智能樓宇中央空調監控系統的設計與實現

隨著人們生活環境質量和工作條件要求的不斷提高，人們逐漸認識到了智能建筑的重要性和優越性，智能建筑正處于快速發展期。中央空調系統的出現，豐富了智能樓宇概念，提升了樓宇的智能化水平，在樓宇溫度環境的調節中起到了重要作用，同時，為樓宇的節能降耗作出了一定的貢獻。為了實現對樓宇溫度的實時性控制，提供一個適宜的溫度環境，需要加強對中央空調監控系統的研究。

1、VinCC 組態軟件介紹

VinCC 是西門子公司的一款HMI（人機界面）/SCADA（監視控制與數據采集）軟件系統，本論文主要采用VinCCV7.3 版本對現場數據進行處理組態。

SCADA 系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等功能。

2、控制系統設計要求

本系統主要研究的是對室內溫濕度及空氣質量的控制調節。通過檢測回風管上溫度來調節回水支管二通閥的開啟度來調節溫度；根據空調機組回風的相對濕度來調節送風含濕量來實現對濕度的調節；通過對新風風門開度的調節來控制室內的空氣質量。

中央空調系統的基本組成如圖1 所示。

圖1 中央空調系統基本組成圖

2.1 溫度控制

設室內溫度為T1（室內溫度可以由回風管上的溫度傳感器檢測），空調預設溫度為T2，偏差溫度△T=|T1－T2|，PLC通過比較回風溫度與預設溫度來控制調節門開度，本文利用變頻調速的方式實現對壓縮機制冷量的無極調節，從而改善室內溫度，提高人們的舒適度。本文采用模糊自整定PID 算法，不僅能夠有效地提高控制精度，也有著更大的超調量和更短的調節時間。

2.2 濕度控制

濕度調節與溫度調節類似，都是通過選取合適的輸入參數，運用模糊控制對室內濕度進行有效調節，并經過PID 運算得到控制信號來調節加濕閥的開度，使室內濕度控制在預設值。

2.3 空氣質量控制

通過空氣質量傳感器對空調機組的回風總管中二氧化碳等氣體雜質濃度的檢測，經A/D 轉換并由運算單元處理，根據分析得到的控制信號來調節新風風門的開度，從而調節空間區域的空氣質量。

2.4 檢測功能

檢測系統的運行狀態、故障信號及開關信號；回風的溫度、濕度、二氧化碳等雜質氣體的濃度，過濾器上的過濾壓差信號。

2.5 VinCC 監控界面顯示

VinCC 監控圖形畫面包含對以下參數的監控：回風溫濕度、CO2 等雜質氣體的濃度以及新風各參數指標；系統的連接狀態、故障狀態；空氣過濾器兩側的壓力形成的壓差信號；新、回風閥的開度。

本監控畫面還包含了通信的連接與斷開顯示功能、中英文切換功能。

3、硬件設計與實現

本文主要選用S7-300PLC 作為系統的上位機，CPU314作為中央處理單元，對模擬量信號進行有效的運算處理，并以數字量信號輸出。

由于模擬量輸入較多，本文主要選用SM331 作為模擬量的擴展模塊；選取G120 變頻器來控制風機電機的轉速。其他的硬件還包含風管式溫濕度傳感器、水閥執行器、風閥執行器和壓力傳感器等。

4、VinCC 與PLC 的通訊

傳統的VinCC 與PLC 的通訊主要是對VinCC 和PLC進行單獨的通訊設置，然后通訊，工序較為煩瑣。本系統主要采用的是西門子S7-300 的PLC 和西門子VinCC 監控軟件，基于TIA 的VinCC 與PLC 之間的通訊較為方便，因為西門子的TIA 技術包含了提供統一的數據庫管理和通訊設置系統軟硬件全集成定義菜單，只需要對SIMATIC Manager 建立PLC 的硬件組態，將PLC 的通訊設置好即可，然后通過添加OS 選項對其進行編譯，VinCC 即可自動識別PLC 的硬件組態及通訊地址等，減少了重復性的工作，大大地提高了工程效率.

編譯的主要作用如下：①建立S7 協議集；②建立VinCC通訊單元，比如Profibus、工業以太網等；③建立于S7 控制器的邏輯連接；④為消息和歸檔系統建立原始數據；⑤為傳送到VinCC 和全局數據塊的塊類型建立結構類型；⑥在變量管理器中建立過程變量；⑦傳送報警消息和用戶文本。通過OS 編譯后，通過實例來證明通訊連接成功。

圖2 監控軟件結構圖

5、VinCC 組態畫面設置

基于VinCC 強大的功能，結合系統控制要求，本監控畫面主要設置了模擬現場流程畫面、數據報表和能耗報表、溫濕度變化趨勢曲線、報警及事件等畫面，監控結構如圖2所示。

為了避免非工作人員誤操作，可以給用戶設置登錄密碼，運行界面以全屏顯示。

圖2 監控軟件結構圖

5.1 系統數據報表

該報表不僅反映了現場運行情況的實時數據，還記錄了長期生產過程的歷史數據，這些數據可以有效地幫助管理人員分析和掌握生產狀況。

5.2 趨勢曲線

本界面主要通過趨勢曲線的形式顯示室內溫度的實時變化情況，可以根據曲線的變化形式了解室內溫度變化速率。本界面還可以通過菜單欄直接選擇瀏覽歷史趨勢曲線圖，切換模式簡單，操作方便。

5.3 了解電能的消耗情況

可以根據實際需要查詢相應時間段內的電能消耗情況，本系統還提供了打印等功能，便于用戶統計保存。

5.4 報警及事件

報警在任何系統中都起著舉足輕重的作用，其主要是防止因系統發生過電流或過電壓而造成系統損壞。

本系統設置了越限報警及手動恢復功能，當超出限制范圍時，報警命令發出，待工作人員檢查后可以通過手動恢復正常。

本系統以空氣質量參數為例，簡述報警的工作原理如下：正常情況下，單位體積的空氣中氧氣含量為21%，氮氣含量為78%，二氧化碳等氣體雜質含量為1%。根據實際情況要求，設置雜質氣體發出報警的臨界值為4%（當二氧化碳含量高于4%時會使人無意識地呼吸加快，短時間對人體影響不大），當雜質氣體含量高于4%時，會觸發報警系統，產生報警，可以采取人為"確認消失"，解除報警。

綜上所述，智能大廈作為智能建筑的一種形式，特別是應用于商業的智能大廈提供的、舒適的工作環境已受到人們的廣泛關注。VinCC 強大的功能提高了控制精度，并降低了溫度的波動性，具有可視性強、操作方便的特點，同時，大大縮減了施工人員的系統集成工程量，降低了人力資源成本。因此，本監控系統具有一定的實用性和推廣價值。筆者相信，隨著計算機技術、網絡技術和自動化技術的飛速發展，以及這些新技術在中央空調系統領域的廣泛滲透和應用，我國中央空調的監控系統必然要進行升級換代，向著智能化、網絡化的方向發展，為新時代的人類作出更大的貢獻。