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                    變頻控制模糊計算機控制監控系統的設計與研發

                    添加時間:2020/06/23 來源:西安室石油大學 作者:admin
                    為實現空調系統的節能控制,編寫了冷卻水泵的變頻控制程序,為實現室內二氧化碳的恒值控制,對新風系統采用自適應模糊 PID 控制策略,并通過 MATLAB 仿真對比試驗,驗證了模糊控制優于常規 PID 控制。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      空調系統作為現代辦公大廈必不可少的組成部分,對保證人們舒適的工作環境具有重大影響,而傳統的中央空調系統受樓層高度和密封性問題的限制,空調系統制冷供暖效果并不理想。依靠純人工手動操作開關閥,并不能及時調整室內的溫度,另外,傳統的大廈空調系統僅能調節溫度,并不能改善室內空氣質量。

                      針對此類問題,以西安旭隆能源大廈的實際情況為背景,結合國內外新風空調監控系統的現狀,分析新風空調系統制冷供暖原理和新風控制原理,提出了基于西門子S7-300PLC 和 PROFINET 與 PROFIBUS-DP 總線相結合的監控系統設計方案。在確定總體方案的基礎上,進行了硬件設計和軟件設計,硬件設計方案采用 IPC+PLC+分站的形式,并對 PLC 模塊和現場硬件設備進行了選型。軟件設計包括上位機軟件設計、PLC 程序設計和觸摸屏現場畫面設計,采用 KingView6.55 設計監控界面,STEP 7 V5.5 完成西門子S7-300 PLC 硬件組態和程序編寫,利用 Wincc Flexible2008 軟件完成了觸摸屏界面的設計。

                      其中,為實現空調系統的節能控制,編寫了冷卻水泵的變頻控制程序,為實現室內二氧化碳的恒值控制,對新風系統采用自適應模糊 PID 控制策略,并通過 MATLAB 仿真對比試驗,驗證了模糊控制優于常規 PID 控制。

                      實際應用表明,該監控系統運行精度高、穩定度高,空調系統的變頻節能控制和新風系統對二氧化碳的恒值控制效果明顯,完全符合辦公大廈對室內溫度和空氣質量的要求。

                      關鍵字:新風空調,S7-300 PLC,變頻控制模糊控制監控系統

                    新風空調計算機監控系統

                    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

                    目錄

                      第一章緒論

                      1.1 課題研究背景

                      隨著現代辦公大廈建筑面積的增大,樓層的增高,以及建筑結構復雜性的提高,則為工作、生活在大廈中的人們提供舒適的室內溫度和提升空氣品質變得尤為重要,因此新風空調監控系統已經成為智能大廈的重要組成部分,其能耗問題和精準性控制問題也成為研究和設計關注的重點。

                      在傳統空調監控系統中,除能耗問題之外,還存在以下幾方面的問題:空調系統需要配置大量機電設備,占據很大的空間,導致管理復雜度的增加和成本的提高;純人工干預的系統運行時無法做到設備的自動切換,冷凍水泵、冷卻水泵和冷水機組等設備在高負荷下運行,造成不必要的資源浪費;除此之外,現代大多數辦公大廈只有空調系統,并沒有新風系統,空調只有控制溫度的作用,無法改善室內空氣,不利于身體健康;此外即使存在新風系統,傳統的 PID 控制仍占據空調系統的主體地位,控制新風量的問題并不理想。

                      如今,全世界范圍內,在空調系統設備的研發和改造方面已經突破了許多技術難關,但對于新風空調監控系統的設計則尤為匱乏,采用先進的控制策略調節室內二氧化碳濃度的研究更為缺少,所以在辦公大廈新風空調系統中不但要配備常規的空調系統調節室內溫度,還要增加新風系統保證室內空氣質量。以我國為例,很多辦公大廈采用中央空調系統,本身系統設計較為復雜,需要大量的人力、物力和財力進行維護,且無法調節室內的空氣質量。這就要求我們將空調系統和新風系統相結合,并進行合理監控,改善辦公大廈空調系統中存在的能耗和空氣質量問題,實現節能和調節室內空氣質量的雙重目標。

                      1.2 新風空調監控系統國內外現狀

                      一直以來,新風空調系統的監控作為智能化樓宇的一部分,經歷了從純人工管控到依靠計算機監控的發展過程[1].初始階段,大量設備的運行狀況通過設置的儀表顯示,并由現場人員對操作盤進行操作,無法滿足精準的控制和擺脫時間的延遲性。而計算機監控系統是基于控制器、計算機和網絡通信,依靠各類傳感器等檢測設備對運行對象進行監控,提高數據傳輸速度,獲得高精度控制[2].

