新风空调变频控制模糊控制监控系统的设计方案

摘 要

　　空调系统作为现代办公大厦必不可少的组成部分，对保证人们舒适的工作环境具有重大影响，而传统的中央空调系统受楼层高度和密封性问题的限制，空调系统制冷供暖效果并不理想。依靠纯人工手动操作开关阀，并不能及时调整室内的温度，另外，传统的大厦空调系统仅能调节温度，并不能改善室内空气质量。

　　针对此类问题，以西安旭隆能源大厦的实际情况为背景，结合国内外新风空调监控系统的现状，分析新风空调系统制冷供暖原理和新风控制原理，提出了基于西门子S7-300PLC 和 PROFINET 与 PROFIBUS-DP 总线相结合的监控系统设计方案。在确定总体方案的基础上，进行了硬件设计和软件设计，硬件设计方案采用 IPC+PLC+分站的形式，并对 PLC 模块和现场硬件设备进行了选型。软件设计包括上位机软件设计、PLC 程序设计和触摸屏现场画面设计，采用 KingView6.55 设计监控界面，STEP 7 V5.5 完成西门子S7-300 PLC 硬件组态和程序编写，利用 Wincc Flexible2008 软件完成了触摸屏界面的设计。

　　其中，为实现空调系统的节能控制，编写了冷却水泵的变频控制程序，为实现室内二氧化碳的恒值控制，对新风系统采用自适应模糊 PID 控制策略，并通过 MATLAB 仿真对比试验，验证了模糊控制优于常规 PID 控制。

　　实际应用表明，该监控系统运行精度高、稳定度高，空调系统的变频节能控制和新风系统对二氧化碳的恒值控制效果明显，完全符合办公大厦对室内温度和空气质量的要求。

　　关键字：新风空调 S7-300 PLC 变频控制模糊控制监控系统

ABSTRACT

　　As an integral part of modern office buildings, air-conditioning systems have a major impact on ensuring a comfortable working environment.The traditional central air conditioning system is limited by floor height and sealing problems, and the air conditioning system cooling and heating effect is not ideal.By relying on pure manual operation of the on-off valve, the temperature in the room cannot be adjusted in time. In addition, the traditional building air-conditioning system can only adjust the temperature and does not improve the indoor air quality.

　　In view of such problems, based on the actual situation of Xi'an Xulong Energy Building,combined with the status quo of domestic and foreign fresh air conditioning monitoring systems, the principle of fresh air conditioning system cooling and heating and the principle of fresh air control are analyzed.A design scheme based on Siemens S7-300 PLC and PROFINET combined with PROFIBUS-DP bus is proposed.On the basis of determining the overall scheme, hardware design and software design were carried out. The hardware design scheme was in the form of IPC+PLC+Substation, and the PLC module and field hardware equipment were selected.The software design includes PC software design, PLC program design and touch screen live screen design. The KingView6.55 design monitoring interface is used. STEP 7 V5.5 completes the Siemens S7-300 PLC hardware configuration and programming. The touch screen is completed by Wincc Flexible2008 software. The design of the interface.

　　Among them, in order to realize the energy-saving control of the air-conditioning system, a frequency conversion control program for the cooling water pump is prepared.In order to realize the constant value control of indoor carbon dioxide, the adaptive fuzzy PID control strategy is adopted for the fresh air system, and the MATLAB simulation comparison test is carried out to verify that the fuzzy control is superior to the conventional PID control.

　　The practical application shows that the monitoring system has high running precision and high stability. The variable frequency energy-saving control of the air-conditioning system and the fresh air system have obvious control effect on the constant value of carbon dioxide,which fully meets the requirements of the office building for indoor temperature and air quality.

