基于PLC和APP的新风机组远程监控系统设计与应用.pdf

第45卷 第6期 2019年12月 信 息 化 研 究 Inatization Research Vol. 45 No. 6 Dec. 2019 基 于PLC和APP的新风机组远程监控系统设计与应用 张奕帆 南京师范大学计算机科学与技术学院， 南京， 210036 摘 要 摘 要 文章对基于可编程序控制器（PIX和 智 能 手 机 应 用 程 序（ A P P的新风机组远程集中控制 系统进行研究， 介 绍 了系统结构、 工作原理和硬件组态方法， 说 明PLC程 序 、 上 位 机 组 态 以 及 手 机APP 远程集中监控的设计要点。运 行结果表明， 该系统运行可靠、 操 作 维 护 方 便 ， 实现了真正意义上的无人 值 守 ； 满足智能建筑暖通自动化的发展需求。 关键词 风关键词 风机 组 ； 可编程序控制器； 组态王； 智能手机应用程序 中图分类号中图分类号TB657 〇 引 言 新风机组抽取室外新鲜空气经过除尘、 除湿或 加湿） 、 降温或升温等处理后， 通过风机送到室内， 以满足人体舒适度要求[1]。 其主要设备包括过滤器、 送回风机、 进出风门及风道、 防冻和压差开关、 热交 换器、 风阀和水阀以及温湿度传感器、 CQ 浓度传感 器。 新风机组控制任务则包括送风温度控制、 相对湿 度控制、 防冻控制、 CCV浓度控制等。 传统建筑的新风 机组以人工现场操作或直接数字控制（ DDC面板操 作为主， 操作环境复杂、 劳动强度大、 能效率低， 已不 适应大型建筑群生产和管理的需要[2]。 作为楼宇暖 通自动化的重要组成环节， 以新风机组为代表的空调 末端产品的自动化和怡息化水平亟待提高。 自动控 制、 计算机和物联网技术的迅速发展， 为受控对象数 量多、 环境复杂、 布置分散、 人工操作工作量大的场合 提供了最优控制的设计方案[3]。 某高层楼宇建设过程 中,先后配置总计100台新风机组， 分布在建筑物的多 个区域;机组的冷热源由地源热泵系统提供， 冷热水 使用二线制供水管路。 由于机组数量众多， 安装范围 广， 依靠传统控制手段无法满足操作、 计量、 维护和管 理的需要， 建设一个集中监控平台实现对建筑内的新 风机组统一管理和监控显得十分必要。 文章将以该项 目为工程背景,对基于PLC和手机APP的新风机组 集中控制系统进行研究。 1工作原理 新风机组的主要控制设备包括水调节电动阀 收稿日期 2019-03-04 和风阀、 送（ 回） 风电机等； 控制系统配置过滤网压 差开关、 防冻开关实现对成套装置的保护； 机组通 过温湿度传感器和变送器实时采集温湿度参数； 还配置CCM专感器， 在室内c o 2超标时， 强制启动 送（ 回） 风设备[4]。新风机组以室内温度为主要控 制对象， 控制系统实时监视室内温度并与设定温 度相比较， 通过偏差的比例、 微分和积分（ PID运 算调节空调水阀门开度， 达到自动跟踪室内温度 变化的目的。 与基于DDC、 分布式控制（ DCS的暖通自动化 控制系统相比， PLC具有运行可靠、 编程简单、 硬 件配置灵活、 网络功能完善、 易于系统扩展等特 点[5]， 在暖通空调自动化控制系统中得到广泛应 用。采 用 PLC的智能化新风机组控制原理如图1 所示。 图1单台机组的PLC控制原理框图 实际应用中， 建筑内同时运行的多台机组具有 相互独立的工作参数、 运行操控和状态反馈;智能末 端 PLC的使用， 使构建数字化监控平台实现多台机 组的远程集中控制成为可能M ;本系统以楼层分类， 多台机组的PLC与监控中心连接时， 通过建筑内局 域网与工业控制计算机（ IPC实现以太网连接， 其 网络拓扑如图2 所示。 71 技术与应用信 息 化 研 究信 息 化 研 究2019年 12月 图2监控平台网络结构示意图 监控平台的主要设计目标是以PLC为基础， 构 建一个基于以太网的数字化集中监控系统， 通过对各 机组实时数据采集和状态监控， 达到远程操作、 自动 计量、 事故干预、 科学分析和专家决策的目的[7]。 