第一章 概述

隨著現(xiàn)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(chǎn)工藝對空調系統(tǒng)的要求，已成為現(xiàn)代廠房設計的一個重要課題。將樓宇控制系統(tǒng)的理念融合進現(xiàn)代廠房暖通空調綜合控制系統(tǒng)中, 利用先進的計算機控制技術,管理軟件和節(jié)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(jié)能、節(jié)省維護管理工作量和運行費用的問題^[5]。樓宇控制系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)展以及網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展，工廠中的各個控制系統(tǒng)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(shù)的工業(yè)控制領域，現(xiàn)在很多廠房空調系統(tǒng)采用了PLC控制器。廠房空調系統(tǒng)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(jù)空調、排風系統(tǒng)的工藝要求，整個控制系統(tǒng)分為8個現(xiàn)場分布控制站和1個主控站。硬件系統(tǒng)采用西門子的S7-300系列控制器作為數(shù)據(jù)采集及控制單元，利用工業(yè)現(xiàn)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(xiàn)了整體聯(lián)控。本控制系統(tǒng)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(jīng)濟效益。

第二章 空調系統(tǒng)工藝流程及控制要求

涂裝廠房空調通風系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)理念，保持車間呈密封微正壓狀態(tài)，并且有效地將高清潔區(qū)與污染源、熱源隔離分開，為正常生產(chǎn)創(chuàng)造條件。油漆車間需采取全室換氣通風，除了改善工作環(huán)境之外，還必須滿足車間內(nèi)潔凈要求。由于車間面積大，同時考慮油漆工藝區(qū)劃布置及對空氣品質的要求，針對性地劃分了幾個通風區(qū)域，著力協(xié)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(qū)域流向次清潔區(qū)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(nèi)清潔和產(chǎn)品的油漆質量。

廠房為三層全封閉式現(xiàn)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(qū)；三層設有空調機房和為其供電的變電間廠房通風系統(tǒng)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(qū)域送排風機組成，負責廠房約10萬立方米空間的空氣調節(jié)。

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(qū)域排風機，分布在廠房的各個角落。

2.1 空調系統(tǒng)組成及各部分功能介紹

本系統(tǒng)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(tǒng)一向空調系統(tǒng)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(huán)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(huán)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(huán)泵，風機采取直接啟動，工頻運行的方式。所有的循環(huán)泵都是直接啟動，工頻運行。

空調機組平面簡圖如圖1所示：

圖1 空調機組平面簡圖

空調機組采用的是定風量全空氣處理系統(tǒng),夏季東北地區(qū)氣溫比較涼爽，采用全新風運行，冬季東北地區(qū)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(tǒng)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(nèi)的回風在機組的前端混合后，經(jīng)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(jīng)過中效過濾送到需要使用的工作間，利用后的室內(nèi)空氣再通過排氣風機系統(tǒng)排掉一部分，（排風要根據(jù)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(tǒng)中，這樣一來可以利用室內(nèi)回風降低能量消耗，達到較好的節(jié)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(jīng)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(huán)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(tǒng)?？照{系統(tǒng)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(wǎng)處安裝有差壓開關，當過濾網(wǎng)阻塞，過濾網(wǎng)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(tǒng)送風量滿足工藝要求，同時可以檢測風道內(nèi)有沒有阻塞。

加熱器價格很高，而且東北地區(qū)氣溫低，如果熱水供給的不足，很容易在短時間內(nèi)將加熱器內(nèi)部的熱盤管凍裂，造成嚴重的設備事故，一般加熱器的內(nèi)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(jié)能措施：

空調機組的節(jié)能有多方面要求，回風和新風的比例在最佳狀態(tài)運行，是空調機組節(jié)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(jié)能措施，可以降低日常運行的成本。

對涂裝廠空調系統(tǒng)，采用如下節(jié)能手段：

• 回/新風的比例調節(jié)

在新風口和回風口設置模擬量風閥驅動器，冬季根據(jù)室內(nèi)外的溫差，適當調整新風回風比例，充分提高節(jié)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(nèi)溫度差別較大的條件時，我們對系統(tǒng)新風和回風比例進行調節(jié)，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(nèi)溫度差別較小的條件時，我們對系統(tǒng)新風和回風比例進行調節(jié)，即減小回風閥，對回風量做最小控制。

2.2 排風系統(tǒng)的組成及各部分功能介紹

排風系統(tǒng)包括19臺屋面排風機、1臺排風機箱和3臺區(qū)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(tǒng)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(jù)排風系統(tǒng)的控制要求進行手動控制和自動群控。

2.3 本控制系統(tǒng)的具體控制要求

2.3.1 系統(tǒng)總體監(jiān)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(qū)域送風機控制柜，其中1臺控制柜作為主控柜，可以統(tǒng)一監(jiān)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(xiàn)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(tài)等各種參數(shù)；主控柜可以監(jiān)控5臺空調機組和23臺排氣風機狀態(tài)，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(jiān)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(jié)。

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(nèi)容：

• 初效和中效過濾網(wǎng)阻塞報警檢測

兩個過濾網(wǎng)處安裝兩個差壓開關，當過濾網(wǎng)兩側差壓達到一定數(shù)值，證明過濾網(wǎng)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(qū)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(shù)。

• 送風風速檢測

根據(jù)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(jié)風量，空間總的風量調節(jié)通過變頻機組來實現(xiàn)。

• 送風區(qū)域溫濕度檢測
• 送風區(qū)域室內(nèi)外壓差檢測
• 空調風機變頻器電流、運行狀態(tài)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(tài)檢測

