空調制冷自控系統(tǒng)在卷煙廠中的設計與應用

王 靜（五洲工程設計研究院， 北京 100053）

隨著技術改造大潮的推進，卷煙廠的自動化程度越來越高，隨著各種昂貴的設備儀器越來越多地被使用，再加上產品的高價值的特性、特殊的環(huán)境要求，卷煙廠建設中對空調制冷自控系統(tǒng)越來越重視，各種先進的探測手段、控制方式被應用到卷煙廠中。下面就以上海卷煙廠的空調制冷自控系統(tǒng)為例進行簡單介紹。

1 工程概述

1.1 廠區(qū)概述

上海煙草（集團）“中華”牌卷煙專用生產線技術改造工程， 包括76#和80#兩個地塊。76＃地塊占地面積39,079.92m2，80＃地塊占地面積22,146.78m2。

在76#地塊內建年產500億支的中華生產工房（建筑面積75,124.5 m2），包括制絲工房、卷結包卷接包工房、生產輔房等。

在80#地塊內新建中華煙輔助工房（建筑面積39,676.3 m2），包括為全廠配套的輔料庫、35kV變配電室及動力能源管控中心，為“中華專線”配套的片煙高架庫、成品高架庫和生活輔房。

其他輔助用房如傳達室、門衛(wèi)、污水處理站及工業(yè)垃圾站等。

上海煙草（集團）“中華”牌卷煙專用生產線中，需建設空調和制冷的自控系統(tǒng)。此系統(tǒng)是動力能源集成系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過profinet連接入動力能源集成系統(tǒng)的網絡。空調、制冷的自控系統(tǒng)主要根據空調系統(tǒng)的工藝要求，完成對空調設備的自動控制以及與制冷機組、換熱設備的聯(lián)控、群控。系統(tǒng)滿足先進性、標準性、可靠性、開放性、可操作可維護性、實用性、節(jié)能性及規(guī)范性的要求，采用分散控制、集中管理、綜合監(jiān)控的模式，實現(xiàn)被控區(qū)域的溫濕度控制及能源管理合理化。

1.2 空調自動控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)實現(xiàn)對37臺組合式空調機組的自動控制，現(xiàn)場設備包括PLC控制器、網絡設備、觸摸屏、溫濕度傳感器、風量計、空氣壓差開關、預熱/表冷/加熱/加濕電動調節(jié)閥及執(zhí)行器、風閥執(zhí)行器、溫度及壓力傳感器、流量計等。

1.3 制冷自動控制系統(tǒng)

動力中心制冷站自控系統(tǒng)，被控對象包括制冷機6臺、冷卻塔6組（每組3臺風扇）、一次變頻冷凍水泵6臺、二次變頻冷凍水泵7臺（6用1備）和變頻冷卻水泵6臺。

2 設計依據

1）國家及行業(yè)標準：

《卷煙廠設計規(guī)范》（YC0009-2003）；

《智能建筑設計標準》（GB/T50314-2000）；

《工業(yè)自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范》（GB50093-2002）；

《自動化儀表安裝工程質量檢驗評定標準》（GBJ131-90）；

《民用建筑電氣設計規(guī)范》（JGJ16-2008）；

《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2005）。

2）暖通、水道專業(yè)提出的監(jiān)控要求。

3 系統(tǒng)網絡結構

空調制冷自控系統(tǒng)采用集散式控制系統(tǒng)網絡結構，由管理、控制和現(xiàn)場設備三個網絡層構成。各網絡層應符合下列規(guī)定：

1）管理網絡層應完成系統(tǒng)集中監(jiān)控和各種系統(tǒng)的集成。

2）控制網絡層應完成各設備的自動控制。

3）現(xiàn)場設備網絡層應完成末端設備控制和現(xiàn)場儀表設備的信息采集和處理。

4 系統(tǒng)控制模式

4.1 運行模式

控制系統(tǒng)具有自動、遙控和手動三種運行模式。

1）自動模式是控制系統(tǒng)的正常運行模式，是在無人干預的情況下全自動實現(xiàn)系統(tǒng)所有的監(jiān)控功能（除參數(shù)再設定、報表打印等必需的手動操作）；

