辦公樓變風(fēng)量新風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者 高俊釵 楊云龍 西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院(陜西 西安 710032)

摘要：本文采用SIMATIC S7-200 PLC、WINCC 6.0和PC Access等產(chǎn)品設(shè)計(jì)了變風(fēng)量辦公樓新風(fēng)控制系統(tǒng)，并建立了其主從網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)。采用總風(fēng)量控制方法，基于限幅PID控制算法對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，得到了系統(tǒng)送風(fēng)量的最優(yōu)控制策略。通過(guò)Simulink進(jìn)行了仿真，仿真實(shí)驗(yàn)表明，該控制方法簡(jiǎn)單、易行，可以快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)新風(fēng)控制。

引言

　　變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)(VAV)是通過(guò)改變送入房間的風(fēng)量來(lái)滿足室內(nèi)變化的需求。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)有節(jié)能、系統(tǒng)可控性好、能實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)各類(lèi)商業(yè)辦公建筑的大批建設(shè)，VAV空調(diào)系統(tǒng)逐漸得到了更多的應(yīng)用。

　　對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的各點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)控，可以有效地節(jié)約能源。根據(jù)末端新風(fēng)量的需求，合理地設(shè)計(jì)所需新風(fēng)量。圖1是新風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控原理圖。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　考慮系統(tǒng)可靠性要求及規(guī)模大小，此辦公樓新風(fēng)系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)采用PPI通信。PPI通信協(xié)議中S7-200 CPU 226和S7-200 CPU 224采用主從方式進(jìn)行通信，主設(shè)備是S7-200 CPU 226，它有26路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出端口，可以滿足本項(xiàng)目的需求，從站設(shè)備是S7-200 CPU 224，它有14路數(shù)字量輸入，10路數(shù)字量輸出端口。其通信過(guò)程是按照PPI主從通信格式，用一定格式的數(shù)據(jù)向PLC發(fā)送通信命令。S7-200 CPU 226用順控的方式讀取16個(gè)從站的數(shù)據(jù)和向16個(gè)從站寫(xiě)數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如命令數(shù)據(jù)格式無(wú)誤，則從站PLC向主站發(fā)出表示命令正確的初步應(yīng)答信號(hào)，主站在收到初步應(yīng)答信號(hào)后，再向從站PLC發(fā)送確認(rèn)命令。從站收到確認(rèn)命令后，執(zhí)行命令響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

　　S7-200PLC控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它通過(guò)模擬量輸入通道(AI)和數(shù)字量輸入通道(DI)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，最后發(fā)出控制信號(hào)，并通過(guò)模擬量輸出通道(AO)和數(shù)字量輸出通道(DO)直接控制設(shè)備的運(yùn)行。

　　PC Access可以用于連接西門(mén)子或者第三方支持OPC技術(shù)的上位軟件。WINCC是視窗控制中心，它是一個(gè)過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)，通過(guò)組態(tài)畫(huà)面讀取各層新風(fēng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)。由主界面可進(jìn)入工作日歷，根據(jù)工作日歷提前設(shè)置每天風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)(工作或者休息)，操作者可根據(jù)需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行自由設(shè)置。

　　1.2 基于限幅PID的總風(fēng)量控制方法

　　總風(fēng)量控制方法是基于 VAV 末端風(fēng)量求和的一種控制方法，變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組控制器讀取本系統(tǒng)所有末端的需求風(fēng)量，得出總需求風(fēng)量。風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速是一個(gè)近似的正比關(guān)系，可在初調(diào)時(shí)通過(guò)實(shí)測(cè)得到。

　　中央空調(diào)末端控制面板上對(duì)應(yīng)著低、中、高三個(gè)檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)著不同送風(fēng)量需求。假定低、中、高檔分別對(duì)應(yīng)的風(fēng)量需求為∑1、∑2和∑3。其中∑1對(duì)應(yīng)的送風(fēng)量為30%，∑2對(duì)應(yīng)的送風(fēng)量為60%，∑3對(duì)應(yīng)的送風(fēng)量為90%。本文的最終目的就是要保證各個(gè)房間所需的送風(fēng)量都可以達(dá)到，并考慮留有15%的余量，當(dāng)房間所需風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，總送風(fēng)量也會(huì)隨之發(fā)生變化。假定有n個(gè)末端，其中有n1個(gè)房間開(kāi)啟低檔，有n2個(gè)房間開(kāi)啟中檔，有n3個(gè)房間開(kāi)啟高檔，考慮到給定風(fēng)量要滿足所有末端的風(fēng)量需求，不至于波動(dòng)太大，要留有一定余量Qy=15%Q，Q為總送風(fēng)量。則存在以下關(guān)系式：

　　n₁+n₂+n₃= n (1)

　　n₁∑₁+n₂∑₂+n₃∑₃+Q_y=Q (2)

　　通過(guò)檢測(cè)末端各房間開(kāi)啟空調(diào)的模式，再由上式確定總送風(fēng)量，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣既節(jié)約的能源，又降低的風(fēng)機(jī)的損耗。

