暖通空調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

劉滿元 魏海波 張鋒

[摘? ? 要]某陽光能源科技有限公司擬建3GW硅片及600 MW組件項(xiàng)目，該項(xiàng)目建設(shè)在一個(gè)封閉的工業(yè)廠房?jī)?nèi)，分割為多個(gè)功能區(qū)，主要功能區(qū)工藝區(qū)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)為潔凈區(qū)域。中央空調(diào)控制系統(tǒng)采用PLC控制，每個(gè)空調(diào)系統(tǒng)或冷卻設(shè)備系統(tǒng)設(shè)1套S7-1200PLC，共計(jì)設(shè)23套PLC站，設(shè)1套操作員站、一套工程師站。PLC站、操作員站及工程師站通過工業(yè)以太網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠房的溫度、濕度控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、開式冷卻塔系統(tǒng)、閉式冷卻塔系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)冷凍水、熱水系統(tǒng)、工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)、剖方機(jī)工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、氬氣系統(tǒng)和真空清掃系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]PLC;變頻器;PID;操作員站;工程師站

[中圖分類號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]A Sunshine Energy Technology Co.， Ltd. plans to build a 3GW silicon wafer and 600 MW module project; the project is built in a closed industrial plant; it is divided into multiple functional areas; the main functional area， the process area and the experimental test area are clean areas; The central air-conditioning control system adopts PLC control; each air-conditioning system or cooling equipment system is equipped with 1 set of S7-1200PLC， a total of 23 sets of PLC stations， 1 set of operator stations， 1 set of engineer stations; PLC stations， operator stations and engineers The stations are connected through industrial Ethernet; realize the temperature and humidity control of the plant; realize the control of the process cooling water system， heat exchange system， open cooling tower system， and closed cooling tower system; realize chilled water， hot water system， Process cooling water system， cutting machine process cooling water system， compressed air system， argon system and vacuum cleaning system are economical and reliable operation.

[Keywords]PLC; frequency converter; PID; operator station; engineer station

1 項(xiàng)目概況

某公司一期項(xiàng)目設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)（鑄錠爐工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)，剖方機(jī)工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)），空調(diào)系統(tǒng)有辦公區(qū)空調(diào)，設(shè)風(fēng)機(jī)盤管+獨(dú)立新風(fēng)的舒適性空調(diào)系統(tǒng)，采用兩管制系統(tǒng)。生產(chǎn)區(qū)空調(diào)，生產(chǎn)區(qū)全部采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)工藝劃分為多晶、磨面拋光區(qū)、洗錠、坩堝脫模、噴涂、清洗車間5個(gè)空調(diào)分區(qū)。潔凈區(qū)空調(diào)，潔凈區(qū)全部采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)工藝劃分為4個(gè)空調(diào)分區(qū)。對(duì)空調(diào)自控要求通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)的啟、停控制及其狀態(tài)顯示，風(fēng)機(jī)盤管的室溫控制及其風(fēng)機(jī)風(fēng)速控制，空調(diào)機(jī)組變頻及送風(fēng)溫、濕度，房間溫濕度、正壓，機(jī)械排煙系統(tǒng)的消防聯(lián)動(dòng)控制。

2 動(dòng)力暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

2.1空調(diào)及工藝?yán)鋮s系統(tǒng)配置控制要求

（1）開式冷卻塔控制.通過開式冷卻塔出水主管上溫度傳感器T1監(jiān)測(cè)溫度控制冷卻塔風(fēng)扇的啟停，當(dāng)出水管水溫T1低于27℃（可調(diào)）時(shí)關(guān)閉一臺(tái)風(fēng)扇。當(dāng)出水溫度高于31度時(shí)開啟一臺(tái)已關(guān)閉的風(fēng)扇，控制反饋延遲30S。冷卻塔出水溫度T1低于24℃（可調(diào)）時(shí)，緩慢開啟冷卻塔供回水之間電動(dòng)調(diào)節(jié)旁通閥，反之，緩慢關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥?？刂品答佈舆t5s。

（2）閉式冷卻塔控制。根據(jù)閉式冷卻塔出水管上溫度傳感器T2、T3檢測(cè)溫度控制冷卻塔風(fēng)扇變頻和啟停：當(dāng)出水管水溫低于24度時(shí)，變頻降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，反之，升高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。當(dāng)出水管溫度低于23℃時(shí)關(guān)閉所有噴淋泵，當(dāng)出水管溫度高于25℃時(shí)開啟所有噴淋泵，控制反饋延遲15s。