　　Key words:Fresh air conditioner, S7-300PLC, Frequency control, Fuzzycontrol,Surveillance system

目录

　　第一章绪论

　　1.1 课题研究背景

　　随着现代办公大厦建筑面积的增大，楼层的增高，以及建筑结构复杂性的提高，则为工作、生活在大厦中的人们提供舒适的室内温度和提升空气品质变得尤为重要，因此新风空调监控系统已经成为智能大厦的重要组成部分，其能耗问题和精准性控制问题也成为研究和设计关注的重点。

　　在传统空调监控系统中，除能耗问题之外，还存在以下几方面的问题：空调系统需要配置大量机电设备，占据很大的空间，导致管理复杂度的增加和成本的提高；纯人工干预的系统运行时无法做到设备的自动切换，冷冻水泵、冷却水泵和冷水机组等设备在高负荷下运行，造成不必要的资源浪费；除此之外，现代大多数办公大厦只有空调系统，并没有新风系统，空调只有控制温度的作用，无法改善室内空气，不利于身体健康；此外即使存在新风系统，传统的 PID 控制仍占据空调系统的主体地位，控制新风量的问题并不理想。

　　如今，全世界范围内，在空调系统设备的研发和改造方面已经突破了许多技术难关，但对于新风空调监控系统的设计则尤为匮乏，采用先进的控制策略调节室内二氧化碳浓度的研究更为缺少，所以在办公大厦新风空调系统中不但要配备常规的空调系统调节室内温度，还要增加新风系统保证室内空气质量。以我国为例，很多办公大厦采用中央空调系统，本身系统设计较为复杂，需要大量的人力、物力和财力进行维护，且无法调节室内的空气质量。这就要求我们将空调系统和新风系统相结合，并进行合理监控，改善办公大厦空调系统中存在的能耗和空气质量问题，实现节能和调节室内空气质量的双重目标。

　　1.2 新风空调监控系统国内外现状

　　一直以来，新风空调系统的监控作为智能化楼宇的一部分，经历了从纯人工管控到依靠计算机监控的发展过程[1].初始阶段，大量设备的运行状况通过设置的仪表显示，并由现场人员对操作盘进行操作，无法满足精准的控制和摆脱时间的延迟性。而计算机监控系统是基于控制器、计算机和网络通信，依靠各类传感器等检测设备对运行对象进行监控，提高数据传输速度，获得高精度控制[2].

　　长期以来制冷供暖与空气调节相结合一直是空调控制的难点，但是随着自动控制原理在中央空调控制方面的不断深入，可编程逻辑控制器与算法的结合，神经网络与人工智能在智能化建筑方面应用逐渐增多，越来越多的先进技术真正应用于办公大厦的新风空调系统中。20 世纪 80 年代之前，大多采用继电器系统调节室内温度，之后数字控制器将其取代，可编程逻辑控制器和算法的结合逐渐应用于现场，加速了空调监控系统的发展。

　　而对于监控技术在办公大厦新风空调系统方面的应用，集成度较低，仅仅将一些主要设备进行了监控，无法采集末端数据、设备运行状态和报警信息等，未能实现集中管理自动控制，而运行设备又众多，不可避免的造成高能耗的问题，除此之外，对空气质量也无法达到精准控制。

　　因此，近年来，大厦新风空调计算机监控系统在国内外的发展，存在一些缺点，同时也有可借鉴的地方。

　　1.2.1 国外研究现状

　　国外新风空调计算机监控系统的发展经历了 4 个阶段。1985~1990 年的单功能专用系统为第一阶段。在中央监控室中只能对少数运行设备进行显示和操作，大量设备的监控是无法实现的，仍需操作员现场处理。1990~1995 年的多功能系统是第二阶段。与第一阶段相比，不是个别设备运行状态，而是所有设备的运行状态都可显示其中，不足之处在于运算和处理功能依旧全部依靠计算机程序。1995~2000 年集成系统是第三阶段。

　　最初只能由计算机完成的功能，逐渐被低成本，稳定度高，兼容性强的现场控制器代替。

　　目前正在进行的综合管理系统是第四阶段，体系架构包括三层：中央监控管理层、控制层和现场数据采集层[3].利用网络设置，整个建筑运行和操作管理在同一计算机操作平台下，实现分散控制、集中监视和综合管理的功能[4].

