PLC下公共建筑电气智能化系统设计探析

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摘要：信息化技术与国民经济的快速发展对大型公共建筑电气系统提出更高要求，为完善建筑环境与功能，设计基于plc的大型公共建筑电气智能化系统。以PLC控制器为核心，将电气系统划分为照明模块、消防模块、防疫模块、保安模块等。PLC控制器采用自适应模糊控制算法，考虑控制过程中的误差和误差波动情况，利用函数调节方法对其实施优化，提升电气智能化系统运行精度。防疫模块以PLC控制器为控制核心，通过调节目标房间气流量，维持其负压平衡状态，完成空气防疫隔离；消防模块利用PLC控制器与传感器探测技术探测消防险情，通过监测预警防止电气火灾发生。保安模块利用PLC编程控制电动门，通过PLC接线实现电动门自动开启与报警。仿真测试结果表明，该系统控制精度较高，可优化建筑环境与功能。

关键词：电气智能化系统；大型公共建筑；PLC控制器；消防检测；防疫隔离；预警；仿真测试

0引言

作为一门新兴学科，建筑电气学科包含电能利用、电气设备应用与各种电气技术[1]，通过环境优化实现建筑的硬件设备同软件技术协调运行，完善建筑功能，具有巨大研究价值。应用功能是建筑及其配套设备的价值体现形式[2]，尤其是大型公共建筑，其电气系统的设计需以实际环境为基础，按照以人为本的设计理念，设计出最能满足建筑应用功能又最具实际价值的电气系统[3]。作为电气自动化控制的主要技术之一[4]，PLC在现代建筑应用领域中呈现出显著性优势，其融合计算机技术与传统控制技术，可依照建筑电气系统实际需求设定针对性控制策略[5]，利用软件算法完成逻辑运算，通过硬件实现顺序控制，减少人力、物力投入的同时，提升电气系统控制精度。基于此设计基于PLC的大型公共建筑电气智能化系统，保障大型公共建筑应用功能的同时，为建筑电气智能化发展提供参考依据。

1基于PLC的大型公共建筑电气智能化系统

1.1整体结构。大型公共建筑的电气系统主要是对照明、防疫、消防、给排水、保安等方面的控制[6]。图1所示为基于PLC的大型公共建筑电气智能化系统整体结构框图。基于PLC的大型公共建筑电气智能化系统利用PLC控制器控制系统内不同模块的机电设备，利用计算机技术与网络技术等完成对不同模块设备的控制与监视，通过电气系统的稳定准确控制与运行保障大型公共建筑整体的有效运行。

1.2PLC控制器。PLC控制器采用自适应模糊控制算法[7]，并利用函数调节方法对其实施优化，控制过程中考虑误差w和误差波动Δw，用(h)w,hΔw和(h)u,hΔii分别表示量化因子和比例因子。参数优化原则为：在电气智能化系统误差显著，但误差波动不显著的条件下，通过降低量化因子hΔw，提升比例因子hΔii以降低算法抑制影响，提升电气智能化系统输出的上升速率，加快误差降低效率；在电气智能化系统误差不显著，但误差波动显著的条件下，通过提升量化因子hΔw，降低比例因子hΔii以提升算法抑制影响，降低电气智能化系统输出的上升速率，避免出现超调现象。以往函数调节方法内，电气智能化系统参数的优化算法公式为：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)是经由反复试验总结获取的数据。此函数调节方法内只调节误差w，调节过程较为简单，但通过试验总结的参数x1，x2，y1和y2具有较强不确定性[8]。为降低设计参数数量，使ìíîfΔii(W)=nΔii+(u)Δtt-nΔii||WfΔw(W)=uΔw+(u)Δw-nΔw||W（3）式中uΔii和nΔii同hΔtt0相乘所得结果为hΔii的预期波动范围，由此得到：hΔii∈{u}ΔtthΔii0,nΔiihΔii0（4）利用变斜率曲线算法可确定u与n的比值。同理，得到hΔw∈{u}ΔwhΔw0,nΔwhΔw0。为确保PLC控制器比例分量固定，提升电气智能化系统误差消除效率，设中介变量r与设计参数rf，使：ìíînΔii=1uΔwuΔii=1nΔw{nΔw=r⋅rfuΔw=rrf（5）式中，r值通常选取粗、细调结合法（调节过程设定设计参数rm），以w与Δw的波动为依据实施优化。依照w，Δw和rf，rm能够完成量化因子与比例因子的调节，使其在设定范围中平缓的提升或下降，以此提升基于PLC的电气智能化系统运行精度。

