暖通空調(diào)自動化系統(tǒng)設計實踐

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組件項目，該項目建設在一個封閉的工業(yè)廠房內(nèi)，分割為多個功能區(qū)，主要功能區(qū)工藝區(qū)、實驗測試區(qū)為潔凈區(qū)域。中央空調(diào)控制系統(tǒng)采用PLC控制，每個空調(diào)系統(tǒng)或冷卻設備系統(tǒng)設1套S7-1200PLC，共計設23套PLC站，設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，實現(xiàn)對廠房的溫度、濕度控制，實現(xiàn)對工藝冷卻水系統(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，實現(xiàn)冷凍水、熱水系統(tǒng)、工藝冷卻水系統(tǒng)、剖方機工藝冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、氬氣系統(tǒng)和真空清掃系統(tǒng)經(jīng)濟可靠運行。

[關鍵詞]PLC;變頻器;PID;操作員站;工程師站

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]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 項目概況

某公司一期項目設有空調(diào)系統(tǒng)、新風系統(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)（鑄錠爐工藝冷卻水系統(tǒng)，剖方機工藝冷卻水系統(tǒng)），空調(diào)系統(tǒng)有辦公區(qū)空調(diào)，設風機盤管+獨立新風的舒適性空調(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個空調(diào)分區(qū)。對空調(diào)自控要求通風、空調(diào)系統(tǒng)的啟、停控制及其狀態(tài)顯示，風機盤管的室溫控制及其風機風速控制，空調(diào)機組變頻及送風溫、濕度，房間溫濕度、正壓，機械排煙系統(tǒng)的消防聯(lián)動控制。

2 動力暖通系統(tǒng)設計說明

2.1空調(diào)及工藝冷卻系統(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)測溫度控制冷卻塔風扇的啟停，當出水管水溫T1低于27℃（可調(diào)）時關閉一臺風扇。當出水溫度高于31度時開啟一臺已關閉的風扇，控制反饋延遲30S。冷卻塔出水溫度T1低于24℃（可調(diào)）時，緩慢開啟冷卻塔供回水之間電動調(diào)節(jié)旁通閥，反之，緩慢關閉電動調(diào)節(jié)閥。控制反饋延遲5s。

（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檢測溫度控制冷卻塔風扇變頻和啟停：當出水管水溫低于24度時，變頻降低風扇轉(zhuǎn)速，反之，升高風扇轉(zhuǎn)速。當出水管溫度低于23℃時關閉所有噴淋泵，當出水管溫度高于25℃時開啟所有噴淋泵，控制反饋延遲15s。

（3）冷凍機控制.冷凍機根據(jù)總負載量判斷開啟冷凍機臺數(shù)，當某臺冷凍機進入待機狀態(tài)時，依次延遲關閉對應冷凍水泵及冷卻水泵，延遲時間根據(jù)冷凍機產(chǎn)品要求，冷凍機開啟前，先啟動對應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檢測溫度控一次側(cè)回水管上電動三通閥開度，二次側(cè)回水溫度低于25 ℃時，緩慢調(diào)節(jié)電動三通閥開啟方向，維持二次側(cè)出水溫度在25 ℃。

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

（6）狀態(tài)監(jiān)控。當工藝冷卻水供水溫度高于25.5 ℃時，發(fā)出警報，手動開啟冷凍機系統(tǒng)或檢查故障，監(jiān)控工藝水池水位，當液位低于警報水位時發(fā)出警報，檢查系統(tǒng)。監(jiān)控供水壓力，當供水壓力低于設置值時發(fā)出警報，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)場顯示，當過濾器阻力大于下列值時清洗或更換：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：新風焓值為i;室內(nèi)焓值為i）。

①夏季i>i時，新風比為8.6%，室內(nèi)溫度由電動二通閥DX-1控制。

②過渡季i

③冬季i

④夏季、冬季為固定模式，此時新風電動閥FX-3的開度須保證最小新風量6500CMH，排風電動閥FX-1風量為0CMH，回風電動閥FX-2的風量為68500CMH。

（3）濕度調(diào)節(jié)。

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

（4）風機起動及鏈式控制。送風機、回風機與排風電動閥、回風電動閥、新風電動閥聯(lián)鎖，風機啟動時，先開排風電動閥、新風電動閥，再啟動送風機、回風機;關閉時，次序相反。

（5）PEF-1-1-01～03空調(diào)箱：

夏季，接受新風處理后溫度濕度信號，通過電動兩通閥控制進入表冷盤管的冷水水量，保證室內(nèi)溫度恒定。

冬季，接受新風處理后溫度信號，通過電動兩通閥控制進入加熱盤管的熱水水量，保證室內(nèi)溫度恒定;當溫度低于2 ℃（可調(diào)）時，關閉送風機及新風入口電動風閥，并發(fā)出報警信號。

