空調控制系統設計與開發

　　第一章 概述

　　隨著現代化廠房對供冷、取暖及通風要求的進一步提高, 如何對空調及通風設備進行有效的控制管理, 如何在保證設備正常運行時控制能源的合理使用, 滿足生產工藝對空調系統的要求，已成為現代廠房設計的一個重要課題。將樓宇控制系統的理念融合進現代廠房暖通空調綜合控制系統中, 利用先進的計算機控制技術,管理軟件和節能程序, 使其能對各機電設備進行科學地控制和管理, 有效地解決了節能、節省維護管理工作量和運行費用的問題[5]。樓宇控制系統中大多采用專用的DDC控制器，它比較適合控制空調、風閥等專用設備，隨著控制系統的發展以及網絡通訊技術的發展，工廠中的各個控制系統漸漸的融合成一個整體，PLC控制器慢慢的進入廠房空調的控制領域，PLC控制器適合大多數的工業控制領域，現在很多廠房空調系統采用了PLC控制器。廠房空調系統越來越復雜，完成的功能越來越多，而PLC控制器通用性好，可以方便的擴展各種功能，而且其通訊功能

　　根據空調、排風系統的工藝要求，整個控制系統分為8個現場分布控制站和1個主控站。硬件系統采用西門子的S7-300系列控制器作為數據采集及控制單元，利用工業現場總線PRFIBUS的實時性特點，對廠房的空調機組和排氣風機機組實現了整體聯控。本控制系統已在汽卡車涂裝廠投入運行，運行狀況良好并且通過驗收，達到了預期控制目的，受到了廠家的好評，給用戶帶來了可觀的經濟效益。

　　第二章 空調系統工藝流程及控制要求

　　涂裝廠房空調通風系統設計，其基本前提是廢氣的有效排除和治理，否則將直接影響系統效果。所以，在本項目中，將廢氣處理與空調通風結合起來考慮，應用分區理念，保持車間呈密封微正壓狀態，并且有效地將高清潔區與污染源、熱源隔離分開，為正常生產創造條件。油漆車間需采取全室換氣通風，除了改善工作環境之外，還必須滿足車間內潔凈要求。由于車間面積大，同時考慮油漆工藝區劃布置及對空氣品質的要求，針對性地劃分了幾個通風區域，著力協調崗位送風風量與油漆工藝設備送排風、車間全室通風風量平衡，使整個車間保持微正壓，氣流組織從清潔區域流向次清潔區域。車間通向外界的主要通道安裝風幕機，將外界灰塵隔絕，保證室內清潔和產品的油漆質量。

　　廠房為三層全封閉式現澆鋼筋砼排框架結構，車間寬度60m，長度300m，建筑面積約54000m²。該建筑一層為生活、辦公、輔助部門和共用動力設施;二層設噴漆烘干區;三層設有空調機房和為其供電的變電間廠房通風系統是由5臺大空間送風的組合式空調機組、19臺屋面排風機、1臺排風機箱和3臺區域送排風機組成，負責廠房約10萬立方米空間的空氣調節。

　　5臺送風空調機組中，4臺機組每臺的送風量為17.5萬立方米/小時，1臺為1.1萬立方米/小時。有20臺屋面風機和3臺區域排風機，分布在廠房的各個角落。

　　2.1 空調系統組成及各部分功能介紹

　　本系統采用集中式空調機組，共5臺(S-1、S-2、S-3、S-4、S-5)，沿廠房縱向分布，由廠方統一向空調系統提供高溫水。S-1、S-3機組各包括2臺75KW的風機，1臺15KW的噴淋泵，1臺5KW的循環泵，風機、噴淋泵采用變頻調速的方式。S-2、S-4機組各包括2臺75KW的風機，1臺15KW的噴淋泵，1臺5KW的循環泵，2臺風機采取星/三角啟動，工頻運行的方式，噴淋泵采取變頻調速的方式。S-5機組包括3臺15KW的風機(2用1備)，1臺5KW的噴淋泵，1臺5KW的循環泵，風機采取直接啟動，工頻運行的方式。所有的循環泵都是直接啟動，工頻運行。