1.3防疫模块。防疫模块主要负责大型公共建筑中的防疫与隔离[9]，通过定期的空气净化避免细菌与易感染病症大范围蔓延。防疫模块的整体结构如图2所示。图2防疫模块结构选取差动式电容传感器采集目标房间气压数据后，将结果以模拟电压形式传输至A/D模数转换器内转换为数字信号，满足控制精度要求；数字信号通过开关量调理后进入PLC控制器后触发设定的控制程序，依照房间当前气压数据判断百叶窗风阀开度，改变风机电动机转速，利用风道与百叶窗风阀改善目标房间气流量，使目标房间保持负压平衡状态[10]，完成大型公共建筑中空气防疫隔离。

1.4消防模块。大型公共建筑中的消防安全尤为重要，因此消防模块中利用PLC控制器与传感器探测技术有效监测大型公共建筑中的消防隐患[11]。图3为消防模块结构。当消防险情存在时，传感器采集的信号将传输至PLC控制器内，PLC对信号实施简单处理后将其传输至上位机中，通过显示器显示消防险情信号产生的位置。在消防险情信号产生且被监测发现后，PLC触发电气消防预警系统[12]，预警系统通过警示声与警示灯等方式对大型公共建筑区域内的人们示警。同时上位机显示器显示消防险情信号产生的位置后，相关工作人员可立即对其进行相应处理。并且，消防模块中可实时分析采集的温度数据，当温度数据出现异常波动时，模块能够向相关工作人员发出预警信息，通过调出预警信息处的监控视频，检测是否存在消防险情。消防模块运行流程如图4所示。消防模块内的信息传递过程中，PLC控制器、触摸屏、上位机共同组建成以太网[13⁃15]，可实现传感器信息与相应信息直接传输，上位机利用组态软件能够监控整个模块的运行，触摸屏的设置便于各器件的安装调试与后期维护。消防模块的有效运行能够最大程度上地预防大型公共建筑电气火灾的发生。

2仿真测试

为测试本文系统应用性能，选取沈阳市沈河区某大型公共建筑为研究对象，在基于Matlab平台的dSPACE仿真平台中进行仿真测试，将本文系统应用于研究对象电气系统管理应用中，从数据传输、消防监测以及安保控制等方面进行系统性能测试。

2.1消防监测测试。以一楼为例，进行本文系统消防检测测试。在研究对象电气电路或设备的运行温度固定时间区域内处于持续上升状态，或同以往正常运行时温度数据产生显著差异的条件下，本文系统将通过黄色警示灯给予预警。上位机监控页面自动转换至预警信息生成房间所在楼层，并显示预警信息生成房间所在具体位置。同时系统利用声音预警提示相关工作人员，工作人员点击停止后，预警声音停止，工作人员可通过预警信息生成房间监控，确定该房间是否存在消防险情。图5所示为研究对象一楼平面图，112房间黄色警示灯闪烁，工作人员连接该房间监控界面可确定其各参数指标是否出现异常。系统消防模块在PLC控制下测量预警信息生成房间的温度与湿度等信息，同时利用通信外接口将测量信息传输至组态并在触摸屏上显示，利用组态实施监测。消防模块环境信息监测界面如图6所示。如图6所示，在正常温度下，本文系统正常运行（监测），此时警示灯为绿色。在系统监测到温度（或是湿度与烟雾浓度）出现异常的条件下，此时警示灯为黄色。当变电箱存在漏电现象时，警示灯为红色。以上结果显示本文系统可在其火灾未发生或初发生阶段进行有效预警，为人员疏散与财产转移提供更多时间，防止严重火灾事故发生。

2.2保安控制测试。以研究对象外围区域电动门为例，进行文本系统保安控制测试，结果如表1所示。由表1可知，本文系统可准确识别车辆信息，方便研究对象区域内车辆的进出，同时可提升研究对象区域内车辆的安全性。

3结论

本文针对当前大型公共建筑普遍应用的趋势，设计基于PLC的大型公共建筑电气智能化系统，实现大型公共建筑电气的智能化控制。仿真测试结果充分说明本文系统的有效性。后续研究中将主要优化本文系统的可扩展性，扩大其应用范围。

作者:徐启 杨世品 单位:南京工业大学电气工程与控制科学学院