摘要 介紹了基于S7-300PLC的商場恒溫控制系統(tǒng)。為給顧客提供舒適的購物環(huán)境，需要將商場溫度控制在合適的范圍，該系統(tǒng)運用了計算機監(jiān)控、智能傳感器、可編程控制器、工業(yè)現(xiàn)場總線、光纖通信等技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制，提高了系統(tǒng)經濟效益。
關鍵詞 S7-300PLC；模糊控制；系統(tǒng)管理；恒溫控制

    一般而言空調自動控制系統(tǒng)只對溫度、濕度進行有效的控制，但自動控制的范圍并非只限于此。文中設計的商場恒溫控制系統(tǒng)包含轉換控制、補償控制、連鎖控制、狀態(tài)監(jiān)測、容量調節(jié)等全自動化的控制系統(tǒng)，能及時監(jiān)測負荷的變化，使整個系統(tǒng)達到最優(yōu)的經濟效果。

1 總體控制系統(tǒng)設計
    設計一個自動化水平較高的系統(tǒng)，在設計可靠運行的同時，還必須考慮管理和維護。采用德國Siemens公司的可編程控制器S7-300實現(xiàn)控制功能，采用監(jiān)控主機通過Profibus與可編程控制器連接，實現(xiàn)整個系統(tǒng)運行狀況的檢測與控制，并記錄系統(tǒng)運行的各參數(shù)和故障信息。控制系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：本機操作；監(jiān)控室遙控操作；壓縮機保護功能；冷凝風機與壓縮機連鎖保護功能；送風風機與電加熱元件連鎖保護功能；過載和短路保護功能；防雷保障功能；通訊功能，總體結構如圖1所示。

    監(jiān)控主機系統(tǒng)是整個恒溫控制的主界面，人機交互友好。由一臺主機與打印機組成。主機對整個系統(tǒng)進行管理，通過主機可以了解恒溫控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，以及運行歷史的所有相關參數(shù)；管理人員在主計算機上可以控制整個空調系統(tǒng)的運行?？烧{看歷史溫度、操作和故障記錄等關鍵信息。

2 模糊PID算法
2．1 模糊PID控制結構
    模糊PID控制系統(tǒng)原理如圖2所示，是由可控式參數(shù)PID系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)兩部分構成。可控式參數(shù)PID控制器可以直接對系統(tǒng)控制，模糊控制器對PID的控制參數(shù)的實時調整。

2．2 PID參數(shù)調整規(guī)則
    模糊PID控制器用式(1)表示
   
    式中，E(k)是系統(tǒng)誤差；EC(k)是系統(tǒng)誤差變化量；KP是比例系數(shù)，決定了系統(tǒng)響應速度與精度；K1為積分系數(shù)，決定了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度；KD為微分系數(shù)，決定系統(tǒng)動態(tài)特性。模糊PID控制器是通過模糊推理，根據(jù)E和EC的變化，實時調整PID的系數(shù)，確定模糊控制規(guī)律。
    恒溫空調控制系統(tǒng)的溫度控制，是通過控制空調機組的開啟和停止實現(xiàn)?？照{機組的分布在商場各個區(qū)域，空調機組相互之間的區(qū)域也有一定程度的影響，因此難以用確定的數(shù)學模型來描述它們之間的關系。所以系統(tǒng)是設計一個多輸入、多輸出的控制器來對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。在實際的工程應用當中，是需要考慮可行性和工程成本以及控制效果，因此在模型設計時需要簡化。系統(tǒng)的各個組件都存不確定的影響因素，在整個系統(tǒng)的設計時，需要將這些影響用溫度誤差的加權平均值來表現(xiàn)，對每機組采用各自相應的模糊控制器實現(xiàn)控制。對單個機組采用多輸入單輸出的方式以達到簡化控制的效果。

3 系統(tǒng)組成
3．1 Profibus網絡系統(tǒng)
    Profibus是Process Field Bus的縮寫，它是以西門子等13家公司和5家科研機構聯(lián)合開發(fā)制定的規(guī)范，在恒溫控制系統(tǒng)中采用Profibus連接，方便了整個系統(tǒng)的管理和維護。Profibus網絡采用光纖傳輸介質，Profibus-DP網絡可同時連接S7-300PLC和遠程PLC和I／O模塊。商場的空調機組分別控制不同的區(qū)域，布置位置不同，有時會關閉部分機組，為滿足各個機組的通信正常而不影響其他機組的與主控機的通信，Profibus-DP網絡系統(tǒng)采用星型網絡結構。
3．2 主控室的操作屏及控制系統(tǒng)
    主控室的操作屏是用于系統(tǒng)的緊急操作，對于出現(xiàn)的突發(fā)情況管理人員可以在主控室的操作屏上進行緊急操作，一般情況都在主控機上操作，只在緊急時到操作屏操作。整個系統(tǒng)的控制中心是由控制室的S7-300PLC來實現(xiàn)，S7-300PLC具有強大的運算能力，一臺S7-300CPU315就可以完成以多組空調機組的溫濕度程序控制器的功能。中央控制系統(tǒng)以西門子S7-300系列PLC作為控制器，實現(xiàn)對商場的多臺S7-200PLC的管理及通信。系統(tǒng)的運行方式、相關參數(shù)設定都能在該PLC中完成。
3．3 Citetc軟件平臺
    Citetc是面向工業(yè)應用的集成開發(fā)系統(tǒng)，具有效率高、成本低的優(yōu)勢。在自動化控制領域中應用率較高，可用于現(xiàn)場的操作控制和實時監(jiān)控。Citetc在運行過程中可對整個自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，在緊急情況的初發(fā)階段即可發(fā)出警報，并在顯示界面報告報警信息。同時還具有在線排除故障的功能。
3．4 溫度控制部分構成
    系統(tǒng)在管道的熱效應設計時為減少熱損耗，考慮將每臺空調機組安裝在各區(qū)域的適當位置，以減少管道的熱工損耗，達到節(jié)能的效果。而在每臺機組區(qū)域都安裝了智能溫濕度傳感器，傳感器可以將檢測的溫濕度參數(shù)傳送交到控制本空調機組的PLC，對區(qū)域的溫濕度實時測量和傳送，當傳感器出現(xiàn)故障時同樣可傳遞故障信息。通過現(xiàn)場總線將采集的各空調機組送風區(qū)的實際溫度傳送到系統(tǒng)的主控機S7-300 PLC，主控機依據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算溫度偏差值。溫度偏差再通過模糊化后，輸入模糊控制器。通過模糊控制器的控制規(guī)律生成控制查詢表，主機查詢得出控制輸出量。輸出量通過控制器實現(xiàn)控制空調機組，達到溫度調節(jié)。

4 實驗仿真與實際運行
    根據(jù)理論推導和實踐，得出系統(tǒng)的近似數(shù)學模型，通過編程和仿真分析得出了常規(guī)PID和模糊PID系統(tǒng)曲線，如圖3中的a、b曲線所示。

    從圖3中可以看出，模糊PID恒溫系統(tǒng)中溫度上升和下降更為平穩(wěn)，溫度的調節(jié)曲線更為平滑，沒有傳統(tǒng)PID時溫度大幅度上升和下降，因此模糊PID控制的優(yōu)勢更為明顯。

5 結束語
    商場恒溫控制是結合自動控制和通信等綜合技術的應用。用新技術提高空調的使用效率可提高節(jié)能減排、增加經濟效益。本設計以溫度控制為研究對象，給出了溫度控制的方法，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。對整個商場的溫度、濕度進行監(jiān)控和控制，有效地提高了商場的服務品質和節(jié)能的效果。