　　空調機組采用的是定風量全空氣處理系統,夏季東北地區氣溫比較涼爽，采用全新風運行，冬季東北地區空氣最低達零下30℃，氣溫很低，故冬季采用120℃以上的高溫高壓熱水，由廠方集中供熱系統直接提供,高溫熱水送入空調機組的熱盤管中。室外的新風和室內的回風在機組的前端混合后，經過初效過濾，通過熱盤管進行熱交換，因為冬季室外新風溫度太低，故空調采用2級加熱，換熱后空氣再經過中效過濾送到需要使用的工作間，利用后的室內空氣再通過排氣風機系統排掉一部分，(排風要根據工藝要求，保持工作間正壓運行)一部分再和新風混合后返回空調系統中，這樣一來可以利用室內回風降低能量消耗，達到較好的節能效果。

　　在空氣處理過程中，為了滿足空氣中的濕度要求，采用加濕器在送風時進行加濕處理。加濕時啟動噴淋泵，水經過噴淋頭向外噴灑，一旦噴淋槽水位低時噴淋泵無法啟動，此時只有將噴淋槽的水注入到高于低水位時，噴淋泵才能啟動。噴淋泵不允許長時間空轉。

　　空調啟動時，必須先打開新風風門，調整回風風門按適當比例打開，同時將循環泵啟動，讓熱水先進入加熱器，把里面的熱盤管預熱一下，隨后啟動2臺75KW風機，將新風抽入。加熱器上面有進水閥控制熱水的進入，下面有回水閥控制熱水流回管道系統?？照{系統的溫度控制主要控制回水閥，進水閥一般不做控制。

　　在初效和中效過濾網處安裝有差壓開關，當過濾網阻塞，過濾網兩側的壓差增大，增大到200PA時，差壓開關動作，此時要及時報警通知操作人員更換過濾布。

　　空調的中部安裝有風速傳感器，可以檢測風速的大小，進行風量的記錄，保證系統送風量滿足工藝要求，同時可以檢測風道內有沒有阻塞。

　　加熱器價格很高，而且東北地區氣溫低，如果熱水供給的不足，很容易在短時間內將加熱器內部的熱盤管凍裂，造成嚴重的設備事故，一般加熱器的內側裝有防凍保護開關，當測得換熱后的空氣溫度小于5℃時，立刻切斷電氣回路，使風機停轉，關閉新風風門，完全打開回水閥。

　　節能措施：

　　空調機組的節能有多方面要求，回風和新風的比例在最佳狀態運行，是空調機組節能必不可少的措施。由于涂裝廠的空調機組容量比較大，其能耗也比較大，采用一些必要的節能措施，可以降低日常運行的成本。

　　對涂裝廠空調系統，采用如下節能手段：

　　回/新風的比例調節

　　在新風口和回風口設置模擬量風閥驅動器，冬季根據室內外的溫差，適當調整新風回風比例，充分提高節能效果。

　　夏季采用全新風運行模式

　　最小新風量控制

　　當室外新風溫度與室內溫度差別較大的條件時，我們對系統新風和回風比例進行調節，即減小新風閥，對新風量做最小控制。當室外新風溫度與室內溫度差別較小的條件時，我們對系統新風和回風比例進行調節，即減小回風閥，對回風量做最小控制。

　　2.2 排風系統的組成及各部分功能介紹

　　排風系統包括19臺屋面排風機、1臺排風機箱和3臺區域排風機組成。這些設備分為4組，由4個控制柜AC1-AC4進行控制。AC1包括P163.73KW，P173.73KW，P183.73KW，P193.73KW，P201.49KW，S65.59KW，S75.59KW，S85.59KW這8臺設備;AC2包括P15.59KW，P23.73KW，P33.73KW，P112.24KW，P135.59KW，P145.59KW，P155.59KW這7臺設備;AC3包括1臺90KW的送風機箱;AC4包括P45.59KW，P55.59KW，P62.24KW，P75.59KW，P85.59KW，P95.59KW，P105.59KW這7臺設備。