                      長期以來制冷供暖與空氣調節相結合一直是空調控制的難點,但是隨著自動控制原理在中央空調控制方面的不斷深入,可編程邏輯控制器與算法的結合,神經網絡與人工智能在智能化建筑方面應用逐漸增多,越來越多的先進技術真正應用于辦公大廈的新風空調系統中。20 世紀 80 年代之前,大多采用繼電器系統調節室內溫度,之后數字控制器將其取代,可編程邏輯控制器和算法的結合逐漸應用于現場,加速了空調監控系統的發展。

                      而對于監控技術在辦公大廈新風空調系統方面的應用,集成度較低,僅僅將一些主要設備進行了監控,無法采集末端數據、設備運行狀態和報警信息等,未能實現集中管理自動控制,而運行設備又眾多,不可避免的造成高能耗的問題,除此之外,對空氣質量也無法達到精準控制。

                      因此,近年來,大廈新風空調計算機監控系統在國內外的發展,存在一些缺點,同時也有可借鑒的地方。

                      1.2.1 國外研究現狀

                      國外新風空調計算機監控系統的發展經歷了 4 個階段。1985~1990 年的單功能專用系統為第一階段。在中央監控室中只能對少數運行設備進行顯示和操作,大量設備的監控是無法實現的,仍需操作員現場處理。1990~1995 年的多功能系統是第二階段。與第一階段相比,不是個別設備運行狀態,而是所有設備的運行狀態都可顯示其中,不足之處在于運算和處理功能依舊全部依靠計算機程序。1995~2000 年集成系統是第三階段。

                      最初只能由計算機完成的功能,逐漸被低成本,穩定度高,兼容性強的現場控制器代替。

                      目前正在進行的綜合管理系統是第四階段,體系架構包括三層:中央監控管理層、控制層和現場數據采集層[3].利用網絡設置,整個建筑運行和操作管理在同一計算機操作平臺下,實現分散控制、集中監視和綜合管理的功能[4].

                      國外大廈對新風空調監控系統的設計與研究經歷了以上四個階段的發展,隨著研究的不斷加深,對系統的監控取得了良好的效果,相較于國內,智能化水平更高。尤其在智能大廈新風空調系統的控制方法和計算機監控這兩個方面,已經處于較高水平。典型代表:

                     。1)日式中央空調系統采用的控制方法為變靜壓控制(DSPR)和末端總風量控制(TRAV),被稱為"氟系統"控制[5].在計算機監控方面,多利用美國國家儀器(NI)公司的產品,例如 Lab Windows/CVI 或者在 LabVIEW 中加入網絡通訊處理模塊,通過WWW,FTP,E-mail 的方式在網絡允許范圍內進行監控數據的傳輸[6]. (2)美式空調系統區別于日式空調系統,具有多樣性和性能優先性。其控制方法,經歷了從初始 PID 控制到高級控制算法的轉變,其中尤為青睞模糊控制類方法。計算機監控方面,多采用艾默生、三菱和德國西門子的硬件,主要包括 PLC 以及相應模塊,以及程序段和監控畫面編程軟件。計算機監控系統對新風空調中的受控對象進行自動控制,可以提高設備的運行效率,降低人工成本。

                      除了典型的日式和美式空調監控系統之外,一些公司對新風空調監控系統的研究從未間斷,開始從可靠性方面,安全運行方面以及傳輸速率方面考慮。優化了界面顯示、完善了報警報表和趨勢圖、改進了實時數據傳輸和存儲歷史數據的能力。高級算法與遠程監控的結合已經取得了階段性進展,且具有廣闊的發展前景。突出的有美國Honeywell、Johnson Controls 等公司,生產了一系列智能樓宇監控產品,并已應用于世界上眾多國家和地區的大中型樓宇中,且監控效果良好[7].

                      由此可見,國外對樓宇智能化監控系統的研究范圍廣,設計方案成熟,空調監控系統作為其中一部分,對其研究也在不斷增加,提出了一些先進的新型控制方法,對國內研究具有極其重要的借鑒意義。

                      1.2.2 國內研究現狀

                      大廈新風空調監控系統在我國起步較晚,從時間段上分為 1990 年~1995 年的初始階段和 1995 年~2000 年的發展階段。這兩個階段完成了從功能單一的專用系統到多功能集成系統的轉變,重心逐漸轉移到了自動化管理方面,并已見成效,發展速度較快[8].