2）遙控模式是在能源管理中心的操作站上能對現(xiàn)場設備（風機、冷水機組、水泵及電動閥體等）進行遠程手動啟停和調節(jié)；現(xiàn)場控制器要求提供控制端口，保證所有在現(xiàn)場手控能實現(xiàn)的控制功能（控制模式轉換開關除外）均能由遠端遠程手動完成。

3）手動模式是在設備現(xiàn)場的控制柜的人機界面HMI或設備本體上完成對設備的單獨操作（設備現(xiàn)場的控制柜包含設備啟停等必備元器件）。在權限劃分上，現(xiàn)場手動控制權限最大，一旦現(xiàn)場控制柜的轉換開關調至“現(xiàn)場手動”，將屏蔽所有遠端指令，包括自控和遠程手動，且僅由現(xiàn)場操作面板實施控制。

控制系統(tǒng)無論在自動還是遙控模式下，均能準確、可靠地完成設備的順序啟/停及各個執(zhí)行機構的動作；在手動模式下完成各個單機設備手動操作功能，以滿足設備維修、調試時的需要；在自動和遙控模式下都要精確監(jiān)測各個檢測點的數(shù)據和各個設備、執(zhí)行機構的運行狀態(tài)。

4.2 現(xiàn)場設備管理

空調制冷自控子系統(tǒng)配置的壓力、溫度、液位及流量傳感器全部帶HART通訊。冷凍站和換熱站系統(tǒng)PLC控制柜內配置HART協(xié)議多路轉換器，空調系統(tǒng)可以按區(qū)域集中配置HART協(xié)議多路轉換器柜，動力能源集成系統(tǒng)中配置的現(xiàn)場設備管理系統(tǒng)可以直接連接多路轉換器并對現(xiàn)場設備進行管理。

5 空調自控系統(tǒng)設計

5.1 控制功能設計

1）實現(xiàn)各車間空調區(qū)域的恒溫恒濕控制功能。采用全年多工況恒溫恒濕節(jié)能控制策略，盡可能優(yōu)化控制邏輯和PLC程序，使溫、濕度控制趨向最準確、最穩(wěn)定。

2）空調機組啟?？刂疲ā白詣印?、“遙控”和“就地手動”運行模式。

3）空調風機與各電動調節(jié)閥（風閥、水閥、汽閥等）及消防系統(tǒng)的聯(lián)鎖安全運行控制?？照{風柜門的安全連鎖控制。

4）送風溫濕度超限控制，防空調送風“飄水”控制。

5）部分空調風機變頻節(jié)能控制，提供風機變頻節(jié)能控制方案和節(jié)能效益預測。

6）根據空調實際負荷需求，實現(xiàn)空調末端設備與冷水機組節(jié)能優(yōu)化運行控制，達到節(jié)能控制要求。

7）其他手動調節(jié)方案：各電動調節(jié)閥（水閥、汽閥、風閥）帶現(xiàn)場手動調節(jié)裝置，可實現(xiàn)就地開度調節(jié)。

8）火災時與消防系統(tǒng)聯(lián)動。

5.2 監(jiān)測功能

1）車間溫濕度參數(shù)：在每臺空調機組服務的車間區(qū)域內選擇有代表性的多點布置溫濕度傳感器，采用多點加權平均值作為控制依據；

2）新風溫濕度參數(shù)；

3）送、回風溫濕度參數(shù)，其中回風溫濕度傳感器考慮防塵措施；

4）過濾器出風側混風溫濕度參數(shù)及表冷器出風側露點溫濕度參數(shù)；

5）粗效過濾器、中效過濾器及送/回風機空氣壓差狀態(tài)監(jiān)測；

6）新/回風閥、表冷閥、加熱閥及加濕閥開度監(jiān)測；

7）消防火警聯(lián)動狀態(tài)監(jiān)測；

8）風機起停控制、運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手/自動狀態(tài)監(jiān)測及運行時間累計；