　　国外大厦对新风空调监控系统的设计与研究经历了以上四个阶段的发展，随着研究的不断加深，对系统的监控取得了良好的效果，相较于国内，智能化水平更高。尤其在智能大厦新风空调系统的控制方法和计算机监控这两个方面，已经处于较高水平。典型代表：

　　（1）日式中央空调系统采用的控制方法为变静压控制（DSPR）和末端总风量控制（TRAV），被称为"氟系统"控制[5].在计算机监控方面，多利用美国国家仪器（NI）公司的产品，例如 Lab Windows/CVI 或者在 LabVIEW 中加入网络通讯处理模块，通过WWW,FTP,E-mail 的方式在网络允许范围内进行监控数据的传输[6]. （2）美式空调系统区别于日式空调系统，具有多样性和性能优先性。其控制方法，经历了从初始 PID 控制到高级控制算法的转变，其中尤为青睐模糊控制类方法。计算机监控方面，多采用艾默生、三菱和德国西门子的硬件，主要包括 PLC 以及相应模块，以及程序段和监控画面编程软件。计算机监控系统对新风空调中的受控对象进行自动控制，可以提高设备的运行效率，降低人工成本。

　　除了典型的日式和美式空调监控系统之外，一些公司对新风空调监控系统的研究从未间断，开始从可靠性方面，安全运行方面以及传输速率方面考虑。优化了界面显示、完善了报警报表和趋势图、改进了实时数据传输和存储历史数据的能力。高级算法与远程监控的结合已经取得了阶段性进展，且具有广阔的发展前景。突出的有美国Honeywell、Johnson Controls 等公司，生产了一系列智能楼宇监控产品，并已应用于世界上众多国家和地区的大中型楼宇中，且监控效果良好[7].

　　由此可见，国外对楼宇智能化监控系统的研究范围广，设计方案成熟，空调监控系统作为其中一部分，对其研究也在不断增加，提出了一些先进的新型控制方法，对国内研究具有极其重要的借鉴意义。

　　1.2.2 国内研究现状

　　大厦新风空调监控系统在我国起步较晚，从时间段上分为 1990 年~1995 年的初始阶段和 1995 年~2000 年的发展阶段。这两个阶段完成了从功能单一的专用系统到多功能集成系统的转变，重心逐渐转移到了自动化管理方面，并已见成效，发展速度较快[8].

　　自二十世纪以来，监控系统的发展是一个综合的整合阶段，研究还在深化，发展较为缓慢。

　　中国建筑的空调系统始于 20 世纪 70 年代，得益于 20 世纪 80 年代的改革开放，随着国内经济的增长，空调行业的发展呈现飞跃的态势，但是新风空调系统还处于起步阶段，大多集中在一些高档建筑中。目前，国内大多数办公大厦的空调方式依旧为集中或半集中式。它们的共同点是：空调制冷供暖需要的冷冻水和采暖循环水的制取和供应采用统一控制方式；新风机组送风的处理和供应也是统一监控。整个大厦冷冻水系统、冷却水系统、新风系统集成一体，统一运行，统一管理[9].这种设计的优点是安装、使用和维护都较为方便，但是监控方面会变得较为复杂。目前，典型的有：

　　（1）上海中心大厦暖通空调的设计，考虑大厦为超高楼层，分为冷热源系统，空调系统以及其他通风系统，它的热源系统是由蒸汽锅炉和设置于设备层的管壳式汽-水热交换器组成，采用蒸汽供暖的方式将热能供给整个大厦，存在管壳式汽-水热交换器价格较高，占地面积大，需预留抽出管束的检修场地等缺点，监控对象复杂，需要工作人员现场监控，设立完备的监控系统较为困难。