文章主要研究工作分三步进行， 首先完成了机组 和就地PLC控制柜的设计制作和安装调试， 具备就 地操作单台机组的能力;在与楼宇智能监控中心同步 实施的过程中， 完成了网络施工和新风机组集中监控 平台建设;第三步则依托集中监控平台， 对基于手机 APP的远程监控系统开展研究， 选择物联网工业4G 智能模块访问监控平台的工业计算机， 通过云服务器， 在手机客户端实时监视各机组运行参数和工作状态。 2硬件设计 实现系统功能的硬件设计任务主要包括PLC 组态和电气原理图设计、 监控平台工控机配置和远 程通信框架设计。其结构如图3所 示 。 2.1 2.1 PLC控制系统控制系统 新风机组智能终端选择西门子S7 - 200 SMART 系列PLC， 主要硬件配置包括CPU SR40,模拟量输人 输出模块EM AM06;并配置TL400C HMI人机界面 实现设备调试和就地手动操作。SR4 0 自带24点 DC 输入和16点继电器输出， 集 成 PROFINET接口； 通 过 AM06可扩展4 路模拟量输人和2 路模拟量输出； 硬件配置满足系统需求， 是性价比较高的集成方 案M。PLC的 DI信号主要包括操作方式选择、 本机 启动和停止、 风机过载保护、 压差和防冻检测、 阀位状 态等;而PLC则以风机、 阀门、 声光报警器为主要控 制对象;PLC采用热电阻PT100测量送风温度， 变送 72 72 输出4〜20 mA电流信号至AM0 6输入端， 模拟量输 人还包括4〜20 mA的CQ浓度信号以及0〜10 V的 电动水阀开度反馈信号;PLC的 A◦ 输出实现水阀的 开度调节， 给定信号DC 0〜10 V4〜20 mA对应于 0〜100的阀门开度。 2 . 2 上位机监控平台2 . 2 上位机监控平台 监控主机选择研华IPC - 610H 型工业控制计 算机， 配置以太网口和RS232串口， 内置开发版和 运行版工业组态软件； 由于各机组分散安装于建筑 的不同楼层和房间， 监控计算机安装PLC 编程工 具， 便于末端PLC程序调试和设备检修， 降低工程 人员劳动强度， 提高作业效率。 2 . 3 手机2 . 3 手机APP远程监控系统远程监控系统 远程通讯模块选择物联网工业4G 智能网关， 该模块集4G、 WIFI、 以太网以及RS485串口于一 体， 支持多种PLC 和 标准MODBUS协议[9]， 通过 用于过程控制的工业标准（ （ LE for Process Con trol， OPC 方式， 可方便地与多款组态软件交换数 据。本系统在集中监控平台建设完成的基础上扩展 远程通讯模块， 增加手机APP远程监控功能， 选择 以监控计算机为从站的MODBUS通讯方式， 监控 主机无需连接外网， 亦不改变PLC和监控平台的硬 件配置、 网络结构和运行环境。 3软件设计 3. 1 3. 1 PLC程序设计程序设计 S7 - 200 SMART PLC 在 STEP7 - Micro/WIN SM ART编程环境下完成硬件配置、 通讯端口和数 据保持设置、 规定保护权限等工作； 编程软件支持 LAD、 FBD、STL 3 种模式， 提供PLC程序的在线编 辑、 监控和调试[ 1 ]。 实现新风机组自动控制功能的PLC程序模块 包括数据采集、 PID运算、 手动操作、 自动控制、 通讯 模块以及故障报警等。 PLC 以送风温度为控制对象， 目标温度通过 TD400C或监控平台输入并可在线修改， 给定比例 增益、 采样周期、 积分和微分时间，PLC执行图4所 示的PID指令完成PID运算功能。 SM0.0 VB1000 0 PID EN ENO TBL LOOP 图4 PID指令 第 45卷 第 6 期张奕帆基于PU 和APP的新风机组远程监控系统设计与应用 技术与应用 PID运算所需要的参数通过变量存储器V 给 定， 其对应关系如表1 所示。 表I PID参数 存储器 地址 参数数 据 格 式 变 量 类 型 取 值 范 围功能说明 VD1000PVnREALIN00 〜1. 