程 鎮(zhèn),齊淑芳,江用勝,湯繼保,袁廣超,崔 哲

(合肥通用機(jī)械研究院,安徽合肥230088)

0 引言

現(xiàn)代大型樓宇中的采暖、通風(fēng)與空調(diào)控制(HVAC,Heating,Ventilation and Air Conditioning)系統(tǒng),對室內(nèi)空氣的溫度、濕度、流動(dòng)速度以及清新度等指標(biāo)進(jìn)行處理,以達(dá)到使環(huán)境舒適的需求。通常,樓宇的HVAC系統(tǒng)一年中只有幾十天時(shí)間處于最大負(fù)荷。其冷負(fù)荷,始終處于動(dòng)態(tài)變化之中,如早晚、四季交替、環(huán)境及人文因素等,實(shí)時(shí)影響HVAC冷負(fù)荷,節(jié)能控制顯得尤為重要。如何降低電耗,節(jié)約能量,使HVAC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的控制,成為了樓宇HVAC系統(tǒng)控制的主導(dǎo)方向。

應(yīng)用西門子S7-300系列PLC及上位機(jī)控制空調(diào)系統(tǒng),利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、現(xiàn)場設(shè)備等有機(jī)結(jié)合,構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量,應(yīng)用SIMATIC編寫300PLC控制程序,為達(dá)到節(jié)能目的提供了可靠的技術(shù)條件[1]。

1 HVAC系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)充分遵從技術(shù)先進(jìn)性、運(yùn)行穩(wěn)定安全可靠性、操作維護(hù)簡便性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性價(jià)比等原則加以考慮設(shè)計(jì)實(shí)施。

1.1 系統(tǒng)設(shè)備組成

HVAC系統(tǒng)主要設(shè)備由一次機(jī)組、外部熱交換系統(tǒng) (兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng))、冷卻水塔、冷卻風(fēng)機(jī)四部分構(gòu)成,熱水系統(tǒng)和冷水系統(tǒng)的一次循環(huán)泵分開。

(1)一次機(jī)組

HVAC系統(tǒng)的 “冷源” 或 “熱源”,將通往各個(gè)房間的循環(huán)水由一次機(jī)組進(jìn)行 “內(nèi)部熱交換”,降/升溫為 “冷水”或 “熱水”。

(2)冷卻水塔

用于為冷水機(jī)組提供 “冷卻水”,帶走冷水機(jī)組在制冷過程中產(chǎn)生的熱量。

(3)冷卻塔風(fēng)機(jī)

用于降低冷卻塔中的水溫,加速將 “回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出,HVAC系統(tǒng)的工作過程是一個(gè)不斷地進(jìn)行熱交換的能量轉(zhuǎn)換過程。在這里,冷水和冷卻水兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此,對冷水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制即是HVAC控制系統(tǒng)的重點(diǎn),冷水循環(huán)的控制又是該重點(diǎn)的核心控制部分。

(4)外部熱交換系統(tǒng)由兩個(gè)水循環(huán)熱交換系統(tǒng)組成:

1)冷水循環(huán)系統(tǒng):

由冷水泵及冷凍水管道組成。從冷水機(jī)組流出的冷水由冷水泵加壓送入冷水管道,在各房間內(nèi)進(jìn)行熱交換,帶走房間內(nèi)的熱量,使房間內(nèi)的溫度下降。

從冷水機(jī)組流出、進(jìn)人房間的冷水簡稱為 “進(jìn)水”;流經(jīng)所有的房間后回到冷水機(jī)組的冷水簡稱為 “回水”。

2)冷卻水循環(huán)系統(tǒng):

由冷卻水泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷水機(jī)組進(jìn)行熱交換,使冷水冷卻的同時(shí),必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收,使冷卻水溫度升高。冷卻水泵將升溫的冷卻水送入冷卻塔,使之在冷卻塔中與大氣進(jìn)行熱質(zhì)交換,然后將降溫的冷卻水,送回到冷水機(jī)組。如此不斷循環(huán),帶走了冷水機(jī)組釋放的熱量。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備組成

1.2 HVAC系統(tǒng)控制原理

HVAC系統(tǒng)的外部熱交換由兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)來完成。水循環(huán)系統(tǒng)的回水與進(jìn) (出)水溫度之差,反映了系統(tǒng)需要進(jìn)行熱交換的熱量。因此,根據(jù)回水與進(jìn) (出)水溫度之差來控制循環(huán)水的流動(dòng)速度,從而控制熱交換的進(jìn)行速度,是一種比較合理的控制方法。

