王愛民，段海洋，蔡洪濤

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 背景描述

某采油平臺生活樓頂部配備有3臺水冷蒸發(fā)式中央空調(diào)機(jī)組，用于生活樓的溫度、濕度調(diào)節(jié)和通風(fēng)。為實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)控制系統(tǒng)的智能運(yùn)行，并達(dá)到及時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、濕度的效果，采用PLC對機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)化控制和保護(hù)，并采用觸摸屏進(jìn)行顯示控制。進(jìn)行空調(diào)參數(shù)設(shè)置和了解空調(diào)狀態(tài)只能到現(xiàn)場進(jìn)行操作，但無數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)無法外傳，設(shè)備之間數(shù)據(jù)無法共享，形成數(shù)據(jù)孤島，不便于平臺人員及時(shí)了解空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行空調(diào)參數(shù)調(diào)整，以及提高生活樓環(huán)境的舒適度。面對該平臺員工數(shù)量少而設(shè)備逐年增多的現(xiàn)狀，利用物聯(lián)網(wǎng)將設(shè)備進(jìn)行集中顯示控制、推動(dòng)設(shè)備的智能化也是一種趨勢。

2 空調(diào)機(jī)組介紹

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

①本裝置結(jié)構(gòu)型式為L型吸入式船用組裝式空調(diào)裝置。

②壓縮機(jī)是從德國BOCK公司進(jìn)口的船用半封閉制冷壓縮機(jī)，運(yùn)行安全可靠。

③蒸發(fā)器為銅管套裝波紋型雙翻邊銅片，采用了先進(jìn)的脹管工藝，能夠充分保證肋根的接觸面積。

④冷凝器采用臥式殼管濕水冷凝器。

⑤為了保證中央空調(diào)機(jī)組及壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，中央空調(diào)配備了西門子S7-200 PLC控制器，各種電氣控制保護(hù)元件和溫度、壓力、濕度。

該空調(diào)配備有高、低壓控制器，以防止因斷水或制冷系統(tǒng)壓力過高、過低而引起的壓縮機(jī)故障；配備有油壓差控制器，以防止?jié)櫥蛪毫ζ投鸬膲嚎s機(jī)故障；還配備有水壓控制器，以防止斷水開機(jī)。 風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)具有聯(lián)鎖保護(hù)功能，壓縮機(jī)只能在風(fēng)機(jī)開啟后才能啟動(dòng)，確?？照{(diào)安全運(yùn)行。風(fēng)機(jī)與主電加熱器和新風(fēng)加熱器也具有聯(lián)鎖保護(hù)，加熱器只能在風(fēng)機(jī)開啟后才能投入使用，防止干燒，此外加熱器還設(shè)有超溫保護(hù)功能。風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)具有斷相、短路和過載保護(hù)功能。

空調(diào)機(jī)組可以根據(jù)回風(fēng)溫度的變化進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了33%、66%卸載運(yùn)行，以低能耗的高精度溫度調(diào)節(jié)為減少碳排放做出了貢獻(xiàn)；冬季還可根據(jù)回風(fēng)濕度的大小進(jìn)行加濕控制來確保空氣濕度在合理范圍內(nèi)。

2.2 空調(diào)組成

每臺中央空調(diào)機(jī)組均由水冷直接蒸發(fā)式空氣處理機(jī)和新風(fēng)段組成。水冷直接蒸發(fā)式空氣處理機(jī)主要由德國進(jìn)口BOCK半封閉船用制冷壓縮機(jī)及其配套裝置、可編程序控制器S7-200 PLC及電氣控制箱等組成。所有元器件均集中安裝在同一個(gè)橇塊上，占地空間小。新風(fēng)段主要由進(jìn)風(fēng)擋水百葉、新風(fēng)電加熱器和新風(fēng)氣動(dòng)防火閥等組成。

2.3 工作原理

2.3.1 夏季工況

制冷劑的低壓氣體由壓縮機(jī)吸入、壓縮后成為高溫、高壓氣體，排到冷凝器中，制冷劑在冷凝器中被冷凝成液體，再經(jīng)過干燥過濾器，到膨脹閥節(jié)流減壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器的低壓區(qū)內(nèi)吸收吹過蒸發(fā)器的空氣使熱量充分蒸發(fā)，冷卻后的空氣再由風(fēng)機(jī)吸出，通過風(fēng)管及出風(fēng)口輸送至生活樓的各個(gè)房間，如此不斷地循環(huán)流通以達(dá)到降溫目的，讓生活樓的人員獲得適宜的工作、生活環(huán)境。

