基于松下PLC机房精密空调温湿度采集系统的设计与实现

常云峰

【摘 要】随着广播电视技术的发展，电视节目制作及播出全部实现数字化，核心的服务器及储存都需要机房恒温恒湿的环境确保正常工作。本文简单介绍一下机房精密空调温湿度采集系统的设计与实现。

【关键词】机房空调 PLC 集中监控

一、国内外研究及发展现状

1.机房空调控制系统的发展现状

对机房空调的研究始于20世纪50年代，最开始是在美国发展起来，随着程控机房数量的增加，机房空调的使用也越来越广泛，业内对机房空调的研究也得到了相应重视。从追求更高的运行精度到提高机组的可靠稳定性，到提高空调机组的运行效益、节能降耗，再到对机房空调的管理维护，无处不体现出技术人员的努力与成绩。

最开始对机房空调的精度要求并不高，随着机房设备的不断更新，越来越多的高精密设备的引入，对运行环境也提出了更高的要求，机房空调的控制精度也不断提高。空调系统不断地优化，控制方法不断地发展与更新，PID技术、变频技术、人工智能模糊控制等先进的技术都应用到机房空调的控制中，使机房空调的控制精度有所提高和发展。

从控制方式上，机房空调温湿度采集系统控制可分为三种：继电器控制系统、直接数字式控制器DDC和可编程逻辑控制器PLC。早期主要采用继电器控制，但这种方式存在明显的缺点，比如系统复杂，功耗高，出现故障检修困难等，因此也注定将其淘汰。后来出现的直接数字式控制器DDC在智能化方面有了明显的进步，但DDC也有本身的缺点，真正限制了其应用范围的原因在于它的抗干扰能力问题，及其分级分步式结构所带来的局限性。到了PLC控制阶段，机房空调控制系统才真正得到满足。PLC与前两种控制方式相比有著明显的优势，比如PLC控制系统运行可靠，抗干扰能力强，应用和维护方便等等，尤其突出的是PLC强大的联网通信能力能够适用于新型高速网络的发展，这些显著的优点使其得到广泛的应用。

2.机房空调温湿度采集系统的发展现状

国内对机房空调的研究起步较晚，一直以来，对机房空调系统的研究主要集中在新技术的应用，对机房空调的系统管理及空调工作状态的监控没有足够的认识，导致机房管理自动化水平、信息化水平一直比较低。由于空调系统的设计，是在一定的工况和前提条件下才能发挥空调的最大制冷效果，对于维护好空调，能够优化运行从而达到节能的目的。另外一方面，机房空调作为信息系统的重要支撑，需要24小时不停运转，人工维护难度大，不利于维护机房环境的稳定。随着业务机房的数量越来越多，规模越来越大，对空调的维护管理也逐渐得到了工作人员的重视，机房环境温湿度的管理从一开始的人工现场维护到远程集中监测，得到了飞速的发展。加上计算机技术、网络通信技术、PLC技术等相关技术在机房温湿度采集系统中的应用，大大增强了机房设备管理的自动化水平，使机房设备维修简单、方便，保证了机房设备的可靠运行，目前国内机房温湿度采集系统有以下几种形式：

①人工检测形式

这种方式还属于比较原始的监控方式，是靠维护人员现场利用检测仪进行检测，检测仪上集成CPU、外围电路A/D转换、温湿度传感器，通过它可以实现简单的数据采集和计算、查看当前机房环境温湿度，检测空调机组的运行状态。这种方式虽然有投资少、移动灵活的优点，但功能过于简单，无法实现实时监控和数据处理、远程监控、集中管理功能，无法实现空调机组的24小时监控，不利于保证运行环境的长期稳定可靠。

②集中式温湿度检测形式

集中式温湿度检测形式由信号采集、A/D转换、主机监控、信号传输等组成，这种方式通过现场总线传递给上位机，上位机对接收的数据进行计算处理，并通过显示器将机房温湿度参数显示给监控人员。这种方式对于管理维护已经很方便，但也有缺点，模拟信号传输过程受到距离的影响，当传输距离长时容易产生干扰，导致信号波动，甚至失真。

③多层分布式结构形式

此种模式由监控触摸屏和采集控制模块组成，每个采集控制模块具有信号采集、A/D转换、数据计算、数据传输功能，有独立的CPU，可以将采集的模拟量信号转换成数字信号，这就解决了模拟信号传输过程受距离影响的问题。监控触摸屏通过现场总线技术轮询监测各采集模块，再将采集的数据分析处理，通过触摸屏画面显示给维护人员。这种结构形式中，每个机房都具有独立的温湿度采集控制单元，再由现场总线组合成一个完整的监控系统，这样不仅实现了对机房温湿度的实时监控，也大大减小了机房环境巡查及空调维护的难度。

