船舶中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

夏 平，闞安康，湯 偉，金雅婷

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

0 引 言

船舶空調(diào)系統(tǒng)一般都采用固定風(fēng)量的定風(fēng)量系統(tǒng)，并且是按艙室熱濕負(fù)荷最大時(shí)的總和確定送風(fēng)量[1]。對(duì)于區(qū)域艙室多，各艙室功能不一的船艙空調(diào)系統(tǒng)，采用變風(fēng)量系統(tǒng)不僅能滿足不同艙室負(fù)荷變化，及時(shí)調(diào)節(jié)送入艙室的風(fēng)量，滿足人員的舒適性要求，還能達(dá)到節(jié)能的目的。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)在自動(dòng)控制方面的優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。本文基于組態(tài)軟件下研制的變風(fēng)量空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精確的自動(dòng)控制，而且操作簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)概況

1.1 控制系統(tǒng)組成和功能

中央空調(diào)系統(tǒng)含有水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)。兩者最大的區(qū)別是冷卻高溫制冷劑的介質(zhì)不同。在夏季制冷工況下，可以運(yùn)行其中一個(gè)系統(tǒng)；在冬季制熱工況下，只能運(yùn)行風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)。中央空調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)包括冷水機(jī)組控制系統(tǒng)、冷凍水控制系統(tǒng)、冷卻水控制系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和空調(diào)箱控制系統(tǒng)。中央空調(diào)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可進(jìn)行下述操作：

1) 全自動(dòng)操作功能。根據(jù)設(shè)定的狀態(tài)參數(shù)，自動(dòng)完成各種設(shè)備啟停等操作；

2) 手動(dòng)操作功能。根據(jù)設(shè)定的狀態(tài)參數(shù)，手動(dòng)完成各種設(shè)備啟停等操作；

3) 系統(tǒng)各個(gè)基本參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

中央空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控的功能有：監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的壓差和壓縮機(jī)的高低壓及對(duì)應(yīng)的溫度，當(dāng)超過(guò)極限值時(shí)報(bào)警，以保證壓縮機(jī)正常工作；監(jiān)測(cè)與記錄冷水機(jī)組的冷凝壓力與蒸發(fā)壓力，使冷水機(jī)組正常工作；壓縮機(jī)的啟停；冷凍水泵與冷卻水泵的啟停；冷凍水溫度和流量參數(shù)的監(jiān)控；冷卻塔的啟停；送風(fēng)機(jī)與回風(fēng)機(jī)的啟停；新風(fēng)、回風(fēng)與排風(fēng)閥的開(kāi)啟度調(diào)節(jié)；新風(fēng)比調(diào)節(jié)，在衛(wèi)生條件允許的情況下，控制最低新風(fēng)量，最大限度地利用回風(fēng)，來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。在進(jìn)行全新風(fēng)運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)閥全開(kāi)，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)只是通風(fēng)換氣；檢測(cè)新風(fēng)、回風(fēng)與送風(fēng)的溫度和濕度，是以回風(fēng)溫度作為被調(diào)對(duì)象的溫度控制參數(shù)，因?yàn)榛仫L(fēng)溫度能近似反映被調(diào)對(duì)象的平均狀況；濕度的控制參數(shù)一般為送風(fēng)濕度[2]。所有監(jiān)控就是要保證空調(diào)區(qū)域空氣溫度與濕度在設(shè)定范圍內(nèi)滿足舒適性的要求，又能最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)工程的實(shí)際情況，在上述監(jiān)控點(diǎn)位的基礎(chǔ)上增加或減少一些監(jiān)控點(diǎn)位即可得到較為滿意的效果[3]，中央空調(diào)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)集中控制系統(tǒng)分4個(gè)層次：

1) 中央控制計(jì)算機(jī)：裝有 PLC（可編程邏輯控制器）的控制程序以及網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件，所有的控制都在這里實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)的中心；

2) 操作員站：36個(gè)操作員站布置在多媒體室（即工作間），每個(gè)操作員站的電腦裝有網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件，操作員站和中央控制計(jì)算機(jī)之間是通過(guò)外部WAP訪問(wèn)的方式進(jìn)行通信；