1)冷水循環(huán)系統(tǒng)的控制

由于冷水的進(jìn)水溫度是冷水機(jī)組 “制冷”的結(jié)果,常常是比較穩(wěn)定的。因此,單是回水溫度的高低就足以反映房間內(nèi)的溫度。所以,冷水泵的變頻調(diào)速系統(tǒng),可以簡單地根據(jù)回水溫度進(jìn)行如下控制:回水溫度高,說明房間溫度高,應(yīng)提高冷水泵的轉(zhuǎn)速,加快冷水的循環(huán)速度;反之,回水溫度低,說明房間溫度低,可降低冷凍泵的轉(zhuǎn)速,減緩冷水的循環(huán)速度,在保證房間溫度恒定的同時(shí)節(jié)約能源。簡言之,對于冷水循環(huán)系統(tǒng),控制依據(jù)是回水溫度,即通過變頻調(diào)速,實(shí)現(xiàn)回水的恒溫度控制。

HVAC冷水系統(tǒng),根據(jù)具體工況對負(fù)荷的需求,來分布二次 (及以上)水泵,通常采用的控制方式是:一次水定流量,二次水變流量控制。對變流量控制,通常采用差壓控制方式。

因?yàn)閷τ诜忾]式系統(tǒng)來說,采用壓差測量比流量測量簡單且容易實(shí)現(xiàn),因此,在需要控制流量的場合,往往采用控制差壓來控制流量。

圖2 差壓控制的簡圖

2)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制

圖3 壓力/溫度控制簡圖

由于冷卻塔的溫濕度是隨環(huán)境溫度而變的,其單側(cè)水溫不能準(zhǔn)確的反映冷水機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。所以,對于冷卻水泵,以進(jìn)水和回水間的溫差作為控制依據(jù),實(shí)現(xiàn)進(jìn)水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大,說明冷水機(jī)組產(chǎn)生的熱量大,應(yīng)提高冷卻水泵的轉(zhuǎn)速,增大冷卻水的循環(huán)流量;溫差小,說明冷水機(jī)組產(chǎn)生的熱量小,可以降低冷卻水泵的轉(zhuǎn)速,減緩冷卻水的循環(huán)流量,以節(jié)約能源。

對HVAC冷卻水循環(huán)系統(tǒng),通常采用常規(guī)控制方式,比如:溫度、壓力等對進(jìn)水和回水的溫差進(jìn)行控制,以滿足系統(tǒng)需求,如圖3所示。

2 基于S7-300的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件配置

整個(gè)控制系統(tǒng)的主題框架由分散過程控制設(shè)備、操作管理站和通信系統(tǒng)三部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖4。

(1)分散過程控制設(shè)備 (即主控制柜):核心部分采用的是西門子S7-300系列的模塊,包括電源PS307(2A)、CPU315以及3個(gè)SM 331模塊、4個(gè)SM 332模塊、3個(gè)SM 321模塊和1個(gè)SM322模塊。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

SM 331模塊主要完成供、回水溫度、水流量、室外溫度、和供、回水壓力以及整個(gè)系統(tǒng)中其他模擬量的采集功能;SM 332模塊主要完成水閥調(diào)節(jié)開度、變頻控制信號以及整個(gè)系統(tǒng)中其他模擬量的采集功能;

SM 321模塊主要完成水流開關(guān)、手/自動(dòng)模式選擇、運(yùn)行/故障信號、電磁閥門數(shù)字量反饋信號的接收工作;SM 322模塊則用來處理水泵、風(fēng)機(jī)和冷水機(jī)組的設(shè)備啟/停信號、電磁閥門數(shù)字量輸出信號。

(2)操作管理站:由1臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成,編程軟件采用西門子STEP7 V5.4,主要完成系統(tǒng)的保護(hù)、數(shù)據(jù)采集及控制回路的編程等工作,組態(tài)軟件采用西門子WinCC V6.10版本,主要執(zhí)行設(shè)備遠(yuǎn)程半自動(dòng)控制 (上位機(jī)手動(dòng)控制)、自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下現(xiàn)場數(shù)據(jù)的在線顯示、被控量的歷史趨勢顯示、打印報(bào)表等功能。

(3)通信系統(tǒng):過程控制級與操作管理級之間通過MPI(多點(diǎn)接口)電纜連接,電纜一端接在CPU315的MPI口上,一端與主機(jī)上的CP5611通信卡相連接,MPI網(wǎng)絡(luò)的通訊速率設(shè)為187.5kb/s。

除了上述主體硬件框架之外,系統(tǒng)硬件還包括給上位機(jī)持續(xù)供電的2kVA/30min(有效負(fù)荷/有效供電時(shí)間)UPS電源、2kVA穩(wěn)壓電源以及控制柜內(nèi)其他輔助元件?？紤]到系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是電動(dòng)閥,開關(guān)動(dòng)作頻繁,因此為了消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩,數(shù)字量輸出信號通過零壓型 (Z)SSR(固態(tài)繼電器)以觸發(fā)形式給到執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥上[2],這種Z型SSR內(nèi)部包括過零檢測電路,在施加輸入信號VIN(輸入電壓)時(shí),只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過零區(qū)時(shí),SSR才會導(dǎo)通。

當(dāng)VIN撤銷后,負(fù)載電流低于雙向可控硅維持電流時(shí) (交流換向)SSR關(guān)斷,由于負(fù)載工作電流近似正弦波,高次諧波干擾小[3]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

