基于S7-300 PLC的商場恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要 介紹了基于S7-300PLC的商場恒溫控制系統(tǒng)。為給顧客提供舒適的購物環(huán)境，需要將商場溫度控制在合適的范圍，該系統(tǒng)運(yùn)用了計算機(jī)監(jiān)控、智能傳感器、可編程控制器、工業(yè)現(xiàn)場總線、光纖通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制，提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞 S7-300PLC；模糊控制；系統(tǒng)管理；恒溫控制

    一般而言空調(diào)自動控制系統(tǒng)只對溫度、濕度進(jìn)行有效的控制，但自動控制的范圍并非只限于此。文中設(shè)計的商場恒溫控制系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)換控制、補(bǔ)償控制、連鎖控制、狀態(tài)監(jiān)測、容量調(diào)節(jié)等全自動化的控制系統(tǒng)，能及時監(jiān)測負(fù)荷的變化，使整個系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效果。

1 總體控制系統(tǒng)設(shè)計
    設(shè)計一個自動化水平較高的系統(tǒng)，在設(shè)計可靠運(yùn)行的同時，還必須考慮管理和維護(hù)。采用德國Siemens公司的可編程控制器S7-300實(shí)現(xiàn)控制功能，采用監(jiān)控主機(jī)通過Profibus與可編程控制器連接，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)運(yùn)行狀況的檢測與控制，并記錄系統(tǒng)運(yùn)行的各參數(shù)和故障信息?？刂葡到y(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：本機(jī)操作；監(jiān)控室遙控操作；壓縮機(jī)保護(hù)功能；冷凝風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)連鎖保護(hù)功能；送風(fēng)風(fēng)機(jī)與電加熱元件連鎖保護(hù)功能；過載和短路保護(hù)功能；防雷保障功能；通訊功能，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)是整個恒溫控制的主界面，人機(jī)交互友好。由一臺主機(jī)與打印機(jī)組成。主機(jī)對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理，通過主機(jī)可以了解恒溫控制系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)，以及運(yùn)行歷史的所有相關(guān)參數(shù)；管理人員在主計算機(jī)上可以控制整個空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行?？烧{(diào)看歷史溫度、操作和故障記錄等關(guān)鍵信息。

2 模糊PID算法
2．1 模糊PID控制結(jié)構(gòu)
    模糊PID控制系統(tǒng)原理如圖2所示，是由可控式參數(shù)PID系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。可控式參數(shù)PID控制器可以直接對系統(tǒng)控制，模糊控制器對PID的控制參數(shù)的實(shí)時調(diào)整。

2．2 PID參數(shù)調(diào)整規(guī)則
    模糊PID控制器用式(1)表示
   
    式中，E(k)是系統(tǒng)誤差；EC(k)是系統(tǒng)誤差變化量；KP是比例系數(shù)，決定了系統(tǒng)響應(yīng)速度與精度；K1為積分系數(shù)，決定了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度；KD為微分系數(shù)，決定系統(tǒng)動態(tài)特性。模糊PID控制器是通過模糊推理，根據(jù)E和EC的變化，實(shí)時調(diào)整PID的系數(shù)，確定模糊控制規(guī)律。
    恒溫空調(diào)控制系統(tǒng)的溫度控制，是通過控制空調(diào)機(jī)組的開啟和停止實(shí)現(xiàn)?？照{(diào)機(jī)組的分布在商場各個區(qū)域，空調(diào)機(jī)組相互之間的區(qū)域也有一定程度的影響，因此難以用確定的數(shù)學(xué)模型來描述它們之間的關(guān)系。所以系統(tǒng)是設(shè)計一個多輸入、多輸出的控制器來對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。在實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中，是需要考慮可行性和工程成本以及控制效果，因此在模型設(shè)計時需要簡化。系統(tǒng)的各個組件都存不確定的影響因素，在整個系統(tǒng)的設(shè)計時，需要將這些影響用溫度誤差的加權(quán)平均值來表現(xiàn)，對每機(jī)組采用各自相應(yīng)的模糊控制器實(shí)現(xiàn)控制。對單個機(jī)組采用多輸入單輸出的方式以達(dá)到簡化控制的效果。

