基于Johnson Controls的车间温湿度控制系统设计

赵兰　顾闯　张美琪

摘要：利用直接数字控制器，结合Johnson Controls的Metasys监控软件设计人机对话界面对新风机组进行控制，实现了温度、湿度控制和压差检测分布式自动控制。实际运行表明，系统设备检修与调试方便，提高了系统的易维护性和控制的实时性。

关键词：新风机组；直接数字控制器；Johnson Controls；Metasys

Abstract： Temperature control， humidity control， and the pressure difference of workshop of Fresh air system are obtained by Direct Digital Controller with man-machine interface of Johnson Controls， Metasys. It is testified that maintain and real-time control of the system are improved.

Key word： Fresh air system；Direct Digital Controller；Johnson Controls；Metasys

1. 引言

硅片是光电直接转换型太阳能电池的主要组成部分，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的高低。在硅片制成太阳能电池片的生产过程中，要经过多道工序，每道工序对设备的温、湿度都有相应的要求。因此，车间的温、湿度度对于产品生产质量将产生直接的影响。

新风机组是提供新鲜空气的一种空气调节设备。车间温湿度控制系统是将厂区内的空调设备、工艺设备进行分散控制、集中监视和管理，从而提供一个舒适、安全的工作环境。通过优化控制提高管理水平，达到满足工厂环境和工艺要求、节约能源和运行成本，并实现管理自动化。

2. 系统总体设计

车间温湿度系统选用DDC为控制器，通过取预热温度、电磁阀开度等多个信号，采用PI算法来控制三个冷盘管电磁阀、两个热盘管的电磁阀和一个加湿电磁阀实现对新风机组的出风温度和湿度进行控制。

直接数字控制器DDC（Direct Digital Controller）构成的控制系统常采用的网络结构有两种，即Bus总线结构和环流网络结构。其中Bus总线结构是所有DDC控制器均通过一条Bus总线与集中控制室主机相连，该系统最大优点就是系统简单、通信速度较快，适用于控制点相对较少的中、小型工程。车间温、湿度控制系统选用一台PC机为主站，DDC控制器为从站结构。系统结构框图如图1所示。

新风机组在室外抽取新鲜的空气经过除尘、除湿（或加湿）、降温（或升温）等处理后通过风机送到室内，替换室内原有的空气。按使用环境的要求，可以达到恒温恒湿或者单纯提供新鲜空气。新风机组分为三个部分：初效段、中效段和加湿消音段。初效段包括初效过滤网、两根热盘管、三根冷盘管，用于对新鲜空气的除尘、加热和制冷。中效段包括风机和中效过滤网，用于出入新风和空气的除尘。加湿消音段包括一根蒸汽管和消音网，用于对空气的加湿和消音。

3. 系统硬件设计

中央控制站包括一台服务器、一台NAE和两组电池组。电池组：为整个系统中的NAE （Network Automation Engine）、控制器提供220V电源，并能在市电停止供电的情况下，为系统提供6个小时的供电。

NAE网络控制引擎，是硬件设备使用信息和网络技术集中管理现场设备的自动控制引擎，可以在线添加设备，现场点及编写联动程序。NAE最常用的接口类型LONWORKS和N2两种，设计中控制器与NAE的连接选用N2总线，传输距离远，且信号稳定。NAE与服务器通过网线连接，NAE上有专门的网线插口，通过最常见的网线，可实现服务器与NAE的联络。直接数字控制器通过总线直接连接到NAE上，将数据传输给NAE。再者传感器、电磁阀、变频器等信号都通过点对点送给DDC进行处理。

DDC控制器是整个控制系统的核心，是系统实现控制功能的关键部件。工作过程是控制器通过模拟量输入通道和开关量输入通道采集实时数据，并将模拟量信号转变成计算机可接受的数字信号，然后按照一定的控制规律进行运算，最后发出控制信号，并将数字量信号转变成模拟量信号，并通过模拟量输出通道和开关量输出通道直接控制设备的运行。

数字控制器设计采用了江森公司生产的DDC控制器FX15作为控制器，使用控制器编程中的PI模块，对新风机组的冷阀、热阀和蒸汽加湿阀进行控制，来达到控制出风的温湿度的目的。设计中FX15的编程所使用的软件为FX Builder，FX15的编程方式是现在流行的模块化编程，使用起来非常的方便、快捷。设计中，电磁阀手动/自动控制模式转换和强制命令控制电磁阀。以及自动模式时，电磁阀调节PI控制方案通过PI模块实现如图3所示。

4. 系統软件设计

在硬件设备连接的过程中，需要通过软件配置，系统各个设备之间才能实现通讯。实现服务器、NAE、DDC的通讯，需要用到的软件有ADS、SCT等。

SCT （System Configuration Tool）：系统配置工具。软件程序，离线创建数据库，离线编写联动程序（LCT），在线备份和恢复数据库。可以在不连接网络引擎或数据服务器的情况下配置系统。

ADS （Application and Data Servers ）：应用和数据服务器。软件程序，通过访问ADS，来集中管理NAE，并实现数据的存储，如趋势数据等。

4.1Metasys系统

Johnson Controls的Metasys系统是美国江森自控公司80年代末开始推出并不断完善升级的管理系统。Metasys系统具备了系统控制中三个最基本的功能：独立控制、监督控制及信息管理。Metasys采用分布式结构，实现集中管理，分散控制。软件和数据贯穿于Metasys网络，Metasys系统是模块化系统。

4.2系统监控组态软件设计

组态软件有动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线和报表输出等功能，与其他组态软件相比，Johnson Controls最大的特色就是系统扩展架构是基于WEB的系统，通过IE浏览器进入到用户界面即可实现对整个系统的监控功能，并且有短信告知报警的功能。

Metasys系统软件自身并没有制作画面的功能，但是有微软公司开发的Microsoft Visio，所有的画面都必须用Visio来完成，最后以VSD格式的文件保存，因为Metasys能识别VSD格式的图片。将所需要的点全部添加到画面中，完成的监控画面的设计。

5. 系统调试

系统新风机组的运行界面如图4所示。

系统温度控制、湿度控制、压差检测，监控软件的运行画面，还有系统中的报警点设置、历史趋势曲线设计运行调试等，实现了车间温湿度远程实时控制和监控运行的目的。

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