S7-300PLC的軟件設(shè)計(jì)是在STEP 7SIMATIC Manager中完成的。根據(jù)系統(tǒng)工作流程如圖5所示,可以將軟件分為組織塊OB1、功能FC1、FC2、FC3以及循環(huán)中斷組織塊OB35等幾個(gè)部分。其中,OB1是程序循環(huán)執(zhí)行的主體,對程序變量初始化,調(diào)用各子功能塊FC1、FC2、FC3;FC1實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制,FC2實(shí)現(xiàn)上位機(jī)半自動(dòng)控制,FC3實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行下風(fēng)機(jī)溫度控制啟/停;循環(huán)中斷組織塊OB35的作用是上位機(jī)半自動(dòng)條件下水泵變頻控制;FC7實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行下水泵的變頻控制。圖5顯示的是系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行條件下,冷凍機(jī)組的啟?？刂屏鞒?。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用西門子的WinCC,其組態(tài)功能強(qiáng)大,提供了用于過程可視化和操作的全部功能,包括圖形設(shè)計(jì)器、報(bào)警記錄、標(biāo)記記錄、報(bào)告設(shè)計(jì)器、全局腳本、控制中心、用戶管理等功能,使其具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)管理[4]。在本系統(tǒng)中,當(dāng)上位機(jī)啟動(dòng)后,首先進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)主界面的菜單包括:冷水系統(tǒng)手動(dòng)控制、冷水系統(tǒng)自動(dòng)控制、熱水系統(tǒng)手動(dòng)控制、熱水系統(tǒng)自動(dòng)控制、用電量查詢、退出。

冷水 (熱水)系統(tǒng)手動(dòng)控制畫面:將現(xiàn)場所用設(shè)備按鈕開關(guān),用軟件中的按鈕控件表示,并附上文字說明,然后集中到控制面板上,對每個(gè)按鈕編寫控制程序,模擬現(xiàn)場操作,按下某按鈕,即對應(yīng)向PLC寫數(shù)據(jù),PLC根據(jù)這些數(shù)據(jù)執(zhí)行事先編好的控制程序,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備 (水泵和風(fēng)機(jī))的控制。

冷水 (熱水)系統(tǒng)自動(dòng)控制畫面:運(yùn)用實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示,將現(xiàn)場設(shè)備 (水泵、風(fēng)機(jī)和冷熱水機(jī)組)用一些形象的圖形代替,將這些圖像按位置成比例集中擺放在虛擬畫面上,向PLC讀取數(shù)據(jù),經(jīng)過邏輯運(yùn)算調(diào)整圖形,達(dá)到畫面隨現(xiàn)場運(yùn)行情況同步改變的效果。直觀顯示各部分的工作情況,當(dāng)現(xiàn)場發(fā)生報(bào)警時(shí),可立即彈出報(bào)警消息框,點(diǎn)擊進(jìn)入具體報(bào)警情況一目了然[5]。顯示面板如圖6所示。

用電量查詢顯示畫面,顯示九條支路的實(shí)時(shí)用電情況和用電總量的情況,還可查詢歷史數(shù)據(jù)。

3 運(yùn)行情況

依據(jù)該方案進(jìn)行的某會展中心空調(diào)自控系統(tǒng)改造項(xiàng)目已經(jīng)完成,目前已投入使用。改造后的該會展中心的中央空調(diào)冬季運(yùn)行穩(wěn)定,可靠,如圖7所示。

圖7 實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控界面 (冬季供暖)

4 結(jié)語

本文主要研究的是HVAC自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),以某會展中心空調(diào)自控系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例,設(shè)計(jì)了一套高性能的控制系統(tǒng)代替原有的純手動(dòng)控制系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

從投入運(yùn)行的實(shí)際情況看,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于PLC的HVAC系統(tǒng)自動(dòng)化控制,顯著降低了控制系統(tǒng)的故障率,并且使用維護(hù)方便,有效實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的,達(dá)到了工程改造要求的各項(xiàng)性能指標(biāo),值得在同類技術(shù)應(yīng)用中大力推廣[6]。

[1] 樊明霞,王孟效,張瑩.S7-300PLC控制系統(tǒng)在連續(xù)配漿過程中的應(yīng)用[J].中國造紙,2007,26(01):30-36

[2] 劉詩悅.抄紙車間配漿自動(dòng)控制[J].中國造紙,2005,24(4):36-38

[3] 邵惠鶴.工業(yè)過程高級控制[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1997

[4] 樊曉群.S7-300 PLC在紙機(jī)控制中的應(yīng)用[J].中國造紙,2005,24(11):65-67

[5] 童軍,馬曉莉,南權(quán).基于S7-300PLC的中頻熔煉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù),2007,28(07):984-986

[6] 孫軍,朱小平,方彥軍.火電廠后備柴油發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2009,29(01):131-134