　　排風系統的風機控制比較簡單，每臺風機只有啟?？刂坪惋L機過流檢測，此外在排風機處安裝有壓差開關，以便檢測風機是否阻塞，及時保護風機。風機的控制根據排風系統的控制要求進行手動控制和自動群控。

　　2.3 本控制系統的具體控制要求

　　2.3.1 系統總體監控要求

　　每臺組合式空調設1臺本地控制柜，設4臺屋面風機和區域送風機控制柜，其中1臺控制柜作為主控柜，可以統一監控所有的空調機組和排風機組。

　　本地控制柜有手/自動轉換開關，可以實現本地、遠程控制，本地控制柜可以看到溫度、濕度、送風速度、風機狀態等各種參數;主控柜可以監控5臺空調機組和23臺排氣風機狀態，并可以群控各個設備;主控柜設有本地/遠程開關，當打到遠程時，涂裝廠主控室可以獲得控制權，從上位機監控空調風機;主控柜設有冬/夏季模式開關，夏季模式高溫水停送，加熱閥不參與調節。

　　2.3.2 S-1至S-4組合式空調機組的控制要求

　　主要檢測控制以下內容：

　　初效和中效過濾網阻塞報警檢測

　　兩個過濾網處安裝兩個差壓開關，當過濾網兩側差壓達到一定數值，證明過濾網被灰塵阻塞，需要及時報警，以便維護人員更換。

　　熱水供水和回水溫度檢測報警

　　了解機組熱媒的工況，回水溫度過低需要及時報警，以防加熱器凍裂。

　　室外新風溫度檢測

　　由于東邊地區冬季溫度很低，新風溫度傳感器測溫范圍-50～+50℃。

　　空調送風溫度檢測

　　送風溫度采用PT100標準熱電阻進行檢測，它是溫度控制的重要參數。

　　送風風速檢測

　　根據風道中的風速可以估算出送風量情況，由于所有機組都向一個大空間送風，工頻機組可以保持風量恒定，不一定要通過風門調節風量，空間總的風量調節通過變頻機組來實現。

　　送風區域溫濕度檢測

　　送風區域室內外壓差檢測

　　空調風機變頻器電流、運行狀態檢測

　　空調風機故障檢測

　　S-1、S-3風機采用變頻調速方式，故障點取自變頻器;S-2、S-4風機工頻運行，故障點取自熱繼電器。

　　噴淋泵變頻電流、運行狀態檢測

　　噴淋泵需要和風機聯鎖，當風機停機時，噴淋泵自動停止。

　　噴淋泵變頻故障檢測

　　熱水循環泵狀態檢測

　　熱水循環泵故障檢測

　　低溫防凍保護、報警

　　東北地區冬季溫度能達到零下20～30℃，室外新風溫度很低容易凍壞加熱器，因此防凍保護非常重要，當熱盤管后的空氣溫度低于報警溫度值時，系統會發出防凍報警信號，同時切斷電氣回路，使空調停機，控制系統自動關閉風機、關閉新風風門、熱水閥開到100%、啟動熱水循環泵、停止噴淋泵。