二、PLC介绍

机房精密空调温湿度采集系统采用PLC控制系统，Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。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、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。自20世纪60年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

三、网络通信设计

在机房精密空调温湿度采集系统采用RS485总线通信网络结构。RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制，多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接99个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。在该系统设计中采用了松下PLC AXPF-COM4模块作为通信接口。

四、硬件设计

在该系统中采用昆仑通态的触摸屏作为人机对话显示工具，分别将PLC采集的温湿度的数据显示出来，提供给值班人员作为参考，同时提供报警输出。

在机房关键设备安装北京昆仑海岸温湿度一体变送器，供电为24V直流，温度量程为0-50℃，最小分辨率为0.1℃，湿度为0-100%，最小分辨率为5%，将环境温度及湿度转化为0-20mA工业模拟量信号输出。。

在四个机房安装松下PLC14R作为核心处理器，对采集的数据进行逻辑比较运算对比设定数值，大于时输出报警信息。在PLC上加装AXPF-COM4模块，提供一路的485通信接口，四个机房的PLC用一根屏蔽1.0双绞线链接，作为从站，主站的触摸屏安装在值班室实现数据通信。

五、系统软件设计

1.梯形图

在该工程项目中采用梯形图的编程语言，也是在实际设计中最常用的一种语言。因与继电器电路很相似，所以具有直观易懂的特点，很容易被熟悉继电器控制的电气技术人员所掌握，特别适合于数字逻辑控制。

梯形图是一种图形化的編程语言，沿用了传统的电气控制原理图中的继电器触点、线圈、串联和并联等术语和一些图形符号，左右的竖线称为左右母线。在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。梯形图由触点、线圈和指令框构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等功能指令。梯形图的触点只有常开和常闭两种，触点可以是PLC外部开关连接的输入继电器的触点，也可以是PLC内部继电器的触点或内部定时器、计数器等的触点。梯形图中的触点可以任意地串、并联，但线圈只能并联。内部继电器、定时器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能作为中间结果供CPU使用。PLC按照循环扫描的方式处理控制任务，并沿梯形图的先后顺序执行。

2.温度采集程序设计

温度采集程序起始使用R9010常闭特殊内部继电器，F1DMV为32位传送指令将第一路的温度采集数字量传送到地址寄存器DT100中，F326DFLT将DT100转换为浮点数，F313为浮点数除法指令，将获取的数字量除以最高数字量程4000再使用F312浮点数乘法指令，乘以温度传感器的最大测量值50，得出的值就是实际温度值储存在DT106地址寄存器中作为触摸屏的显示地址。

3.湿度采集程序设计

湿度采集程序起始使用R9010常闭特殊内部继电器，F1DMV为32位传送指令将第二路的湿度采集数字量传送到地址寄存器DT108中，F326DFLT将DT108转换为浮点数，F313为浮点数除法指令，将获取的数字量除以最高数字量程4000再使用F312浮点数乘法指令，乘以传感器的最大测量值100，得出的值就是实际湿度的百分比值储存在DT114地址寄存器中作为触摸屏的显示地址。

4.温湿度报警程序设计

报警程序设计中使用了一个报警预置值，作用是在PLC上电时避免报警输出。PLC上电第一个扫描周期，将浮点数26和90传输到报警上限地址寄存器中，其温度上限为26℃，湿度上限为90%。再根据实际的情况在触摸屏输入相应的报警上限值。

报警程序指令F345为浮点比较指令，DT106为实际温度值，DT116为报警上限值，R900A为大于输出内部继电器，当实际温度大于设定温度时R900A为常闭，R0为常闭，触摸屏读取R0报警输出。

六、总结

本项目介绍了一套机房精密空调集中控制系统的设计过程。该系统实现了每个机房精密空调的独立监控，控制功能主要由松下小型PLC FPX14R完成，通过对PLC的软件编程，实现机房的温湿度集中采集，保证空调机组的可靠性和精度要求。可以通过上位机触摸屏对机房的温湿度进行集中监控，高于设定温度及湿度时输出报警，保证机房24小时不间断地稳定在要求的环境条件下工作。

（作者单位：辽宁广播电视台）