3) PLC和采集模塊；

4) 各類傳感器。

系統(tǒng)的工作原理：由傳感器測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境變量，PLC控制系統(tǒng)接受傳感器輸出的信號(hào)并按設(shè)定程序進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的自動(dòng)控制。同時(shí)，PLC控制系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口PPI(點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議)實(shí)現(xiàn)[4]，監(jiān)控參數(shù)在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)顯示出來(lái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.3 控制系統(tǒng)硬件

1) 工控機(jī)：監(jiān)控系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)選用IPC-510H工控機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，可滿足控制系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下不間斷工作的要求。

2) 控制器組成見(jiàn)表1。

表1 控制器組成

3) 室內(nèi)溫度傳感器/變送器組成見(jiàn)表2。

表2 傳感器/變送器組成

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序設(shè)計(jì)

硬件組態(tài)后，在STEP-7的SIMATIC Manager下編寫(xiě)程序。由于系統(tǒng)的外部控制信號(hào)點(diǎn)數(shù)多，機(jī)構(gòu)多，各個(gè)機(jī)構(gòu)既有獨(dú)立性，又有相關(guān)性，因此系統(tǒng)進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，采用自然語(yǔ)言的梯形圖編程，將每個(gè)機(jī)構(gòu)編寫(xiě)成功能塊FC或功能塊FB，這樣既增加了程序的可讀性，又減少了工作量[5]。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)中所有的控制點(diǎn)在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中被定義，所有控制點(diǎn)的信息形成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，其為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心，可以使現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)狀況以動(dòng)畫(huà)反應(yīng)在屏幕上，同時(shí)操作人員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的控制命令也能迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，并最終體現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)作上。這種雙向、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)交換，是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁[6]。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用組態(tài)王6.5軟件編寫(xiě)，其具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，靈活的組態(tài)方式和數(shù)據(jù)連接功能，可以充分利用Windows圖形編輯功能構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面，人機(jī)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)的狀況能以動(dòng)畫(huà)的形式反映在屏幕上，同時(shí)，操作人員的控制命令也可以迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

組態(tài)王與S7-200PLC之間支持多種通信方式，但其端口號(hào)與通信波特率須設(shè)置一致。組態(tài)王是通過(guò)對(duì)邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的管理，即具體I/O設(shè)備與邏輯設(shè)備名一一對(duì)應(yīng)，組態(tài)王中的I/O變量與具體I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)邏輯設(shè)備名來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)邏輯設(shè)備可與多個(gè)I/O變量對(duì)應(yīng)。

在操作過(guò)程中，通過(guò)如圖3所示的監(jiān)控窗口可得到各種檢測(cè)參數(shù)，同時(shí)也可對(duì)被調(diào)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行控制。上位機(jī)發(fā)出命令后，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)將信號(hào)輸送給下位機(jī)PLC，PLC輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，各種檢測(cè)參數(shù)都是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示在上位機(jī)的屏幕上。

圖3 監(jiān)控窗口

整個(gè)人機(jī)界面含有幾個(gè)子窗口：系統(tǒng)運(yùn)行窗口可以形象地顯示出水冷或則風(fēng)冷機(jī)組的基本系統(tǒng)架構(gòu)，將當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行的動(dòng)態(tài)效果運(yùn)行主機(jī)內(nèi)的冷媒流動(dòng)的方向以及監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行時(shí)候的各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)；趨勢(shì)曲線窗口：實(shí)時(shí)曲線窗口顯示多媒體教室內(nèi)的溫度和濕度實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)曲線，歷史趨勢(shì)窗口顯示出多媒體教室內(nèi)的溫度和濕度的歷史變化趨勢(shì)曲線；報(bào)警信息窗口：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，顯示各個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障后的報(bào)警信息，用戶可根據(jù)報(bào)警信息排除故障； 數(shù)據(jù)報(bào)表窗口：通過(guò)該窗口可以查閱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表，或根據(jù)條件查詢生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，還可根據(jù)需要進(jìn)行編輯打印。

3 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于船舶中央空調(diào)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)連續(xù)運(yùn)行表明：系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、投入成本較低、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能效果明顯，既減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了自動(dòng)化管理水平，具有較高的實(shí)用和推廣價(jià)值。由于考慮到后續(xù)的研究和教學(xué)，同時(shí)設(shè)計(jì)了兩種空調(diào)機(jī)組同時(shí)并存，以便在不同的外界環(huán)境條件下，進(jìn)行兩種空調(diào)機(jī)組的性能和能耗的實(shí)驗(yàn)與分析。

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