PLC下公共建筑電氣智能化系統設計探析

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摘要：信息化技術與國民經濟的快速發展對大型公共建筑電氣系統提出更高要求，為完善建筑環境與功能，設計基于plc的大型公共建筑電氣智能化系統。以PLC控制器為核心，將電氣系統劃分為照明模塊、消防模塊、防疫模塊、保安模塊等。PLC控制器采用自適應模糊控制算法，考慮控制過程中的誤差和誤差波動情況，利用函數調節方法對其實施優化，提升電氣智能化系統運行精度。防疫模塊以PLC控制器為控制核心，通過調節目標房間氣流量，維持其負壓平衡狀態，完成空氣防疫隔離；消防模塊利用PLC控制器與傳感器探測技術探測消防險情，通過監測預警防止電氣火災發生。保安模塊利用PLC編程控制電動門，通過PLC接線實現電動門自動開啟與報警。仿真測試結果表明，該系統控制精度較高，可優化建筑環境與功能。

關鍵詞：電氣智能化系統；大型公共建筑；PLC控制器；消防檢測；防疫隔離；預警；仿真測試

0引言

作為一門新興學科，建筑電氣學科包含電能利用、電氣設備應用與各種電氣技術[1]，通過環境優化實現建筑的硬件設備同軟件技術協調運行，完善建筑功能，具有巨大研究價值。應用功能是建筑及其配套設備的價值體現形式[2]，尤其是大型公共建筑，其電氣系統的設計需以實際環境為基礎，按照以人為本的設計理念，設計出最能滿足建筑應用功能又最具實際價值的電氣系統[3]。作為電氣自動化控制的主要技術之一[4]，PLC在現代建筑應用領域中呈現出顯著性優勢，其融合計算機技術與傳統控制技術，可依照建筑電氣系統實際需求設定針對性控制策略[5]，利用軟件算法完成邏輯運算，通過硬件實現順序控制，減少人力、物力投入的同時，提升電氣系統控制精度。基于此設計基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統，保障大型公共建筑應用功能的同時，為建筑電氣智能化發展提供參考依據。

1基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統

1.1整體結構。大型公共建筑的電氣系統主要是對照明、防疫、消防、給排水、保安等方面的控制[6]。圖1所示為基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統整體結構框圖。基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統利用PLC控制器控制系統內不同模塊的機電設備，利用計算機技術與網絡技術等完成對不同模塊設備的控制與監視，通過電氣系統的穩定準確控制與運行保障大型公共建筑整體的有效運行。

1.2PLC控制器。PLC控制器采用自適應模糊控制算法[7]，并利用函數調節方法對其實施優化，控制過程中考慮誤差w和誤差波動Δw，用(h)w,hΔw和(h)u,hΔii分別表示量化因子和比例因子。參數優化原則為：在電氣智能化系統誤差顯著，但誤差波動不顯著的條件下，通過降低量化因子hΔw，提升比例因子hΔii以降低算法抑制影響，提升電氣智能化系統輸出的上升速率，加快誤差降低效率；在電氣智能化系統誤差不顯著，但誤差波動顯著的條件下，通過提升量化因子hΔw，降低比例因子hΔii以提升算法抑制影響，降低電氣智能化系統輸出的上升速率，避免出現超調現象。以往函數調節方法內，電氣智能化系統參數的優化算法公式為：ìíîhΔw=hΔw0⋅fΔw(W)hΔii=hΔii0⋅fΔii(W)（1）ìíîfΔii(W)=x1⋅||W+x2fΔw(W)=y1⋅()1-||W+y2（2）式中：fΔw(W)和fΔii(W)是經由反復試驗總結獲取的數據。此函數調節方法內只調節誤差w，調節過程較為簡單，但通過試驗總結的參數x1，x2，y1和y2具有較強不確定性[8]。為降低設計參數數量，使ìíîfΔii(W)=nΔii+(u)Δtt-nΔii||WfΔw(W)=uΔw+(u)Δw-nΔw||W（3）式中uΔii和nΔii同hΔtt0相乘所得結果為hΔii的預期波動范圍，由此得到：hΔii∈{u}ΔtthΔii0,nΔiihΔii0（4）利用變斜率曲線算法可確定u與n的比值。同理，得到hΔw∈{u}ΔwhΔw0,nΔwhΔw0。為確保PLC控制器比例分量固定，提升電氣智能化系統誤差消除效率，設中介變量r與設計參數rf，使：ìíînΔii=1uΔwuΔii=1nΔw{nΔw=r⋅rfuΔw=rrf（5）式中，r值通常選取粗、細調結合法（調節過程設定設計參數rm），以w與Δw的波動為依據實施優化。依照w，Δw和rf，rm能夠完成量化因子與比例因子的調節，使其在設定范圍中平緩的提升或下降，以此提升基于PLC的電氣智能化系統運行精度。

