變風(fēng)量末端控制器的設(shè)計(jì)與仿真

柴 康， 田 穎, 于軍琪, 閆秀英

(西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055)

隨著中國(guó)能源消耗問題的日益嚴(yán)重，建筑能源消耗逐步達(dá)到中國(guó)經(jīng)濟(jì)總能耗的30%～50%，其中空調(diào)系統(tǒng)作為三大耗能終端之一，占據(jù)建筑總能耗的40%以上[1]。因此，在中國(guó)開展和研究建筑節(jié)能，有著重大而深遠(yuǎn)的意義[2]。基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)設(shè)計(jì)集中空調(diào)能量管理系統(tǒng)(energy management control system,EMCS)是進(jìn)行建筑節(jié)能時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題之一[3-4]。

1 研究進(jìn)展

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)研究最早起源于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，其興起的主要原因是空調(diào)系統(tǒng)濫用無監(jiān)管使得夏季建筑內(nèi)的空調(diào)能耗十分之高[5]。變風(fēng)量空調(diào)末端作為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中最能表現(xiàn)節(jié)能情況以及控制方式的部件，它的運(yùn)行狀況良好與否直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[6]。其中，變風(fēng)量空調(diào)末端控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一直是對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究的重點(diǎn)[7-9]。

加拿大康卡迪亞大學(xué)Cho等學(xué)者在變風(fēng)量空調(diào)末端應(yīng)用故障檢測(cè)技術(shù)，具體通過仿真軟件對(duì)空調(diào)末端的工作過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用系統(tǒng)辨識(shí)對(duì)其工作狀況加以預(yù)測(cè)[10]。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)Cho等[11]通過改進(jìn)變風(fēng)量空調(diào)末端的控制算法，與改進(jìn)前控制器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的算法相較于傳統(tǒng)控制器更加穩(wěn)定，能夠使建筑維持在合適空氣溫度的同時(shí)降低能耗比。

中國(guó)相關(guān)研究起始于21世紀(jì)初期。2005年劉偉等[12]率先對(duì)空調(diào)末端系統(tǒng)的內(nèi)外環(huán)分別進(jìn)行開環(huán)閉環(huán)辨識(shí)，通過小波理論處理數(shù)據(jù)并驗(yàn)證模型的正確性。2006年哈爾濱工業(yè)大學(xué)杜明明[13]通過總結(jié)定風(fēng)量和變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的存在條件和發(fā)展?fàn)顩r，分別建立變風(fēng)量空調(diào)末端的仿真模型，并利用MATLAB軟件進(jìn)一步進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將采用仿真方式得到的結(jié)果與采用數(shù)學(xué)方式得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析。2007年樊德璽[14]通過MATLAB完成單個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，隨后建立變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)多個(gè)環(huán)節(jié)模型，并將各個(gè)系統(tǒng)整體連接完成仿真實(shí)驗(yàn)。蘭州理工大學(xué)李友勝[15]則采用變風(fēng)量空調(diào)末端比例積分微分(PID)控制參數(shù)與在線整定相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)在線地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定，達(dá)到變風(fēng)量末端控制系統(tǒng)以最快速度追蹤到所設(shè)定的穩(wěn)定狀態(tài)值的目的。2009年楊洪祥等[16]針對(duì)常規(guī)PID控制難以配合空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了廣義預(yù)測(cè)自校正控制模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。重慶大學(xué)張雨玲[17]則通過設(shè)計(jì)模糊控制器對(duì)控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行研究。2012年西安建筑科技大學(xué)宋虹等[18]針對(duì)風(fēng)閥和房間進(jìn)行辨識(shí)，建立房間模型并通過LabVIEW軟件對(duì)溫度控制器進(jìn)行在線仿真；2017年沈陽工業(yè)大學(xué)李樹江等[19]采用ARM9和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)空調(diào)末端控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜環(huán)境；2018年大連理工大學(xué)歷秀明等[20]通過對(duì)比壓力相關(guān)及壓力無關(guān)兩種變風(fēng)量空調(diào)末端室外控制原理，提出Elman網(wǎng)絡(luò)多步預(yù)測(cè)進(jìn)行室溫控制的策略。