　　（2）上海中建大厦的暖通系统，考虑到楼层不高，冷水系统的控制方式采用的是二次泵变流量控制。制冷设备设置在地下二层，一次泵为定流量泵，二次泵为变流量泵。

　　通过对二次泵的变频恒压控制实现二次环路的变流量运行，热水系统原理相同[10].但是在使用的过程中，由于此设计需要的功率较大，VAV 厂方提供的外区电加热功率只达到设计要求的百分之八十，造成供暖不足。

　　除具有以上问题之外，国内新风空调监控系统的研究多围绕空调系统对温度的调节进行，从最初的 PID 控制到模糊 PID 控制，在控温方面取得了较好的控制效果，但缺少对新风的控制研究，对于空调监控系统的组成和设计研究更为少，对空调监控系统控制方法的研究也在重复进行，没有设计出更优的监控策略和方向[11].目前已有相关专家提出了一些新的控制方法，如基于 BP 神经网络的模糊控制算法或人工智能的控制策略等[12].但是，国内相关的研究还很少。因此，空调监控系统的研究在国内发展中并不是非常理想，亟需进一步开展空调监控系统方面的研究。

　　综上所述，在学习借鉴国内外大厦室内新风空调监控系统设计的优点和改进其缺点的基础上，结合西北地区实际气候、旭隆能源大厦本身的楼层、面积以及能耗问题，设计基于 S7-300 PLC 的新风空调计算机监控系统，解决以往大厦空调系统中出现的机械设备管理困难、报警不及时、能耗较大和空气质量无法监控等问题。

　　1.3 课题研究意义

　　当前，伴随新技术的革新与发展，工业控制领域对控制系统的稳定性、响应速度和高精度的要求日益提升，新风空调计算机监控系统也不例外。

　　新风空调系统在控制方面需要机电设备的支撑，有大量的数字量和模拟量需要监控，例如温度、压力的控制与设定，风机的起停等。在计算机监控方面，对实时性和可靠性具有较高的要求。而 PLC 技术依旧是解决工业控制中此类问题最有效的工具，因此 PLC结合 PROFINET 和 PROFIBUS-DP 总线技术在控制领域不断被推广和普及[13].减少了硬件连接，降低了系统发生故障的可能性，增强了系统稳定性，目前已经成为自动化领域的主流控制系统[14].

　　新风空调监控系统区别于传统中央空调的部分在于传统的中央空调只能制冷供暖，无法保证室内 CO2 浓度，调节室内空气质量。而本课题研究的意义，一是在保证制冷供暖正常运行的基础上，降低水泵机组的能耗。二是在提供适宜温度的同时，探索更优的控制方法，将 PLC 中常规 PID 控制发展成为根据实际工况自动修改的先进控制，设计一套基于西门子 S7-300 PLC 的先进控制系统，调节新风量，控制室内 CO2 的浓度，改善新风空调系统的控制效果，为解决智能大厦新风空调系统的新风品质问题提供一种有效的设计方案。

　　1.4 论文结构安排

　　本文主要围绕旭隆能源大厦暖通自控研究项目展开，以空调制冷供暖水系统和新风系统为对象，设计了基于西门子可编程逻辑控制器（S7-300 PLC）的 DCS 控制系统，利用 PROFINET 和 PROFIBUS-DP 总线将各类传感器采集到的数据传送给 CPU 处理，实现对室内温度以及二氧化碳浓度等参数的精确控制，通过制冷供暖与新风的结合，实现整个监控系统的自动化管理。

　　论文根据大厦实际的建筑特点、功能用途和舒适度要求，首先确定工艺流程方案、监控对象和监控点数，选择系统的运行设备，完成硬件方案设计。然后分析空调温度的控制原理，确定空调水系统冷却水泵的控制策略；根据 CO2 浓度的控制原理和常规 PID无法精确控制新风量的原因，在新风控制中引入模糊控制技术，并以二氧化碳浓度控制为例设计基于自适应模糊 PID 控制的大厦新风空调系统，通过 MATLAB/SIMULINK 的仿真，完成基于 PLC 的参数自适应模糊 PID 控制器的设计。最后完成新风空调监控系统的软件设计。

