工業(yè)環(huán)境溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

（河北旭華電子科技有限公司，石家莊 050000）

0 引言

很多工廠甚至住宅樓都對(duì)溫濕度有了較高的要求，比如溫度控制在20～25 ℃、濕度控制在25～60%之內(nèi)，而且范圍可以按需要進(jìn)行調(diào)整，廠房?jī)?nèi)主要房間的溫度、濕度和壓差都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)控制要求可分為3大塊，分別為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、中央監(jiān)控站和現(xiàn)場(chǎng)操作站。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)被控對(duì)象的大小可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)別劃分，系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線的集中控制系統(tǒng)，最底層是設(shè)備控制層，主要完成設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制及監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)主要以可編程邏輯控制器（簡(jiǎn)稱PLC）為主。第二層是監(jiān)控層，主要完成系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)，并向設(shè)備控制層下達(dá)控制指令，設(shè)備采用工業(yè)計(jì)算機(jī)或者人機(jī)界面HMI。第二層向上可連接公司級(jí)管理層MIS系統(tǒng)，接收其下達(dá)的任務(wù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 監(jiān)控級(jí)

管理層和監(jiān)控層統(tǒng)稱監(jiān)控級(jí)，是集中監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)報(bào)警，運(yùn)行記錄以及各種報(bào)表等?，F(xiàn)場(chǎng)總線為工業(yè)以太網(wǎng)總線，以太網(wǎng)總線按照距離劃分可選擇網(wǎng)線或者光纖[1]。操作員站為工業(yè)級(jí)工控計(jì)算機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可連續(xù)運(yùn)行，安裝在廠區(qū)主控室或者監(jiān)控室內(nèi)，可以實(shí)時(shí)地顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行情況。計(jì)算機(jī)采用人機(jī)界面組態(tài)軟件，如今的組態(tài)軟件眾多，比如西門子WinCC，組態(tài)王，F(xiàn)OXBORO等，計(jì)算機(jī)配有網(wǎng)卡和服務(wù)器軟件包選項(xiàng)。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)主要功能是接收管理層下達(dá)的參數(shù)設(shè)置或設(shè)備運(yùn)行、停止命令，按操作員要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況傳達(dá)到管理層?，F(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備與主站之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接，現(xiàn)場(chǎng)總線采用PROFIBUS通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。

2 硬件配置

2.1 PLC選型

在設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)時(shí)，主要根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行工藝和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及技術(shù)協(xié)議。PLC的硬件配置及功能要與技術(shù)協(xié)議要求和控制工藝相一致。按照工程實(shí)際需求和應(yīng)用場(chǎng)合可選擇現(xiàn)場(chǎng)主站PLC模塊組，PLC的選擇按照點(diǎn)數(shù)計(jì)算確定，比如輸入點(diǎn)數(shù)、輸出點(diǎn)數(shù)，其中又包括數(shù)字量和模擬量，并且預(yù)留15%左右的備用點(diǎn)以備后續(xù)升級(jí)改造或者某點(diǎn)損壞更換需要。PLC的存儲(chǔ)容量也在考慮范圍之內(nèi)，一般所選點(diǎn)數(shù)足夠的前提下存儲(chǔ)容量不用考慮在內(nèi)（除特殊情況），對(duì)于中大型的PLC一般會(huì)設(shè)有移動(dòng)存儲(chǔ)卡，用于存儲(chǔ)程序。還有就是PLC的運(yùn)算速度，運(yùn)行程序所需要的時(shí)間，如果程序較大需選擇運(yùn)算速度相對(duì)高的PLC。工業(yè)發(fā)展越來(lái)越迅速，PLC也是種類繁多，應(yīng)用比較廣的有西門子、施耐德、AB、歐姆龍、臺(tái)達(dá)等。比如西門子S7-300系列PLC的CPU315-2DP。S7-300型PLC如圖2所示。

