空调控制系统设计与开发

　　第一章 概述

　　随着现代化厂房对供冷、取暖及通风要求的进一步提高, 如何对空调及通风设备进行有效的控制管理, 如何在保证设备正常运行时控制能源的合理使用, 满足生产工艺对空调系统的要求，已成为现代厂房设计的一个重要课题。将楼宇控制系统的理念融合进现代厂房暖通空调综合控制系统中, 利用先进的计算机控制技术,管理软件和节能程序, 使其能对各机电设备进行科学地控制和管理, 有效地解决了节能、节省维护管理工作量和运行费用的问题[5]。楼宇控制系统中大多采用专用的DDC控制器，它比较适合控制空调、风阀等专用设备，随着控制系统的发展以及网络通讯技术的发展，工厂中的各个控制系统渐渐的融合成一个整体，PLC控制器慢慢的进入厂房空调的控制领域，PLC控制器适合大多数的工业控制领域，现在很多厂房空调系统采用了PLC控制器。厂房空调系统越来越复杂，完成的功能越来越多，而PLC控制器通用性好，可以方便的扩展各种功能，而且其通讯功能

　　根据空调、排风系统的工艺要求，整个控制系统分为8个现场分布控制站和1个主控站。硬件系统采用西门子的S7-300系列控制器作为数据采集及控制单元，利用工业现场总线PRFIBUS的实时性特点，对厂房的空调机组和排气风机机组实现了整体联控。本控制系统已在汽卡车涂装厂投入运行，运行状况良好并且通过验收，达到了预期控制目的，受到了厂家的好评，给用户带来了可观的经济效益。

　　第二章 空调系统工艺流程及控制要求

　　涂装厂房空调通风系统设计，其基本前提是废气的有效排除和治理，否则将直接影响系统效果。所以，在本项目中，将废气处理与空调通风结合起来考虑，应用分区理念，保持车间呈密封微正压状态，并且有效地将高清洁区与污染源、热源隔离分开，为正常生产创造条件。油漆车间需采取全室换气通风，除了改善工作环境之外，还必须满足车间内洁净要求。由于车间面积大，同时考虑油漆工艺区划布置及对空气品质的要求，针对性地划分了几个通风区域，着力协调岗位送风风量与油漆工艺设备送排风、车间全室通风风量平衡，使整个车间保持微正压，气流组织从清洁区域流向次清洁区域。车间通向外界的主要通道安装风幕机，将外界灰尘隔绝，保证室内清洁和产品的油漆质量。

　　厂房为三层全封闭式现浇钢筋砼排框架结构，车间宽度60m，长度300m，建筑面积约54000m²。该建筑一层为生活、办公、辅助部门和共用动力设施;二层设喷漆烘干区;三层设有空调机房和为其供电的变电间厂房通风系统是由5台大空间送风的组合式空调机组、19台屋面排风机、1台排风机箱和3台区域送排风机组成，负责厂房约10万立方米空间的空气调节。

　　5台送风空调机组中，4台机组每台的送风量为17.5万立方米/小时，1台为1.1万立方米/小时。有20台屋面风机和3台区域排风机，分布在厂房的各个角落。

　　2.1 空调系统组成及各部分功能介绍

　　本系统采用集中式空调机组，共5台(S-1、S-2、S-3、S-4、S-5)，沿厂房纵向分布，由厂方统一向空调系统提供高温水。S-1、S-3机组各包括2台75KW的风机，1台15KW的喷淋泵，1台5KW的循环泵，风机、喷淋泵采用变频调速的方式。S-2、S-4机组各包括2台75KW的风机，1台15KW的喷淋泵，1台5KW的循环泵，2台风机采取星/三角启动，工频运行的方式，喷淋泵采取变频调速的方式。S-5机组包括3台15KW的风机(2用1备)，1台5KW的喷淋泵，1台5KW的循环泵，风机采取直接启动，工频运行的方式。所有的循环泵都是直接启动，工频运行。

　　空调机组采用的是定风量全空气处理系统,夏季东北地区气温比较凉爽，采用全新风运行，冬季东北地区空气最低达零下30℃，气温很低，故冬季采用120℃以上的高温高压热水，由厂方集中供热系统直接提供,高温热水送入空调机组的热盘管中。室外的新风和室内的回风在机组的前端混合后，经过初效过滤，通过热盘管进行热交换，因为冬季室外新风温度太低，故空调采用2级加热，换热后空气再经过中效过滤送到需要使用的工作间，利用后的室内空气再通过排气风机系统排掉一部分，(排风要根据工艺要求，保持工作间正压运行)一部分再和新风混合后返回空调系统中，这样一来可以利用室内回风降低能量消耗，达到较好的节能效果。

　　在空气处理过程中，为了满足空气中的湿度要求，采用加湿器在送风时进行加湿处理。加湿时启动喷淋泵，水经过喷淋头向外喷洒，一旦喷淋槽水位低时喷淋泵无法启动，此时只有将喷淋槽的水注入到高于低水位时，喷淋泵才能启动。喷淋泵不允许长时间空转。

