房空调系统框架图如图1所示。冬季采暖热源引至辅汽联箱，经减温减压至3kgf／cm2的饱和蒸汽；夏季制冷源引至集中制冷站的2台约克YCWJ型冷水机组（一运一备）的冷冻水。回风风机从集控室／电子间抽出的空气与新风风机从外界抽进的新空气混合，经过冷水循环冷却或高温蒸汽加热，由送风风机再抽入到集控室／电子间。此外，利用送风风机的转速变化控制送风量的大小，由此调节集控室／电子间的温度。

图1 厂房空调控制系统框架图

1.2 工作原理

系统控制结构图如图2所示。该系统由2台Smart700触摸屏、西门子S7200PLC和特殊功能模块以及MM430变频器组成，以S7200PLC为控制核心，其Porto口通过USS协议控制2个MM430变频器，其中变频器1可以在变频模式下控制集控室风机电机1或2，变频器2可以在变频模式下控制电子间风机电机1或2，通过PLC控制各回路的通断来选择工作机组；在工频模式下，同样可以通过PLC实现对任意一个风机电机的控制。Port1口通过RS485总线和机柜上的触摸屏通信，远程控制的触摸屏通过EM277扩展的Port0口采用RS485总线与PLC通信。

该系统的所有控制指令都由2台Smart700触摸屏发出，其中一台触摸屏位于电气柜上，用于切换手动工频模式和自动变频模式。在手动工频模式中，可以分别工频启停集控室和电子间的工作机组1＃或工作机组2＃，并可以实时显示当前集控室和电子间的温度和湿度；在自动变频模式中，可以对集控室和电子间的工作机组（一运一备）及空调工作模式（夏季模式和冬季模式）进行选择，并进入相应的温度自动控制设定界面，用户可以通过触摸屏上的按钮对指定预期温度进行调节，并实时显示当前集控室和电子间的温度和湿度以及各个滤网的压力异常情况。另一台触摸屏位于集控室，通过EM277Profibus DP模块与PLC通信，用于自动变频模式下的远程控制。自动变频模式下的温度设定与监控界面如图3所示。

2 总线协议

S7200PLC和2个MM430变频器通过基于串行总线进行数据通讯的USS协议通信，在USS总线上，S7200作为主站，2个MM430变频器作为从站，总线上的每个从站都有1个站地址（在从站参数中设定），主站依靠其识别每个从站；每个从站也只对主站发来的报文做出响应并回送报文，从站之间不能直接进行数据通讯［2］。

图3 监控界面示意图

图4 USS协议初始化

使用USS协议的初始化模块USS＿INIT初始化S7200的PORT0端口（见图4），二进制2＃110000000表示初始化地址为7的集控室机组的变频器和地址为8的电子间机组的变频器；波特率为19200bps。MM430变频器的运行参数如表1所示。

3 软件算法

3.1 数据分析处理

该系统中，PLC扩展EM231模拟量输入模，读取温湿度传感器传回的温湿度电流数据；外接的温湿度传感器为AF3020Y，其温度测量范围为0～50℃，湿度测量范围为0～99.9%RH，对应的输出为4～20mA电流信号。集控室和电子间采集到的温度数据A分别存放在模拟输入量AIW4和AIW8中，湿度数据B分别存放在模拟输入量AIW6和AIW10中，温度、湿度的测量数据A、B与T（实际温度）、ρw（实际湿度）之间的换算关系如下:

图5 模糊PID控制系统结构图

由于从温湿度传感器读来的数据为整型，如果单一的直接做整型的减法和除法，每进行一次运算都会把小数丢掉，这样对系统的精度会产生一定影响，甚至会造成系统不稳定。所以，先把整型通过I＿DI转换为双整型，再通过DI＿R转换为实数型，对数据进行实数型的运算（见图5）。

3.2 模糊PID算法

考虑到工厂温度的多变化、干扰大、非线性等特点，该系统采用模糊PID （Fuzzy－PID）控制算法，其基本原理是首先找出PID的3个参数（KP、KI和KD）与温度偏差e（t）和温度偏差变化率Δu之间的模糊关系，然后在运行中连续检测e（t）并计算Δu，最后利用模糊控制原理对PID的3个参数进行在线修改以满足在不同e（t）和Δu时对控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能［4］。模糊PID控制系统结构如图5所示（执行机构采用MM430变频器，集控室和电子间温度为被控对象）。