（3）冷凍機(jī)控制.冷凍機(jī)根據(jù)總負(fù)載量判斷開啟冷凍機(jī)臺(tái)數(shù)，當(dāng)某臺(tái)冷凍機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)，依次延遲關(guān)閉對(duì)應(yīng)冷凍水泵及冷卻水泵，延遲時(shí)間根據(jù)冷凍機(jī)產(chǎn)品要求，冷凍機(jī)開啟前，先啟動(dòng)對(duì)應(yīng)冷卻水泵和冷凍水泵。

（4）板換溫度控制。根據(jù)二次側(cè)出水管上溫度傳感器T4、T5檢測(cè)溫度控一次側(cè)回水管上電動(dòng)三通閥開度，二次側(cè)回水溫度低于25 ℃時(shí)，緩慢調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥開啟方向，維持二次側(cè)出水溫度在25 ℃。

（5）工藝?yán)鋮s水泵控制。通過供水管上的壓力傳感器壓力值與設(shè)定值比較，控制水泵變頻，維持出水壓力在設(shè)定值。

（6）狀態(tài)監(jiān)控。當(dāng)工藝?yán)鋮s水供水溫度高于25.5 ℃時(shí)，發(fā)出警報(bào)，手動(dòng)開啟冷凍機(jī)系統(tǒng)或檢查故障，監(jiān)控工藝水池水位，當(dāng)液位低于警報(bào)水位時(shí)發(fā)出警報(bào)，檢查系統(tǒng)。監(jiān)控供水壓力，當(dāng)供水壓力低于設(shè)置值時(shí)發(fā)出警報(bào)，檢查系統(tǒng)。

2.2空調(diào)系統(tǒng)控制要求

（1）PEF-1-1-04～07空調(diào)箱空調(diào)AHU-X的初效、中效過濾器壓差現(xiàn)場(chǎng)顯示，當(dāng)過濾器阻力大于下列值時(shí)清洗或更換：初效過濾器的壓差>100Pa;中效過濾器的壓差>160Pa。

（2）室內(nèi)溫度控制（注：新風(fēng)焓值為i;室內(nèi)焓值為i）。

①夏季i>i時(shí)，新風(fēng)比為8.6%，室內(nèi)溫度由電動(dòng)二通閥DX-1控制。

②過渡季i

③冬季i

④夏季、冬季為固定模式，此時(shí)新風(fēng)電動(dòng)閥FX-3的開度須保證最小新風(fēng)量6500CMH，排風(fēng)電動(dòng)閥FX-1風(fēng)量為0CMH，回風(fēng)電動(dòng)閥FX-2的風(fēng)量為68500CMH。

（3）濕度調(diào)節(jié)。

室內(nèi)濕度通過DX-1電動(dòng)閥來控制，濕度高于50%時(shí)，開大閥門DX-1，進(jìn)入表冷器的冷凍水量增加;濕度低于50%，DX-1的動(dòng)作則相反。溫、濕度同時(shí)控制，濕度優(yōu)先控制。

（4）風(fēng)機(jī)起動(dòng)及鏈?zhǔn)娇刂?。送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)與排風(fēng)電動(dòng)閥、回風(fēng)電動(dòng)閥、新風(fēng)電動(dòng)閥聯(lián)鎖，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，先開排風(fēng)電動(dòng)閥、新風(fēng)電動(dòng)閥，再啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī);關(guān)閉時(shí)，次序相反。

（5）PEF-1-1-01～03空調(diào)箱：

夏季，接受新風(fēng)處理后溫度濕度信號(hào)，通過電動(dòng)兩通閥控制進(jìn)入表冷盤管的冷水水量，保證室內(nèi)溫度恒定。

冬季，接受新風(fēng)處理后溫度信號(hào)，通過電動(dòng)兩通閥控制進(jìn)入加熱盤管的熱水水量，保證室內(nèi)溫度恒定;當(dāng)溫度低于2 ℃（可調(diào)）時(shí)，關(guān)閉送風(fēng)機(jī)及新風(fēng)入口電動(dòng)風(fēng)閥，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

當(dāng)循環(huán)空調(diào)箱的表冷盤管電動(dòng)兩通閥全關(guān)，室內(nèi)溫度仍低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)加熱盤管，保證室內(nèi)溫度恒定。

接受新風(fēng)送風(fēng)主管的靜壓信號(hào)，通過VFD控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保證新風(fēng)送風(fēng)壓力的恒定。