0 过程变量 VD1004SPnREALIN00 〜1.0 给定 VD1008Mn Kc REALIN/OUT00 〜1.0 输出 VD1012REALIN 比例增益 VD1016TsREALIN采样周期 VD1020TiREALIN积分时间 VD1024TdREALIN微分时间 VD1028MxREALIN/OUT00 〜1.0上一次积分 VD1032 PVn- 1REALIN/OUT0.0 〜1.0 上次反馈 36- 自整定变量 PID调节器输出VD1008程序将其线性化为 DC 0〜10 V 的电压， 调节电动阀开度。 3 . 2 上位机组态3 . 2 上位机组态 监控平台选择“ 组态王“Kingview通用工业组 态软件为开发和运行工具， 赋予系统“ 操作” “ 管理” “ 监控” “ 记忆” “ 通信” 和“ 故障报警” 功能。通过“ 组 态王” 监控平台构建新风机组集中监控系统的设计 过程涉及规划项目、 构建数据库、 设计图形画面、 建 立动画连接、 编写命令语言、 分配用户以及运行测 试[11]。多站点PLC分配不同的IP 地址通过交换机 与监控主机建立以太网通讯， 通过“ 组态王” 变量实 现数据交换.这些变量主要包括实时运行参数整数 或浮点数） 、 运行及故障状态反馈（ 位或字节） 、 远程 操作指令离散量） ； PLC 在“ 通讯” 子程序中， 按协 议格式“ 规范化” 通讯数据， 并完成数据交互任务。 组 态 王 支 持 OPC服务器的设备通讯方式， 选择 S7200. OPCServer为其通讯链路。组态王“ 数据 词典数据库变量” 选 择 OPC作为连接设备， 通过 西门子PC Access与组态王实时交换数据。监控平 台主要运行界面包括“ 机组选择和参数设定” “ 生产 报表” “ 历史数据查询” “ 用户登录和管理” “ 故障报警 和处理” 等。同时.系统运行时还会按规定的文件名 以 EXCEL格式自动保存生产报表， 以方便调用和查 询。下面的命令语言以当前日期时间命名温度报表 并自动保存在监控主机D盘的“ 温度” 目录 { long a\\本站点\ 年 * 10000\\本站点\ 月 * 100\\本站点\ 日； string filel “ d \ 温度 V， 报表” Str- FromlntCa, 10 “. xls“； ReportSaveAs“温度“， filel ; } 监控计算机与多站点PLC “ IPC-PLCS” ） 实时 数据交换， 构建一个界面友好、 全中文操作的“ 可视 化” 远程监控平台。以实用、 便捷、 可靠为主要设计 目标， 也为设备维护、 能源管理、 系统功能升级、 机组 容量扩展提供技术支撑。 3 . 3 云组态和手机3 . 3 云组态和手机APP监控监控 物联网4G 智能模块通过RS485CM1与监 控计算机的串口（ RS232 - 485连接， 访问“ 组态王” 监控平台； 定义“ 组态王” 作为智能模块的MODBUS 从站设备并添加设备变量， 对变量的数据格式、 采样 周期、 线性化指标以及安全类别等属性分别进行定 义， 变量添加完成后下载至智能模块;通过模块配置 软件可对通讯状态和变量进行检验和监视。而“ 组 态 王 ”的 设 备 配 置 则 选 择 为 “ ModRTUServer COM” ， 并按MODBUS协议格式构建数据词典。 实际应用中， MODBUS协议格式的浮点数运 算往往存在存储空间占用大、 换算困难， 特别在与第 三方设备通讯时， 软件工作量增加的缺陷。考虑本 设计温度测量精确到〇 . 1 C ， “ 组态王” 将实时温度 值浮点数放大10倍后发送至远程智能模块， 再由 模块线性换算后（ 除 以 10用于显示和存储。以 1 机组“ 当前温度” 为例， “ 组态王” 定义变量为R1 寄 存器， SHORT型， 后台程序将当前浮点数温度实际 值1位小数位） 乘 以 10,转换为整数传送给R1 寄 存器;在智能网关中对应变量地址为40001， 数据类 型为intl6,规定该变量的线性变换属性， 输出缩小 为输人值的1/1〇,数据格式为 浮点数（ fl〇 at32。 