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摘要：信息化技術(shù)與國民經(jīng)濟的快速發(fā)展對大型公共建筑電氣系統(tǒng)提出更高要求，為完善建筑環(huán)境與功能，設(shè)計基于plc的大型公共建筑電氣智能化系統(tǒng)。以PLC控制器為核心，將電氣系統(tǒng)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(yīng)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(shù)調(diào)節(jié)方法對其實施優(yōu)化，提升電氣智能化系統(tǒng)運行精度。防疫模塊以PLC控制器為控制核心，通過調(diào)節(jié)目標(biāo)房間氣流量，維持其負壓平衡狀態(tài)，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(shù)探測消防險情，通過監(jiān)測預(yù)警防止電氣火災(zāi)發(fā)生。保安模塊利用PLC編程控制電動門，通過PLC接線實現(xiàn)電動門自動開啟與報警。仿真測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制精度較高，可優(yōu)化建筑環(huán)境與功能。

關(guān)鍵詞：電氣智能化系統(tǒng)；大型公共建筑；PLC控制器；消防檢測；防疫隔離；預(yù)警；仿真測試

0引言

作為一門新興學(xué)科，建筑電氣學(xué)科包含電能利用、電氣設(shè)備應(yīng)用與各種電氣技術(shù)[1]，通過環(huán)境優(yōu)化實現(xiàn)建筑的硬件設(shè)備同軟件技術(shù)協(xié)調(diào)運行，完善建筑功能，具有巨大研究價值。應(yīng)用功能是建筑及其配套設(shè)備的價值體現(xiàn)形式[2]，尤其是大型公共建筑，其電氣系統(tǒng)的設(shè)計需以實際環(huán)境為基礎(chǔ)，按照以人為本的設(shè)計理念，設(shè)計出最能滿足建筑應(yīng)用功能又最具實際價值的電氣系統(tǒng)[3]。作為電氣自動化控制的主要技術(shù)之一[4]，PLC在現(xiàn)代建筑應(yīng)用領(lǐng)域中呈現(xiàn)出顯著性優(yōu)勢，其融合計算機技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)，可依照建筑電氣系統(tǒng)實際需求設(shè)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(xiàn)順序控制，減少人力、物力投入的同時，提升電氣系統(tǒng)控制精度?；诖嗽O(shè)計基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統(tǒng)，保障大型公共建筑應(yīng)用功能的同時，為建筑電氣智能化發(fā)展提供參考依據(jù)。

1基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統(tǒng)

1.1整體結(jié)構(gòu)。大型公共建筑的電氣系統(tǒng)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖?；赑LC的大型公共建筑電氣智能化系統(tǒng)利用PLC控制器控制系統(tǒng)內(nèi)不同模塊的機電設(shè)備，利用計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等完成對不同模塊設(shè)備的控制與監(jiān)視，通過電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定準(zhǔn)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(yīng)模糊控制算法[7]，并利用函數(shù)調(diào)節(jié)方法對其實施優(yōu)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(shù)優(yōu)化原則為：在電氣智能化系統(tǒng)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(tǒng)輸出的上升速率，加快誤差降低效率；在電氣智能化系統(tǒng)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(tǒng)輸出的上升速率，避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。以往函數(shù)調(diào)節(jié)方法內(nèi)，電氣智能化系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)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(jīng)由反復(fù)試驗總結(jié)獲取的數(shù)據(jù)。此函數(shù)調(diào)節(jié)方法內(nèi)只調(diào)節(jié)誤差w，調(diào)節(jié)過程較為簡單，但通過試驗總結(jié)的參數(shù)x1，x2，y1和y2具有較強不確定性[8]。為降低設(shè)計參數(shù)數(shù)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(jié)果為hΔii的預(yù)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(tǒng)誤差消除效率，設(shè)中介變量r與設(shè)計參數(shù)rf，使：ìíînΔii=1uΔwuΔii=1nΔw{nΔw=r⋅rfuΔw=rrf（5）式中，r值通常選取粗、細調(diào)結(jié)合法（調(diào)節(jié)過程設(shè)定設(shè)計參數(shù)rm），以w與Δw的波動為依據(jù)實施優(yōu)化。依照w，Δw和rf，rm能夠完成量化因子與比例因子的調(diào)節(jié)，使其在設(shè)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(tǒng)運行精度。