2.3.2 冬季工況

外界的新鮮空氣經(jīng)過新風(fēng)預(yù)熱器預(yù)熱后與回風(fēng)混合，當(dāng)混合空氣吹過主電加熱器時(shí)被加熱，加熱量的多少由回風(fēng)溫度傳感器感受回風(fēng)溫度的高低、控制主電加熱投入運(yùn)行的組數(shù)實(shí)現(xiàn)?；旌峡諝饨?jīng)過加熱器后再進(jìn)行加濕操作，加濕量根據(jù)回風(fēng)濕度的大小通過加濕器的啟停實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.3.3 通風(fēng)工況

當(dāng)生活樓房間內(nèi)溫度適宜，既不需要制冷也不需要加熱時(shí)，可以只開啟空調(diào)風(fēng)機(jī)，作為通風(fēng)使用。

3 改造思路

該空調(diào)使用西門子S7-200 PLC控制器對機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)化控制和保護(hù)，現(xiàn)場設(shè)置有觸摸屏用于參數(shù)顯示和控制[1]。西門子S7-200 PLC有2個(gè)PORT通信口支持PPI、自由口通信，通過專用擴(kuò)展模塊還能實(shí)現(xiàn)MPI、DP、AS-I、Ethernet協(xié)議通信，這些通信功能可以為遠(yuǎn)程智能調(diào)度控制提供良好的條件。以太網(wǎng)通信具有傳輸速度快、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，本次改造計(jì)劃使用以太網(wǎng)通信。在每臺中央空調(diào)控制系統(tǒng)PLC內(nèi)加裝以太網(wǎng)模塊，在B機(jī)控制柜內(nèi)安裝以太網(wǎng)交換機(jī)，將3臺PLC的以太網(wǎng)線匯集到B機(jī)的交換機(jī)處，從B機(jī)交換處鋪設(shè)一根以太網(wǎng)線到生活樓二樓的服務(wù)器處，服務(wù)器上安裝組態(tài)王軟件進(jìn)行中央空調(diào)參數(shù)的組態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲，方便工作人員對中央空調(diào)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖 Fig.1 System architecture diagram

4 軟件介紹

組態(tài)王軟件是北京亞控科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的、國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)商用的組態(tài)軟件[2]。采用組態(tài)王kingview 6.55能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行圖形顯示及數(shù)據(jù)采集，具有以下特點(diǎn)。

4.1 工程管理

組態(tài)王工程管理器用來管理本機(jī)所有的組態(tài)工程，能夠?qū)崿F(xiàn)開發(fā)和運(yùn)行系統(tǒng)的切換，并且可以實(shí)現(xiàn)工程的壓縮備份、備份恢復(fù)、數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)出導(dǎo)入等功能。

4.2 開發(fā)環(huán)境

組態(tài)王軟件有集成的開發(fā)環(huán)境，工程瀏覽器能夠?yàn)橛脩籼峁┍憷募砷_發(fā)環(huán)境。工程設(shè)計(jì)者可以在工程瀏覽器中查看工程的各個(gè)部分，以及變量、數(shù)據(jù)庫、配置通信驅(qū)動(dòng)程序、畫面等，完成系統(tǒng)的大部分配置。

4.3 繪圖工具

組態(tài)王提供了豐富的繪圖工具，圖形界面上的復(fù)合對象都可以隨著過程參數(shù)的改變而變換狀態(tài)，以產(chǎn)生動(dòng)畫效果。圖形對象可以按動(dòng)畫連接的要求改變顏色、尺寸、位置、填充百分比等屬性，具有良好的視覺效果[3]。

4.4 畫面管理

在組態(tài)王軟件中提供了畫面按照名稱、畫面描述或畫面文件名稱的排序功能，畫面、變量的查找功能。對設(shè)備列表和變量列表的排序還可以按照列表進(jìn)行，非常方便畫面的管理。

5 改造過程

①在每臺空調(diào)內(nèi)安裝以太網(wǎng)模塊，采用國產(chǎn)艾莫迅以太網(wǎng)模塊AMX-ETH-PPI，其功能與西門子的以太網(wǎng)模塊CPI-243i功能相同，但有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。首先需要對以太網(wǎng)模塊進(jìn)行IP地址配置，將IP地址分別配置為空調(diào)A為192.168.1.11，空調(diào)B為192.168.1.12，空調(diào)C為192.168.1.13。在空調(diào)B機(jī)內(nèi)安裝以太網(wǎng)交換機(jī)，3臺空調(diào)的以太網(wǎng)線接入此交換機(jī)，并從此交換機(jī)鋪設(shè)以太網(wǎng)線至生活樓二樓監(jiān)控服務(wù)器處。

