基于Modbus網絡的中央空調變頻節能控制系統

（桂林理工大學 信息科學與工程學院，桂林 541004）

當前市場上大多數中央空調控制系統采用耦變壓器降壓[1]啟動方式來實現整體系統控制，但這種辦法對系統運行的可靠性及實時性有較高的要求，同時有較大的人力、物力資源成本壓力，并且此方式還影響到水泵電動機的使用壽命，更嚴重的是加重了整體系統的運行能耗。本文以郴州某電子廠為例，介紹了基于Modbus協議的中央空調變頻節能控制系統。

為確保中央空調系統能夠長期安全可靠地運行，采用了臺達DVP28SV型PLC作為系統的主控制器，同時配合使用智能檢測儀表來實現對現場設備的實時監控。利用模糊自適應PID控制方法來調節中央空調變頻器，以此來控制冷卻水泵和冷凍水泵的轉速，使功率的損耗維持在一個合理的范圍。上位機采用Intouch 11.0組態軟件實現現場數據的采集、運行設備的實時監控及各種信號報警等功能，通過選擇Modbus總線的RTU模式與PLC進行通訊[2]，實現采集數據和控制設備的功能。通過PLC與HMI（人機界面）組成工業控制局域網，實現實時數據地采集及對設備運行狀態地控制和監視。

1 中央空調系統結構

該電子廠的中央空調主要包括空調主機、冷凍冷卻循環水系統、風機盤管系統和檢測控制系統，空調主機由壓縮機、蒸發器、水冷式冷凝器及節流閥組成。外界的新風從通風道進入空氣機組進行濕、熱處理，經送風機送進車間，并在車間內進行空氣循環，從而調節車間里的溫濕度。在此過程中系統的主要能耗是由制冷機組和循環水泵風機產生的，循環水系統又包括冷卻水循環和冷凍水循環，所以系統主要是對冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔風機等被控設備進行節能控制，中央空調系統結構如圖1所示。

圖1 中央空調系統結構Fig.1 Diagram of central air condition structure

2 控制系統硬件設計

中央空調控制系統采用“集中監管、分散協控、數據共享”的設計理念，實現工廠管理員對整體系統的遠程監控以及現場各設備間的數據通信[3]。結合現場的實際工況，需要把系統設備分別安裝在主機房控制室和現場設備控制站中，整個控制系統按功能分為4層，自動控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2 自動控制系統Fig.2 System diagram of automatic control

第1層為上位機監控管理層。上位機是由2臺研華IPC-610H工控機（配有Windows操作系統，臺達ISPsoft V2.01編程軟件和組態監控軟件，其中1臺作為熱備）、1臺彩色打印機及相關的網絡通信設備等組成，安裝在主控室內供工程師監控。操作人員可以通過上位機來遠程監控現場設備的運行情況，能精確地檢測設備的參數及實時的控制設備運行狀態，并能對歷史數據曲線進行記錄、查看、事件報警等操作。

第2層為數據通信層。本層完成整個Modbus系統的網絡集成，能夠接受各層設備傳送的數據、信息以及上位機控制臺發出的指令，同時還能把指令反饋到各層設備，實現了上層信息與設備層信息的數據傳輸和交換。

第3層為PLC控制層。在中央空調控制系統中，當變頻器開始運行時，各子站PLC應該同步對變頻進行實時控制。將溫度傳感器的水溫采集信號經A/D轉換后回送到PLC中，與初始設定值進行比較，對得出的結果進行模糊自適應PID運算[4]，將運算結果傳送給變頻器[5]，通過預先給變頻器設定好的程序從而根據信號來調整輸入電源頻率的大小，通過降低循環水泵的轉速達到變頻節能的目的。

第4層為物理設備層。如電磁閥、變頻器、負荷隔離開關及緊急制動切閥等各種儀器儀表。為了確保在停電、雷擊及頻率干擾的情況下仍能正常運行，加入了避雷器、不間斷電源、工業以太網交換機等確保整個系統能夠正確、穩定地傳輸各種信號。

3 控制系統軟件設計

系統采用上位機監控系統+下位機PLC系統[6]的形式來完成設備運行過程參數的數據采集、自動控制、界面顯示、監控報警及打印報表等功能。在上位機監控系統的設計中，采用Intouch 11.0[7]組態軟件來開發HMI，可以增強用戶的體驗，使操作更加簡單化、人性化，從而提高工效率和工作能力。在下位機PLC系統的設計中采用臺達DVP28SV型PLC作為主控制器，DVP-SV2系列PLC作為全球最完整的高功能薄型PLC，具有高速脈沖輸出、高速計數器、高速精準定位控制等特點，同時還具有自動備份程序與數據以及程序掉電保護的功能，并有多達4重的PLC密碼，使開發者的知識產權得到保護。該系列的PLC還具備了強大的通信功能，支持Modbus主/從站模式，將PLC和上位機組成工業控制局域網，實現對整體設備運行狀態的監控。

3.1 PLC的程序設計

系統采用ISPsoft V2.01[8]編寫程序，使PLC與各模塊間完成通訊，實現各設備之間的手動（啟動）、自動、停止操作，模擬量信號標準化，位置開關跑偏報警等功能。要通過變頻技術達到節能目的，需對中央空調的冷卻水泵及冷凍水泵進行變頻控制[9]，針對變頻控制中存在的非線性、時滯性及不確定性等特點，很難建立精確的數學模型，系統采用了將模糊控制[10]和常規PID控制相結合的模糊自適應PID控制器，模糊PID控制原理如圖3所示。