噴淋泵需要和風機聯(lián)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(huán)泵狀態(tài)檢測
• 熱水循環(huán)泵故障檢測
• 低溫防凍保護、報警

東北地區(qū)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(tǒng)會發(fā)出防凍報警信號，同時切斷電氣回路，使空調停機，控制系統(tǒng)自動關閉風機、關閉新風風門、熱水閥開到100％、啟動熱水循環(huán)泵、停止噴淋泵。

• 消防信號聯(lián)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(huán)泵都停止。

• 新風風門和送風風門驅動器聯(lián)鎖

為了保證空調箱體不會出現(xiàn)過壓，新風風門和送風風門需要聯(lián)鎖，以防在空調運行時出現(xiàn)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(lián)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(xiàn)故障時新風風門必須關閉，以免凍壞加熱器。

• 熱水循環(huán)水泵聯(lián)鎖

循環(huán)泵和空調風機聯(lián)鎖，冬季模式下，循環(huán)泵先開20s后，空調風機啟動，風機停止運行，循環(huán)泵立刻停止運行。

• 熱水調節(jié)閥門控制

依靠對熱水閥門的調節(jié)，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(qū)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(nèi)，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(jù)送風區(qū)域室內(nèi)外的空氣壓差，控制風機的變頻，調整送風量，達到控制室內(nèi)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(shù)檢測、控制外，當風機產(chǎn)生故障時，發(fā)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(tǒng)控制要求

• 風機起?？刂?/li>
• 排風系統(tǒng)的控制柜上必須有手/自動開關，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)鎖。
• 微正壓控制

微正壓控制時，當室內(nèi)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(nèi)正壓恢復時可以再反方向順序啟動以上風機。

第三章 系統(tǒng)總體設計

要構成一個控制系統(tǒng)，首先要根據(jù)控制要求配備各種硬件，然后把各個部件之間用網(wǎng)絡連接起來，這樣便形成了控制系統(tǒng)的框架。再通過軟件編程、組網(wǎng)，從而形成一個能實現(xiàn)一定功能要求的系統(tǒng)。目前采用PC機做為上位機，配合現(xiàn)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(tǒng)在當今的許多生產(chǎn)自動化領域已得到廣泛應用，這種系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)按照優(yōu)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(xiàn)場控制單元即控制分站，將現(xiàn)場監(jiān)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(xiàn)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(tǒng)與涂裝廠主控室的網(wǎng)絡通訊都是采用工業(yè)以太網(wǎng)，通風系統(tǒng)做為主控室的一個分站系統(tǒng)，其控制主站與涂裝廠中央控制室也通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，這樣做一是考慮到兼容性，二是工業(yè)以太網(wǎng)有其自身的優(yōu)點。整個自動化監(jiān)控系統(tǒng)構成SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視及對現(xiàn)場設備進行控制的功能?？刂葡到y(tǒng)結構圖如圖2所示。

圖2 空調控制系統(tǒng)總體結構圖

第四章 網(wǎng)絡通訊技術在空調系統(tǒng)中的應用

4.1 MPI網(wǎng)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(shù)據(jù)量不大，故采用MPI網(wǎng)絡協(xié)議。

要完成同信，需要通過STEP7中的NetPro軟件對控制器CPU進行必要的設置組態(tài)，通過Protools軟件對操作面板進行必要的設置。具體設置如下：

1、S1機組中OP3和S7-313C的通信

圖3 OP3和S7-313C的通信硬件組態(tài)

在NetPro軟件中先建立一個MPI網(wǎng)絡，將OP3的MPI地址設為1，將PLC1的CPU的MPI地址設為2，然后選擇OP3和PLC1的網(wǎng)絡通訊速率為187.5kbit/s，如上圖3所示。

圖4 MPI配置

在Protools軟件中，需要選擇先前建立的MPI（1）網(wǎng)絡，寫入OP3和PLC1的MPI地址，選擇通訊速率，同時還要寫入與OP3連接的CPU所在PLC1站的槽號和導軌號，如上圖4所示。

2、其它機組的OP3和S7-313C的連接以及主站TP270和S7-315-2DP的MPI網(wǎng)絡連接的組態(tài)與上面類似，在此不再贅述。

4.2 以太網(wǎng)

1、點擊桌面的SIMATICManager圖標，進入step7應用程序，打開原來建好的項目，進入硬件組態(tài)窗口，在左邊的窗口中選中cp343－1如下圖5所示：

圖5 硬件組態(tài)中以太網(wǎng)配置

雙擊此圖標，彈出以太網(wǎng)模塊屬性窗口，點擊上面的屬性按鈕進入以太網(wǎng)接口配置窗口，如下圖6：

圖6 以太網(wǎng)屬性

點擊圖上的new按鈕新建一個以太網(wǎng)，如上圖所示，配置好343－1的IP地址和子網(wǎng)掩碼，由于廠區(qū)的網(wǎng)絡沒有使用路由，因此在右邊的網(wǎng)關欄選擇donotuserouter，然后確定退出。在硬件配置中編譯保存，然后將硬件組態(tài)下載到300控制站中。

2、在中心控制室上位監(jiān)控計算機上的控制面板中，選中下面的setpg/pcinterface選項彈出窗口如下7：

圖7 通訊驅動配置

選中其中的TCP/IP(auto)->sis900-base接口，然后確定退出。這樣以太網(wǎng)的組態(tài)就完成了，我們就可以通過上位機完成與300控制站的以太網(wǎng)通訊了。

第五 章結束語

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