　　论文的结构安排如下：

　　第一章：绪论，对当前国内外大厦空调监控系统的现状和研究进行了调研，阐述了课题研究的目的、意义，为控制系统的设计打下基础。

　　第二章：通过对工程概况的分析，确定了监控对象和监控点数，设计了新风空调计算机监控系统的总体方案。

　　第三章：设计了新风空调计算机监控系统的硬件方案，对上位机硬件和下位机硬件设备进行了选型，计算了空调系统的负荷量，对新风空调设备进行了选型，并完成了硬件接线图的设计。

　　第四章：确定新风空调监控系统控制策略，包括采用编写控制程序对冷却水泵的变频控制，以及利用控制算法对室内二氧化碳浓度的恒值控制。

　　第五章：设计了新风空调计算机监控系统软件方案，利用上位机监控软件实时监控设备的运行状态，利用 PLC 编程软件编写运行程序，利用现场触摸屏实现远程监控，保证系统的正常运行。

　　第六章： 论文结论和展望。

　　第二章新风空调监控系统总体方案设计
　　2.1 工程背景
　　2.2 系统简介
　　2.2.1 工艺概况
　　2.2.2 监控对象与点数统计
　　2.3 系统总体设计方案
　　2.3.1 设计原则与依据
　　2.3.2 总体方案
　　2.3.3 系统架构
　　2.4 本章小结

　　第三章新风空调监控系统硬件方案设计
　　3.1 监控系统硬件构成
　　3.2 监控系统硬件选型
　　3.2.1 上位机硬件选型
　　3.2.2 下位机硬件选型
　　3.3 传感器选型

　　3.4 新风空调设备选型
　　3.4.1 冷水机组选型
　　3.4.2 新风机组选型
　　3.4.3 水泵选型
　　3.5 变频器选型
　　3.6 控制系统硬件连接
　　3.7 现场控制柜设计
　　3.8 本章小结

　　第四章新风空调系统控制策略研究
　　4.1 新风空调系统控制原理
　　4.2 空调制冷供暖水系统的控制策略
　　4.2.1 空调冷水系统设备联锁启停
　　4.2.2 冷却水泵的连接方式
　　4.2.3 PLC 对冷却水泵的变频控制

　　4.3 新风系统自适应模糊 PID 控制策略
　　4.3.1 PID 控制基本理论
　　4.3.2 模糊控制基本原理
　　4.3.3 模糊 PID 控制器的设计
　　4.3.4 系统仿真及结果分析
　　4.3.5 组态王与 MATLAB 通信实现
　　4.4 本章小结

　　第五章新风空调监控系统软件设计
　　5.1 监控系统的功能
　　5.2 上位机监控软件设计
　　5.2.1 组态王通讯设置
　　5.2.2 组态王变量设置
　　5.2.3 登录界面设计
　　5.2.4 空调制冷供暖水系统主画面设计

　　5.2.5 新风系统画面设计
　　5.3 下位机 PLC 程序设计
　　5.3.1 STEP 7 硬件组态与通信
　　5.3.2 PLC 主程序设计
　　5.3.3 PLC 子程序设计
　　5.4 触摸屏应用设计

　　5.5 监控系统运行效果分析
　　5.5.1 冷却水泵的节能效果分析
　　5.5.2 新风系统运行效果分析
　　5.6 本章小结

第六章结论与展望

　　6.1 结论

　　随着现代技术的发展，办公大厦的管理正朝着智能大厦的方向前进，新风空调监控系统作为智能楼宇的一部分，能否节省能耗、调节温度和空气质量，以及稳定可靠的运行对智能大厦的完备性具有至关重要的作用。