圖3 模糊PID控制原理Fig.3 Schematic of fuzzy PID control

ISPsoft軟件采用一種結構化的編程方式，其功能模塊POU5作為模糊自適應 PID控制器，POU5是由4個程序塊和PID調節功能模塊FB0組成。系統模糊自適應PID參數在線自整定的流程如圖4所示。

結合現場的實際情況，模糊自適應PID控制器的2個輸入變量分別選取中央空調循環水系統中的進水溫度與設定值的偏差e以及偏差變化率Δe，而輸出應選取常規PID控制器的調節參數ΔKp、ΔKi、ΔKd。通過奧林儀表測得的進水溫度經過處理傳送給PLC的模擬量模塊，再以5～25 mA模擬電流信號傳送至PLC的控制程序中。將進水溫度值與設定值進行比較，調用FC14模塊中的模糊推理子程序得出偏差和偏差變化率信號，經過FC15模塊模糊化運算，得到參數的校正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，對3個參數進行在線實時校正，分別輸入到PID控制器中，達到對PID原始參數的最佳調整。通過組織塊調用FB0功能塊，以5～25 mA的模擬信號傳送到變頻器，再由變頻器去控制水泵的流速，實現對循環水系統過程變量的模糊PID調節[11]。采用模糊自適應PID控制的控制效果優良，能夠有效地抑制外界干擾，能及時校正實時參數，具有較強的魯棒性。通過模糊自適應PID控制器的調節，能更好地將循環水系統的進水溫度穩定在設定值處，減小進水溫度的波動，對中央空調循環水系統的控制更加精準、有效。

圖4 模糊PID參數在線自整定Fig.4 Fuzzy PID parameter self tuning online

3.2 監控界面的設計

上位機監控系統的設計采用Intouch11.0組態軟件來開發人機界面。Intouch與其他的SCADA系統一樣，是以計算機為基礎的數據采集與監視控制系統，與國內外常見的PLC、智能儀器儀表、變頻器等均可進行數據通訊。采用Intouch作為上位機組態軟件，符合系統的設計理念，可以提供全面的監控功能，并且操作簡單，成本低。

循環水系統結構復雜，要求具有嚴謹、穩定的系統監控界面。Intouch具有用戶登錄注銷、ACK、ACK ALL、空調箱總覽、冰水系統總覽、時控設定、模擬量矯正、網絡架構、歷史曲線、事件/報警、模式選擇等一系列功能，基本滿足了中央空調循環水系統監控界面的設計。通過Intouch對現場運行設備的監控，可以實現查閱實時數據、歷史數據、設置參數等功能。Intouch軟件具有豐富的函數，可以根據需要直接調用，亦能直接編寫命令語言，擴展Intouch程序的功能，如當進水溫度超過設定值，能自動調用程序“if（\station$alarm==1）ShowPicture（"回水溫度報警"）”，彈出報警畫面，及時更改參數，提高系統的工作效率。

系統采用Intouch11.0軟件設計了精美組態畫面，包括冷凍水系統畫面、冷卻水系統畫面、水泵進/出水畫面、冰水閥門畫面、實時曲線畫面與歷史曲線畫面等。采用Modbus/RTU進行通信，真實地反映了現場設備的狀態，能夠方便地通過對組態畫面上的可控設備進行操作。部分監控系統的畫面如圖5所示。

4 結語

針對中央空調水循環過程中流量控制對象的時變性及不確定性特點，采用了模糊自適應PID的控制方法，完成了水流量自適應模糊PID控制系統的設計?；诮M態軟件+Modbus+PLC的分布式監控設計確保了系統能夠穩定的、高效的運作，并提高了變頻調速的能力，基于模糊自適應PID的流量控制系統有效地解決了因水循環過程控制中的非線性和不穩定性等不宜采用常規PID控制的情況，從而降低了整體系統功率損耗，大大提升了中央空調節能的效率。自2016年1月項目投運以來，運行穩定、故障率低、而且易于操作、功能完善、節能效果明顯，為企業創造了良好的經濟效益，具有較好的發展前景與實用價值。

[1]李靜，程春.基于PLC的中央空調節能控制系統研究[J].工業控制計算機，2014，27（3）：125-128.

[2]肖林，肖哲運，丁志江.基于Modbus協議的PLC多路溫度控制系統的實現[J].河北科技大學學報，2011，9（6）：12-15.

[3]劉敏層，鄺濤，何莉鵬，等.基于Modbus協議PLC在中央空調水系統變頻節能中的應用[J].化工自動化及儀表，2014，41（5）：524-527.

[4]Wei Jiang，Xu chujiang.Design of an intelligent temperature control system based on the fuzzy self-tuning PID[J].Procedia Engineering，2012（43）：307-311.

[5]劉臘梅.基于PLC與變頻技術的中央空調系統節能研究[J].中國新技術新產品，2013，18（9）：13-14.

[6]王文成，張金山.豎爐球團計算機控制系統[J].自動化與儀表，2013，28（2）：41-47.

[7]美國Wonderware公司.Intouch使用手冊[M].美國：Invensys Systems，Inc，2002.

[8] 臺達電子工業股份有限公司.臺達DVP-PLC編程技巧 [M].北京：中國電力出版社，2012.

[9]潘多.PLC控制中央空調水泵變頻調速系統的設計[J].農業科技與裝備，2010，15（2）：37-39.

[10]鄭濱輝.模糊控制在中央空調變頻節能及其末端房間的應用研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[11]張杰.中央空調水系統節能控制研究[D].合肥：中國科技大學，2011.