　　空调启动时，必须先打开新风风门，调整回风风门按适当比例打开，同时将循环泵启动，让热水先进入加热器，把里面的热盘管预热一下，随后启动2台75KW风机，将新风抽入。加热器上面有进水阀控制热水的进入，下面有回水阀控制热水流回管道系统。空调系统的温度控制主要控制回水阀，进水阀一般不做控制。

　　在初效和中效过滤网处安装有差压开关，当过滤网阻塞，过滤网两侧的压差增大，增大到200PA时，差压开关动作，此时要及时报警通知操作人员更换过滤布。

　　空调的中部安装有风速传感器，可以检测风速的大小，进行风量的记录，保证系统送风量满足工艺要求，同时可以检测风道内有没有阻塞。

　　加热器价格很高，而且东北地区气温低，如果热水供给的不足，很容易在短时间内将加热器内部的热盘管冻裂，造成严重的设备事故，一般加热器的内侧装有防冻保护开关，当测得换热后的空气温度小于5℃时，立刻切断电气回路，使风机停转，关闭新风风门，完全打开回水阀。

　　节能措施：

　　空调机组的节能有多方面要求，回风和新风的比例在最佳状态运行，是空调机组节能必不可少的措施。由于涂装厂的空调机组容量比较大，其能耗也比较大，采用一些必要的节能措施，可以降低日常运行的成本。

　　对涂装厂空调系统，采用如下节能手段：

　　回/新风的比例调节

　　在新风口和回风口设置模拟量风阀驱动器，冬季根据室内外的温差，适当调整新风回风比例，充分提高节能效果。

　　夏季采用全新风运行模式

　　最小新风量控制

　　当室外新风温度与室内温度差别较大的条件时，我们对系统新风和回风比例进行调节，即减小新风阀，对新风量做最小控制。当室外新风温度与室内温度差别较小的条件时，我们对系统新风和回风比例进行调节，即减小回风阀，对回风量做最小控制。

　　2.2 排风系统的组成及各部分功能介绍

　　排风系统包括19台屋面排风机、1台排风机箱和3台区域排风机组成。这些设备分为4组，由4个控制柜AC1-AC4进行控制。AC1包括P163.73KW，P173.73KW，P183.73KW，P193.73KW，P201.49KW，S65.59KW，S75.59KW，S85.59KW这8台设备;AC2包括P15.59KW，P23.73KW，P33.73KW，P112.24KW，P135.59KW，P145.59KW，P155.59KW这7台设备;AC3包括1台90KW的送风机箱;AC4包括P45.59KW，P55.59KW，P62.24KW，P75.59KW，P85.59KW，P95.59KW，P105.59KW这7台设备。

　　排风系统的风机控制比较简单，每台风机只有启停控制和风机过流检测，此外在排风机处安装有压差开关，以便检测风机是否阻塞，及时保护风机。风机的控制根据排风系统的控制要求进行手动控制和自动群控。

　　2.3 本控制系统的具体控制要求

　　2.3.1 系统总体监控要求

　　每台组合式空调设1台本地控制柜，设4台屋面风机和区域送风机控制柜，其中1台控制柜作为主控柜，可以统一监控所有的空调机组和排风机组。

　　本地控制柜有手/自动转换开关，可以实现本地、远程控制，本地控制柜可以看到温度、湿度、送风速度、风机状态等各种参数;主控柜可以监控5台空调机组和23台排气风机状态，并可以群控各个设备;主控柜设有本地/远程开关，当打到远程时，涂装厂主控室可以获得控制权，从上位机监控空调风机;主控柜设有冬/夏季模式开关，夏季模式高温水停送，加热阀不参与调节。

　　2.3.2 S-1至S-4组合式空调机组的控制要求

　　主要检测控制以下内容：

　　初效和中效过滤网阻塞报警检测

　　两个过滤网处安装两个差压开关，当过滤网两侧差压达到一定数值，证明过滤网被灰尘阻塞，需要及时报警，以便维护人员更换。

　　热水供水和回水温度检测报警

　　了解机组热媒的工况，回水温度过低需要及时报警，以防加热器冻裂。

　　室外新风温度检测

　　由于东边地区冬季温度很低，新风温度传感器测温范围-50～+50℃。

　　空调送风温度检测

　　送风温度采用PT100标准热电阻进行检测，它是温度控制的重要参数。

　　送风风速检测

　　根据风道中的风速可以估算出送风量情况，由于所有机组都向一个大空间送风，工频机组可以保持风量恒定，不一定要通过风门调节风量，空间总的风量调节通过变频机组来实现。

　　送风区域温湿度检测

　　送风区域室内外压差检测

　　空调风机变频器电流、运行状态检测

　　空调风机故障检测

　　S-1、S-3风机采用变频调速方式，故障点取自变频器;S-2、S-4风机工频运行，故障点取自热继电器。

　　喷淋泵变频电流、运行状态检测

　　喷淋泵需要和风机联锁，当风机停机时，喷淋泵自动停止。

　　喷淋泵变频故障检测

　　热水循环泵状态检测

　　热水循环泵故障检测

　　低温防冻保护、报警

　　东北地区冬季温度能达到零下20～30℃，室外新风温度很低容易冻坏加热器，因此防冻保护非常重要，当热盘管后的空气温度低于报警温度值时，系统会发出防冻报警信号，同时切断电气回路，使空调停机，控制系统自动关闭风机、关闭新风风门、热水阀开到100%、启动热水循环泵、停止喷淋泵。