工程配置完成后， 保存项 Maai9 鑤罾 ass aims 新风机组远程自动化监控系统 目并上传至云服务器。云组 态设计在浏览器端完成， 包括 组态画面.监控实时数据以及 报警配置等工程任务;经过授 权的智能手机用户登录云平 台， 可通过数据、 报表、 曲线等 方式监控“ 组态王” 的实时运 行， 并支持报警信息的短信和 微信推送[12]。1 新风机组的 手机监控画面如图5 所示。 图5 1 新风机组 手机监控画面 4结束语 西 门 子 专 为 中 国 用 户 量 身 定 做 的 S7 200 SM ART小型PLC是 S7 200系列的升级产品， 做到 73 73 技 术 与 应 用 2019年 12月信 息 化 研 究信 息 化 研 究 了结构紧凑、 完 美 整 合 和 无 缝 集 成 ； 智能末端 SMART PLC的选择， 使本设计达到了最高的性价 比 和 技 术 先 进 性 ； 与S7 2 0 0系 统 相 比，1 0 0台 SMART PLC控制的新风机组， 节约硬件成本约 2 5万元。PLC程序的PID算法经过复杂应用环境 的工程整定和优化设计， 并 启 动C P U的P ID自整 定功能， 温度控制精度达到了0. 1 C 。“ 组态王” 作为业内广受欢迎的工业组态软件之一， 集成了 数百款设备驱动， 组态灵活、 功能完善； 而依托建 设完成的集中监控平台， 将“ 组态王” 作 为 4G 远程 智能模块的MODBUS从站， 改变每个智能终端扩 展通讯模块的传统设计思路， 减少了硬件数量和 软件设计工作量， 监控中心的计算机亦无需连接 外网实现基于云平台的远程监控任务， 是本设计 的创新之处。以MODBUS协议组织“ 组态王” 和 4 G网关的数据交换， 克服了类似项目中浮点数运 算占用存储空间大、 运算复杂的缺陷， 减少了移动 数据流量消耗， 保证了系统稳定和经济运行。研 究成果可在智能楼宇的空调机组、 二次供水、 公共 照明、 消防喷淋等自控系统或产品的升级改造中 得到推广应用。 与传统控制模式相比， 采 用PL C和 手 机APP 的新风机组集中控制系统提高了装置的自动化和信 息化水平， 达到了改善操作环境、 降低劳动强度、 快 速响应运行缺陷以及降低用工成本、 节能增效的设 计目标;运行结果表明， 该系统运行可靠、 操作维护 方便， 实现了真正意义上的无人值守;满足智能建筑 暖通自动化的发展需求； 为生产管理、 运行跟踪和设 备维护提供了先进的技术手段。 参 考 文 献 [1 ] 安大伟.暖通空调系统自动化[M ].北京 中国建筑工业出 版社，2009. 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The structure, working principle and hardware configuration of the system are introduced. The design points of PLC program, upper computer monitoring plat and mobile APP re mote centralized monitoring are explained. The results show that the system is reliable and easy to operate and maintain. It realizes the real meaning of unattended. The design meets the development needs of HVAC auto mation of intelligent building. Key wordsfresh air units; PLC; Kingview； APP 74