樓宇自控系統在工廠空調自控工程中的應用論文
摘要 西門子“S600頂峰”樓宇自控系統在工廠空調自控系統中的應用。通過實例介紹了系統的性能優勢,以及在溫濕度控制精度和節能措施兩方面的經驗。具體描述了系統方案、軟件設計要點、實現方法及運行效果。
關鍵詞 S600系統 系統方案 溫濕度 焓值 節能
1 引 言
計算機技術的飛速發展及其在工業與民用領域的廣泛應用,使得人們日益增長的對高品質工業與民用產品的需求有了可以依靠的技術基礎。計算機自動控制技術使得工廠加工自動化程度顯著提高,以本文涉及的工廠空調自控系統為例,由于采用了計算機自動控制,可以將車間的溫濕度控制在非常高的精度范圍內,為生產高精度的產品創造了良好的外部環境。隨著人們環境保護意識的增強,使我們意識到好的空調自控系統不僅要達到高的控制精度,還應該在節約能源方面有所作為。本文就是希望通過兩個工程實例介紹在工廠空調自控工程中對精度和節能這兩個主題的理論與實踐經驗。
2 系統概述
一套好的自控系統,首先要有非常可靠的硬件系統支持,應該在靈敏度、可靠性和使用壽命、系統采用技術的先進程度以及操作維護的簡易程度上作權衡考慮。在這里介紹西門子“S600頂峰”樓宇自控系統。“S600頂峰”系統是西門子集團1998年新組建的“西門子樓宇科技”集團公司最新推出的樓宇自控系統。該集團公司是世界上樓宇自控產品的三大供應商之一,她的產品從傳感器到閥門、執行器以及現場控制器和集中監控軟件,形成了非常完備的規格型號系列,使得用戶可以選用同一品牌的產品構建自己的系統,保證了系統的完整統一。同時產品的設計采用國際規范,保證了與其他廠家產品的兼容。“S600頂峰”樓宇自控系統在智能化建筑領域已經得到了廣泛的應用,而且在工廠自控工程中也有上乘的表現,這是由其技術上的先進性保證的。
首先系統采用了“分散控制集中管理”的系統結構,控制任務由分散安裝在現場的控制器完成,中央圖形工作站通過通信網絡將現場控制器數據采集上來,實現集中管理,這種系統結構保證局部的故障不會影響全局;
第二,系統控制器采用先進的模塊化結構,由CPU模塊、電源模塊、20～36個I/O模塊構成,每個I/O模塊上有2～4個I/O點,模塊可帶電插拔,安裝無須工具;
第三,系統網絡擴展性好,網絡分三層,為乙太網、樓層網、局域網,每條局域網可連接32臺單元控制器UC或DPU、TEC,樓層網最多連接64臺模塊化控制器MBC或MEC、RBC、FLNC等,每臺MBC可接3條局域網,網絡通訊速率300bps～115.2kbps;
第四,全部的執行器均帶手動開啟裝置,更好保證了系統可靠性;
第五,抗干擾性能好,可以有效地隔離工廠環境各種設備的電氣干擾。
軟件是自控系統的靈魂,“S600頂峰”系統中的控制器正是由于安裝了優化開發的系統軟件,才成為智能化的控制器。系統軟件是固化在控制器EPROM芯片中的程序,它完成控制器開機自檢、A/D數據采集、與上下級網絡節點通訊、與外圍設備通訊以及解釋執行EEPROM應用程序并進行D/A輸出控制。應用軟件是用戶針對具體的工程項目用PPCL語言(一種專用BASIC語言)編制的程序,編寫工作可在圖形工作站或筆記本電腦上完成,下載到控制器的EEPROM中由系統軟件解釋執行,編程具有很大的靈活性。圖形工作站上運行的是一套專為S600系統開發的圖形化工業控制組態軟件包,運行環境為Windows98、Win-dowsNT,提供了一系列組態工具用于系統二次開發,包括有控制點數據庫編輯、背景圖形繪制、動態圖形繪制、PPCL語言編輯、操作員管理、各種報表生成及乙太網通訊等。軟件具有良好的開放性,可以與多種Windows應用軟件,如Excel、Acad、3Dmax等協同工作。
3 工程實例
銀燕電腦公司在國內外數十項大小工程中使用了“S600頂峰”系統及其前身S600系統,取得了良好的經濟和社會效益,在印刷行業、紡織行業、制藥行業、航空航天領域和民用領域都有成功的應用,其中不少是國家重點工程、重點企業、有國際影響的工程。這里介紹一個典型工程項目——西安西羅航空部件有限公司空調自控工程,就其中的技術實施細節作一些總結,特別是在控制精度和節省能源方面的經驗。
3.1 工程概述
西安西羅航空部件有限公司是英國勞斯萊斯(Rolls-Royce)公司同西安飛機發動機集團公司合資生產航空發動機葉片的企業。它采用的水基涂料模殼成型技術是目前國際上非常先進的生產工藝,國內同類型企業采用的是胺氣干燥法模殼成型技術,使用的涂料中的揮發性有機化合物和胺氣對工人和環境都有毒害和污染。我國在這方面已經有了嚴格的法律法規并且簽定了孟特利爾國際環保公約,將在未來3到5年禁止使用這種工藝,所以西羅公司的水基涂料模殼成型技術將得到廣泛應用。這種技術的關鍵在于涂料在蠟模表面的干燥速度,這決定了最后成型的模殼的強度,要求空調系統在生產的全過程保證車間的相對濕度穩定在設定值±2%(設定值可在40%～60%之間任意設定),為保證蠟模不變形,溫度控制精度為±1℃。車間總面積620m2,高7m,如此大面積高精度的空調控制工程在國內還很少見。