圖2 西門子S7-300型PLC

2.2 PLC編程方式

西門子S7-300系列PLC有專業(yè)的編程軟件STEP7，此軟件畫面簡(jiǎn)單易懂，而且已經(jīng)有漢化版本，編程方式靈活，應(yīng)用非常廣泛。STEP7集成了IEC-1131標(biāo)準(zhǔn)中的6種編程語(yǔ)言，如STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL。其中主要的組態(tài)工具用CFC、SFC和SCL語(yǔ)言，用來(lái)進(jìn)行傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中連續(xù)信號(hào)過(guò)程控制項(xiàng)目的組態(tài)。STEP7中的LAD、FBD和STL編程語(yǔ)言可以很方便的對(duì)邏輯控制進(jìn)行編程，如聯(lián)鎖控制、自鎖控制和順序控制等。STEP7軟件編程界面如圖3所示。

圖3 STEP7軟件編程界面

2.3 上位機(jī)軟件功能

上位機(jī)軟件采用西門子組態(tài)軟件WinCC，通過(guò)WinCC對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。WinCC是德國(guó)西門子公司與微軟公司共同開(kāi)發(fā)的，基于Windows系統(tǒng)（目前支持最新的Windows10操作系統(tǒng)），是在自動(dòng)化領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位的工控軟件，其開(kāi)放性可靠性和安全性非常高，可應(yīng)用于各種的工業(yè)環(huán)境。WinCC的監(jiān)控性能非常強(qiáng)大，不但可以完全勝任小規(guī)模的過(guò)程監(jiān)控應(yīng)用，也可以勝任大規(guī)模復(fù)雜的工業(yè)監(jiān)控環(huán)境。工程設(shè)計(jì)人員可以便捷的對(duì)WinCC進(jìn)行編程組態(tài)，按照工程技術(shù)的要求生成簡(jiǎn)單明了而便捷的人機(jī)對(duì)話窗口，可以使現(xiàn)場(chǎng)操作人員方便快捷地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。

WinCC系統(tǒng)自帶標(biāo)準(zhǔn)用戶界面（概貌區(qū)，畫面區(qū)，按鈕區(qū)，趨勢(shì)，報(bào)警行，面板），可以方便工程設(shè)計(jì)人員的編程操作，畫面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)航明了，操作起來(lái)更能得心應(yīng)手。系統(tǒng)還設(shè)有開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)項(xiàng)目功能，可以直接進(jìn)入監(jiān)控界面進(jìn)行操作。WinCC用戶界面如圖4所示。

圖4 WinCC組態(tài)界面

WinCC系統(tǒng)帶有標(biāo)準(zhǔn)的面板控件供工程設(shè)計(jì)人員選擇，可以方便的用以控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制策略，如電機(jī)控制控件（如圖5所示），閥門控制控件（如圖6所示），PID控制控件（如圖7所示），步進(jìn)控件等。

圖5 電機(jī)控制控件

圖6 閥門控制控件

圖7 PID控制控件

WinCC系統(tǒng)具有多屏幕顯示功能，通過(guò)項(xiàng)目編輯器對(duì)顯示窗口進(jìn)行布局設(shè)置即可，也可以直接將畫面拖拽到其他顯示器，使操作員更加直觀的監(jiān)控全局設(shè)備。為了操作方便和管理，溫濕度控制系統(tǒng)按照級(jí)別劃分設(shè)有工程師站和操作員站。工程師站享有所有權(quán)限，可以調(diào)試設(shè)備，更改系統(tǒng)配置，修改重要參數(shù)等功能。操作員站按照級(jí)別劃分組，組長(zhǎng)可以增加或者刪減管理員權(quán)限，可以修改部分參數(shù)，報(bào)表以及報(bào)警管理等。操作員站只是對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，監(jiān)控運(yùn)行情況，打開(kāi)關(guān)閉閥門或者變頻器等簡(jiǎn)單指令。

