基于S7-300PLC的新风空调计算机监控系统研究

张甜，徐竟天

（西安石油大学电子工程学院，西安710065）

0 引言

随着现代办公大厦建筑面积的加大，楼层的增高，内部结构的日趋复杂，空调系统为人们提供适宜的温湿度和控制二氧化碳的浓度就变得尤为重要，其设计也就在当今的大厦建筑设计中产生了举足轻重的作用。而在传统空调控制系统中，主要存在三方面的问题：一是配置的大量机电设备，导致管理复杂度的增加和成本的提高；二是纯人工干预的系统运行时无法做到设备的自动切换，不能精准控制温湿度和CO2浓度，造成资源浪费；三是现在大多办公大厦新风系统和空调系统并没有结合到一起，空调只有控制温度的作用，无法调节室内湿度和CO2浓度，不利于身体健康。针对以上问题和国家对节能减排的倡导，通过现代工控技术，设计新风空调系统并对其进行实时监控就具有十分重要的意义。

本文针对西安某大厦暖通自控项目中对室内温湿度和CO2浓度要求设计了新风空调监控系统。该大厦位于未央区，共二十七层，地下两层，地上二十五层，总建筑面积为34381平方米。根据实际情况，地下二层放置制冷供热系统的机电设备，1到2层和6到25层（3到5层外租，不做设计）每层放置一台新风机组并布置风机盘管。采用基于S7-300PLC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，使系统运行更加可靠，实现新风空调的监控和CO2的恒值控制。

1 系统简介

1.1 制冷供热系统的工艺流程

新风空调的制冷供热系统主要由冷水机组、冷冻水循环系统、采暖循环泵和冷却水循环系统等组成[1]，如图1所示。

其中螺杆冷水机组、冷却水泵、冷却塔和电动蝶阀构成冷却水循环系统。自来水经软水器过滤后，先由分水器进入办公空调供水管道DN300，带走室内的热量，携带热量的水进入集水器，随后流入螺杆冷水机组冷却，再由冷却水泵将水送入冷却塔中，然后由水塔风机旋转将热量散发到空气中，进行热交换，而被送回到冷冻机中的冷却水（回水），继续吸收室内的热量[2]。

冷冻泵、冷冻管道及风机盘管组成冷冻水循环系统[1]。从螺杆冷水机组流出的冷冻水，经由冷冻泵带入分水器，通过风机盘管进入各楼层的各个房间，带走室内的温度，增加湿度，使室内温度下降，湿度上升。带走室内温度的水升温后流向集水器，接着流向螺杆冷水机组，形成一个循环系统[1]。

图1 制冷供热系统工艺流程

采暖循环系统由板式换热器和采暖循环泵和风机盘管构成。当室内温度较低时，经过软水器的水经过采暖循环泵和板式热换器转换为热水经过风机盘管，提高房间温度[3]。

1.2 新风系统的控制原理图

每层设置一台新风机组，新风机组的功能包括调节送风温度、送风相对湿度以及防冻控制、CO2浓度控制等。本设计中主要控制的是CO2浓度，在每个楼层选择人群密集的点作为监测点，放置CO2浓度传感器，控制送风风机转速[4]。新风系统的控制原理图如图2所示。

图2 新风系统的控制原理图

1.3 监控点数

新风空调系统要监控的对象主要包括：旁通阀门、电动蝶阀、冷冻水泵、热水泵、冷水机组、冷却塔、风机、补水电磁阀、冷热水电动调节阀、风机启停、新风风阀。最终整个监控系统的模拟量输入点数共有71个，输出点数21个，数字量输入点数152个，输出点数232个，并留有15%扩展余地[5]。如表1所示。

表1 系统监控点统计表

整个监控系统主要实现对地下二层机电设备运行状况和每一层新风系统的集中监控，便于操作员监控运行画面，处理报警故障和记录数据。

2 新风空调系统设计与实现

新风空调监控系统设计利用S7-300PLC的控制功能，利用STEP7软件设定控制程序[6]，调节新风空调系统中的阀门开度、水泵启停，采集系统中温度传感器、湿度传感器、CO2传感器等过程控制级中现场仪器仪表的数据，并转换为操作级中组态王6.55可用的数据格式完成组态。

2.1 监控系统硬件设计

工控机（IPC）作上位机，S7-300 PLC和分布式I/O设备作为下位机，由多总线结构构成IPC+PLC+分站的控制系统[7]，实现新风空调中机组设备的自动检测与控制，如图3所示。

图3 硬件设计

鉴于整个新风空调系统需要稳定性以及要解决对CO2浓度的恒值控制，整个控制系统基于西门子S7-300PLC，包含ET200M分布式I/O及相应的Profibus-DP总线。显示屏选用三星液晶显示器，工控机选用研华工控机IPC-610H，PLC的CPU模块选用西门子公司的CPU 315-2DP模块。监控系统的硬件结构图如图4所示。