9）PLC控制器與風機變頻器、AP電量儀或軟啟動器通訊（Profibus-DP或Profinet接口通訊），讀取變頻器或軟啟內部參數(shù)，包括：頻率設定，電機運行電流、電壓、頻率、轉距、功率等參數(shù)以及故障、報警、運行狀態(tài)等信號，啟?？刂凭捎脤嶞c控制，以免通訊干擾造成失控；

10）各種流量計瞬時流量、累計流量監(jiān)測，所有累計流量數(shù)據長度足夠大，防止出現(xiàn)數(shù)據位數(shù)不夠，長期運行后記錄數(shù)值溢出的現(xiàn)象；

11）每臺空調機組表冷器和加熱器（預熱器）盤管進出水溫度和進水壓力監(jiān)測；

12）每個空調機房（或空調區(qū)域）冷凍水供水總管、熱水供水總管和蒸汽供汽總管上，設溫度、壓力及流量監(jiān)測；

13）新風機組新風風量監(jiān)測；

14）部分空調機組配置了高壓微霧加濕裝置，自帶控制系統(tǒng)。

以上參數(shù)由每臺空調機組的PLC控制站就地監(jiān)測，并根據控制功能要求進行數(shù)據處理和分析（如焓值計算、全年多工況分區(qū)、新回比計算等）。各參數(shù)、運行狀態(tài)等由現(xiàn)場PLC控制站經控制總線傳送至中央監(jiān)控層進行集中顯示、貯存、數(shù)據分析與處理以及報表打印等。

5.3 安全保護功能

通過現(xiàn)場控制柜配套相關外圍設備及軟件策略可實現(xiàn)如下保護功能：

1）掉電保護：蒸汽加熱/蒸汽加濕器電動閥所配套電動執(zhí)行器均為斷電復位型，系統(tǒng)突然掉電時，可以自行關閉，以防止停電時蒸汽在空調箱內積聚；

2）缺風保護：在送回風段后設置送回風風速檢測，對表冷器電動調節(jié)閥/蒸汽加熱盤管電動調節(jié)閥/蒸汽加濕器電動調節(jié)閥的投入進行限制。即風速達不到保護值，則上述閥門不得投入工作；如果開機3min后風速仍達不到要求，則發(fā)出缺風故障報警；

3）停機延時：需關閉空調系統(tǒng)時，先關掉表冷、加熱、加濕閥，送風機延時3min后關閉，以清除機組內殘留的余熱余濕；

4）過濾器壓差報警：在過濾器前后設置壓差傳感器，當壓差超限時自動發(fā)出報警，提示操作人員檢修（設定值可以調整）；

5）送風高溫限制：為保護送風機電機安全可靠運行，通過送風溫濕度傳感器調節(jié)蒸汽加熱盤管電動調節(jié)閥限制送風溫度不超過最高限值。當送風溫度大于40℃時，自控系統(tǒng)保證加熱電動閥的開度不再繼續(xù)開大；

6）送風高濕限制：為防止加濕量過大無法及時被空氣充分吸收導致在送風管道內再凝結，通過送風濕度傳感器調節(jié)加濕器限制加濕工況下送風相對濕度不得大于95%，當超過50%時保持加濕閥不再開大；并將送風濕度控制在95%以下，使送風口不凝水的前提下保證最大加濕量；

7）送風低溫限制：為防止送風溫度過低導致送風管道及送風口外部凝水，通過送風溫度傳感器調節(jié)表冷器電動調節(jié)閥限制送風溫度不低于最低限值；送回風溫差不大于10℃～12℃，可據現(xiàn)場情況再次整定；

8）停機安全保護：對空調機設置安全保護裝置，在空調箱體送風檢修段內部設置安全急停保護按鈕及與其配套的按鈕盒。檢修段內部設置安全急停保護按鈕信號送入PLC。當安全急停保護按鈕被按下時，空調機組不能啟動，在操作顯示屏及上位機能夠顯示哪個工藝段在檢修操作。

