基于S7-300 PLC的商场恒温控制系统设计

摘要 介绍了基于S7-300PLC的商场恒温控制系统。为给顾客提供舒适的购物环境，需要将商场温度控制在合适的范围，该系统运用了计算机监控、智能传感器、可编程控制器、工业现场总线、光纤通信等技术，实现了系统的自动控制，提高了系统经济效益。
关键词 S7-300PLC；模糊控制；系统管理；恒温控制

    一般而言空调自动控制系统只对温度、湿度进行有效的控制，但自动控制的范围并非只限于此。文中设计的商场恒温控制系统包含转换控制、补偿控制、连锁控制、状态监测、容量调节等全自动化的控制系统，能及时监测负荷的变化，使整个系统达到最优的经济效果。

1 总体控制系统设计
    设计一个自动化水平较高的系统，在设计可靠运行的同时，还必须考虑管理和维护。采用德国Siemens公司的可编程控制器S7-300实现控制功能，采用监控主机通过Profibus与可编程控制器连接，实现整个系统运行状况的检测与控制，并记录系统运行的各参数和故障信息。控制系统可实现如下功能：本机操作；监控室遥控操作；压缩机保护功能；冷凝风机与压缩机连锁保护功能；送风风机与电加热元件连锁保护功能；过载和短路保护功能；防雷保障功能；通讯功能，总体结构如图1所示。

    监控主机系统是整个恒温控制的主界面，人机交互友好。由一台主机与打印机组成。主机对整个系统进行管理，通过主机可以了解恒温控制系统的实时数据，以及运行历史的所有相关参数；管理人员在主计算机上可以控制整个空调系统的运行。可调看历史温度、操作和故障记录等关键信息。

2 模糊PID算法
2．1 模糊PID控制结构
    模糊PID控制系统原理如图2所示，是由可控式参数PID系统和模糊控制系统两部分构成。可控式参数PID控制器可以直接对系统控制，模糊控制器对PID的控制参数的实时调整。

2．2 PID参数调整规则
    模糊PID控制器用式(1)表示
   
    式中，E(k)是系统误差；EC(k)是系统误差变化量；KP是比例系数，决定了系统响应速度与精度；K1为积分系数，决定了系统稳态精度；KD为微分系数，决定系统动态特性。模糊PID控制器是通过模糊推理，根据E和EC的变化，实时调整PID的系数，确定模糊控制规律。
    恒温空调控制系统的温度控制，是通过控制空调机组的开启和停止实现。空调机组的分布在商场各个区域，空调机组相互之间的区域也有一定程度的影响，因此难以用确定的数学模型来描述它们之间的关系。所以系统是设计一个多输入、多输出的控制器来对整个系统进行监控。在实际的工程应用当中，是需要考虑可行性和工程成本以及控制效果，因此在模型设计时需要简化。系统的各个组件都存不确定的影响因素，在整个系统的设计时，需要将这些影响用温度误差的加权平均值来表现，对每机组采用各自相应的模糊控制器实现控制。对单个机组采用多输入单输出的方式以达到简化控制的效果。

3 系统组成
3．1 Profibus网络系统
    Profibus是Process Field Bus的缩写，它是以西门子等13家公司和5家科研机构联合开发制定的规范，在恒温控制系统中采用Profibus连接，方便了整个系统的管理和维护。Profibus网络采用光纤传输介质，Profibus-DP网络可同时连接S7-300PLC和远程PLC和I／O模块。商场的空调机组分别控制不同的区域，布置位置不同，有时会关闭部分机组，为满足各个机组的通信正常而不影响其他机组的与主控机的通信，Profibus-DP网络系统采用星型网络结构。
3．2 主控室的操作屏及控制系统
    主控室的操作屏是用于系统的紧急操作，对于出现的突发情况管理人员可以在主控室的操作屏上进行紧急操作，一般情况都在主控机上操作，只在紧急时到操作屏操作。整个系统的控制中心是由控制室的S7-300PLC来实现，S7-300PLC具有强大的运算能力，一台S7-300CPU315就可以完成以多组空调机组的温湿度程序控制器的功能。中央控制系统以西门子S7-300系列PLC作为控制器，实现对商场的多台S7-200PLC的管理及通信。系统的运行方式、相关参数设定都能在该PLC中完成。
3．3 Citetc软件平台
    Citetc是面向工业应用的集成开发系统，具有效率高、成本低的优势。在自动化控制领域中应用率较高，可用于现场的操作控制和实时监控。Citetc在运行过程中可对整个自动控制系统进行监控，在紧急情况的初发阶段即可发出警报，并在显示界面报告报警信息。同时还具有在线排除故障的功能。
3．4 温度控制部分构成
    系统在管道的热效应设计时为减少热损耗，考虑将每台空调机组安装在各区域的适当位置，以减少管道的热工损耗，达到节能的效果。而在每台机组区域都安装了智能温湿度传感器，传感器可以将检测的温湿度参数传送交到控制本空调机组的PLC，对区域的温湿度实时测量和传送，当传感器出现故障时同样可传递故障信息。通过现场总线将采集的各空调机组送风区的实际温度传送到系统的主控机S7-300 PLC，主控机依据采集的数据计算温度偏差值。温度偏差再通过模糊化后，输入模糊控制器。通过模糊控制器的控制规律生成控制查询表，主机查询得出控制输出量。输出量通过控制器实现控制空调机组，达到温度调节。

4 实验仿真与实际运行
    根据理论推导和实践，得出系统的近似数学模型，通过编程和仿真分析得出了常规PID和模糊PID系统曲线，如图3中的a、b曲线所示。

    从图3中可以看出，模糊PID恒温系统中温度上升和下降更为平稳，温度的调节曲线更为平滑，没有传统PID时温度大幅度上升和下降，因此模糊PID控制的优势更为明显。

5 结束语
    商场恒温控制是结合自动控制和通信等综合技术的应用。用新技术提高空调的使用效率可提高节能减排、增加经济效益。本设计以温度控制为研究对象，给出了温度控制的方法，并实现了系统的实时监控。对整个商场的温度、湿度进行监控和控制，有效地提高了商场的服务品质和节能的效果。