暖通空调自动化系统设计实践

刘满元 魏海波 张锋

[摘    要]某阳光能源科技有限公司拟建3GW硅片及600 MW组件项目，该项目建设在一个封闭的工业厂房内，分割为多个功能区，主要功能区工艺区、实验测试区为洁净区域。中央空调控制系统采用PLC控制，每个空调系统或冷却设备系统设1套S7-1200PLC，共计设23套PLC站，设1套操作員站、一套工程师站。PLC站、操作员站及工程师站通过工业以太网连接起来，实现对厂房的温度、湿度控制，实现对工艺冷却水系统、换热系统、开式冷却塔系统、闭式冷却塔系统的控制，实现冷冻水、热水系统、工艺冷却水系统、剖方机工艺冷却水系统、压缩空气系统、氩气系统和真空清扫系统经济可靠运行。

[关键词]PLC;变频器;PID;操作员站;工程师站

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]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 项目概况

某公司一期项目设有空调系统、新风系统、热水系统、废水系统、纯水系统、冷冻水系统，冷却水系统（铸锭炉工艺冷却水系统，剖方机工艺冷却水系统），空调系统有办公区空调，设风机盘管+独立新风的舒适性空调系统，采用两管制系统。生产区空调，生产区全部采用全空气空调系统，根据工艺划分为多晶、磨面抛光区、洗锭、坩埚脱模、喷涂、清洗车间5个空调分区。洁净区空调，洁净区全部采用全空气空调系统，根据工艺划分为4个空调分区。对空调自控要求通风、空调系统的启、停控制及其状态显示，风机盘管的室温控制及其风机风速控制，空调机组变频及送风温、湿度，房间温湿度、正压，机械排烟系统的消防联动控制。

2 动力暖通系统设计说明

2.1空调及工艺冷却系统配置控制要求

（1）开式冷却塔控制.通过开式冷却塔出水主管上温度传感器T1监测温度控制冷却塔风扇的启停，当出水管水温T1低于27℃（可调）时关闭一台风扇。当出水温度高于31度时开启一台已关闭的风扇，控制反馈延迟30S。冷却塔出水温度T1低于24℃（可调）时，缓慢开启冷却塔供回水之间电动调节旁通阀，反之，缓慢关闭电动调节阀。控制反馈延迟5s。

（2）闭式冷却塔控制。根据闭式冷却塔出水管上温度传感器T2、T3检测温度控制冷却塔风扇变频和启停：当出水管水温低于24度时，变频降低风扇转速，反之，升高风扇转速。当出水管温度低于23℃时关闭所有喷淋泵，当出水管温度高于25℃时开启所有喷淋泵，控制反馈延迟15s。

（3）冷冻机控制.冷冻机根据总负载量判断开启冷冻机台数，当某台冷冻机进入待机状态时，依次延迟关闭对应冷冻水泵及冷却水泵，延迟时间根据冷冻机产品要求，冷冻机开启前，先启动对应冷却水泵和冷冻水泵。

（4）板换温度控制。根据二次侧出水管上温度传感器T4、T5检测温度控一次侧回水管上电动三通阀开度，二次侧回水温度低于25 ℃时，缓慢调节电动三通阀开启方向，维持二次侧出水温度在25 ℃。

（5）工艺冷却水泵控制。通过供水管上的压力传感器压力值与设定值比较，控制水泵变频，维持出水压力在设定值。

（6）状态监控。当工艺冷却水供水温度高于25.5 ℃时，发出警报，手动开启冷冻机系统或检查故障，监控工艺水池水位，当液位低于警报水位时发出警报，检查系统。监控供水压力，当供水压力低于设置值时发出警报，检查系统。

2.2空调系统控制要求

（1）PEF-1-1-04～07空调箱空调AHU-X的初效、中效过滤器压差现场显示，当过滤器阻力大于下列值时清洗或更换：初效过滤器的压差>100Pa;中效过滤器的压差>160Pa。

（2）室内温度控制（注：新风焓值为i;室内焓值为i）。

①夏季i>i时，新风比为8.6%，室内温度由电动二通阀DX-1控制。

②过渡季i

③冬季i

④夏季、冬季为固定模式，此时新风电动阀FX-3的开度须保证最小新风量6500CMH，排风电动阀FX-1风量为0CMH，回风电动阀FX-2的风量为68500CMH。

（3）湿度调节。

室内湿度通过DX-1电动阀来控制，湿度高于50%时，开大阀门DX-1，进入表冷器的冷冻水量增加;湿度低于50%，DX-1的动作则相反。温、湿度同时控制，湿度优先控制。

（4）风机起动及链式控制。送风机、回风机与排风电动阀、回风电动阀、新风电动阀联锁，风机启动时，先开排风电动阀、新风电动阀，再启动送风机、回风机;关闭时，次序相反。

（5）PEF-1-1-01～03空调箱：

夏季，接受新风处理后温度湿度信号，通过电动两通阀控制进入表冷盘管的冷水水量，保证室内温度恒定。

冬季，接受新风处理后温度信号，通过电动两通阀控制进入加热盘管的热水水量，保证室内温度恒定;当温度低于2 ℃（可调）时，关闭送风机及新风入口电动风阀，并发出报警信号。