                      自二十世紀以來,監控系統的發展是一個綜合的整合階段,研究還在深化,發展較為緩慢。

                      中國建筑的空調系統始于 20 世紀 70 年代,得益于 20 世紀 80 年代的改革開放,隨著國內經濟的增長,空調行業的發展呈現飛躍的態勢,但是新風空調系統還處于起步階段,大多集中在一些高檔建筑中。目前,國內大多數辦公大廈的空調方式依舊為集中或半集中式。它們的共同點是:空調制冷供暖需要的冷凍水和采暖循環水的制取和供應采用統一控制方式;新風機組送風的處理和供應也是統一監控。整個大廈冷凍水系統、冷卻水系統、新風系統集成一體,統一運行,統一管理[9].這種設計的優點是安裝、使用和維護都較為方便,但是監控方面會變得較為復雜。目前,典型的有:

                     。1)上海中心大廈暖通空調的設計,考慮大廈為超高樓層,分為冷熱源系統,空調系統以及其他通風系統,它的熱源系統是由蒸汽鍋爐和設置于設備層的管殼式汽-水熱交換器組成,采用蒸汽供暖的方式將熱能供給整個大廈,存在管殼式汽-水熱交換器價格較高,占地面積大,需預留抽出管束的檢修場地等缺點,監控對象復雜,需要工作人員現場監控,設立完備的監控系統較為困難。

                     。2)上海中建大廈的暖通系統,考慮到樓層不高,冷水系統的控制方式采用的是二次泵變流量控制。制冷設備設置在地下二層,一次泵為定流量泵,二次泵為變流量泵。

                      通過對二次泵的變頻恒壓控制實現二次環路的變流量運行,熱水系統原理相同[10].但是在使用的過程中,由于此設計需要的功率較大,VAV 廠方提供的外區電加熱功率只達到設計要求的百分之八十,造成供暖不足。

                      除具有以上問題之外,國內新風空調監控系統的研究多圍繞空調系統對溫度的調節進行,從最初的 PID 控制到模糊 PID 控制,在控溫方面取得了較好的控制效果,但缺少對新風的控制研究,對于空調監控系統的組成和設計研究更為少,對空調監控系統控制方法的研究也在重復進行,沒有設計出更優的監控策略和方向[11].目前已有相關專家提出了一些新的控制方法,如基于 BP 神經網絡的模糊控制算法或人工智能的控制策略等[12].但是,國內相關的研究還很少。因此,空調監控系統的研究在國內發展中并不是非常理想,亟需進一步開展空調監控系統方面的研究。

                      綜上所述,在學習借鑒國內外大廈室內新風空調監控系統設計的優點和改進其缺點的基礎上,結合西北地區實際氣候、旭隆能源大廈本身的樓層、面積以及能耗問題,設計基于 S7-300 PLC 的新風空調計算機監控系統,解決以往大廈空調系統中出現的機械設備管理困難、報警不及時、能耗較大和空氣質量無法監控等問題。

                      1.3 課題研究意義

                      當前,伴隨新技術的革新與發展,工業控制領域對控制系統的穩定性、響應速度和高精度的要求日益提升,新風空調計算機監控系統也不例外。

                      新風空調系統在控制方面需要機電設備的支撐,有大量的數字量和模擬量需要監控,例如溫度、壓力的控制與設定,風機的起停等。在計算機監控方面,對實時性和可靠性具有較高的要求。而 PLC 技術依舊是解決工業控制中此類問題最有效的工具,因此 PLC結合 PROFINET 和 PROFIBUS-DP 總線技術在控制領域不斷被推廣和普及[13].減少了硬件連接,降低了系統發生故障的可能性,增強了系統穩定性,目前已經成為自動化領域的主流控制系統[14].

                      新風空調監控系統區別于傳統中央空調的部分在于傳統的中央空調只能制冷供暖,無法保證室內 CO2 濃度,調節室內空氣質量。而本課題研究的意義,一是在保證制冷供暖正常運行的基礎上,降低水泵機組的能耗。二是在提供適宜溫度的同時,探索更優的控制方法,將 PLC 中常規 PID 控制發展成為根據實際工況自動修改的先進控制,設計一套基于西門子 S7-300 PLC 的先進控制系統,調節新風量,控制室內 CO2 的濃度,改善新風空調系統的控制效果,為解決智能大廈新風空調系統的新風品質問題提供一種有效的設計方案。