6 制冷自控系統(tǒng)設計

6.1 控制功能設計

1）制冷站節(jié)能優(yōu)化控制：根據工藝設備末端側的實際冷負荷需求，采用變流量、臺數(shù)群控、變水溫等多種節(jié)能控制策略優(yōu)化組合，將制冷站各設備（冷水機組、冷凍/冷卻水泵、冷卻塔）控制在最節(jié)能的運行狀態(tài)下。

2）冷凍站各設備安全聯(lián)動控制：冷凍站各設備（冷水機組、水泵、冷卻塔、電動蝶閥等）實現(xiàn)聯(lián)動控制，保證冷凍站各設備安全、正常運行，避免冷水機組頻繁啟停、燒壞電機、凍裂盤管等事故發(fā)生。

3）根據冷水機組的最低流量需求調節(jié)旁通電動調節(jié)閥的開度。

4）根據冷卻水供水溫度對冷卻塔風機運行臺數(shù)進行節(jié)能控制。

5）值班水泵出現(xiàn)故障后，備用水泵自動投入運行控制。

6）根據冷卻塔水池液位狀態(tài)對冷卻水實現(xiàn)自動補水控制。

7）換熱機組的運行控制，并根據季節(jié)模式遠程自動切換輔房冷凍水、熱水控制。

8）冬季自動控制輔房換熱站熱水水溫。

6.2 監(jiān)測功能

1）每臺冷機冷卻水總管供回水溫度、壓力，帶變送器、供水流量監(jiān)測。

2）每臺冷機冷卻水供水電動蝶閥開關狀態(tài)監(jiān)測。

3）每臺冷凍水泵、冷卻水泵、冷水機組和冷卻塔風機的手/自動狀態(tài)、運行狀態(tài)及故障狀態(tài)監(jiān)測。

4）每臺板換冷卻水供回水總管溫度、供回水溫度、壓力及電動蝶閥開關狀態(tài)監(jiān)測。

5）每臺分集水器的溫度及壓力監(jiān)測。

6）各分水器壓力及溫度檢測、壓力控制；分水器至各用戶支管上的流量、各支路熱水流量監(jiān)測；一次分水器與二次分水器之間旁通閥開度監(jiān)測。

7）集水器與一次分水器之間旁通閥開度監(jiān)測；集水器上各用戶支路回水溫度及壓力監(jiān)測。

8）高露點及工藝板換冷凍供水總管電動閥開度。

9）補水箱液位低報警監(jiān)測。

10）熱力站蒸汽分汽缸集汽缸各支路流量監(jiān)測。

11）每臺換熱器供汽總管電動蝶閥開關狀態(tài)、電磁閥開度、供回水總管溫度、供水流量、回水泵手/自動，開關狀態(tài)及故障監(jiān)測。

12）熱水補水母管壓力，熱水補水泵起停控制、運行狀態(tài)及故障報警；閉式膨脹水罐定壓機組自帶成套控制柜，向本系統(tǒng)提供通訊接口（Profibus-DP），我方進行集成。

6.3 通訊集成功能

1）采集冷凍水泵、冷卻水泵、循環(huán)水泵、冷卻塔風扇的運行電流、電壓、頻率和功率等參數(shù)以及故障、報警、運行狀態(tài)等信號，啟停、頻率控制和運行狀態(tài)、就地/遠控模式采用實點。

2）采集冷水機組的內部運行參數(shù)，實現(xiàn)和PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據的雙向通信。

以上采集的冷水機組運行參數(shù)在中央監(jiān)控層操作站上以冷水機組內部工藝動態(tài)流程圖的形式進行顯示。

3）根據空調末端側的負荷需求，實現(xiàn)冷凍供水溫度再設定節(jié)能功能。

7 結束語

要充分理解空調制冷自控系統(tǒng)設計的相關標準，在設計中靈活應用。此次上海卷煙廠空調制冷自控系統(tǒng)設計采用SIEMENS可編程控制器，在煙草行業(yè)的空調制冷自控系統(tǒng)多采用SIEMENS公司或ABB公司設備。