2.2 监控系统软件设计

上位机监控软件选用Kingview 6.55，依托于研华IPC-610H中的Windows XP系统进行设计[5]。监控画面包括地下二层工况图，每层新风系统控制图，1层和2层的盘管系统，2层的组合空调系统以及报警界面等。同时新风系统中需要控制的目标值是二氧化碳浓度，控制器为模糊PID控制，在MATLAB中搭建Simulink控制策略原理图，实现仿真和计算，并通过OPC通讯协议，实时传送MATLAB回送的控制量给组态王[8-9]。监控系统的软件结构图如图5所示。

监控主画面可通过Kingview的动态显示功能将现场设备的运行状况实时地显现出来，便于操作员在计算机前就可以实时监控设备的运行状况；利用报警功能，当冷却水供水温度、回水温度、送风温度、二氧化碳浓度不在设定范围内的时候，启动报警程序、产生报警信息并在组态画面中显示出来，提醒相关人员检修；利用报表功能，可将现场各种实时和历史数据记录并存储，方便工作人员查询[10]。

图4 监控系统硬件结构

图5 监控系统软件结构

2.4 新风机组控制策略

（1）新风机组CO2浓度控制策略

科学研究表明，随着CO2浓度的增加，室内人员的生理会发生相应的发生改变，如图6所示。

图6 室内二氧化碳的浓度对室内人员的影响

根据《室内空气中二氧化碳卫生标准》（GB/T 17904-1997）的标准，并结合图6中人员的生理反应，设置室内空气中二氧化碳日平均最高容许浓度为≤0.09%（1800mg/m3），为了满足此标准，本文研究通过改变新风量的大小控制室内的CO2浓度[11]。利用CO2浓度传感器检测室内CO2浓度，采用质量平衡原理：

确定新风量的大小，通过先进控制过程改变风机转速，来满足计算得出的新风量的需求[11]。流程图如图7所示。设置模糊控制器，模糊控制器的框图如图8所示[12]。

图7 新风量控制原理

图8 室内CO2模糊PID控制

（2）基于OPC的模糊PID算法与工控软件的通信

本文研究的大厦新风空调设计中，尝试使用常规的PID控制，发现KP、KI、KD设定后不变，不具备自适应的能力，效果欠佳，而使用模糊 PID控制时，KP、KI、KD会随外界环境的变化自动调节，保证了控制系统的稳定性。而在工控软件中仅提供PID控制模块，无法实现模糊PID对CO2浓度的控制，本文以西门子工控软件（STEP7 V5.5）和组态王（Kingview 6.55）为实现平台，采用Simulink中的OPC通讯模块来完成组态王监控界面和MATLAB先进控制算法（模糊PID）程序之间的数据传输[13]，其信息传递流程如图9所示。

图9 信息传递流程

一旦OPC通信成功，则基于MATLAB的模糊控制PID模块的计算结果，由OPC接口直接传回组态王中，最终通过PROFIBUS-DP将控制信息下传到PLC中，完成对二氧化碳浓度的恒值控制。

（3）MATLAB、STEP7和组态王的联合仿真及结果分析

仿真环境：WindowsXP操作系统，选用STEP7 V5.5为编程软件和Kingview 6.55软件为上位机监控软件，利用MATLABR2014a/Simulink建立仿真模型，结果如图10所示。

图10 常规PID与模糊PID曲线对比图

由图10可以看出，常规PID与模糊PID控制均能使控制系统最终达到稳定，但与前者（粉色线条）相比，后者（红色线条）σ（超调量）明显下降，系统的调节时间缩短，鲁棒性好，因此在控制CO2浓度方面采用模糊PID能够取得更优的控制效果[16]。

3 监控系统运行结果

整栋大厦的新风空调系统选用Kingview 6.55设计监控界面，通过以太网将组态软件与PLC连接[14]。点击组态文件中的切换view画面，画面显示启动的状况，主界面如图11所示，地下二层机电设备的阀门根据实际情况开启或断开，管道内的水质流动，且具有箭头、文字标识，起到美观醒目的作用。同时，可以切换到不同楼层监视新风机组的运行状况，并设置了报警和报表页面，操作员能够方便、直观和实时监控整个新风空调系统的设备、管道、阀门的连接情况和运行状态[17]，如图12所示。

图11 人机监控主界面

4 结语

图12 新风系统监控界面

本文研究了基于OPC的先进控制算法与西门子S7-300PLC的通讯，实现了自动调节二氧化碳浓度和整栋大厦新风空调系统的监控，符合智能可持续建筑的要求，具有强大的控制功能、人机交互灵活和可靠的优点，大大减少了手动开关数量，简化了操作流程，实现对设备的远程监控。该监控系统已成功应用于旭隆能源大厦的中央空调暖通自控系统中，目前运行状况良好。