3 系統(tǒng)組成
3．1 Profibus網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
    Profibus是Process Field Bus的縮寫，它是以西門子等13家公司和5家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)制定的規(guī)范，在恒溫控制系統(tǒng)中采用Profibus連接，方便了整個系統(tǒng)的管理和維護(hù)。Profibus網(wǎng)絡(luò)采用光纖傳輸介質(zhì)，Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)可同時連接S7-300PLC和遠(yuǎn)程PLC和I／O模塊。商場的空調(diào)機(jī)組分別控制不同的區(qū)域，布置位置不同，有時會關(guān)閉部分機(jī)組，為滿足各個機(jī)組的通信正常而不影響其他機(jī)組的與主控機(jī)的通信，Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3．2 主控室的操作屏及控制系統(tǒng)
    主控室的操作屏是用于系統(tǒng)的緊急操作，對于出現(xiàn)的突發(fā)情況管理人員可以在主控室的操作屏上進(jìn)行緊急操作，一般情況都在主控機(jī)上操作，只在緊急時到操作屏操作。整個系統(tǒng)的控制中心是由控制室的S7-300PLC來實(shí)現(xiàn)，S7-300PLC具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，一臺S7-300CPU315就可以完成以多組空調(diào)機(jī)組的溫濕度程序控制器的功能。中央控制系統(tǒng)以西門子S7-300系列PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)對商場的多臺S7-200PLC的管理及通信。系統(tǒng)的運(yùn)行方式、相關(guān)參數(shù)設(shè)定都能在該P(yáng)LC中完成。
3．3 Citetc軟件平臺
    Citetc是面向工業(yè)應(yīng)用的集成開發(fā)系統(tǒng)，具有效率高、成本低的優(yōu)勢。在自動化控制領(lǐng)域中應(yīng)用率較高，可用于現(xiàn)場的操作控制和實(shí)時監(jiān)控。Citetc在運(yùn)行過程中可對整個自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，在緊急情況的初發(fā)階段即可發(fā)出警報，并在顯示界面報告報警信息。同時還具有在線排除故障的功能。
3．4 溫度控制部分構(gòu)成
    系統(tǒng)在管道的熱效應(yīng)設(shè)計時為減少熱損耗，考慮將每臺空調(diào)機(jī)組安裝在各區(qū)域的適當(dāng)位置，以減少管道的熱工損耗，達(dá)到節(jié)能的效果。而在每臺機(jī)組區(qū)域都安裝了智能溫濕度傳感器，傳感器可以將檢測的溫濕度參數(shù)傳送交到控制本空調(diào)機(jī)組的PLC，對區(qū)域的溫濕度實(shí)時測量和傳送，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時同樣可傳遞故障信息。通過現(xiàn)場總線將采集的各空調(diào)機(jī)組送風(fēng)區(qū)的實(shí)際溫度傳送到系統(tǒng)的主控機(jī)S7-300 PLC，主控機(jī)依據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算溫度偏差值。溫度偏差再通過模糊化后，輸入模糊控制器。通過模糊控制器的控制規(guī)律生成控制查詢表，主機(jī)查詢得出控制輸出量。輸出量通過控制器實(shí)現(xiàn)控制空調(diào)機(jī)組，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗仿真與實(shí)際運(yùn)行
    根據(jù)理論推導(dǎo)和實(shí)踐，得出系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型，通過編程和仿真分析得出了常規(guī)PID和模糊PID系統(tǒng)曲線，如圖3中的a、b曲線所示。

    從圖3中可以看出，模糊PID恒溫系統(tǒng)中溫度上升和下降更為平穩(wěn)，溫度的調(diào)節(jié)曲線更為平滑，沒有傳統(tǒng)PID時溫度大幅度上升和下降，因此模糊PID控制的優(yōu)勢更為明顯。

5 結(jié)束語
    商場恒溫控制是結(jié)合自動控制和通信等綜合技術(shù)的應(yīng)用。用新技術(shù)提高空調(diào)的使用效率可提高節(jié)能減排、增加經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計以溫度控制為研究對象，給出了溫度控制的方法，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控。對整個商場的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)控和控制，有效地提高了商場的服務(wù)品質(zhì)和節(jié)能的效果。