空調(diào)制冷自控系統(tǒng)在卷煙廠(chǎng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 靜（五洲工程設(shè)計(jì)研究院， 北京 100053）

隨著技術(shù)改造大潮的推進(jìn)，卷煙廠(chǎng)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，隨著各種昂貴的設(shè)備儀器越來(lái)越多地被使用，再加上產(chǎn)品的高價(jià)值的特性、特殊的環(huán)境要求，卷煙廠(chǎng)建設(shè)中對(duì)空調(diào)制冷自控系統(tǒng)越來(lái)越重視，各種先進(jìn)的探測(cè)手段、控制方式被應(yīng)用到卷煙廠(chǎng)中。下面就以上海卷煙廠(chǎng)的空調(diào)制冷自控系統(tǒng)為例進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 工程概述

1.1 廠(chǎng)區(qū)概述

上海煙草（集團(tuán)）“中華”牌卷煙專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)改造工程， 包括76#和80#兩個(gè)地塊。76＃地塊占地面積39,079.92m2，80＃地塊占地面積22,146.78m2。

在76#地塊內(nèi)建年產(chǎn)500億支的中華生產(chǎn)工房（建筑面積75,124.5 m2），包括制絲工房、卷結(jié)包卷接包工房、生產(chǎn)輔房等。

在80#地塊內(nèi)新建中華煙輔助工房（建筑面積39,676.3 m2），包括為全廠(chǎng)配套的輔料庫(kù)、35kV變配電室及動(dòng)力能源管控中心，為“中華專(zhuān)線(xiàn)”配套的片煙高架庫(kù)、成品高架庫(kù)和生活輔房。

其他輔助用房如傳達(dá)室、門(mén)衛(wèi)、污水處理站及工業(yè)垃圾站等。

上海煙草（集團(tuán)）“中華”牌卷煙專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)中，需建設(shè)空調(diào)和制冷的自控系統(tǒng)。此系統(tǒng)是動(dòng)力能源集成系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過(guò)profinet連接入動(dòng)力能源集成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。空調(diào)、制冷的自控系統(tǒng)主要根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的工藝要求，完成對(duì)空調(diào)設(shè)備的自動(dòng)控制以及與制冷機(jī)組、換熱設(shè)備的聯(lián)控、群控。系統(tǒng)滿(mǎn)足先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)性、可靠性、開(kāi)放性、可操作可維護(hù)性、實(shí)用性、節(jié)能性及規(guī)范性的要求，采用分散控制、集中管理、綜合監(jiān)控的模式，實(shí)現(xiàn)被控區(qū)域的溫濕度控制及能源管理合理化。

1.2 空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)37臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組的自動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括PLC控制器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、觸摸屏、溫濕度傳感器、風(fēng)量計(jì)、空氣壓差開(kāi)關(guān)、預(yù)熱/表冷/加熱/加濕電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及執(zhí)行器、風(fēng)閥執(zhí)行器、溫度及壓力傳感器、流量計(jì)等。

1.3 制冷自動(dòng)控制系統(tǒng)

動(dòng)力中心制冷站自控系統(tǒng)，被控對(duì)象包括制冷機(jī)6臺(tái)、冷卻塔6組（每組3臺(tái)風(fēng)扇）、一次變頻冷凍水泵6臺(tái)、二次變頻冷凍水泵7臺(tái)（6用1備）和變頻冷卻水泵6臺(tái)。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

1）國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

《卷煙廠(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（YC0009-2003）；

《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50314-2000）；

《工業(yè)自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50093-2002）；

《自動(dòng)化儀表安裝工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ131-90）；

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ16-2008）；

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005）。

2）暖通、水道專(zhuān)業(yè)提出的監(jiān)控要求。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

空調(diào)制冷自控系統(tǒng)采用集散式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由管理、控制和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備三個(gè)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成。各網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）管理網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)完成系統(tǒng)集中監(jiān)控和各種系統(tǒng)的集成。

2）控制網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)完成各設(shè)備的自動(dòng)控制。

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)完成末端設(shè)備控制和現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的信息采集和處理。

4 系統(tǒng)控制模式

4.1 運(yùn)行模式

控制系統(tǒng)具有自動(dòng)、遙控和手動(dòng)三種運(yùn)行模式。

1）自動(dòng)模式是控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行模式，是在無(wú)人干預(yù)的情況下全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有的監(jiān)控功能（除參數(shù)再設(shè)定、報(bào)表打印等必需的手動(dòng)操作）；

2）遙控模式是在能源管理中心的操作站上能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、水泵及電動(dòng)閥體等）進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)啟停和調(diào)節(jié)；現(xiàn)場(chǎng)控制器要求提供控制端口，保證所有在現(xiàn)場(chǎng)手控能實(shí)現(xiàn)的控制功能（控制模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)除外）均能由遠(yuǎn)端遠(yuǎn)程手動(dòng)完成。