（6）風(fēng)機(jī)起動(dòng)及鏈?zhǔn)娇刂?。新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，打開順序?yàn)橄乳_循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)，再開新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，最后開排風(fēng)系統(tǒng)，關(guān)閉則相。

3 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC系統(tǒng)組成

本工程控制范圍有空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、工藝排風(fēng)系統(tǒng)，空壓機(jī)系統(tǒng)，設(shè)18個(gè)空調(diào)控制站及3個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)控制站組成。

3.1.2 空調(diào)系統(tǒng)PLC控制

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的工藝要求及為了安全可靠運(yùn)行，每套空調(diào)設(shè)一套獨(dú)立控制系統(tǒng)，控制設(shè)備采用SIEMENS公司的S7-1200系列，PLC主機(jī)采用1215CDC/DC/RLY。

信號(hào)采集，以下信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)。

（1）數(shù)字量輸入信號(hào)（DI）：進(jìn)入PLC的信號(hào)均采用常開點(diǎn)。

①一般電動(dòng)機(jī)：允許自動(dòng)操作信號(hào)1點(diǎn)，運(yùn)行反饋信號(hào)1點(diǎn)，電機(jī)過負(fù)荷1點(diǎn)。

②變頻供電電機(jī)：允許自動(dòng)操作信號(hào)1點(diǎn)，運(yùn)行反饋信號(hào)1點(diǎn)，電機(jī)過負(fù)荷1點(diǎn)，變頻器事故1點(diǎn)。

③其他設(shè)備：依據(jù)需要采集。

（2）模板采用：DI，16點(diǎn)，24VDC;模板型號(hào)：6ES7221-1BH30-0XB0。

數(shù)字量輸出信號(hào)（D0）：數(shù)字量輸出信號(hào)均采用繼電器輸出模塊，輸出側(cè)配繼電器。

設(shè)備啟動(dòng)/停止用1個(gè)信號(hào)，1點(diǎn)。

（3）模擬量輸入信號(hào)（AI）。

①變頻供電電機(jī)：變頻供電的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入PLC。

②現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)：溫度、適度、壓力等信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)。

模擬量信號(hào)采用4～20mA信號(hào)，模板采用6ES7231-4HF32-0XB0

（4）模擬量輸出信號(hào)（A0）。

①變頻供電電機(jī)：變頻供電的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)。

②閥門開度：閥門開度信號(hào)。

模擬量信號(hào)采用4～20mA信號(hào)，模板采用6ES7232-4HD32-0XB0。

3.1.3 動(dòng)力系統(tǒng)PLC控制

空調(diào)冷凍水及工藝?yán)鋮s水冷源系統(tǒng)及空調(diào)熱水系統(tǒng)，鑄錠爐及切片工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)，壓縮空氣系統(tǒng)，氬氣系統(tǒng)，清掃真空系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的工藝要求及系統(tǒng)安全性要求，每套系統(tǒng)設(shè)一套獨(dú)立控制系統(tǒng)，空壓機(jī)系統(tǒng)及鍋爐系統(tǒng)與空調(diào)冷卻水系統(tǒng)共用1套PLC;控制設(shè)備采用SIEMENS公司的S7-1200系列，PLC主機(jī)采用1215CDC/DC/RLY。

信號(hào)采集，以下信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，同空調(diào)系統(tǒng)PLC控制。

3.2 中央操作系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)操作方式

空調(diào)及動(dòng)力設(shè)備主要有就地控制箱手動(dòng)控制（HC）、PLC自動(dòng)控制（RC）和中央監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制（OS）三種控制方式。三種方式的控制級(jí)別由高到低為就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、自動(dòng)控制，所有參與自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備單機(jī)手動(dòng)試車完后，才允許進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行試車。

3.2.2 中央監(jiān)控系統(tǒng)

中央監(jiān)系統(tǒng)：由監(jiān)控站、工程師站及打印機(jī)系統(tǒng)組成。

主要功能完成系統(tǒng)硬件和軟件配置組態(tài)。

硬件組態(tài)：對(duì)控制系統(tǒng)、操作員站、監(jiān)控站進(jìn)行組態(tài)，對(duì)I/O模塊、控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)。

