（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，而且范圍可以按需要進行調整，廠房內主要房間的溫度、濕度和壓差都能實現(xiàn)實時監(jiān)測。根據控制要求可分為3大塊，分別為現(xiàn)場設備、中央監(jiān)控站和現(xiàn)場操作站。

1 系統(tǒng)結構

根據被控對象的大小可對系統(tǒng)進行級別劃分，系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網現(xiàn)場總線的集中控制系統(tǒng)，最底層是設備控制層，主要完成設備的現(xiàn)場控制及監(jiān)測，現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要以可編程邏輯控制器（簡稱PLC）為主。第二層是監(jiān)控層，主要完成系統(tǒng)的在線監(jiān)測，并向設備控制層下達控制指令，設備采用工業(yè)計算機或者人機界面HMI。第二層向上可連接公司級管理層MIS系統(tǒng)，接收其下達的任務，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構

1.1 監(jiān)控級

管理層和監(jiān)控層統(tǒng)稱監(jiān)控級，是集中監(jiān)控各個設備的運行狀態(tài)，實時報警，運行記錄以及各種報表等?，F(xiàn)場總線為工業(yè)以太網總線，以太網總線按照距離劃分可選擇網線或者光纖[1]。操作員站為工業(yè)級工控計算機，運行穩(wěn)定可靠，可連續(xù)運行，安裝在廠區(qū)主控室或者監(jiān)控室內，可以實時地顯示現(xiàn)場數據和設備運行情況。計算機采用人機界面組態(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，計算機配有網卡和服務器軟件包選項。

1.2 現(xiàn)場控制級

現(xiàn)場控制級主要功能是接收管理層下達的參數設置或設備運行、停止命令，按操作員要求對現(xiàn)場設備進行控制并將現(xiàn)場設備的運行情況傳達到管理層。現(xiàn)場各設備與主站之間通過現(xiàn)場總線連接，現(xiàn)場總線采用PROFIBUS通訊協(xié)議進行通訊。

2 硬件配置

2.1 PLC選型

在設計PLC系統(tǒng)時，主要根據設備的運行工藝和現(xiàn)場的實際情況以及技術協(xié)議。PLC的硬件配置及功能要與技術協(xié)議要求和控制工藝相一致。按照工程實際需求和應用場合可選擇現(xiàn)場主站PLC模塊組，PLC的選擇按照點數計算確定，比如輸入點數、輸出點數，其中又包括數字量和模擬量，并且預留15%左右的備用點以備后續(xù)升級改造或者某點損壞更換需要。PLC的存儲容量也在考慮范圍之內，一般所選點數足夠的前提下存儲容量不用考慮在內（除特殊情況），對于中大型的PLC一般會設有移動存儲卡，用于存儲程序。還有就是PLC的運算速度，運行程序所需要的時間，如果程序較大需選擇運算速度相對高的PLC。工業(yè)發(fā)展越來越迅速，PLC也是種類繁多，應用比較廣的有西門子、施耐德、AB、歐姆龍、臺達等。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，此軟件畫面簡單易懂，而且已經有漢化版本，編程方式靈活，應用非常廣泛。STEP7集成了IEC-1131標準中的6種編程語言，如STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL。其中主要的組態(tài)工具用CFC、SFC和SCL語言，用來進行傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中連續(xù)信號過程控制項目的組態(tài)。STEP7中的LAD、FBD和STL編程語言可以很方便的對邏輯控制進行編程，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 上位機軟件功能

上位機軟件采用西門子組態(tài)軟件WinCC，通過WinCC對設備進行實時監(jiān)控。WinCC是德國西門子公司與微軟公司共同開發(fā)的，基于Windows系統(tǒng)（目前支持最新的Windows10操作系統(tǒng)），是在自動化領域處于世界領先地位的工控軟件，其開放性可靠性和安全性非常高，可應用于各種的工業(yè)環(huán)境。WinCC的監(jiān)控性能非常強大，不但可以完全勝任小規(guī)模的過程監(jiān)控應用，也可以勝任大規(guī)模復雜的工業(yè)監(jiān)控環(huán)境。工程設計人員可以便捷的對WinCC進行編程組態(tài)，按照工程技術的要求生成簡單明了而便捷的人機對話窗口，可以使現(xiàn)場操作人員方便快捷地管理和優(yōu)化生產過程。

WinCC系統(tǒng)自帶標準用戶界面（概貌區(qū)，畫面區(qū)，按鈕區(qū)，趨勢，報警行，面板），可以方便工程設計人員的編程操作，畫面結構簡單，導航明了，操作起來更能得心應手。系統(tǒng)還設有開機自啟動項目功能，可以直接進入監(jiān)控界面進行操作。WinCC用戶界面如圖4所示。

圖4 WinCC組態(tài)界面

WinCC系統(tǒng)帶有標準的面板控件供工程設計人員選擇，可以方便的用以控制現(xiàn)場設備和控制策略，如電機控制控件（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），步進控件等。

圖5 電機控制控件

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，通過項目編輯器對顯示窗口進行布局設置即可，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)控全局設備。為了操作方便和管理，溫濕度控制系統(tǒng)按照級別劃分設有工程師站和操作員站。工程師站享有所有權限，可以調試設備，更改系統(tǒng)配置，修改重要參數等功能。操作員站按照級別劃分組，組長可以增加或者刪減管理員權限，可以修改部分參數，報表以及報警管理等。操作員站只是對設備進行操作，監(jiān)控運行情況，打開關閉閥門或者變頻器等簡單指令。