3）手動(dòng)模式是在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的控制柜的人機(jī)界面HMI或設(shè)備本體上完成對(duì)設(shè)備的單獨(dú)操作（設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的控制柜包含設(shè)備啟停等必備元器件）。在權(quán)限劃分上，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制權(quán)限最大，一旦現(xiàn)場(chǎng)控制柜的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)調(diào)至“現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)”，將屏蔽所有遠(yuǎn)端指令，包括自控和遠(yuǎn)程手動(dòng)，且僅由現(xiàn)場(chǎng)操作面板實(shí)施控制。

控制系統(tǒng)無(wú)論在自動(dòng)還是遙控模式下，均能準(zhǔn)確、可靠地完成設(shè)備的順序啟/停及各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；在手動(dòng)模式下完成各個(gè)單機(jī)設(shè)備手動(dòng)操作功能，以滿(mǎn)足設(shè)備維修、調(diào)試時(shí)的需要；在自動(dòng)和遙控模式下都要精確監(jiān)測(cè)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和各個(gè)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理

空調(diào)制冷自控子系統(tǒng)配置的壓力、溫度、液位及流量傳感器全部帶HART通訊。冷凍站和換熱站系統(tǒng)PLC控制柜內(nèi)配置HART協(xié)議多路轉(zhuǎn)換器，空調(diào)系統(tǒng)可以按區(qū)域集中配置HART協(xié)議多路轉(zhuǎn)換器柜，動(dòng)力能源集成系統(tǒng)中配置的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)可以直接連接多路轉(zhuǎn)換器并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理。

5 空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 控制功能設(shè)計(jì)

1）實(shí)現(xiàn)各車(chē)間空調(diào)區(qū)域的恒溫恒濕控制功能。采用全年多工況恒溫恒濕節(jié)能控制策略，盡可能優(yōu)化控制邏輯和PLC程序，使溫、濕度控制趨向最準(zhǔn)確、最穩(wěn)定。

2）空調(diào)機(jī)組啟?？刂疲ā白詣?dòng)”、“遙控”和“就地手動(dòng)”運(yùn)行模式。

3）空調(diào)風(fēng)機(jī)與各電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（風(fēng)閥、水閥、汽閥等）及消防系統(tǒng)的聯(lián)鎖安全運(yùn)行控制?？照{(diào)風(fēng)柜門(mén)的安全連鎖控制。

4）送風(fēng)溫濕度超限控制，防空調(diào)送風(fēng)“飄水”控制。

5）部分空調(diào)風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能控制，提供風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能控制方案和節(jié)能效益預(yù)測(cè)。

6）根據(jù)空調(diào)實(shí)際負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)空調(diào)末端設(shè)備與冷水機(jī)組節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行控制，達(dá)到節(jié)能控制要求。

7）其他手動(dòng)調(diào)節(jié)方案：各電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（水閥、汽閥、風(fēng)閥）帶現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，可實(shí)現(xiàn)就地開(kāi)度調(diào)節(jié)。

8）火災(zāi)時(shí)與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

5.2 監(jiān)測(cè)功能

1）車(chē)間溫濕度參數(shù)：在每臺(tái)空調(diào)機(jī)組服務(wù)的車(chē)間區(qū)域內(nèi)選擇有代表性的多點(diǎn)布置溫濕度傳感器，采用多點(diǎn)加權(quán)平均值作為控制依據(jù)；

2）新風(fēng)溫濕度參數(shù)；

3）送、回風(fēng)溫濕度參數(shù)，其中回風(fēng)溫濕度傳感器考慮防塵措施；

4）過(guò)濾器出風(fēng)側(cè)混風(fēng)溫濕度參數(shù)及表冷器出風(fēng)側(cè)露點(diǎn)溫濕度參數(shù)；

5）粗效過(guò)濾器、中效過(guò)濾器及送/回風(fēng)機(jī)空氣壓差狀態(tài)監(jiān)測(cè)；

6）新/回風(fēng)閥、表冷閥、加熱閥及加濕閥開(kāi)度監(jiān)測(cè)；

7）消防火警聯(lián)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；

8）風(fēng)機(jī)起?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手/自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行時(shí)間累計(jì)；

9）PLC控制器與風(fēng)機(jī)變頻器、AP電量?jī)x或軟啟動(dòng)器通訊（Profibus-DP或Profinet接口通訊），讀取變頻器或軟啟內(nèi)部參數(shù)，包括：頻率設(shè)定，電機(jī)運(yùn)行電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)距、功率等參數(shù)以及故障、報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)，啟停控制均采用實(shí)點(diǎn)控制，以免通訊干擾造成失控；