WinCC系統(tǒng)的通訊功能非常強(qiáng)大，可以方便的連接各種設(shè)備，比如與S7-300PLC進(jìn)行通訊，只需要簡(jiǎn)單的幾步設(shè)置。連接方式非常靈活，可以用自帶的OPC代理服務(wù)器功能，也可以通過(guò)通訊卡用PROFIBUS通訊協(xié)議進(jìn)行通訊等。

3 溫濕度控制

溫濕度控制系統(tǒng)全年運(yùn)行工況為恒溫恒濕系統(tǒng)，工藝控制可按季節(jié)工況劃分為冬季工況和夏季工況。

3.1 夏季工況

在夏季室外溫度較高，濕度較大，是一個(gè)高溫高濕的惡劣環(huán)境，控制方式以降溫除濕為主。在保持廠房壓差穩(wěn)定的情況下，采用盡可能小的新風(fēng)補(bǔ)充量，避免室外高溫高濕度的空氣對(duì)系統(tǒng)的干擾，且在表冷器后增設(shè)露點(diǎn)溫度檢測(cè)，該露點(diǎn)溫度設(shè)定值由系統(tǒng)溫度、濕度控制值（t=25 ℃，RH=40%）計(jì)算得出[2]?；仫L(fēng)與新風(fēng)混合后經(jīng)由表冷段降至露點(diǎn)，將多余的水分排除，經(jīng)過(guò)露點(diǎn)控制，混合后的空氣變?yōu)闇囟冉抵谅饵c(diǎn)的飽和空氣（濕度達(dá)到100%），再經(jīng)加熱段對(duì)空氣進(jìn)行升溫處理，由于空氣中的水分總含量一定，相對(duì)濕度自然也能達(dá)到控制要求，如不能達(dá)到要求可增設(shè)表冷器后露點(diǎn)溫度檢測(cè)，以滿足工藝要求。

3.2 冬季工況

冬季與夏季相反，室外處于低溫低濕狀態(tài)，由于溫度、濕度均低于設(shè)定值，控制過(guò)程為新回風(fēng)混合后，加熱升溫至控制值，再進(jìn)行蒸汽加濕。

冬季的控制工藝雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但是要注意防凍的問(wèn)題，尤其是表冷盤管防凍問(wèn)題，首次開(kāi)機(jī)時(shí)由于新風(fēng)溫度較低，室內(nèi)回風(fēng)溫度也較低，這樣如果開(kāi)啟新風(fēng)閥門的話，可能會(huì)凍傷盤管。應(yīng)首先檢查新風(fēng)溫度，如低于設(shè)定溫度，將新風(fēng)閥置于關(guān)閉狀態(tài)，回風(fēng)閥和電動(dòng)加熱閥全部打開(kāi)，按照溫度設(shè)定值進(jìn)行升溫，當(dāng)檢測(cè)表冷器后溫度高于設(shè)定值時(shí)，即可將新風(fēng)閥打開(kāi)一定角度，可防止表冷盤管凍傷，其他控制環(huán)節(jié)按程序執(zhí)行。

4 風(fēng)機(jī)變頻控制

為了便于控制，所有傳動(dòng)部分均采用變頻器傳動(dòng)方式，科學(xué)發(fā)達(dá)的今天，變頻技術(shù)已經(jīng)非常完善，利用微電子技術(shù)，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源的頻率方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器的組成部分主要由整流（交流變直流）、濾波（過(guò)濾干擾信號(hào)）、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元（應(yīng)用于重載需配制動(dòng)電阻）、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和微處理單元等組成。變頻器根據(jù)實(shí)際工況依靠大功率開(kāi)關(guān)管IGBT的開(kāi)斷來(lái)改變輸出電源的電壓和頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器還有各種的保護(hù)功能，如過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)載等?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)檢測(cè)送風(fēng)管道送風(fēng)壓力，與工藝設(shè)定值比較后，通過(guò)控制送風(fēng)機(jī)變頻器頻率，調(diào)整送風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，逐步調(diào)整送風(fēng)壓力至設(shè)定值，保證機(jī)組送風(fēng)量的恒定，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)機(jī)變頻靜壓控制，消除由于機(jī)組濾網(wǎng)阻塞等原因造成的送風(fēng)量的下降。