　　我們還可以對(duì)總送風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，從而滿足各末端的變化。優(yōu)化調(diào)節(jié)有兩種方式：1)當(dāng)送風(fēng)量的變化△Q≥20% 時(shí)，控制中心會(huì)對(duì)總送風(fēng)量的設(shè)定值進(jìn)行重新設(shè)定;2)每10分鐘就對(duì)總送風(fēng)量的給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。這兩種調(diào)節(jié)方式的并行運(yùn)用，能更好的滿足末端風(fēng)量需求的變化，從而達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。

　　通過(guò)對(duì)壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量末端的分析得出了設(shè)定風(fēng)量作為控制變量，進(jìn)而提出了變風(fēng)量系統(tǒng)總風(fēng)量控制方法。系統(tǒng)總送風(fēng)量控制通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)維持風(fēng)機(jī)保持在較小的耗能范圍。風(fēng)量控制方式主要有兩種策略：靜壓控制方式和總風(fēng)量控制方式。但由于受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及風(fēng)機(jī)選型等因素的影響，管道中靜壓設(shè)定點(diǎn)的靜壓檢測(cè)值會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，會(huì)對(duì)壓力測(cè)量產(chǎn)生影響，故本文采用總送風(fēng)量控制方法。

　　風(fēng)機(jī)總風(fēng)量控制方法是基于壓力無(wú)關(guān)型的VAV末端研究出的一種新的簡(jiǎn)單易行的空調(diào)系統(tǒng)的控制方法。風(fēng)機(jī)控制環(huán)節(jié)的控制線路如圖3所示。通過(guò)此控制環(huán)路的分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)定總風(fēng)量是一個(gè)很有價(jià)值的量，根據(jù)各末端所需風(fēng)量，并對(duì)各末端風(fēng)量求和得出總送風(fēng)量，達(dá)到系統(tǒng)希望達(dá)到的風(fēng)量狀態(tài)。

　　隨著各房間所需風(fēng)量的變化，其變化波動(dòng)較大，但是在實(shí)際中為了達(dá)到給定風(fēng)量需要不停的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，這樣會(huì)使風(fēng)機(jī)的損耗過(guò)大，這時(shí)就需要我們對(duì)給定風(fēng)量進(jìn)行一些優(yōu)化控制，使系統(tǒng)處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。

　　常用的線性PID控制策略必須使控制器工作在線性區(qū)。為保證控制器的輸出不超出限幅，可以選用限幅足夠大的控制器，而限幅大的控制器價(jià)格也較昂貴;也可以通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)，使控制器的輸出始終小于限幅。本文將控制器的限幅考慮在內(nèi)，即在PID控制器與被控對(duì)象間插入一個(gè)飽和環(huán)節(jié)，如圖4所示。使用位置式數(shù)字PID控制算法，設(shè)采樣周期為T(mén)，控制器的限幅為um，其控制規(guī)律為：

2 仿真及結(jié)果分析

　　根據(jù)Ziegler-Nichols整定公式，對(duì)文中被控對(duì)象進(jìn)行Simulink仿真。經(jīng)測(cè)量取K_a=78.75，T=63。采樣周期T_c=0.1s，控制器的限幅u_m=10，系統(tǒng)指標(biāo)取絕對(duì)誤差積分指標(biāo)JITAE。在沒(méi)有人為經(jīng)驗(yàn)的情況下，用窮舉法搜索PID參數(shù)。為保證搜索的廣度和精度，搜索分為兩步進(jìn)行：第一步，在[0，50]的范圍內(nèi)以1為步長(zhǎng)搜索PID參數(shù);第二步，在第一步得到的最優(yōu)點(diǎn)附近以0.1為步長(zhǎng)進(jìn)行搜索。搜索耗時(shí)20分15秒。線性區(qū)最優(yōu)PID參數(shù)為：K_P=1.28、K_i=0.0、K_d=0.68;全局最優(yōu)PID參數(shù)為：K_P=14.1、K_i=0.1、K_d=15.8。系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)如圖5所示。

　　從圖5中可以看出， 全局最優(yōu)PID 參數(shù)對(duì)應(yīng)的限幅PID 控制策略， 在初始時(shí)段控制器以最大量輸出， 使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，調(diào)節(jié)時(shí)間更短，使超調(diào)量不至于過(guò)大，并且具有相對(duì)較高的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

　　本文提出的基于限幅的PID控制策略很好的利用了控制器的輸出限幅，既發(fā)揮了傳統(tǒng)PID控制器的能力，又體現(xiàn)了PID控制器良好的魯棒性。在參數(shù)整定時(shí)，使用高效的搜索算法可以快速地搜索到最佳的的PID參數(shù)，使得項(xiàng)目能夠快速順利的進(jìn)行。在項(xiàng)目實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，西門(mén)子PLC產(chǎn)品的靈活性、開(kāi)放性，尤其是WINCC強(qiáng)大的腳本功能使現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間得到了有利保證。

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第60頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。