辦公樓變風量新風控制系統(tǒng)設計

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

摘要：本文采用SIMATIC S7-200 PLC、WINCC 6.0和PC Access等產品設計了變風量辦公樓新風控制系統(tǒng)，并建立了其主從網絡控制結構。采用總風量控制方法，基于限幅PID控制算法對風機轉速進行快速調節(jié)，得到了系統(tǒng)送風量的最優(yōu)控制策略。通過Simulink進行了仿真，仿真實驗表明，該控制方法簡單、易行，可以快速穩(wěn)定地實現(xiàn)新風控制。

引言

　　變風量空調系統(tǒng)(VAV)是通過改變送入房間的風量來滿足室內變化的需求。變風量空調系統(tǒng)有節(jié)能、系統(tǒng)可控性好、能實現(xiàn)分區(qū)控制等優(yōu)點。隨著我國各類商業(yè)辦公建筑的大批建設，VAV空調系統(tǒng)逐漸得到了更多的應用。

　　對新風系統(tǒng)的各點位進行監(jiān)控，可以有效地節(jié)約能源。根據末端新風量的需求，合理地設計所需新風量。圖1是新風系統(tǒng)監(jiān)控原理圖。

1 控制系統(tǒng)構成

　　1.1 網絡結構

　　考慮系統(tǒng)可靠性要求及規(guī)模大小，此辦公樓新風系統(tǒng)的控制網絡采用PPI通信。PPI通信協(xié)議中S7-200 CPU 226和S7-200 CPU 224采用主從方式進行通信，主設備是S7-200 CPU 226，它有26路數(shù)字量輸入、16路數(shù)字量輸出端口，可以滿足本項目的需求，從站設備是S7-200 CPU 224，它有14路數(shù)字量輸入，10路數(shù)字量輸出端口。其通信過程是按照PPI主從通信格式，用一定格式的數(shù)據向PLC發(fā)送通信命令。S7-200 CPU 226用順控的方式讀取16個從站的數(shù)據和向16個從站寫數(shù)據以及對數(shù)據進行處理。如命令數(shù)據格式無誤，則從站PLC向主站發(fā)出表示命令正確的初步應答信號，主站在收到初步應答信號后，再向從站PLC發(fā)送確認命令。從站收到確認命令后，執(zhí)行命令響應。網絡組態(tài)結構原理圖如圖2所示。

　　S7-200PLC控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它通過模擬量輸入通道(AI)和數(shù)字量輸入通道(DI)采集實時數(shù)據，然后按照一定的控制規(guī)律進行運算，最后發(fā)出控制信號，并通過模擬量輸出通道(AO)和數(shù)字量輸出通道(DO)直接控制設備的運行。

　　PC Access可以用于連接西門子或者第三方支持OPC技術的上位軟件。WINCC是視窗控制中心，它是一個過程監(jiān)視系統(tǒng)，通過組態(tài)畫面讀取各層新風系統(tǒng)的相關參數(shù)及運行狀態(tài)。由主界面可進入工作日歷，根據工作日歷提前設置每天風機的工作狀態(tài)(工作或者休息)，操作者可根據需要對風機進行自由設置。

　　1.2 基于限幅PID的總風量控制方法

　　總風量控制方法是基于 VAV 末端風量求和的一種控制方法，變風量空調機組控制器讀取本系統(tǒng)所有末端的需求風量，得出總需求風量。風機風量與轉速是一個近似的正比關系，可在初調時通過實測得到。

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

　　n₁+n₂+n₃= n (1)

　　n₁∑₁+n₂∑₂+n₃∑₃+Q_y=Q (2)

　　通過檢測末端各房間開啟空調的模式，再由上式確定總送風量，平穩(wěn)的調節(jié)風機的轉速，這樣既節(jié)約的能源，又降低的風機的損耗。

　　我們還可以對總送風量進行優(yōu)化調節(jié)，從而滿足各末端的變化。優(yōu)化調節(jié)有兩種方式：1)當送風量的變化△Q≥20% 時，控制中心會對總送風量的設定值進行重新設定;2)每10分鐘就對總送風量的給定值進行調節(jié)。這兩種調節(jié)方式的并行運用，能更好的滿足末端風量需求的變化，從而達到最優(yōu)的狀態(tài)。

　　通過對壓力無關型變風量末端的分析得出了設定風量作為控制變量，進而提出了變風量系統(tǒng)總風量控制方法。系統(tǒng)總送風量控制通過調節(jié)風機轉速來維持風機保持在較小的耗能范圍。風量控制方式主要有兩種策略：靜壓控制方式和總風量控制方式。但由于受到系統(tǒng)設計、施工及風機選型等因素的影響，管道中靜壓設定點的靜壓檢測值會產生較大的波動，會對壓力測量產生影響，故本文采用總送風量控制方法。

　　風機總風量控制方法是基于壓力無關型的VAV末端研究出的一種新的簡單易行的空調系統(tǒng)的控制方法。風機控制環(huán)節(jié)的控制線路如圖3所示。通過此控制環(huán)路的分析，發(fā)現(xiàn)了設定總風量是一個很有價值的量，根據各末端所需風量，并對各末端風量求和得出總送風量，達到系統(tǒng)希望達到的風量狀態(tài)。

　　隨著各房間所需風量的變化，其變化波動較大，但是在實際中為了達到給定風量需要不停的調節(jié)風機，這樣會使風機的損耗過大，這時就需要我們對給定風量進行一些優(yōu)化控制，使系統(tǒng)處于相對平穩(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格也較昂貴;也可以通過調整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，即在PID控制器與被控對象間插入一個飽和環(huán)節(jié)，如圖4所示。使用位置式數(shù)字PID控制算法，設采樣周期為T，控制器的限幅為um，其控制規(guī)律為：

2 仿真及結果分析

　　根據Ziegler-Nichols整定公式，對文中被控對象進行Simulink仿真。經測量取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)指標取絕對誤差積分指標JITAE。在沒有人為經驗的情況下，用窮舉法搜索PID參數(shù)。為保證搜索的廣度和精度，搜索分為兩步進行：第一步，在[0，50]的范圍內以1為步長搜索PID參數(shù);第二步，在第一步得到的最優(yōu)點附近以0.1為步長進行搜索。搜索耗時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)單位階躍響應如圖5所示。

　　從圖5中可以看出， 全局最優(yōu)PID 參數(shù)對應的限幅PID 控制策略， 在初始時段控制器以最大量輸出， 使得系統(tǒng)的響應速度更快，調節(jié)時間更短，使超調量不至于過大，并且具有相對較高的穩(wěn)定性。

3 結論

　　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，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)，使得項目能夠快速順利的進行。在項目實際調試過程中，西門子PLC產品的靈活性、開放性，尤其是WINCC強大的腳本功能使現(xiàn)場調試時間得到了有利保證。

參考文獻：

　　[1]羅濤.變風量空調技術分析[J].智能建筑與城市信息,2006,02:103-106.

　　[2]戴斌文,狄洪發(fā),江億,等.變風量空調系統(tǒng)風機總風量控制方法[J].暖通空調,1999,29( 3):1-6.

　　[3]戴斌文.變風量空調系統(tǒng)控制方法研究[D].北京:清華大學,1998.

　　[4]韓京清.非線性PID控制器[J].自動化學報,1994, 20(4): 487- 490.

　　[5]藍政杰.基于Simulink 變風量空調系統(tǒng)變靜壓控制仿真[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學,2007.

本文來源于《電子產品世界》2017年第2期第60頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。