基于PLC的空调系统优化控制平台设计

2018-12-06王宇鹏

商品与质量 2018年50期

王宇鹏

中移铁通包头分公司内蒙古包头 014040

在空调产业发展的大背景下，空调自动化系统的普及程度偏低，其市场的价格相对偏高，再加上用户对于空调自动系统使用方法的普及不到位，就算是用户购买了拥有自动控制系统的空调，但是在实际的生活当中，也没有达到预期的效果。所以，针对暖通行业的创新，就需要在技术层面上考虑更多的问题。

1 PLC的组成

PLC的组成可以归纳为六大模块，其核心部分为微处理器。PLC的组成的第一大模块为中央处理器，中央处理器的作用主要是用来对信号进行收集，其程序的编制应从用户的需求出发，各个目标指令的实现应该根据所反馈的不同数据；数字与模拟输入作为第二大模块，其信号的收集可以有多个渠道，如电位器和变送器等。另一方面，关于对调节阀、变频器、切断阀、接触器以及报警装置的操作控制均可以根据数字与模拟输出模块来得以实现。第三大模块则为电源，主要的任务有两个：一为将交流电转变为直流电，二为提供线板的电源供应；第四大模块为通信模块，它不仅能把PLC信息传送中央处理系统，而且也是I/O接口和计算机设备的联系纽带，其主要工作是对远程的通信互联工作负责。第五大模块编程设备模块，主要是下载和编写程序，它是基于STEP7软件，实现人机互动，WINCC软件的应用使程序员更易修改和编程；第六，接口模块可以为扩展提供电源支持，同时还能够有效扩充PLC的存储容量。

2 优化控制系统基本结构

空调系统优化控制平台的基本框架主要分为3层。最底层是由传感器和执行器两部分组成的现场设备层。其中传感器负责采集空调系统各个部件的数据信息并发送给DDC控制器，执行器则从DDC控制器接收控制信号，并完成各部件最优值的设定操作。中间一层则为控制层，由DDC控制器和系统总线等设备组成。一方面控制器收集从传感器传送过来的数字模拟信号，进行简单的数据处理和逻辑判断，另一方面将从中心决策层发出的各变量最优设定值和设备启停信号转换为执行器可执行的控制信号。中心决策层扮演着整个系统“大脑”的角色。它的主要功能是以传感器采集到的数据为样本，对设备进行参数辨识和能耗模型的优化，依据系统能耗模型和约束条件建立目标函数并进行寻优计算，最后将计算得出的各变量的最优设定值反馈给控制层。

3 优化控制平台的硬件设计

3.1 主站S7-300设计

DP主站是系统的中央控制器，负责对总线通信进行监测和管理，并与上位机循环交换信息。所选优化控制平台的主站型号为S7-300PLCCPU315-2DP。

CPU315-2DP是一款适用于中等规模控制系统的PLC，具有运行稳定、可拓展性好、抗干扰能力强的优点，能与远程I/O模块进行数据通信，通过STEP7准模PID功能块实现闭环控制任务。CPU315-2P带有PROFIBUS-DP接口，通过此接口可实现PROFIBUS-DP通信。在本平台中，利用PROFIBUS-DP通信专用的屏蔽双绞线，将主站CPU的DP接口与从站的各DP接口按顺序串接。主站的电源模块选用型号为PS30710A，其输入电压为220VAC，输出电压为24VDC。以太网通信模块为CP343-1Lean模块，其主要功能是实现监控层上位机与控制层主站PLC之间的数据通信，通信速率最高可达100Mbps。串行通讯模块选择CP340-RS232C模块，负责接收来自总线型参数巡检仪的数据信息。

3.2 OPC技术

OPC（OLEforProcessControl，用于过程控制的OLE）指用于过程控制的对象链接与嵌入技术，能够为工业应用程序之间提供高效信息集成和交互功能的组件模型接口。对于采用不同的控制软件和协议的系统，OPC均能为不同的过程控制设备间提供可通信的接口，利用OPC这一优势，本文实现了MATLAB与组态软件WINCC之间的通信[1]。服务器（Server）是组对象的容器，包含服务器对象的所有信息，能够向OPC客户端提供创建和操作组对象的功能；组（Group）为项对象的容器，负责提供项的组织和管理机制。项（Item）表示具体的过程变量，也是数据读写的基本单位。

3.3 MATLAB与组态软件WINCC之间的通信实现

WINCC是工业生产实践中广泛应用的监控系统，具备灵活性和开放性，能够安全可靠地与外部应用进行实时数据交换。WINCC提供了三种OPC服务器：OPC-DA、OPC-HAD和OPC-A＆E服务器。通过OPC-DA服务器能够获取优化控制平台控制过程中的实时数据，并通过改变相关过程变量的值来实现对系统的优化控制。

WINCC与MATLAB间的数据通讯原理，PLC采集空调系统各现场设备的数据信息，然后通过工业以太网将其传送到工控机内部的组态软件WINCC。在工控机内部，WINCC与MATLAB通过OPC协议实现数据交换，WINCC负责系统状态参数的监测，MATLAB则根据建立的能耗模型进行数据处理、参数辨识、寻优计算等过程取得各变量的最优设定值，最后将运行结果通过WINCC、OPC协议和工业以太网返回到PLC中，完成对现场设备的优化控制。