　　消防信号联动

　　空调的出风口处安装消防栓，当温度过高，消防栓动作，需要空调停止运行、加热水阀关闭、新风阀关闭、喷淋泵和循环泵都停止。

　　新风风门和送风风门驱动器联锁

　　为了保证空调箱体不会出现过压，新风风门和送风风门需要联锁，以防在空调运行时出现新风风门打开而送风风门关闭的事故。

　　新风风门和空调风机联锁

　　新风风门必须打开后，空调风机才能运行，空调风机停止运行或出现故障时新风风门必须关闭，以免冻坏加热器。

　　热水循环水泵联锁

　　循环泵和空调风机联锁，冬季模式下，循环泵先开20s后，空调风机启动，风机停止运行，循环泵立刻停止运行。

　　热水调节阀门控制

　　依靠对热水阀门的调节，控制高温高压热水进入空调加热器的流量，从而达到对送风温度的控制，其控制误差±1℃。

　　加湿喷淋泵变频控制

　　送风区域相对湿度控制在55%±5%，加湿槽有上下限浮球开关，槽子水位必须在一定范围内，过高或过低喷淋泵不能运行，一般需要每隔半个小时放一次水。

　　风机变频控制

　　根据送风区域室内外的空气压差，控制风机的变频，调整送风量，达到控制室内微正压的目的。

　　2.3.3 S-5机组的控制要求

　　S-5机组除了完成S-1至S-4机组相同的参数检测、控制外，当风机产生故障时，发出报警信号，备用风机自动投入运行，3台风机2用1备。

　　2.3.4 排风系统控制要求

　　风机起停控制

　　排风系统的控制柜上必须有手/自动开关，系统能够实现风机的就地手动控制和在主站触摸屏的远程群控。

　　S6风机与洁净间联锁，必须检测到洁净间的允许启动信号，S6风机才能启动。

　　P12与强冷室联锁，当检测到强冷室的允许信号，P12才能启动。

　　P1-P6，P11-P20和S1-S4空调机组联锁，即在主站自动启动/停止S1-S4风机时，自动启动/停止以上风机。P7-P9风机与S5空调机组联锁。

　　微正压控制

　　微正压控制时，当室内压力达不到设定值时，需要停止一部分风机才能保证正压要求，这时可以顺序停掉P6、P10、P11、P13、P14、P18，当室内正压恢复时可以再反方向顺序启动以上风机。

　　第三章 系统总体设计

　　要构成一个控制系统，首先要根据控制要求配备各种硬件，然后把各个部件之间用网络连接起来，这样便形成了控制系统的框架。再通过软件编程、组网，从而形成一个能实现一定功能要求的系统。目前采用PC机做为上位机，配合现场的触摸屏、操作屏与多台PLC控制单元为核心组成分布式测控系统在当今的许多生产自动化领域已得到广泛应用，这种系统利用了可编程控制器(PLC)、触摸屏、操作屏的性价比高，控制通讯功能强，操作灵活，抗干扰能力好的特点，组建适用于分布式现场控制的前端控制单元，同时也利用了PC计算机软硬件资源丰富、管理控制功能强大和用户界面友好的特点。

　　本项目共9个电控柜，5个组合式空调各对应1个电控柜(S1～S5)，其余排气风机系统按照优化分组控制的原则选用4个电控(AC1～AC4)柜分组控制，其中AC1还要做为主控柜对所有通风设备进行群控。我们选用SIEMENS公司S7-313CPLC作为现场控制单元即控制分站，将现场监测仪表信号及控制、采集信号接入各远程分站;选用S7-315PLC做为控制主站。通过现场总线将控制主站、远程分站相连。由于涂装厂引进的ESENMAN的整条涂装线的各个控制系统与涂装厂主控室的网络通讯都是采用工业以太网，通风系统做为主控室的一个分站系统，其控制主站与涂装厂中央控制室也通过工业以太网连接，这样做一是考虑到兼容性，二是工业以太网有其自身的优点。整个自动化监控系统构成SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。

　　第四章 网络通讯技术在空调系统中的应用

　　4.1 MPI网络

　　在S1-S5五个空调机组中，需要通过OP3与各个机组的控制器进行通信，在主站AC1中，需要通过触摸屏TP270和主站的控制器进行通信。OP3和TP270与进行通信的控制器都在在一个控制柜上，它们间的通讯数据量不大，故采用MPI网络协议。

　　第五 章结束语

　　本课题所研究的系统是一个涉及面较广，较为完整的测控系统，综合运用了通信、网络、PLC、计算机、智能检测及自动化等现代化信息技术，实时进行空调机组和排气风机监控、温湿度控制等，实现现场分布控制、中央集中控制、上位监督控制的综合监控系统。