軟件組態(tài)：對(duì)各種功能塊進(jìn)行組態(tài)、修改各種功能塊的參數(shù)、生成數(shù)據(jù)庫(kù)、繪制各種畫面。

3.2.3 中央操作計(jì)算機(jī)硬件配置

處理器類型：Intel.Corei5-3320M3.3GHz

RAM：8G

硬盤500G

顯示器：21呎

工業(yè)用機(jī)箱（安裝在操作臺(tái)內(nèi)）

圖形卡：32MBRAM，24位顏色深度

屏幕分辨率：1920×1080

網(wǎng)絡(luò)：對(duì)于STEP7和CPU之間的通信，10Mbit/s以太網(wǎng)或更快光驅(qū)：DVD-ROM

3.2.4 主要軟件選擇

PLC編程軟件：SIEMENS：TIAPortalV14，StepBasci。

系統(tǒng)組態(tài)軟件：SIEMENS：TIAPORTALV14，BasicWincc 1024;運(yùn)行版。

SIEMENS：TIAPORTALV14，BasicWincc1024;開發(fā)版。

3.2.5 主要功能

對(duì)于中控室操作畫面，按下面進(jìn)行設(shè)置。

（1）主要畫面。

管理、操作系統(tǒng)主要設(shè)5幅主畫面，分別為工藝流程主畫面、操作畫面、趨勢(shì)畫面、事故報(bào)警畫面、幫助畫面（含系統(tǒng)操作說明）。

工藝流程畫面是系統(tǒng)的主要畫面，主要顯示內(nèi)容有工藝流程參數(shù)，工藝運(yùn)行狀態(tài)，操作人員登陸入口，日期，菜單畫面，正常時(shí)，操作界面為工藝主畫面位置。

（2）操作畫面。

主要操作內(nèi)容有：空調(diào)系統(tǒng)起停，空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

（3）事故報(bào)警畫面。

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備事故，如過濾阻塞。單體設(shè)備事故、電器設(shè)備事故，如變頻器事故。

（4）趨勢(shì)分析畫面。溫度變化趨勢(shì)畫面，濕度變化趨勢(shì)畫面。

（5）幫助畫面。

幫助畫面主要為用戶提供程序應(yīng)用說明及操作方法。

3.3 自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

中央監(jiān)控系統(tǒng)、工程師站及23套PLC系統(tǒng)通過PROFIBNET連接，并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交換機(jī)采用集成在PLC上的交換機(jī)或PLC7-1200專用交換機(jī)的CSM1277，系列的工業(yè)交換機(jī)。通信電纜采用超5類通信電纜，網(wǎng)絡(luò)采用總線網(wǎng);通信速率為10～100 Mbts。

4 結(jié)語

通過PLC系統(tǒng)分析現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、微壓等參數(shù)，實(shí)時(shí)在線控制動(dòng)力系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)及工藝?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最佳能耗控制。

同時(shí)操作員站畫面，可以在線觀察到各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，操作員站畫面在線干預(yù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過PID控制系統(tǒng)。

阿特斯中央空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量為4841 kW，低壓用電設(shè)備裝機(jī)容量為2774 kW，高壓設(shè)備裝機(jī)容量為2067 kW（主要是3臺(tái)壓縮機(jī)，每臺(tái)680 kW）。通過PLC系統(tǒng)及操作員站系統(tǒng)，充分利用包頭地區(qū)夏季晝夜溫差大，空氣干燥等特點(diǎn)，通過人為干預(yù)系統(tǒng)運(yùn)行，可以優(yōu)化原設(shè)計(jì)參數(shù)，使中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)、更合理，更靈活。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊俊偉.自控在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014（9）：81.

[2] 荀海川，都基圣.關(guān)于暖通空調(diào)自控設(shè)計(jì)中配合問題的思考[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2012（10）：265.

[3] 楊天昆，李智.論暖通空調(diào)系統(tǒng)與自控設(shè)計(jì)之間的協(xié)調(diào)[J].百科論壇電子雜志，2019（3）：62.

[4] 張靜.暖通空調(diào)系統(tǒng)與自控設(shè)計(jì)之間的協(xié)調(diào)思考[J].科技研究，2014（12）：552.

[5] 程華.大型商業(yè)綜合體建筑變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試難點(diǎn)解析[J].城市建筑，2016（30）：143-144.

[6] 方偉，李華，肖賀，等.大型商業(yè)綜合體空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)與問題分析[C].第十四屆國(guó)際綠色建筑與建筑節(jié)能大會(huì)暨新技術(shù)與產(chǎn)品博覽會(huì).2018.

[7] 陸志紅.大型綜合體工程中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)安裝與調(diào)試運(yùn)行問題分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（12）：5248，5240.

[8] 邵慶志.自控在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2016（3）：213.

[9] 袁堂欽.分析多源暖通空調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（3）：76-78.

[10] 余少暉.試論暖通空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].居舍，2017（18）：65-66.