3.2 系統方案
該項目的空調系統設計方案由英國Drytech工程公司提供,銀燕電腦公司提供自控系統的設計方案,并負責工程施工、調試。下圖為項目的核心部分制殼車間空調系統圖。空調機組K2—1、K2—2為兩臺風量為35,000m3/Hr的YORK機組,負責制殼車間的空調控制,保證15次/小時的換氣次數,新風機組的設置是考慮到西安地區的氣候條件(早晚溫差大,冬夏季節差異大)而采取的予處理措施,對保證高精度的控制效果起到了重要作用。新風機組設預熱段、制冷和加熱段,預熱段為防霜凍措施,根據新風溫濕度傳感器數值進行調整,確保冬季防凍。制冷和加熱段保證送風溫度控制在設定值±3℃。壓差開關用于檢測過濾段的堵塞情況。空調機組設制冷、加熱和加濕段,其中加濕段沒有采用常用的蒸汽加濕方法,主要考慮蒸汽壓力不穩對濕度控制不利,選用的是美國進口的VLD可控硅電熱蒸汽加濕器,蒸汽量平穩且易于控制。送風風速傳感器的設置是為了確保送風的連續可靠即穩定的換氣次數,如果風速降低,就意味著風機故障、過濾器堵塞、風門失控等原因,應及時處理。針對控制對象連續高精度的要求,為空調系統配備了充足穩定的能源供給。在輔助廠房除3臺常規大容量YORK冷凍機組外,為高精度空調機組配備了1臺意大利克萊門特風冷冷凍機組(用于冬季供冷)和4臺英國HE—200型燃氣熱水鍋爐(用于常年供熱)。系統圖形工作站選用臺灣ADVANTECH研華工業控制PC機,PENTIUM166主板,32M RAM,32X光驅,20英寸顯示器,操作系統為Windows98,運行IN-SIGHT2.7軟件。配備UPS不間斷電源和寬行報表打印機。選用了4種現場控制器:
FLNC樓層網絡控制器不帶輸入/輸出點,主要用于將LAN網設備連接至PMD樓層網,可編程。
MBC模塊化樓宇控制器帶多種輸入/輸出模塊,可以連接LAN網設備,可編程。
UC單元控制器板式結構,可插1或2塊I/O板,每塊板點數為:3DI,4AI,3AO,2DO。可帶顯示屏、鍵盤,可編程。
DPU數字點單元控制器帶12DI,12DO,用作MBC的數字點擴充,不可編程。
3.3 控制方案
制殼車間的運行特點是模殼在生產過程和干燥過程中散發大量的水分,空調系統要將這部分濕度除掉,由制冷段的表冷器將水分凝結出來,再由加熱段升溫,即可保證溫度和相對濕度,這就是為什么要常年保證冷熱源的.供給。同時還不能讓濕度偏低,以便控制干燥速度,保證模殼強度。由于生產的不同階段散濕量亦不相同,對于空調機組來講是一種變化的負荷,不能采用常用的定露點控制方案。Drytech公司的方案是以回風溫濕度的變化對冷、熱閥和加濕器做PID調節,中方技術人員分析這種方案有兩點問題:
①冷閥的調整對溫度和相對濕度都產生影響,以回風溫濕度為參照控冷閥會有“一仆二主”的矛盾,難免顧此失彼;
②盡管系統換氣次數較高,但回風溫濕度還是會有一定的滯后,對PID參數的調整不利。經過與英方技術人員充分交流探討,確定了“露點動態調節”的軟件控制方案,即由溫濕度設定值計算出理論露點溫度,根據回風濕度的高或低在理論露點的基礎上向上或向下浮動計算出實際露點值,作為冷水閥的控制依據。這樣還克服了露點溫度傳感器誤差影響。經過表冷器的空氣的絕對含濕量得到了控制,然后經加熱段將空氣溫度提升至設定值,則相對濕度也不會超出精度范圍。在車間濕度偏低時則由加濕器補充水分。空調機組控制程序的重點是控制精度,輔助廠房能源供給部分的程序設計則突出了節能的要求,當然節能的前提是保證生產。在夏季使用3臺大冷凍機組,滿足全廠制冷需求,冬季和過渡季節冷水供應由風冷機組負擔,主要滿足高精度車間的使用,體現了節能的思想。季節交替時由操作員發出指令,程序控制水泵和蝶閥進行機組切換。夏季3臺大機組的工作也由程序進行控制,按實際負荷的狀況決定機組工作臺數,計算的依據有二,一是總進水和總出水溫差,二是空調機組冷水閥的開度。若冷水閥開度大于80%,表明冷量不足,程序自動按順序啟動冷卻塔、冷卻泵、機組進水蝶閥、冷凍泵、冷凍機組;當冷水閥開度低于10%,則按相反順序關閉機組序列。程序按機組累計工作時間確定下一次開啟哪個機組序列,保證勞逸結合。另外每臺機組自己也能根據負載大小調整出力,三方面結合起來,使系統達到了最佳節能效果。
3.4 系統特色
軟件的設計充分發揮了INSIGHT軟件包的開放性,將3D圖形設計技術融入系統界面,給用戶提供了接近實景的操作環境,大大提高了系統的易用性,這充分表明了S600系統的技術先進性。系
統于1999年8月和12月通過了夏季和冬季驗收,驗收時控制精度超過設計指標,達到溫度±0.5℃、濕度±1%。英方對工程的評價是:“該系統優于勞斯萊斯公司目前所有同類型系統,給人以深刻的印象”。
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