10）各種流量計(jì)瞬時(shí)流量、累計(jì)流量監(jiān)測(cè)，所有累計(jì)流量數(shù)據(jù)長(zhǎng)度足夠大，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)位數(shù)不夠，長(zhǎng)期運(yùn)行后記錄數(shù)值溢出的現(xiàn)象；

11）每臺(tái)空調(diào)機(jī)組表冷器和加熱器（預(yù)熱器）盤(pán)管進(jìn)出水溫度和進(jìn)水壓力監(jiān)測(cè)；

12）每個(gè)空調(diào)機(jī)房（或空調(diào)區(qū)域）冷凍水供水總管、熱水供水總管和蒸汽供汽總管上，設(shè)溫度、壓力及流量監(jiān)測(cè)；

13）新風(fēng)機(jī)組新風(fēng)風(fēng)量監(jiān)測(cè)；

14）部分空調(diào)機(jī)組配置了高壓微霧加濕裝置，自帶控制系統(tǒng)。

以上參數(shù)由每臺(tái)空調(diào)機(jī)組的PLC控制站就地監(jiān)測(cè)，并根據(jù)控制功能要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析（如焓值計(jì)算、全年多工況分區(qū)、新回比計(jì)算等）。各參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等由現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站經(jīng)控制總線(xiàn)傳送至中央監(jiān)控層進(jìn)行集中顯示、貯存、數(shù)據(jù)分析與處理以及報(bào)表打印等。

5.3 安全保護(hù)功能

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制柜配套相關(guān)外圍設(shè)備及軟件策略可實(shí)現(xiàn)如下保護(hù)功能：

1）掉電保護(hù)：蒸汽加熱/蒸汽加濕器電動(dòng)閥所配套電動(dòng)執(zhí)行器均為斷電復(fù)位型，系統(tǒng)突然掉電時(shí)，可以自行關(guān)閉，以防止停電時(shí)蒸汽在空調(diào)箱內(nèi)積聚；

2）缺風(fēng)保護(hù)：在送回風(fēng)段后設(shè)置送回風(fēng)風(fēng)速檢測(cè)，對(duì)表冷器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥/蒸汽加熱盤(pán)管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥/蒸汽加濕器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的投入進(jìn)行限制。即風(fēng)速達(dá)不到保護(hù)值，則上述閥門(mén)不得投入工作；如果開(kāi)機(jī)3min后風(fēng)速仍達(dá)不到要求，則發(fā)出缺風(fēng)故障報(bào)警；

3）停機(jī)延時(shí)：需關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，先關(guān)掉表冷、加熱、加濕閥，送風(fēng)機(jī)延時(shí)3min后關(guān)閉，以清除機(jī)組內(nèi)殘留的余熱余濕；

4）過(guò)濾器壓差報(bào)警：在過(guò)濾器前后設(shè)置壓差傳感器，當(dāng)壓差超限時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提示操作人員檢修（設(shè)定值可以調(diào)整）；

5）送風(fēng)高溫限制：為保護(hù)送風(fēng)機(jī)電機(jī)安全可靠運(yùn)行，通過(guò)送風(fēng)溫濕度傳感器調(diào)節(jié)蒸汽加熱盤(pán)管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥限制送風(fēng)溫度不超過(guò)最高限值。當(dāng)送風(fēng)溫度大于40℃時(shí)，自控系統(tǒng)保證加熱電動(dòng)閥的開(kāi)度不再繼續(xù)開(kāi)大；

6）送風(fēng)高濕限制：為防止加濕量過(guò)大無(wú)法及時(shí)被空氣充分吸收導(dǎo)致在送風(fēng)管道內(nèi)再凝結(jié)，通過(guò)送風(fēng)濕度傳感器調(diào)節(jié)加濕器限制加濕工況下送風(fēng)相對(duì)濕度不得大于95%，當(dāng)超過(guò)50%時(shí)保持加濕閥不再開(kāi)大；并將送風(fēng)濕度控制在95%以下，使送風(fēng)口不凝水的前提下保證最大加濕量；

7）送風(fēng)低溫限制：為防止送風(fēng)溫度過(guò)低導(dǎo)致送風(fēng)管道及送風(fēng)口外部凝水，通過(guò)送風(fēng)溫度傳感器調(diào)節(jié)表冷器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥限制送風(fēng)溫度不低于最低限值；送回風(fēng)溫差不大于10℃～12℃，可據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況再次整定；

8）停機(jī)安全保護(hù)：對(duì)空調(diào)機(jī)設(shè)置安全保護(hù)裝置，在空調(diào)箱體送風(fēng)檢修段內(nèi)部設(shè)置安全急停保護(hù)按鈕及與其配套的按鈕盒。檢修段內(nèi)部設(shè)置安全急停保護(hù)按鈕信號(hào)送入PLC。當(dāng)安全急停保護(hù)按鈕被按下時(shí)，空調(diào)機(jī)組不能啟動(dòng)，在操作顯示屏及上位機(jī)能夠顯示哪個(gè)工藝段在檢修操作。