總體來講，空調(diào)末端是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)與定風(fēng)量系統(tǒng)區(qū)別的核心部件，而目前的研究主要集中在控制方法等主動(dòng)方式上。變風(fēng)量空調(diào)末端的仿真實(shí)驗(yàn)通常采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方式進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，隨著群智能等算法的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)收斂速度更快、控制穩(wěn)定性更好的控制器也隨之呼聲日益升高[21-22]。但對(duì)于變風(fēng)量空調(diào)末端控制器的設(shè)計(jì)研究始終停留在理論階段，這使得對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行性能分析及節(jié)能評(píng)價(jià)造成了很大不便。由此，通過末端裝置的設(shè)計(jì)仿真，為空調(diào)末端的雙閉環(huán)串級(jí)控制研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2.1 組成結(jié)構(gòu)

變風(fēng)量空調(diào)末端控制器(variable air volume terminal controller)的結(jié)構(gòu)圖如1所示，總體系統(tǒng)包括開關(guān)電源1個(gè)、變壓器1個(gè)、溫度傳感器1個(gè)、風(fēng)速傳感器1個(gè)、風(fēng)閥執(zhí)行器1個(gè)、PLC 1個(gè)、小風(fēng)機(jī)1個(gè)、空氣開關(guān)1個(gè)、溫度變送器1個(gè)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信(PC-PPI)線若干，PC處理模塊等。

1為溫度傳感器;2為溫度變送器;3為風(fēng)速傳感器;4為PLC;5為PC-PP;6為開關(guān)電源;7為小風(fēng)機(jī);8為變壓器;9為空氣開關(guān);10為風(fēng)閥執(zhí)行器;11為處理模塊

變風(fēng)量空調(diào)末端控制器的基本工作原理為：電源首先通過空氣開關(guān)，與PLC的電源端進(jìn)行連接，空氣開關(guān)以及PLC的引線同時(shí)連接到變壓器的輸入端及開關(guān)電源的輸入端，而開關(guān)電源的輸出端則與小風(fēng)機(jī)的電源輸入端進(jìn)行相接；另一方面，開關(guān)電源的輸出端在完成與溫度變送器及溫度傳感器進(jìn)行連接的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步與風(fēng)速傳感器的電源端口相連。其中，采用三線制將溫度傳感器與溫度變送器進(jìn)行連接；溫度變送器和風(fēng)速傳感器的信號(hào)輸出端接入至PLC模擬量的電壓輸入端；PLC模擬量的電壓輸出端則與風(fēng)閥執(zhí)行器信號(hào)的輸入端相連接。此外，PLC與各個(gè)處理模塊間統(tǒng)一采用PC-PPI通信線進(jìn)行連接。

PLC與處理模塊進(jìn)行連接，成功后處理模塊則通過STEP7軟件將采集得到的風(fēng)速信號(hào)、溫度信號(hào)以及輸出量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，隨后采用PC Access軟件將涉及到的變量與LabVIEW進(jìn)行對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)仿真可通過LabVIEW中引入MATLAB底層程序來對(duì)不同控制算法進(jìn)行比較，或可采用圖形化的編程語言對(duì)末端系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過觀測(cè)風(fēng)閥執(zhí)行器的開度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際風(fēng)量進(jìn)行控制效果評(píng)價(jià)的相關(guān)研究。

處理模塊用于對(duì)所有傳感器采集的溫度、風(fēng)速值進(jìn)行顯示、和數(shù)據(jù)記錄、處理，可以作為后端控制仿真研究中的數(shù)據(jù)采集輸入值，采用安裝有STEP7、PC Access、LabVIEW和MATLAB軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。

2.2 變風(fēng)量空調(diào)末端半實(shí)物仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知空調(diào)末端控制裝置需要用主控制器對(duì)溫度和風(fēng)速兩個(gè)變量進(jìn)行串級(jí)控制，后端以風(fēng)閥執(zhí)行器來模擬空置量的變化，最后考慮整個(gè)系統(tǒng)配電。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件配置整體框架如圖2所示。

圖2 硬件配置整體框圖

為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，220 V交流電流作為電源主要向PLC子模塊、溫度傳感器子模塊及風(fēng)速傳感器子模塊進(jìn)行供電。隨后，溫度傳感器將溫度信號(hào)、風(fēng)速傳感器將風(fēng)速信號(hào)同時(shí)作為模擬量的輸入信號(hào)傳送至PLC中。