　　由于我国办公大楼的新风空调监控系统还不够完善，突出表现在控制的精准性、无法调节空气质量和监视不完备方面，本文根据西安旭隆能源大厦的工程要求和实际的气候状况，设计了基于 S7-300 PLC 的新风空调计算机监控系统，完成对大厦室内温度的调节和二氧化碳的恒值控制，系统稳定可靠，具有较强的可操作性。论文主要完成的工作如下：

　　（1）通过前期搜集国内外新风空调监控系统资料以及调研，确定了新风空调制冷供暖水系统和风系统的工艺流程，并对其进行了详细阐述，进而确定了监控对象和监控点数，设计了监控系统总体方案。

　　（2）根据总体方案和工程的实际预算，选取了 PLC 的型号以及相关的功能模块，以及工控机、各类传感器、冷水机组等设备的型号，以满足计算机监控系统设计的硬件要求。

　　（3）为实现室内温度调节和节能降耗双重要求，对于空调制冷供暖水系统中冷却水泵控制，采用了 MM440 变频器控制，且利用 PROFIBUS-DP 总线通讯给定变频器频率，提高数据传输速度，实现水泵的稳定和节能运行，保证空调水系统能够为室内提供适宜的温度。

　　（4）为改善室内的空气质量，选用二氧化碳浓度为检测对象，选择自适应模糊 PID控制策略实现对新风系统的控制，保证室内二氧化碳浓度恒定。并且利用 MATLAB 完成了新风系统的建模与仿真，对比了常规 PID 和模糊 PID 的控制曲线，发现自适应模糊PID 的控制效果优于常规 PID. （5）根据监控系统总体方案、硬件设计和控制策略研究，完成了系统的软件设计，包括硬件组态、PLC 程序编写、上位机监控画面设计和现场触摸屏设计，可满足新风空调监控系统的各项要求，减少人工干预，方便相关技术人员操作管理。

　　6.2 展望

　　本文根据工程的实际情况，采用的是基于 S7-300 PLC 的控制方案，在满足了大厦制冷供暖的要求的基础上，还实现了 CO2浓度的恒值控制，但同时设计中还存在一些不足：

　　（1）对室内空气质量的控制只考虑了 CO2 浓度，相对比较单一，还应该考虑更多的污染物类型，比如：甲醛、二氧化氮和 PM2.5 等，对多种污染物的控制可以单独控制，也可以利用信息融合技术，将融合结果送入模糊控制器。

　　（2）虽然将自适应模糊 PID 控制应用到了新风空调监控系统的设计中，其控制效果也明显优于传统 PID,但对于更高级的控制算法并没有更深入研究，若加入更高级的算法，对节能降耗和精准控制具有更重要的意义。

　　（3）对整体系统的节能效果，仅从冷却水泵、冷水机组和冷冻水泵方面进行了考虑，考虑相对单一，在之后的研究中还应包括冷却塔、管道损耗等问题，进一步降低能耗

　　致谢

　　时光荏苒，岁月如梭，弹指间三年的研究生生涯即将画上圆满的句号。回想独自在离家 883.5 公里之外求学的三年时光里，想向这一路上鼓励我、帮助我、教导我的老师、朋友和同学真诚地说一句谢谢。

　　首先感谢我的导师，徐竟天副教授。本课题在选题及研究过程中得到徐老师的亲切关怀和悉心指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从论文选题到搜集资料，从开题报告、初稿完成到反复修改，这期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，整个过程中，徐老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。徐老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向徐老师和师母致以诚挚的谢意和崇高的敬意。除了导师对我的细心指导之外，我还要感谢实验室同窗连静、师妹李宁以及其他师兄妹对我日常生活学习的帮助。同时感谢亲爱的邱欢、王侦倪对我生活上的照顾，虽然离家很远，但是回到宿舍，让我感受到的是家的温暖。

　　除此之外，感谢我的家人对我的支持，你们一直是我求学路上最坚强的后盾，让我免除了许多后顾之忧，不断进取，我爱你们。

　　最后，感谢各位老师和评审专家百忙之中对我的论文进行评审，谢谢。

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