1.3防疫模塊。防疫模塊主要負責大型公共建筑中的防疫與隔離[9]，通過定期的空氣凈化避免細菌與易感染病癥大范圍蔓延。防疫模塊的整體結構如圖2所示。圖2防疫模塊結構選取差動式電容傳感器采集目標房間氣壓數據后，將結果以模擬電壓形式傳輸至A/D模數轉換器內轉換為數字信號，滿足控制精度要求；數字信號通過開關量調理后進入PLC控制器后觸發設定的控制程序，依照房間當前氣壓數據判斷百葉窗風閥開度，改變風機電動機轉速，利用風道與百葉窗風閥改善目標房間氣流量，使目標房間保持負壓平衡狀態[10]，完成大型公共建筑中空氣防疫隔離。

1.4消防模塊。大型公共建筑中的消防安全尤為重要，因此消防模塊中利用PLC控制器與傳感器探測技術有效監測大型公共建筑中的消防隱患[11]。圖3為消防模塊結構。當消防險情存在時，傳感器采集的信號將傳輸至PLC控制器內，PLC對信號實施簡單處理后將其傳輸至上位機中，通過顯示器顯示消防險情信號產生的位置。在消防險情信號產生且被監測發現后，PLC觸發電氣消防預警系統[12]，預警系統通過警示聲與警示燈等方式對大型公共建筑區域內的人們示警。同時上位機顯示器顯示消防險情信號產生的位置后，相關工作人員可立即對其進行相應處理。并且，消防模塊中可實時分析采集的溫度數據，當溫度數據出現異常波動時，模塊能夠向相關工作人員發出預警信息，通過調出預警信息處的監控視頻，檢測是否存在消防險情。消防模塊運行流程如圖4所示。消防模塊內的信息傳遞過程中，PLC控制器、觸摸屏、上位機共同組建成以太網[13⁃15]，可實現傳感器信息與相應信息直接傳輸，上位機利用組態軟件能夠監控整個模塊的運行，觸摸屏的設置便于各器件的安裝調試與后期維護。消防模塊的有效運行能夠最大程度上地預防大型公共建筑電氣火災的發生。

2仿真測試

為測試本文系統應用性能，選取沈陽市沈河區某大型公共建筑為研究對象，在基于Matlab平臺的dSPACE仿真平臺中進行仿真測試，將本文系統應用于研究對象電氣系統管理應用中，從數據傳輸、消防監測以及安?？刂频确矫孢M行系統性能測試。

2.1消防監測測試。以一樓為例，進行本文系統消防檢測測試。在研究對象電氣電路或設備的運行溫度固定時間區域內處于持續上升狀態，或同以往正常運行時溫度數據產生顯著差異的條件下，本文系統將通過黃色警示燈給予預警。上位機監控頁面自動轉換至預警信息生成房間所在樓層，并顯示預警信息生成房間所在具體位置。同時系統利用聲音預警提示相關工作人員，工作人員點擊停止后，預警聲音停止，工作人員可通過預警信息生成房間監控，確定該房間是否存在消防險情。圖5所示為研究對象一樓平面圖，112房間黃色警示燈閃爍，工作人員連接該房間監控界面可確定其各參數指標是否出現異常。系統消防模塊在PLC控制下測量預警信息生成房間的溫度與濕度等信息，同時利用通信外接口將測量信息傳輸至組態并在觸摸屏上顯示，利用組態實施監測。消防模塊環境信息監測界面如圖6所示。如圖6所示，在正常溫度下，本文系統正常運行（監測），此時警示燈為綠色。在系統監測到溫度（或是濕度與煙霧濃度）出現異常的條件下，此時警示燈為黃色。當變電箱存在漏電現象時，警示燈為紅色。以上結果顯示本文系統可在其火災未發生或初發生階段進行有效預警，為人員疏散與財產轉移提供更多時間，防止嚴重火災事故發生。

2.2保安控制測試。以研究對象外圍區域電動門為例，進行文本系統保安控制測試，結果如表1所示。由表1可知，本文系統可準確識別車輛信息，方便研究對象區域內車輛的進出，同時可提升研究對象區域內車輛的安全性。

3結論

本文針對當前大型公共建筑普遍應用的趨勢，設計基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統，實現大型公共建筑電氣的智能化控制。仿真測試結果充分說明本文系統的有效性。后續研究中將主要優化本文系統的可擴展性，擴大其應用范圍。

作者:徐啟 楊世品 單位:南京工業大學電氣工程與控制科學學院