摘 要

随着社会的发展，楼宇日趋智能化，中央空调控制系统作为楼宇的重要组成部分，也需要进行智能化更新。国内外学者对中央空调系统研究较为深入，在空调内部智能控制方法和空调运行智能控制策略方面的研究有一定的成果。本文主要研究一种使中央空调智能化运行的控制策略方案。

通过查阅文献资料了解中央空调控制系统架构，结合PLC控制技术，分析智能楼宇中央空调系统控制需求，提出了一种基于西门子S7-1500 PLC的智能楼宇中央空调监控系统设计方案。本次设计基于西门子TIA Portal软件，通过对监控对象、监控点的分析，进行了系统硬件选型，组态了基于PLC 从站的系统网络架构；编写了PLC监控程序，包含手动控制、自动控制以及报警等程序块；设计了系统人机交互界面，包含楼宇监测、空调控制以及报警等界面。

其中，为实现中央空调监控系统的智能化功能，编写了根据房间有无人启停空调程序段、根据上下班时间启停空调程序段以及根据会议预约时间启停空调程序段，使系统能够在上班时间、会议开始时间之前启动空调并根据房间当前温度自动设置空调运行模式，同时可以根据房间里有无人来控制空调启停，使空调更加智能化、节能化运行。

最后，通过仿真联调实验，验证了系统的监测、手自动控制以及报警等功能，证明了系统的可行性与可操作性。

关键词：智能楼宇；PLC；中央空调监控系统；智能控制

Abstract

With the development of society, buildings are becoming more and more intelligent. As an important part of buildings, central air conditioning control system also needs to be more intelligent. Scholars at home and abroad have a deep research on the central air conditioning system, and have some achievements in the research of the internal intelligent control method and the intelligent control strategy of air conditioning operation. In this thesis, a control strategy for the intelligent operation of central air-conditioning is studied.

Through consulting literature to understand the architecture of central air conditioning control system, combined with PLC control technology, the control requirements of central air conditioning system in intelligent buildings are analyzed, and a design scheme of central air conditioning monitoring system in intelligent buildings based on Siemens S7-1500 PLC is proposed. This design is based on the Siemens TIA Portal software, through the analysis of monitoring objects and monitoring points, the system hardware selection is carried out, the system network architecture based on PLC slave station is configured; the PLC monitoring program of intelligent building central air conditioning is compiled, including manual control, automatic control and alarm program blocks; the human-computer interface of the system is designed, including building monitoring, air conditioning control and Alarm and other interfaces.

In order to realize the intelligent function of the central air-conditioning monitoring system, the air-conditioning program section is compiled according to whether there is anyone in the room to start and stop the air-conditioning, the air-conditioning program section according to the on-off time and the meeting appointment time, so that the system can start the air-conditioning in advance before the on-duty time and the meeting start, and the air-conditioning operation mode is automatically set according to the current temperature of the room, at the same time, the system can control the start and stop of the air conditioner according to whether there is anyone in the room, so that the air conditioner can operate more intelligently and energy saving.

Finally, through the simulation joint debugging experiment, the monitoring, manual automatic control and alarm functions of the system are verified, which proves the feasibility and operability of the system.

Key Words：Intelligent building；PLC；Central air conditioning monitoring system；intelligent control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 主要研究内容 2

第2章 监控系统总体设计 4

2.1 系统控制对象分析 4

2.2 系统控制需求分析 5

2.3 系统设计方案 6

2.3.1 设备选配与布局 6

2.3.2 PLC选型 6

2.3.3 系统总体设计方案 7

2.4 本章小结 8

第3章 监控系统硬件设计与组态 9

3.1 I/O量分析 9

3.2 关键设备硬件选型 9

3.2.1 传感器选型 9

3.2.2 分布式IO设备选型及分配 10

3.2.3 PLC模块汇总 11

3.3 系统组态 12

3.4 本章小结 14

第4章 监控系统程序设计 15

4.1 PLC程序功能总体设计 16

4.2 PLC程序模块化设计 17

4.2.1 温度采集转换功能模块 17

4.2.2 自动控制模式程序模块 18

4.2.3 手动模式程序模块 23

4.2.4 报警程序模块 24

4.3 本章小结 25

第5章 监控系统人机交互设计与仿真联调 26

5.1 人机交互总体方案设计 26

5.2 人机交互功能设计 26

5.2.1 总览界面设计 26

5.2.2 楼层监测功能设计 28

5.2.3 空调控制功能设计 30

5.2.4 报警与报表功能设计 31

5.3 监控功能仿真联调实验 32

5.3.1 楼层监测功能 32

5.3.2 空调控制功能 33

5.3.3 报警与报表功能 34

5.4 本章小结 35

第6章 总结与展望 36

参考文献 37

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着信息化的发展，楼宇正在不断智能化^[1]，中央空调系统是楼宇建筑的重要组成部分，在各行业各部门广泛应用，该系统能通过加速空气流通改变环境温度，为人们建立理想的热舒适环境，以满足人们的生产、生活需求^[2]。