                      1.4 論文結構安排

                      本文主要圍繞旭隆能源大廈暖通自控研究項目展開,以空調制冷供暖水系統和新風系統為對象,設計了基于西門子可編程邏輯控制器(S7-300 PLC)的 DCS 控制系統,利用 PROFINET 和 PROFIBUS-DP 總線將各類傳感器采集到的數據傳送給 CPU 處理,實現對室內溫度以及二氧化碳濃度等參數的精確控制,通過制冷供暖與新風的結合,實現整個監控系統的自動化管理。

                      論文根據大廈實際的建筑特點、功能用途和舒適度要求,首先確定工藝流程方案、監控對象和監控點數,選擇系統的運行設備,完成硬件方案設計。然后分析空調溫度的控制原理,確定空調水系統冷卻水泵的控制策略;根據 CO2 濃度的控制原理和常規 PID無法精確控制新風量的原因,在新風控制中引入模糊控制技術,并以二氧化碳濃度控制為例設計基于自適應模糊 PID 控制的大廈新風空調系統,通過 MATLAB/SIMULINK 的仿真,完成基于 PLC 的參數自適應模糊 PID 控制器的設計。最后完成新風空調監控系統的軟件設計。

                      論文的結構安排如下:

                      第一章:緒論,對當前國內外大廈空調監控系統的現狀和研究進行了調研,闡述了課題研究的目的、意義,為控制系統的設計打下基礎。

                      第二章:通過對工程概況的分析,確定了監控對象和監控點數,設計了新風空調計算機監控系統的總體方案。

                      第三章:設計了新風空調計算機監控系統的硬件方案,對上位機硬件和下位機硬件設備進行了選型,計算了空調系統的負荷量,對新風空調設備進行了選型,并完成了硬件接線圖的設計。

                      第四章:確定新風空調監控系統控制策略,包括采用編寫控制程序對冷卻水泵的變頻控制,以及利用控制算法對室內二氧化碳濃度的恒值控制。

                      第五章:設計了新風空調計算機監控系統軟件方案,利用上位機監控軟件實時監控設備的運行狀態,利用 PLC 編程軟件編寫運行程序,利用現場觸摸屏實現遠程監控,保證系統的正常運行。

                      第六章: 論文結論和展望。









                      第二章新風空調監控系統總體方案設計
                      2.1 工程背景
                      2.2 系統簡介
                      2.2.1 工藝概況
                      2.2.2 監控對象與點數統計
                      2.3 系統總體設計方案
                      2.3.1 設計原則與依據
                      2.3.2 總體方案
                      2.3.3 系統架構
                      2.4 本章小結

                      第三章新風空調監控系統硬件方案設計
                      3.1 監控系統硬件構成
                      3.2 監控系統硬件選型
                      3.2.1 上位機硬件選型
                      3.2.2 下位機硬件選型
                      3.3 傳感器選型
                      3.4 新風空調設備選型
                      3.4.1 冷水機組選型
                      3.4.2 新風機組選型
                      3.4.3 水泵選型
                      3.5 變頻器選型
                      3.6 控制系統硬件連接
                      3.7 現場控制柜設計
                      3.8 本章小結

                      第四章新風空調系統控制策略研究
                      4.1 新風空調系統控制原理
                      4.2 空調制冷供暖水系統的控制策略
                      4.2.1 空調冷水系統設備聯鎖啟停
                      4.2.2 冷卻水泵的連接方式
                      4.2.3 PLC 對冷卻水泵的變頻控制
                      4.3 新風系統自適應模糊 PID 控制策略
                      4.3.1 PID 控制基本理論
                      4.3.2 模糊控制基本原理
                      4.3.3 模糊 PID 控制器的設計
                      4.3.4 系統仿真及結果分析
                      4.3.5 組態王與 MATLAB 通信實現
                      4.4 本章小結

                      第五章新風空調監控系統軟件設計
                      5.1 監控系統的功能
                      5.2 上位機監控軟件設計
                      5.2.1 組態王通訊設置
                      5.2.2 組態王變量設置
                      5.2.3 登錄界面設計
                      5.2.4 空調制冷供暖水系統主畫面設計
                      5.2.5 新風系統畫面設計
                      5.3 下位機 PLC 程序設計
                      5.3.1 STEP 7 硬件組態與通信
                      5.3.2 PLC 主程序設計
                      5.3.3 PLC 子程序設計

                      5.4 觸摸屏應用設計
                      5.5 監控系統運行效果分析
                      5.5.1 冷卻水泵的節能效果分析
                      5.5.2 新風系統運行效果分析
                      5.6 本章小結

                    第六章結論與展望

                      6.1 結論

                      隨著現代技術的發展,辦公大廈的管理正朝著智能大廈的方向前進,新風空調監控系統作為智能樓宇的一部分,能否節省能耗、調節溫度和空氣質量,以及穩定可靠的運行對智能大廈的完備性具有至關重要的作用。