6 制冷自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 控制功能設(shè)計(jì)

1）制冷站節(jié)能優(yōu)化控制：根據(jù)工藝設(shè)備末端側(cè)的實(shí)際冷負(fù)荷需求，采用變流量、臺(tái)數(shù)群控、變水溫等多種節(jié)能控制策略?xún)?yōu)化組合，將制冷站各設(shè)備（冷水機(jī)組、冷凍/冷卻水泵、冷卻塔）控制在最節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài)下。

2）冷凍站各設(shè)備安全聯(lián)動(dòng)控制：冷凍站各設(shè)備（冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、電動(dòng)蝶閥等）實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，保證冷凍站各設(shè)備安全、正常運(yùn)行，避免冷水機(jī)組頻繁啟停、燒壞電機(jī)、凍裂盤(pán)管等事故發(fā)生。

3）根據(jù)冷水機(jī)組的最低流量需求調(diào)節(jié)旁通電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。

4）根據(jù)冷卻水供水溫度對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)進(jìn)行節(jié)能控制。

5）值班水泵出現(xiàn)故障后，備用水泵自動(dòng)投入運(yùn)行控制。

6）根據(jù)冷卻塔水池液位狀態(tài)對(duì)冷卻水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水控制。

7）換熱機(jī)組的運(yùn)行控制，并根據(jù)季節(jié)模式遠(yuǎn)程自動(dòng)切換輔房冷凍水、熱水控制。

8）冬季自動(dòng)控制輔房換熱站熱水水溫。

6.2 監(jiān)測(cè)功能

1）每臺(tái)冷機(jī)冷卻水總管供回水溫度、壓力，帶變送器、供水流量監(jiān)測(cè)。

2）每臺(tái)冷機(jī)冷卻水供水電動(dòng)蝶閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3）每臺(tái)冷凍水泵、冷卻水泵、冷水機(jī)組和冷卻塔風(fēng)機(jī)的手/自動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4）每臺(tái)板換冷卻水供回水總管溫度、供回水溫度、壓力及電動(dòng)蝶閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

5）每臺(tái)分集水器的溫度及壓力監(jiān)測(cè)。

6）各分水器壓力及溫度檢測(cè)、壓力控制；分水器至各用戶(hù)支管上的流量、各支路熱水流量監(jiān)測(cè)；一次分水器與二次分水器之間旁通閥開(kāi)度監(jiān)測(cè)。

7）集水器與一次分水器之間旁通閥開(kāi)度監(jiān)測(cè)；集水器上各用戶(hù)支路回水溫度及壓力監(jiān)測(cè)。

8）高露點(diǎn)及工藝板換冷凍供水總管電動(dòng)閥開(kāi)度。

9）補(bǔ)水箱液位低報(bào)警監(jiān)測(cè)。

10）熱力站蒸汽分汽缸集汽缸各支路流量監(jiān)測(cè)。

11）每臺(tái)換熱器供汽總管電動(dòng)蝶閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電磁閥開(kāi)度、供回水總管溫度、供水流量、回水泵手/自動(dòng)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)及故障監(jiān)測(cè)。

12）熱水補(bǔ)水母管壓力，熱水補(bǔ)水泵起?？刂啤⑦\(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警；閉式膨脹水罐定壓機(jī)組自帶成套控制柜，向本系統(tǒng)提供通訊接口（Profibus-DP），我方進(jìn)行集成。

6.3 通訊集成功能

1）采集冷凍水泵、冷卻水泵、循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)扇的運(yùn)行電流、電壓、頻率和功率等參數(shù)以及故障、報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)，啟停、頻率控制和運(yùn)行狀態(tài)、就地/遠(yuǎn)控模式采用實(shí)點(diǎn)。

2）采集冷水機(jī)組的內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)和PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的雙向通信。

以上采集的冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)在中央監(jiān)控層操作站上以冷水機(jī)組內(nèi)部工藝動(dòng)態(tài)流程圖的形式進(jìn)行顯示。

3）根據(jù)空調(diào)末端側(cè)的負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)冷凍供水溫度再設(shè)定節(jié)能功能。

7 結(jié)束語(yǔ)

要充分理解空調(diào)制冷自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中靈活應(yīng)用。此次上海卷煙廠(chǎng)空調(diào)制冷自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用SIEMENS可編程控制器，在煙草行業(yè)的空調(diào)制冷自控系統(tǒng)多采用SIEMENS公司或ABB公司設(shè)備。