当前空调带来最大的问题是能耗和环境污染问题，传统的空调控制系统不稳定、延迟高、滞后性大，室内温度调节不理想，所以人们越来越强烈的关注如何才能控制好空调系统，在给我们带来舒适环境的同时又能减少能耗、减少污染，于是人们就提出了中央空调监控系统。

空调监控系统能够控制空调运行模式，实时监测空调运行状态，针对系统故障能够及时排查并发出警报。空调监控系统重要性：一是能够及时为人们提供良好、舒适的环境；二是减少能耗空调运行模式，智能的控制系统能够大大减少空调的能耗；三是减少了维护、维修成本，提高了系统的可靠性。此外，通过远程空调监控系统，操作员能够对空调机组运行参数进行调整与设置，在确保空调处于安全运行的同时，最大化减少空调的能耗；通过该系统也可以对多台空调进行同一控制，减少人力、设备等资源浪费；改善提高人民工作环境质量，符合楼宇自动化需求^[3-5]。

1.2 国内外发展现状

近年来，国内外专家学者在空调监控系统控制算法方面的研究也有一定成果，美国霍尼韦尔公司对空调末端风机等装置进行实时监控和精密控制，解决了系统延迟高、滞后性大的问题，达到了节能效果。德国西门子公司将变频技术与PID调节相结合，使控制系统相对稳定^[6]。然而，因为空调系统是一个复杂的非线性系统，传统的PID控制算法控制效果并不理想，于是国内外许多学者也提出许多智能控制算法：日本三菱公司将模糊控制算法应用在了空调的变频器上，随后三菱以及松下公司将模糊控制应用在了中央空调的控制上，取得了一定的成功。

国内科研团队在中央空调控制系统领域也进行了积极研究。朱峰提出了基于空调负荷参与系统调控的架构，构建了商业楼宇空调负荷群调控潜力优化模式和特定调控容量下中央空调负荷群受控状态模式^[7]；孙晓宇从节能和调节室内环境舒适性的理念出发，为解决变风量系统大干扰、易变形的弊端，提出了单模式和双模式多种控制器相结合的改进控制策略，同时结合改进型CMAC神经网络控制器和改进RBF神经网络预测控制等不同控制算法对其进行控制研究^[8]；王春香、张帅提出了神经网络和PID控制器相结合的智能控制算法，通过神经网络的不断训练学习再结合PID的稳定控制，解决了空调复杂的非线性控制系统，使系统达到最优的控制性能^[9-10]；朱婵研究了将遗传算法、模拟退火算法和粒子群算法运用到中央空调控制策略算法中，大幅度降低了空调能耗，但也存在自身的局限性^[11]；李晨将模糊控制算法与PID控制相结合的改进水系统算法运用到中央空调控制系统中，该系统控制效果理想，非线性误差显著减小、稳定性有较大提高、时变性加强、变量易控制^[6]；Yonghua Zhu团队针对变制冷剂流量与变风量的空调系统提出一种基于模型的组合空调系统在线最优控制策略，建立简化自适应模型，利用遗传算法搜索最优控制集^[12]，Jing Zhao团队提出了一种负荷预测模糊控制策略，将基于支持向量机方法的预测负荷作为模糊控制器的输入参数，对暖通空调系统进行前馈模糊控制^[13]。除了控制算法外，Yong Wang团队提出了分层空调系统，缩小空调调节体积，在需要调节的地方进行调节，实现能源最大利用化，达到节能效果^[14];Lu Yan团队提出将大数据、云计算加入到空调控制系统，使得控制更加智能化、人性化、节能化^[15]。

1.3 主要研究内容

可见，当前对于空调控制算法的研究较为深入，且具有丰富的研究成果，本文主要围绕智能办公楼宇，以中央空调为控制对象，设计了基于西门子PLC的中央空调监控系统，实现了办公楼宇空调的自动化，能够手动控制单台、多台空调启停、参数设置；能够根据上下班时间、房间有无人、会议室预约时间等智能控制策略自动启停空调并根据季节气候智能设置空调运行参数，为人们营造一个智能、舒适的工作环境。