摘  要：介绍了一种基于PLC和WinCC的空气自动控制系统方案，通过介绍系统软硬件的组成和特点，论述了PLC和WinCC实现空气监测和控制的具体方法。系统以S7-300PLC为控制器，用WinCC输入各种参数以及显示系统状态,具有抗干扰能力强和人机交互性好等特点。关键词：PLC  S7-300  WinCC  变频器

Abstract: This paper introduces an automatic air control system based on PLC and WinCC. Through presenting the composition and characteristics of the system hardware and software, this paper discusses the specific methods using PLC and WinCC to achieve air monitoring and control. This system using S7-300PLC as controller, using WinCC to input various parameters and display system status, has strong anti-interference ability and good human-computer interaction.

Key words: PLC   S7-300   WinCC   Inverter

【中图分类号】TP273【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）05-0000-00

1 引言

实验室是科研人员进行试验的场所。它是企业和科研院所高校开展实验研究和人才培养的主要场所，是科学成果产出的重要基地。在理化实验过程中经常会用到一些易燃、易爆、腐蚀性强、有毒且易挥发的试剂和药品，稍有不慎则可能导致安全事故^[1]。而且一些化学试剂和药品容易挥发出苯、甲苯、二甲苯（简称三者为混苯）和甲醛等有害物质，但是长期接触混苯等有害物质可导致神经行为功能异常和植物神经紊乱以及情绪的改变^[2,3]。当人们长期暴露在低毒环境时，人体可能受到不同程度的中毒、皮肤腐蚀与刺激、眼损伤、呼吸或皮肤过敏、生殖细胞突变、致癌等伤害。所以必须有效控制理化实验室的空气质量。

2 系统方案

所示。

图1 控制系统框图

通过各种传感器及检测元件将室内环境的有害气体浓度等信息转换为电信号传输到A/D转换模块。A/D转换模块把传感器的模拟信号转换为数字信号后输入到S7-300PLC。PLC对监测数据分析处理后，利用提前设定好的算法调节电动风阀、风机变频器、空调机、加湿机等执行器的动作，并对超出阈值的数据或异常情况发出警报。另一方面，PLC将浓度、温湿度、室内外压差以及系统运行状况的信息传输给上位机。上位机的监控组态软件对这些监测信息进行实时记录存盘，并且将状态实时显示在人机界面。

系统由上位机和下位机组成。上位机采用安装WINCC和STEP7的工控一体机。下位机采用西门子S7-300系列PLC。电源模块采用PS307模块。数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332用于实现现场数据采集和控制信号输出。以太网通讯模块CP343-1用于实现PLC与上位机的通讯。

PLC选用西门子的S7-300模块化可编程控制器，S7-300的可扩展性强、网络功能强，通过TCP/IP协议与上位机通信。S7-300PLC主要完成数据的采集、运算、执行用户程序、检测运行状态、实现最终旳控制。PLC通接受WinCC运行系统的操作命令，同时接收外部传感器和按钮信号，还负责控制电动风阀、空调机、加湿器、新风机和排风机变频器，并实时将控制状态反馈给WinCC运行系统。采用PT100温度传感器用以检测室内温度。根据室内内温度值调节空调机冷热水阀门的开度，进而可以控制新风的温度，达到调节实验室内温度的目的。实验室内通风量是由风机转速和电动风阀的开度决定的。电动风阀由电动机驱动风阀中挡板，使挡板在90°范围内自由转动，从而达到调节空气流量的目的。风阀电动机驱动挡板转动90°范围所需的时间固定，通过控制电动机的通电时间即可控制风阀开度。

2 控制程序

整个空气控制系统的控制程序主要由以下几个部分组成：系统初始化、浓度和温湿度等数据检测、声光报警、空气质量PID调节、湿度PID调节和温度PID调节。系统初始化子程序主要是控制系统启停以及开机后系统的复位和自检，将数据存储区的一些数据清除，并检测风机、阀门和传感器的状态。气体浓度和温湿度等数据检测子程序主要是对现场传感器传感器传输来的数据进行处理，把A/D传输来的数字量信号转化成实际的浓度和温湿度等数据。空气质量PID调节、湿度PID调节和温度PID调节主要是运用PID算法调节实现室内空气质量和温湿度等，使之恒定在健康状态。系统的控制流程如图2所示。

图2 PLC控制程序流程图

室内空气质量PID调节过程为：A/D模块将现场传感器的气体浓度数据转换成数字信号后传输给PLC，PLC将其与浓度设定值进行比较，并按PID控制算法对误差值进行运算，然后将运算结果经D/A转换后变为标准电流信号，用来控制变频器的输出，调节新风机和排风机的转速，达到控制空气流通控制空气质量的目的。通风风机运行时，风机变频器频率增加， 风量增加；通风风机停止运行时，风机变频器频率减小，送风量减少，保持实验室压强动态平衡^{[5, 6]}。在STEP7中编写程序时，需要先确定浓度设定值、三个PID参数、输入和输出变量，这些参数支持在WinCC界面中修改。

湿度PID调节和温度PID调节过程和上述空气质量PID调节过程相似。湿度调节的控制对象是加湿器，温度调节的控制对象是空调机组（冷热水机组）的冷热水阀门。

3 WinCC组态

工业控制组态软件可以从PLC、各种数据采集卡等设备中采集实时数据，可以监控系统运行状态和提供控制指令，它具有强大的功能，是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具。本系统以西门子视窗控制中心SIMATIC WinCC为监控软件开发平台。WinCC全称是视窗控制中心（Windows ControlCenter），它集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC等先进技术，它可以与多种自动化设备及控制软件集成，还可为操作者提供图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件的设计周期，而且提高了工作效率^[7]。WinCC通过TCP/IP协议与S7-300系列的PLC进行通信。WinCC V7.0采用标准MicrosoftSQL Server 2005数据库进行生产数据归档，同时具有在线运行系统，可以很方便的监控现场动态。此外，WinCC可以对控制器进行系统诊断，使得硬件维护更加方便。

图3 WINCC运行系统主界面

图3是系统的运行主界面。画面总览是系统基本的运行界面，可以显示和控制各个参数。点击VOC、甲醛、苯、温度、湿度等文本即可显示该参数的归档信息和历史变化趋势，并支持打印。当系统有故障或报警时，会自动弹出报警窗口，报警信息窗口会显示出当前报警信息以及系统记录的历史报警信息，包括气体浓度过高报警、温度异常报警、室内压力异常报警、风机风阀故障报警等。

4 结束语

系统采用S7-300控制，并使用WinCC组态运行系统，可以方便的实现过程控制的实时监控。系统利用PLC抗干扰能力强、组态方便以及WinCC数据处理和人机交互功能强的特点，实现了实验室空气系统自动调节的功能，能够控制实验室内部空气状况稳定在健康水平。

参考文献

[1]张媛,蒋福宾,欧阳津.高校化学教学实验室环境与安全的管理[J].中国现代教育装备,2001,3:95-96.

[2]郭棣华.职业接触混苯对神经行为功能的影响[J].中华劳动卫生职业病杂志,1994,12(2):42-43.

[3]王莹,顾祖维,张胜年等.现代职业医学[M].北京:人民卫生出版社,1996.367.

[4]徐金伟.工业领域基础设施SCADA系统简介[J].计算机安全，2012(01):4-9.

[5]GB50073—2001洁净厂房设计规范[S].

[6]GB50019—2003采暖通风与空气调节设计规范[S].

[7]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

作者简介

崔昕晗 （1991-） 女 硕士在读  研究方向：智能系统和互联网技术