隨著供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，220 V交流電流同時(shí)供給到開關(guān)電源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流進(jìn)行過流保護(hù)的目的。經(jīng)過變壓器，經(jīng)保護(hù)的220 V交流電流被轉(zhuǎn)換為24 V交流電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)閥執(zhí)行器的供電作用；同時(shí)，通過開關(guān)電源，經(jīng)保護(hù)的220 V交流電被轉(zhuǎn)換為24 V直流電，同時(shí)為溫度傳感器以及風(fēng)速傳感器進(jìn)行電源供電。

系統(tǒng)運(yùn)行開始后，上位機(jī)通過MATLAB腳本程序?qū)⑿盘?hào)傳送到PLC，以實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量末端系統(tǒng)的控制。上位機(jī)與PLC進(jìn)行聯(lián)合，使得控制信號(hào)模擬量向執(zhí)行風(fēng)閥輸出0～10 V的電壓，實(shí)現(xiàn)風(fēng)閥的開度控制。

綜合考慮選型要求進(jìn)行元器件確定，最終選取的檢測(cè)元件見表1，此外還需準(zhǔn)備的器材包括小電機(jī)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC模塊)、開關(guān)電源、跳線帽、電線、空氣開關(guān)、接線端子、串口線等。

表1 檢測(cè)元件選型結(jié)果

按照空調(diào)末端的半實(shí)物仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及各檢測(cè)元件的接線端子圖繪制出末端接線圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 末端接線圖設(shè)計(jì)

2.3 變風(fēng)量空調(diào)末端半實(shí)物仿真系統(tǒng)軟件配置

(1)PLC控制程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)PLC通過9針的串口線與PC機(jī)相連，在PC機(jī)上基于step7200與CPU224XP進(jìn)行通信，并通過梯形圖編程語言將輸入的模擬變量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量。

Pt100為溫度傳感器，其溫度與阻值間的關(guān)系公式可表示為

R=100(1+0.003 908T)

(1)

式(1)中：R為溫度傳感器電阻值;T為對(duì)應(yīng)溫度。可知溫度變化與電阻值變化兩者滿足線性關(guān)系，此關(guān)系式轉(zhuǎn)換采用梯形圖語言編程實(shí)現(xiàn)，得到的溫度值存入寄存器VD100中。

同理，風(fēng)速傳感器的風(fēng)速值與模擬量輸入呈線性關(guān)系，所以按比例轉(zhuǎn)換即可得到風(fēng)速值，存入寄存器VD104中。

PC Access將PLC中的地址單元與上位機(jī)中的控件通過OPC協(xié)議進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

(2)LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在網(wǎng)絡(luò)管理層中含有多臺(tái)上位機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需要同時(shí)在多臺(tái)上位機(jī)上集中顯示和控制。而控制器PLC將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)集中傳輸?shù)脚c之相連的一臺(tái)上位機(jī)中。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要通過在LabVIEW中進(jìn)行設(shè)計(jì)得以完成，設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面可以完成系統(tǒng)參數(shù)的顯示，控制指令的發(fā)送，實(shí)時(shí)曲線的輸出等功能。其中LabVIEW底層如圖4所示，對(duì)房間溫度、房間風(fēng)速進(jìn)行程序設(shè)定；LabVIEW前面板則能夠與變風(fēng)量末端控制器完成通訊，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出，其設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 LabVIEW底層程序

圖5 LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

(3)PC Access 關(guān)聯(lián)。西門子推出的PC Access 軟件是專用于step7200 PLC 的OPC Server(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器)軟件，它向服務(wù)器客戶端提供數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息可以與標(biāo)準(zhǔn)的客戶端進(jìn)行通訊。PC Access帶有客戶測(cè)試端，可以通過OPC Client(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)客戶端)功能檢測(cè)具體項(xiàng)目的通訊可行性以及配置合理性。變風(fēng)量空調(diào)末端半實(shí)物仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中采用此方式對(duì)其進(jìn)行配置：首先在PC Access工作頁面選擇MicroWin-新PLC，在類型設(shè)置頁面中選擇PLC為CPU224XP，確定通信協(xié)議為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(PPI)；隨后對(duì)接口屬性(PG/PC)進(jìn)行選擇設(shè)置，在PC Access界面中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，并在彈出的MicroWin中進(jìn)行選擇，確定具體的訪問路徑。