　　消防信號聯動

　　空調的出風口處安裝消防栓，當溫度過高，消防栓動作，需要空調停止運行、加熱水閥關閉、新風閥關閉、噴淋泵和循環泵都停止。

　　新風風門和送風風門驅動器聯鎖

　　為了保證空調箱體不會出現過壓，新風風門和送風風門需要聯鎖，以防在空調運行時出現新風風門打開而送風風門關閉的事故。

　　新風風門和空調風機聯鎖

　　新風風門必須打開后，空調風機才能運行，空調風機停止運行或出現故障時新風風門必須關閉，以免凍壞加熱器。

　　熱水循環水泵聯鎖

　　循環泵和空調風機聯鎖，冬季模式下，循環泵先開20s后，空調風機啟動，風機停止運行，循環泵立刻停止運行。

　　熱水調節閥門控制

　　依靠對熱水閥門的調節，控制高溫高壓熱水進入空調加熱器的流量，從而達到對送風溫度的控制，其控制誤差±1℃。

　　加濕噴淋泵變頻控制

　　送風區域相對濕度控制在55%±5%，加濕槽有上下限浮球開關，槽子水位必須在一定范圍內，過高或過低噴淋泵不能運行，一般需要每隔半個小時放一次水。

　　風機變頻控制

　　根據送風區域室內外的空氣壓差，控制風機的變頻，調整送風量，達到控制室內微正壓的目的。

　　2.3.3 S-5機組的控制要求

　　S-5機組除了完成S-1至S-4機組相同的參數檢測、控制外，當風機產生故障時，發出報警信號，備用風機自動投入運行，3臺風機2用1備。

　　2.3.4 排風系統控制要求

　　風機起?？刂?/P>

　　排風系統的控制柜上必須有手/自動開關，系統能夠實現風機的就地手動控制和在主站觸摸屏的遠程群控。

　　S6風機與潔凈間聯鎖，必須檢測到潔凈間的允許啟動信號，S6風機才能啟動。

　　P12與強冷室聯鎖，當檢測到強冷室的允許信號，P12才能啟動。

　　P1-P6，P11-P20和S1-S4空調機組聯鎖，即在主站自動啟動/停止S1-S4風機時，自動啟動/停止以上風機。P7-P9風機與S5空調機組聯鎖。

　　微正壓控制

　　微正壓控制時，當室內壓力達不到設定值時，需要停止一部分風機才能保證正壓要求，這時可以順序停掉P6、P10、P11、P13、P14、P18，當室內正壓恢復時可以再反方向順序啟動以上風機。

　　第三章 系統總體設計

　　要構成一個控制系統，首先要根據控制要求配備各種硬件，然后把各個部件之間用網絡連接起來，這樣便形成了控制系統的框架。再通過軟件編程、組網，從而形成一個能實現一定功能要求的系統。目前采用PC機做為上位機，配合現場的觸摸屏、操作屏與多臺PLC控制單元為核心組成分布式測控系統在當今的許多生產自動化領域已得到廣泛應用，這種系統利用了可編程控制器(PLC)、觸摸屏、操作屏的性價比高，控制通訊功能強，操作靈活，抗干擾能力好的特點，組建適用于分布式現場控制的前端控制單元，同時也利用了PC計算機軟硬件資源豐富、管理控制功能強大和用戶界面友好的特點。

　　本項目共9個電控柜，5個組合式空調各對應1個電控柜(S1～S5)，其余排氣風機系統按照優化分組控制的原則選用4個電控(AC1～AC4)柜分組控制，其中AC1還要做為主控柜對所有通風設備進行群控。我們選用SIEMENS公司S7-313CPLC作為現場控制單元即控制分站，將現場監測儀表信號及控制、采集信號接入各遠程分站;選用S7-315PLC做為控制主站。通過現場總線將控制主站、遠程分站相連。由于涂裝廠引進的ESENMAN的整條涂裝線的各個控制系統與涂裝廠主控室的網絡通訊都是采用工業以太網，通風系統做為主控室的一個分站系統，其控制主站與涂裝廠中央控制室也通過工業以太網連接，這樣做一是考慮到兼容性，二是工業以太網有其自身的優點。整個自動化監控系統構成SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)系統，完成數據采集、處理、監視及對現場設備進行控制的功能。

　　第四章 網絡通訊技術在空調系統中的應用

　　4.1 MPI網絡

　　在S1-S5五個空調機組中，需要通過OP3與各個機組的控制器進行通信，在主站AC1中，需要通過觸摸屏TP270和主站的控制器進行通信。OP3和TP270與進行通信的控制器都在在一個控制柜上，它們間的通訊數據量不大，故采用MPI網絡協議。

　　第五 章結束語

　　本課題所研究的系統是一個涉及面較廣，較為完整的測控系統，綜合運用了通信、網絡、PLC、計算機、智能檢測及自動化等現代化信息技術，實時進行空調機組和排氣風機監控、溫濕度控制等，實現現場分布控制、中央集中控制、上位監督控制的綜合監控系統。