WinCC系統(tǒng)的通訊功能非常強大，可以方便的連接各種設備，比如與S7-300PLC進行通訊，只需要簡單的幾步設置。連接方式非常靈活，可以用自帶的OPC代理服務器功能，也可以通過通訊卡用PROFIBUS通訊協(xié)議進行通訊等。

3 溫濕度控制

溫濕度控制系統(tǒng)全年運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補充量，避免室外高溫高濕度的空氣對系統(tǒng)的干擾，且在表冷器后增設露點溫度檢測，該露點溫度設定值由系統(tǒng)溫度、濕度控制值（t=25 ℃，RH=40%）計算得出[2]?；仫L與新風混合后經由表冷段降至露點，將多余的水分排除，經過露點控制，混合后的空氣變?yōu)闇囟冉抵谅饵c的飽和空氣（濕度達到100%），再經加熱段對空氣進行升溫處理，由于空氣中的水分總含量一定，相對濕度自然也能達到控制要求，如不能達到要求可增設表冷器后露點溫度檢測，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、濕度均低于設定值，控制過程為新回風混合后，加熱升溫至控制值，再進行蒸汽加濕。

冬季的控制工藝雖然相對簡單，但是要注意防凍的問題，尤其是表冷盤管防凍問題，首次開機時由于新風溫度較低，室內回風溫度也較低，這樣如果開啟新風閥門的話，可能會凍傷盤管。應首先檢查新風溫度，如低于設定溫度，將新風閥置于關閉狀態(tài)，回風閥和電動加熱閥全部打開，按照溫度設定值進行升溫，當檢測表冷器后溫度高于設定值時，即可將新風閥打開一定角度，可防止表冷盤管凍傷，其他控制環(huán)節(jié)按程序執(zhí)行。

4 風機變頻控制

為了便于控制，所有傳動部分均采用變頻器傳動方式，科學發(fā)達的今天，變頻技術已經非常完善，利用微電子技術，通過改變電動機工作電源的頻率方式來控制電動機的轉速。變頻器的組成部分主要由整流（交流變直流）、濾波（過濾干擾信號）、逆變（直流變交流）、制動單元（應用于重載需配制動電阻）、驅動單元、檢測單元和微處理單元等組成。變頻器根據實際工況依靠大功率開關管IGBT的開斷來改變輸出電源的電壓和頻率，從而改變電機的轉速。變頻器還有各種的保護功能，如過電壓、過電流、過載等?？刂葡到y(tǒng)通過檢測送風管道送風壓力，與工藝設定值比較后，通過控制送風機變頻器頻率，調整送風電機轉速，逐步調整送風壓力至設定值，保證機組送風量的恒定，實現(xiàn)送風機變頻靜壓控制，消除由于機組濾網阻塞等原因造成的送風量的下降。

5 節(jié)能控制

為了響應國家節(jié)能減排的要求，溫濕度控制系統(tǒng)也設置了節(jié)能方案，在季節(jié)交替的時候，隨著室外的溫濕度的變化，對新風閥門和回風閥門進行合理的調整，新風閥門和回風閥門設置為反向聯(lián)鎖控制邏輯，在極端的天氣狀況下盡量減少室外新風量的注入，減少了溫度的升降時間，使室內的空氣循環(huán)起來。

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)將根據操作人員的選擇，自動從一種工作模式轉為其他工作模式。正常狀態(tài)與值班狀態(tài)控制送風風壓設定值不同，在值班狀態(tài)保持最小風壓，盡可能的實現(xiàn)節(jié)能降耗[3]。

6 系統(tǒng)功能

溫濕度控制系統(tǒng)可以隨實際工況和技術要求設置系統(tǒng)功能，常用功能有實時記錄，超限報警，局域網監(jiān)測，數據統(tǒng)計分析，數據存儲，報表打印，用戶分級管理等功能。實時記錄功能是連續(xù)不間斷采集和記錄工廠或者房間的溫度、濕度、壓差等各項參數，并以數字和圖形的方式顯示在監(jiān)控顯示屏上。超限報警功能，監(jiān)控站配備聲光報警系統(tǒng)，實時監(jiān)測測點數據并與設定值比較，一但捕獲到異常信號，系統(tǒng)能自動報警，上傳報警信息并進行記錄。局域網監(jiān)測功能是通過網絡對上位機的數據進行實時監(jiān)測，但必須經過授權。數據統(tǒng)計分析功能對實時數據和歷史數據進行分組或者分批統(tǒng)計，可以方便查看任何時段的廠房溫度、濕度和壓差的參數曲線，可查看各時段參數列表、曲線圖、實時數據、折算數據、累計數據、報警數據、報表等多種參數數據。數據存儲功能是把所有采集到的數據和運行反饋參數記錄到監(jiān)控站主機上，操作員可以自行保存相應數據，但重要數據是以最高權限自動保存的。打印報表功能可以自動定時打印，也可以按需要手動打印，包括控制畫面、歷史曲線、參數設置、設備報表和設備故障報警等，并且以通用格式輸出，避免了轉換格式的苦惱。用戶分級管理，不同人員輸入不同密碼登錄系統(tǒng)，獲得相應的操作權限，系統(tǒng)為用戶提供了一個總的管理平臺，對操作人員進行分級管理，保證只有經過授權的用戶才能對系統(tǒng)進行操作和管理，提高了系統(tǒng)的安全性。

7 結束語

現(xiàn)在的科技越來越發(fā)達，各種智能化產品相繼誕生，對于一個控制系統(tǒng)而言，組態(tài)越來越容易，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。