圖7 LabVIEW底層程序改進(jìn)頁面

隨后，將溫度反饋、風(fēng)速反饋以及輸出三個(gè)項(xiàng)目與LabVIEW關(guān)聯(lián)，運(yùn)行后顯示Good則連接良好。

3 壓力無關(guān)型變風(fēng)量空調(diào)末端系統(tǒng)的測(cè)試分析

3.1 壓力無關(guān)型變風(fēng)量空調(diào)末端系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試內(nèi)容包括末端控制系統(tǒng)、上位機(jī)界面和程序框圖以及末端控制系統(tǒng)調(diào)試。變風(fēng)量空調(diào)末端控制系統(tǒng)的調(diào)試實(shí)拍如圖6所示。

圖6 變風(fēng)量空調(diào)末端控制系統(tǒng)調(diào)試

硬件系統(tǒng)搭建好之后，編寫好的PLC程序能夠?qū)崿F(xiàn)將傳進(jìn)來的輸入量和將要輸出的量直接進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換，能夠?qū)崿F(xiàn)將傳入或者要傳出的0～65 535數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度、風(fēng)速值以及輸出的電壓值，隨后將上位機(jī)和硬件系統(tǒng)進(jìn)行初步關(guān)聯(lián)和系統(tǒng)調(diào)試。

關(guān)聯(lián)主要使用PC Access軟件，將PLC中溫度傳感器和風(fēng)速傳感器的值以及輸出值對(duì)應(yīng)的PLC地址與上位機(jī)中的輸入空間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使得系統(tǒng)能夠在硬件上整體進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

將變風(fēng)量末端控制器通過PC-PPI電纜與PC主機(jī)相連，并通過220 V交流電供電以保證硬件系統(tǒng)連接成功，且軟件硬件部分都能夠正常運(yùn)行。

考慮到LabVIEW能夠嵌套高級(jí)程序的獨(dú)特性，在測(cè)試最后設(shè)計(jì)了MATLAB算法嵌套界面如圖7所示，其設(shè)計(jì)中含有轉(zhuǎn)換開關(guān)故能完成手動(dòng)PID參數(shù)輸入和自動(dòng)程序?qū)雰煞N工作方式的轉(zhuǎn)換。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

通過設(shè)計(jì)選型搭建了變風(fēng)量空調(diào)末端的硬件系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上完成實(shí)物制作，并通過軟件仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在實(shí)現(xiàn)以雙閉環(huán)控制為基礎(chǔ)的變風(fēng)量末端裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)房間溫度、房間風(fēng)速信息進(jìn)行采集，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)不僅能達(dá)到系統(tǒng)導(dǎo)通、搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試目的，而且能夠靈活地適應(yīng)控制算法的選擇優(yōu)化，靈敏對(duì)應(yīng)外界環(huán)境變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此末端系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。該半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有界面簡(jiǎn)單、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，為變風(fēng)量空調(diào)的雙閉環(huán)末端控制學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

變風(fēng)量空調(diào)末端控制器采用溫度傳感器Pt100、風(fēng)速傳感器西門子QVM62.1、CPU224XP及西門子執(zhí)行風(fēng)閥L680t40進(jìn)行硬件搭建，處理速度快，而且用途廣泛，直觀易用。下位機(jī)PLC與PC機(jī)基于PC Access軟件通訊在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控管理功能更能保證系統(tǒng)的可靠性，可以防止出現(xiàn)錯(cuò)誤對(duì)裝置產(chǎn)生不必要的損壞。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明硬件搭建成功，上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，且采用的雙閉環(huán)串級(jí)模型調(diào)節(jié)能快速響應(yīng)，穩(wěn)定性較好。本文中設(shè)計(jì)的空調(diào)末端控制器設(shè)計(jì)理論結(jié)合實(shí)際，為空調(diào)末端系統(tǒng)節(jié)能降耗的科學(xué)研究提供了有力支持。