                      由于我國辦公大樓的新風空調監控系統還不夠完善,突出表現在控制的精準性、無法調節空氣質量和監視不完備方面,本文根據西安旭隆能源大廈的工程要求和實際的氣候狀況,設計了基于 S7-300 PLC 的新風空調計算機監控系統,完成對大廈室內溫度的調節和二氧化碳的恒值控制,系統穩定可靠,具有較強的可操作性。論文主要完成的工作如下:

                     。1)通過前期搜集國內外新風空調監控系統資料以及調研,確定了新風空調制冷供暖水系統和風系統的工藝流程,并對其進行了詳細闡述,進而確定了監控對象和監控點數,設計了監控系統總體方案。

                     。2)根據總體方案和工程的實際預算,選取了 PLC 的型號以及相關的功能模塊,以及工控機、各類傳感器、冷水機組等設備的型號,以滿足計算機監控系統設計的硬件要求。

                     。3)為實現室內溫度調節和節能降耗雙重要求,對于空調制冷供暖水系統中冷卻水泵控制,采用了 MM440 變頻器控制,且利用 PROFIBUS-DP 總線通訊給定變頻器頻率,提高數據傳輸速度,實現水泵的穩定和節能運行,保證空調水系統能夠為室內提供適宜的溫度。

                     。4)為改善室內的空氣質量,選用二氧化碳濃度為檢測對象,選擇自適應模糊 PID控制策略實現對新風系統的控制,保證室內二氧化碳濃度恒定。并且利用 MATLAB 完成了新風系統的建模與仿真,對比了常規 PID 和模糊 PID 的控制曲線,發現自適應模糊PID 的控制效果優于常規 PID. (5)根據監控系統總體方案、硬件設計和控制策略研究,完成了系統的軟件設計,包括硬件組態、PLC 程序編寫、上位機監控畫面設計和現場觸摸屏設計,可滿足新風空調監控系統的各項要求,減少人工干預,方便相關技術人員操作管理。

                    6.2 展望

                      本文根據工程的實際情況,采用的是基于 S7-300 PLC 的控制方案,在滿足了大廈制冷供暖的要求的基礎上,還實現了 CO2濃度的恒值控制,但同時設計中還存在一些不足:

                     。1)對室內空氣質量的控制只考慮了 CO2 濃度,相對比較單一,還應該考慮更多的污染物類型,比如:甲醛、二氧化氮和 PM2.5 等,對多種污染物的控制可以單獨控制,也可以利用信息融合技術,將融合結果送入模糊控制器。

                     。2)雖然將自適應模糊 PID 控制應用到了新風空調監控系統的設計中,其控制效果也明顯優于傳統 PID,但對于更高級的控制算法并沒有更深入研究,若加入更高級的算法,對節能降耗和精準控制具有更重要的意義。

                     。3)對整體系統的節能效果,僅從冷卻水泵、冷水機組和冷凍水泵方面進行了考慮,考慮相對單一,在之后的研究中還應包括冷卻塔、管道損耗等問題,進一步降低能耗。

                    致謝

                      時光荏苒,歲月如梭,彈指間三年的研究生生涯即將畫上圓滿的句號;叵氇氉栽陔x家 883.5 公里之外求學的三年時光里,想向這一路上鼓勵我、幫助我、教導我的老師、朋友和同學真誠地說一句謝謝。

                      首先感謝我的導師,徐竟天副教授。本課題在選題及研究過程中得到徐老師的親切關懷和悉心指導。他嚴肅的科學態度,嚴謹的治學精神,精益求精的工作作風,深深地感染和激勵著我。從論文選題到搜集資料,從開題報告、初稿完成到反復修改,這期間經歷了喜悅、聒噪、痛苦和彷徨,整個過程中,徐老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。徐老師不僅在學業上給我以精心指導,同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷,在此謹向徐老師和師母致以誠摯的謝意和崇高的敬意。除了導師對我的細心指導之外,我還要感謝實驗室同窗連靜、師妹李寧以及其他師兄妹對我日常生活學習的幫助。同時感謝親愛的邱歡、王偵倪對我生活上的照顧,雖然離家很遠,但是回到宿舍,讓我感受到的是家的溫暖。

                      除此之外,感謝我的家人對我的支持,你們一直是我求學路上最堅強的后盾,讓我免除了許多后顧之憂,不斷進取,我愛你們。

                      最后,感謝各位老師和評審專家百忙之中對我的論文進行評審,謝謝。

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