1.3防疫模塊。防疫模塊主要負責(zé)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(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2防疫模塊結(jié)構(gòu)選取差動式電容傳感器采集目標(biāo)房間氣壓數(shù)據(jù)后，將結(jié)果以模擬電壓形式傳輸至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，滿足控制精度要求；數(shù)字信號通過開關(guān)量調(diào)理后進入PLC控制器后觸發(fā)設(shè)定的控制程序，依照房間當(dāng)前氣壓數(shù)據(jù)判斷百葉窗風(fēng)閥開度，改變風(fēng)機電動機轉(zhuǎn)速，利用風(fēng)道與百葉窗風(fēng)閥改善目標(biāo)房間氣流量，使目標(biāo)房間保持負壓平衡狀態(tài)[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(shù)有效監(jiān)測大型公共建筑中的消防隱患[11]。圖3為消防模塊結(jié)構(gòu)。當(dāng)消防險情存在時，傳感器采集的信號將傳輸至PLC控制器內(nèi)，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(chǎn)生的位置。在消防險情信號產(chǎn)生且被監(jiān)測發(fā)現(xiàn)后，PLC觸發(fā)電氣消防預(yù)警系統(tǒng)[12]，預(yù)警系統(tǒng)通過警示聲與警示燈等方式對大型公共建筑區(qū)域內(nèi)的人們示警。同時上位機顯示器顯示消防險情信號產(chǎn)生的位置后，相關(guān)工作人員可立即對其進行相應(yīng)處理。并且，消防模塊中可實時分析采集的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動時，模塊能夠向相關(guān)工作人員發(fā)出預(yù)警信息，通過調(diào)出預(yù)警信息處的監(jiān)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(nèi)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(wǎng)[13⁃15]，可實現(xiàn)傳感器信息與相應(yīng)信息直接傳輸，上位機利用組態(tài)軟件能夠監(jiān)控整個模塊的運行，觸摸屏的設(shè)置便于各器件的安裝調(diào)試與后期維護。消防模塊的有效運行能夠最大程度上地預(yù)防大型公共建筑電氣火災(zāi)的發(fā)生。

2仿真測試

為測試本文系統(tǒng)應(yīng)用性能，選取沈陽市沈河區(qū)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(tǒng)應(yīng)用于研究對象電氣系統(tǒng)管理應(yīng)用中，從數(shù)據(jù)傳輸、消防監(jiān)測以及安?？刂频确矫孢M行系統(tǒng)性能測試。

2.1消防監(jiān)測測試。以一樓為例，進行本文系統(tǒng)消防檢測測試。在研究對象電氣電路或設(shè)備的運行溫度固定時間區(qū)域內(nèi)處于持續(xù)上升狀態(tài)，或同以往正常運行時溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)生顯著差異的條件下，本文系統(tǒng)將通過黃色警示燈給予預(yù)警。上位機監(jiān)控頁面自動轉(zhuǎn)換至預(yù)警信息生成房間所在樓層，并顯示預(yù)警信息生成房間所在具體位置。同時系統(tǒng)利用聲音預(yù)警提示相關(guān)工作人員，工作人員點擊停止后，預(yù)警聲音停止，工作人員可通過預(yù)警信息生成房間監(jiān)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(jiān)控界面可確定其各參數(shù)指標(biāo)是否出現(xiàn)異常。系統(tǒng)消防模塊在PLC控制下測量預(yù)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(tài)并在觸摸屏上顯示，利用組態(tài)實施監(jiān)測。消防模塊環(huán)境信息監(jiān)測界面如圖6所示。如圖6所示，在正常溫度下，本文系統(tǒng)正常運行（監(jiān)測），此時警示燈為綠色。在系統(tǒng)監(jiān)測到溫度（或是濕度與煙霧濃度）出現(xiàn)異常的條件下，此時警示燈為黃色。當(dāng)變電箱存在漏電現(xiàn)象時，警示燈為紅色。以上結(jié)果顯示本文系統(tǒng)可在其火災(zāi)未發(fā)生或初發(fā)生階段進行有效預(yù)警，為人員疏散與財產(chǎn)轉(zhuǎn)移提供更多時間，防止嚴重火災(zāi)事故發(fā)生。

2.2保安控制測試。以研究對象外圍區(qū)域電動門為例，進行文本系統(tǒng)保安控制測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知，本文系統(tǒng)可準(zhǔn)確識別車輛信息，方便研究對象區(qū)域內(nèi)車輛的進出，同時可提升研究對象區(qū)域內(nèi)車輛的安全性。

3結(jié)論

本文針對當(dāng)前大型公共建筑普遍應(yīng)用的趨勢，設(shè)計基于PLC的大型公共建筑電氣智能化系統(tǒng)，實現(xiàn)大型公共建筑電氣的智能化控制。仿真測試結(jié)果充分說明本文系統(tǒng)的有效性。后續(xù)研究中將主要優(yōu)化本文系統(tǒng)的可擴展性，擴大其應(yīng)用范圍。

作者:徐啟 楊世品 單位:南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院