當循環(huán)空調(diào)箱的表冷盤管電動兩通閥全關，室內(nèi)溫度仍低于設定值時，啟動加熱盤管，保證室內(nèi)溫度恒定。

接受新風送風主管的靜壓信號，通過VFD控制風機的轉(zhuǎn)速，從而保證新風送風壓力的恒定。

（6）風機起動及鏈式控制。新風空調(diào)系統(tǒng)，循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)，排風系統(tǒng)聯(lián)動，打開順序為先開循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)，再開新風空調(diào)系統(tǒng)，最后開排風系統(tǒng)，關閉則相。

3 自動化系統(tǒng)設計

3.1 PLC系統(tǒng)設計

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)、工藝排風系統(tǒng)，空壓機系統(tǒng)，設18個空調(diào)控制站及3個動力系統(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行，每套空調(diào)設一套獨立控制系統(tǒng)，控制設備采用SIEMENS公司的S7-1200系列，PLC主機采用1215CDC/DC/RLY。

信號采集，以下信號進入PLC系統(tǒng)。

（1）數(shù)字量輸入信號（DI）：進入PLC的信號均采用常開點。

①一般電動機：允許自動操作信號1點，運行反饋信號1點，電機過負荷1點。

②變頻供電電機：允許自動操作信號1點，運行反饋信號1點，電機過負荷1點，變頻器事故1點。

③其他設備：依據(jù)需要采集。

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

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

設備啟動/停止用1個信號，1點。

（3）模擬量輸入信號（AI）。

①變頻供電電機：變頻供電的電機轉(zhuǎn)速進入PLC。

②現(xiàn)場儀表信號：溫度、適度、壓力等信號進入PLC系統(tǒng)。

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

（4）模擬量輸出信號（A0）。

①變頻供電電機：變頻供電的電機轉(zhuǎn)速設定信號。

②閥門開度：閥門開度信號。

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

3.1.3 動力系統(tǒng)PLC控制

空調(diào)冷凍水及工藝冷卻水冷源系統(tǒng)及空調(diào)熱水系統(tǒng)，鑄錠爐及切片工藝冷卻水系統(tǒng)，壓縮空氣系統(tǒng)，氬氣系統(tǒng)，清掃真空系統(tǒng)，根據(jù)動力系統(tǒng)的工藝要求及系統(tǒng)安全性要求，每套系統(tǒng)設一套獨立控制系統(tǒng)，空壓機系統(tǒng)及鍋爐系統(tǒng)與空調(diào)冷卻水系統(tǒng)共用1套PLC;控制設備采用SIEMENS公司的S7-1200系列，PLC主機采用1215CDC/DC/RLY。

信號采集，以下信號進入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)及動力設備主要有就地控制箱手動控制（HC）、PLC自動控制（RC）和中央監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制（OS）三種控制方式。三種方式的控制級別由高到低為就地手動控制、遠程手動控制、自動控制，所有參與自動系統(tǒng)設備單機手動試車完后，才允許進入自動運行試車。

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)：對控制系統(tǒng)、操作員站、監(jiān)控站進行組態(tài)，對I/O模塊、控制網(wǎng)絡進行組態(tài)。

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

3.2.3 中央操作計算機硬件配置

處理器類型：Intel.Corei5-3320M3.3GHz

RAM：8G

硬盤500G

顯示器：21呎

工業(yè)用機箱（安裝在操作臺內(nèi)）

圖形卡：32MBRAM，24位顏色深度

屏幕分辨率：1920×1080

網(wǎng)絡：對于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;運行版。

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

3.2.5 主要功能

對于中控室操作畫面，按下面進行設置。

（1）主要畫面。

管理、操作系統(tǒng)主要設5幅主畫面，分別為工藝流程主畫面、操作畫面、趨勢畫面、事故報警畫面、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)，工藝運行狀態(tài)，操作人員登陸入口，日期，菜單畫面，正常時，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)設置，動力系統(tǒng)參數(shù)設置。

（3）事故報警畫面。

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

（4）趨勢分析畫面。溫度變化趨勢畫面，濕度變化趨勢畫面。

（5）幫助畫面。

幫助畫面主要為用戶提供程序應用說明及操作方法。

3.3 自動化網(wǎng)絡系統(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，并實時進行數(shù)據(jù)交換，交換機采用集成在PLC上的交換機或PLC7-1200專用交換機的CSM1277，系列的工業(yè)交換機。通信電纜采用超5類通信電纜，網(wǎng)絡采用總線網(wǎng);通信速率為10～100 Mbts。

4 結(jié)語

通過PLC系統(tǒng)分析現(xiàn)場各個檢測點的溫度、濕度、微壓等參數(shù)，實時在線控制動力系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)及工藝冷卻系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)最佳能耗控制。

同時操作員站畫面，可以在線觀察到各個檢測點的運行參數(shù)、設備的運行狀態(tài)，操作員站畫面在線干預設備的運行狀態(tài)，通過PID控制系統(tǒng)。

阿特斯中央空調(diào)系統(tǒng)裝機容量為4841 kW，低壓用電設備裝機容量為2774 kW，高壓設備裝機容量為2067 kW（主要是3臺壓縮機，每臺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，通過人為干預系統(tǒng)運行，可以優(yōu)化原設計參數(shù)，使中央空調(diào)系統(tǒng)運行更經(jīng)濟、更合理，更靈活。

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