5 節(jié)能控制

為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的要求，溫濕度控制系統(tǒng)也設(shè)置了節(jié)能方案，在季節(jié)交替的時(shí)候，隨著室外的溫濕度的變化，對(duì)新風(fēng)閥門和回風(fēng)閥門進(jìn)行合理的調(diào)整，新風(fēng)閥門和回風(fēng)閥門設(shè)置為反向聯(lián)鎖控制邏輯，在極端的天氣狀況下盡量減少室外新風(fēng)量的注入，減少了溫度的升降時(shí)間，使室內(nèi)的空氣循環(huán)起來(lái)。

系統(tǒng)工作模式一般分為正常狀態(tài)和值班狀態(tài)兩種工作模式，系統(tǒng)將根據(jù)操作人員的選擇，自動(dòng)從一種工作模式轉(zhuǎn)為其他工作模式。正常狀態(tài)與值班狀態(tài)控制送風(fēng)風(fēng)壓設(shè)定值不同，在值班狀態(tài)保持最小風(fēng)壓，盡可能的實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗[3]。

6 系統(tǒng)功能

溫濕度控制系統(tǒng)可以隨實(shí)際工況和技術(shù)要求設(shè)置系統(tǒng)功能，常用功能有實(shí)時(shí)記錄，超限報(bào)警，局域網(wǎng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，報(bào)表打印，用戶分級(jí)管理等功能。實(shí)時(shí)記錄功能是連續(xù)不間斷采集和記錄工廠或者房間的溫度、濕度、壓差等各項(xiàng)參數(shù)，并以數(shù)字和圖形的方式顯示在監(jiān)控顯示屏上。超限報(bào)警功能，監(jiān)控站配備聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)并與設(shè)定值比較，一但捕獲到異常信號(hào)，系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警，上傳報(bào)警信息并進(jìn)行記錄。局域網(wǎng)監(jiān)測(cè)功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但必須經(jīng)過(guò)授權(quán)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分組或者分批統(tǒng)計(jì)，可以方便查看任何時(shí)段的廠房溫度、濕度和壓差的參數(shù)曲線，可查看各時(shí)段參數(shù)列表、曲線圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、報(bào)表等多種參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是把所有采集到的數(shù)據(jù)和運(yùn)行反饋參數(shù)記錄到監(jiān)控站主機(jī)上，操作員可以自行保存相應(yīng)數(shù)據(jù)，但重要數(shù)據(jù)是以最高權(quán)限自動(dòng)保存的。打印報(bào)表功能可以自動(dòng)定時(shí)打印，也可以按需要手動(dòng)打印，包括控制畫面、歷史曲線、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備報(bào)表和設(shè)備故障報(bào)警等，并且以通用格式輸出，避免了轉(zhuǎn)換格式的苦惱。用戶分級(jí)管理，不同人員輸入不同密碼登錄系統(tǒng)，獲得相應(yīng)的操作權(quán)限，系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)總的管理平臺(tái)，對(duì)操作人員進(jìn)行分級(jí)管理，保證只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作和管理，提高了系統(tǒng)的安全性。

7 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在的科技越來(lái)越發(fā)達(dá)，各種智能化產(chǎn)品相繼誕生，對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，組態(tài)越來(lái)越容易，文中的溫濕度控制系統(tǒng)采用西門子元件組成，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，總線傳輸協(xié)議統(tǒng)一，避免了通訊障礙。為整體的控制環(huán)節(jié)，節(jié)能減排等奠定了基礎(chǔ)。