智能楼宇中央空调监控系统的设计与实现

随着人们生活环境质量和工作条件要求的不断提高，人们逐渐认识到了智能建筑的重要性和优越性，智能建筑正处于快速发展期。中央空调系统的出现，丰富了智能楼宇概念，提升了楼宇的智能化水平，在楼宇温度环境的调节中起到了重要作用，同时，为楼宇的节能降耗作出了一定的贡献。为了实现对楼宇温度的实时性控制，提供一个适宜的温度环境，需要加强对中央空调监控系统的研究。

1、VinCC 组态软件介绍

VinCC 是西门子公司的一款HMI（人机界面）/SCADA（监视控制与数据采集）软件系统，本论文主要采用VinCCV7.3 版本对现场数据进行处理组态。

SCADA 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。

2、控制系统设计要求

本系统主要研究的是对室内温湿度及空气质量的控制调节。通过检测回风管上温度来调节回水支管二通阀的开启度来调节温度；根据空调机组回风的相对湿度来调节送风含湿量来实现对湿度的调节；通过对新风风门开度的调节来控制室内的空气质量。

中央空调系统的基本组成如图1 所示。

图1 中央空调系统基本组成图

2.1 温度控制

设室内温度为T1（室内温度可以由回风管上的温度传感器检测），空调预设温度为T2，偏差温度△T=|T1－T2|，PLC通过比较回风温度与预设温度来控制调节门开度，本文利用变频调速的方式实现对压缩机制冷量的无极调节，从而改善室内温度，提高人们的舒适度。本文采用模糊自整定PID 算法，不仅能够有效地提高控制精度，也有着更大的超调量和更短的调节时间。

2.2 湿度控制

湿度调节与温度调节类似，都是通过选取合适的输入参数，运用模糊控制对室内湿度进行有效调节，并经过PID 运算得到控制信号来调节加湿阀的开度，使室内湿度控制在预设值。

2.3 空气质量控制

通过空气质量传感器对空调机组的回风总管中二氧化碳等气体杂质浓度的检测，经A/D 转换并由运算单元处理，根据分析得到的控制信号来调节新风风门的开度，从而调节空间区域的空气质量。

2.4 检测功能

检测系统的运行状态、故障信号及开关信号；回风的温度、湿度、二氧化碳等杂质气体的浓度，过滤器上的过滤压差信号。

2.5 VinCC 监控界面显示

VinCC 监控图形画面包含对以下参数的监控：回风温湿度、CO2 等杂质气体的浓度以及新风各参数指标；系统的连接状态、故障状态；空气过滤器两侧的压力形成的压差信号；新、回风阀的开度。

本监控画面还包含了通信的连接与断开显示功能、中英文切换功能。

3、硬件设计与实现

本文主要选用S7-300PLC 作为系统的上位机，CPU314作为中央处理单元，对模拟量信号进行有效的运算处理，并以数字量信号输出。

由于模拟量输入较多，本文主要选用SM331 作为模拟量的扩展模块；选取G120 变频器来控制风机电机的转速。其他的硬件还包含风管式温湿度传感器、水阀执行器、风阀执行器和压力传感器等。

4、VinCC 与PLC 的通讯

传统的VinCC 与PLC 的通讯主要是对VinCC 和PLC进行单独的通讯设置，然后通讯，工序较为烦琐。本系统主要采用的是西门子S7-300 的PLC 和西门子VinCC 监控软件，基于TIA 的VinCC 与PLC 之间的通讯较为方便，因为西门子的TIA 技术包含了提供统一的数据库管理和通讯设置系统软硬件全集成定义菜单，只需要对SIMATIC Manager 建立PLC 的硬件组态，将PLC 的通讯设置好即可，然后通过添加OS 选项对其进行编译，VinCC 即可自动识别PLC 的硬件组态及通讯地址等，减少了重复性的工作，大大地提高了工程效率.

编译的主要作用如下：①建立S7 协议集；②建立VinCC通讯单元，比如Profibus、工业以太网等；③建立于S7 控制器的逻辑连接；④为消息和归档系统建立原始数据；⑤为传送到VinCC 和全局数据块的块类型建立结构类型；⑥在变量管理器中建立过程变量；⑦传送报警消息和用户文本。通过OS 编译后，通过实例来证明通讯连接成功。

图2 监控软件结构图

5、VinCC 组态画面设置

基于VinCC 强大的功能，结合系统控制要求，本监控画面主要设置了模拟现场流程画面、数据报表和能耗报表、温湿度变化趋势曲线、报警及事件等画面，监控结构如图2所示。

为了避免非工作人员误操作，可以给用户设置登录密码，运行界面以全屏显示。

图2 监控软件结构图

5.1 系统数据报表

该报表不仅反映了现场运行情况的实时数据，还记录了长期生产过程的历史数据，这些数据可以有效地帮助管理人员分析和掌握生产状况。

5.2 趋势曲线

本界面主要通过趋势曲线的形式显示室内温度的实时变化情况，可以根据曲线的变化形式了解室内温度变化速率。本界面还可以通过菜单栏直接选择浏览历史趋势曲线图，切换模式简单，操作方便。

5.3 了解电能的消耗情况

可以根据实际需要查询相应时间段内的电能消耗情况，本系统还提供了打印等功能，便于用户统计保存。

5.4 报警及事件

报警在任何系统中都起着举足轻重的作用，其主要是防止因系统发生过电流或过电压而造成系统损坏。

本系统设置了越限报警及手动恢复功能，当超出限制范围时，报警命令发出，待工作人员检查后可以通过手动恢复正常。

本系统以空气质量参数为例，简述报警的工作原理如下：正常情况下，单位体积的空气中氧气含量为21%，氮气含量为78%，二氧化碳等气体杂质含量为1%。根据实际情况要求，设置杂质气体发出报警的临界值为4%（当二氧化碳含量高于4%时会使人无意识地呼吸加快，短时间对人体影响不大），当杂质气体含量高于4%时，会触发报警系统，产生报警，可以采取人为"确认消失"，解除报警。

综上所述，智能大厦作为智能建筑的一种形式，特别是应用于商业的智能大厦提供的高效、舒适的工作环境已受到人们的广泛关注。VinCC 强大的功能提高了控制精度，并降低了温度的波动性，具有可视性强、操作方便的特点，同时，大大缩减了施工人员的系统集成工程量，降低了人力资源成本。因此，本监控系统具有一定的实用性和推广价值。笔者相信，随着计算机技术、网络技术和自动化技术的飞速发展，以及这些新技术在中央空调系统领域的广泛渗透和应用，我国中央空调的监控系统必然要进行升级换代，向着智能化、网络化的方向发展，为新时代的人类作出更大的贡献。