②組態(tài)王監(jiān)控服務(wù)器IP設(shè)置為192.168.1.10，安裝組態(tài)王軟件及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)。利用組態(tài)王軟件開發(fā)出 一套適合本次改造使用的組態(tài)工程進(jìn)行項(xiàng)目組建和設(shè)備添加，確保能與空調(diào)PLC實(shí)現(xiàn)正常通信。為此首先在組態(tài)王開發(fā)軟件中添加設(shè)備，選擇S7-200系列(TCP)→TCP，輸入PLC的IP地址值，并進(jìn)行通信測試，確保能夠?qū)崿F(xiàn)組態(tài)王和PLC的通信。

③定義外部變量。要想在組態(tài)王畫面上顯示PLC內(nèi)I/O狀態(tài)的變化，首先進(jìn)行“I/O變量”的定義，“I/O變量”指的是組態(tài)王與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量。這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、實(shí)時(shí)的，當(dāng)PLC中的值改變時(shí)，組態(tài)王系統(tǒng)中的變量值也會自動(dòng)改變。首先在工程項(xiàng)目下的變量組/變量組內(nèi)雙擊新建，自定義變量名，連接設(shè)備選擇對應(yīng)的PLC設(shè)備，寄存器選擇對應(yīng)PLC的地址，再根據(jù)空調(diào)PLC程序?qū)?yīng)點(diǎn)表進(jìn)行變量添加，并做好報(bào)警條件添加和記錄存儲 功能[4]。

④畫面組態(tài)。在瀏覽器中選擇“畫面”選項(xiàng)，雙擊“新建”，畫面命名為中央空調(diào)智能調(diào)度系統(tǒng)，畫面風(fēng)格為覆蓋式，其他默認(rèn)即可，接下來進(jìn)行畫面繪制。在工具箱中單擊文本工具，輸入文字：中央空調(diào)智能調(diào)度系統(tǒng)，打開圖庫，選擇圖庫名稱“空調(diào)”，選中對應(yīng)的圖形雙擊鼠標(biāo)，在工程畫面上鼠標(biāo)位置出現(xiàn)一“|_”標(biāo)志，在畫面上單擊鼠標(biāo)，該圖形就被放置在畫面上，并標(biāo)注此圖形為“中央空調(diào)A”。選中空調(diào)圖標(biāo)將其轉(zhuǎn)換成普通圖素，再雙擊空調(diào)圖形，對圖形的顯示動(dòng)畫進(jìn)行鏈接，空調(diào)運(yùn)行時(shí)顯示紅色，停止時(shí)顯示綠色，故障時(shí)顯示黃色。依次做好其他狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn)的畫面制作即可。

⑤通過組建好的組態(tài)工程可以實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)機(jī)組運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)的主要參數(shù)、參數(shù)設(shè)置、故障顯示和記錄存儲等功能。監(jiān)控畫面如圖2所示。

圖2 監(jiān)控畫面 Fig.2 Monitoring screen

⑥組態(tài)完成，通過離線PLC對項(xiàng)目反復(fù)進(jìn)行仿真測試，以模仿空調(diào)的各種工況，并對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改正，確保組態(tài)正確。測試完成后將空調(diào)接入系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)在生活樓辦公室監(jiān)控空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)調(diào)整的功能。

6 效果及結(jié)論

本次改造完成后，人員在二樓辦公室就能對空調(diào)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整，提高了生活樓環(huán)境的舒適度，減少了工作人員感冒等癥狀的發(fā)生，并具有參數(shù)據(jù)存儲功能，方便故障排查工作，有效減輕了平臺人員工作量、提高了工作效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。利用存儲的數(shù)據(jù)也可進(jìn)行預(yù)測分析，隨著數(shù)據(jù)和預(yù)測項(xiàng)目的增多，空調(diào)數(shù)據(jù)的趨勢預(yù)測預(yù)警功能將會越來越強(qiáng)大，為進(jìn)一步降本增效提供助力。經(jīng)過一年的使用，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在使用過程中有故障出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)顯示報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了對中央空調(diào)系統(tǒng)的有效監(jiān)控及數(shù)據(jù)的共享，為大數(shù)據(jù)分析做好了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲工作。