当循环空调箱的表冷盘管电动两通阀全关，室内温度仍低于设定值时，启动加热盘管，保证室内温度恒定。

接受新风送风主管的静压信号，通过VFD控制风机的转速，从而保证新风送风压力的恒定。

（6）风机起动及链式控制。新风空调系统，循环空调系统，排风系统联动，打开顺序为先开循环空调系统，再开新风空调系统，最后开排风系统，关闭则相。

3 自动化系统设计

3.1 PLC系统设计

3.1.1 PLC系统组成

本工程控制范围有空调系统、新风系统、热水系统、废水系统、纯水系统、冷冻水系统、冷却水系统、工艺排风系统，空压机系统，设18个空调控制站及3个动力系统控制站组成。

3.1.2 空调系统PLC控制

根据空调系统的工艺要求及为了安全可靠运行，每套空调设一套独立控制系统，控制设备采用SIEMENS公司的S7-1200系列，PLC主机采用1215CDC/DC/RLY。

信号采集，以下信号进入PLC系统。

（1）数字量输入信号（DI）：进入PLC的信号均采用常开点。

①一般电动机：允许自动操作信号1点，运行反馈信号1点，电机过负荷1点。

②变频供电电机：允许自动操作信号1点，运行反馈信号1点，电机过负荷1点，变频器事故1点。

③其他设备：依据需要采集。

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

数字量输出信号（D0）：数字量输出信号均采用继电器输出模块，输出侧配继电器。

设备启动/停止用1个信号，1点。

（3）模拟量输入信号（AI）。

①变频供电电机：变频供电的电机转速进入PLC。

②现场仪表信号：温度、适度、压力等信号进入PLC系统。

模拟量信号采用4～20mA信号，模板采用6ES7231-4HF32-0XB0

（4）模拟量输出信号（A0）。

①变频供电电机：变频供电的电机转速设定信号。

②阀门开度：阀门开度信号。

模拟量信号采用4～20mA信号，模板采用6ES7232-4HD32-0XB0。

3.1.3 动力系统PLC控制

空调冷冻水及工艺冷却水冷源系统及空调热水系统，铸锭炉及切片工艺冷却水系统，压缩空气系统，氩气系统，清扫真空系统，根据动力系统的工艺要求及系统安全性要求，每套系统设一套独立控制系统，空压机系统及锅炉系统与空调冷却水系统共用1套PLC;控制设备采用SIEMENS公司的S7-1200系列，PLC主机采用1215CDC/DC/RLY。

信号采集，以下信号进入PLC系统，同空调系统PLC控制。

3.2 中央操作系统

3.2.1 系统操作方式

空调及动力设备主要有就地控制箱手动控制（HC）、PLC自动控制（RC）和中央监控系统远程控制（OS）三种控制方式。三种方式的控制级别由高到低为就地手动控制、遠程手动控制、自动控制，所有参与自动系统设备单机手动试车完后，才允许进入自动运行试车。

3.2.2 中央监控系统

中央监系统：由监控站、工程师站及打印机系统组成。

主要功能完成系统硬件和软件配置组态。

硬件组态：对控制系统、操作员站、监控站进行组态，对I/O模块、控制网络进行组态。

软件组态：对各种功能块进行组态、修改各种功能块的参数、生成数据库、绘制各种画面。

3.2.3 中央操作计算机硬件配置

处理器类型：Intel.Corei5-3320M3.3GHz

RAM：8G

硬盘500G

显示器：21呎

工业用机箱（安装在操作台内）

图形卡：32MBRAM，24位颜色深度

屏幕分辨率：1920×1080

网络：对于STEP7和CPU之间的通信，10Mbit/s以太网或更快光驱：DVD-ROM

3.2.4 主要软件选择

PLC编程软件：SIEMENS：TIAPortalV14，StepBasci。

系统组态软件：SIEMENS：TIAPORTALV14，BasicWincc 1024;运行版。

SIEMENS：TIAPORTALV14，BasicWincc1024;开发版。

3.2.5 主要功能

对于中控室操作画面，按下面进行设置。

（1）主要画面。

管理、操作系统主要设5幅主画面，分别为工艺流程主画面、操作画面、趋势画面、事故报警画面、幫助画面（含系统操作说明）。

工艺流程画面是系统的主要画面，主要显示内容有工艺流程参数，工艺运行状态，操作人员登陆入口，日期，菜单画面，正常时，操作界面为工艺主画面位置。

（2）操作画面。

主要操作内容有：空调系统起停，空调系统参数设置，动力系统参数设置。

（3）事故报警画面。

空调系统设备事故，如过滤阻塞。单体设备事故、电器设备事故，如变频器事故。

（4）趋势分析画面。温度变化趋势画面，湿度变化趋势画面。

（5）帮助画面。

帮助画面主要为用户提供程序应用说明及操作方法。

3.3 自动化网络系统

中央监控系统、工程师站及23套PLC系统通过PROFIBNET连接，并实时进行数据交换，交换机采用集成在PLC上的交换机或PLC7-1200专用交换机的CSM1277，系列的工业交换机。通信电缆采用超5类通信电缆，网络采用总线网;通信速率为10～100 Mbts。

4 结语

通过PLC系统分析现场各个检测点的温度、湿度、微压等参数，实时在线控制动力系统、暖通系统及工艺冷却系统设备的运行状态，实现最佳能耗控制。

同时操作员站画面，可以在线观察到各个检测点的运行参数、设备的运行状态，操作员站画面在线干预设备的运行状态，通过PID控制系统。

阿特斯中央空调系统装机容量为4841 kW，低压用电设备装机容量为2774 kW，高压设备装机容量为2067 kW（主要是3台压缩机，每台680 kW）。通过PLC系统及操作员站系统，充分利用包头地区夏季昼夜温差大，空气干燥等特点，通过人为干预系统运行，可以优化原设计参数，使中央空调系统运行更经济、更合理，更灵活。

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