船舶中央空調自動控制系統研究

夏 平，闞安康，湯 偉，金雅婷

（上海海事大學，上海 201306）

0 引 言

船舶空調系統一般都采用固定風量的定風量系統，并且是按艙室熱濕負荷最大時的總和確定送風量[1]。對于區域艙室多，各艙室功能不一的船艙空調系統，采用變風量系統不僅能滿足不同艙室負荷變化，及時調節送入艙室的風量，滿足人員的舒適性要求，還能達到節能的目的。隨著計算機控制技術和信息技術的快速發展，變風量空調系統在自動控制方面的優勢備受關注。本文基于組態軟件下研制的變風量空調自動控制系統，不僅能夠實現精確的自動控制，而且操作簡單。

1 系統概況

1.1 控制系統組成和功能

中央空調系統含有水冷冷水機組系統和風冷熱泵系統。兩者最大的區別是冷卻高溫制冷劑的介質不同。在夏季制冷工況下，可以運行其中一個系統；在冬季制熱工況下，只能運行風冷熱泵系統。中央空調整個控制系統包括冷水機組控制系統、冷凍水控制系統、冷卻水控制系統、新風機控制系統和空調箱控制系統。中央空調的自動監控系統可進行下述操作：

1) 全自動操作功能。根據設定的狀態參數，自動完成各種設備啟停等操作；

2) 手動操作功能。根據設定的狀態參數，手動完成各種設備啟停等操作；

3) 系統各個基本參數和運行參數的監測。

中央空調系統自動監控的功能有：監測潤滑油的壓差和壓縮機的高低壓及對應的溫度，當超過極限值時報警，以保證壓縮機正常工作；監測與記錄冷水機組的冷凝壓力與蒸發壓力，使冷水機組正常工作；壓縮機的啟停；冷凍水泵與冷卻水泵的啟停；冷凍水溫度和流量參數的監控；冷卻塔的啟停；送風機與回風機的啟停；新風、回風與排風閥的開啟度調節；新風比調節，在衛生條件允許的情況下，控制最低新風量，最大限度地利用回風，來達到節能的目的。在進行全新風運行時，新風閥全開，空調系統的運轉只是通風換氣；檢測新風、回風與送風的溫度和濕度，是以回風溫度作為被調對象的溫度控制參數，因為回風溫度能近似反映被調對象的平均狀況；濕度的控制參數一般為送風濕度[2]。所有監控就是要保證空調區域空氣溫度與濕度在設定范圍內滿足舒適性的要求，又能最大限度地實現節能。系統設計時，可根據工程的實際情況，在上述監控點位的基礎上增加或減少一些監控點位即可得到較為滿意的效果[3]，中央空調系統見圖1。

圖1 中央空調系統

1.2 控制系統結構

整個集中控制系統分4個層次：

1) 中央控制計算機：裝有 PLC（可編程邏輯控制器）的控制程序以及網絡版組態軟件，所有的控制都在這里實現，是整個系統的中心；

2) 操作員站：36個操作員站布置在多媒體室（即工作間），每個操作員站的電腦裝有網絡版組態軟件，操作員站和中央控制計算機之間是通過外部WAP訪問的方式進行通信；

3) PLC和采集模塊；

4) 各類傳感器。

系統的工作原理：由傳感器測量現場的環境變量，PLC控制系統接受傳感器輸出的信號并按設定程序進行運算，然后輸出控制信號給執行機構，執行機構動作，從而實現中央空調的自動控制。同時，PLC控制系統與上位機監控系統進行通信，上位機與下位機的數據通信通過點對點接口PPI(點到點協議)實現[4]，監控參數在上位機監控系統顯示出來。系統結構見圖2。

1.3 控制系統硬件

1) 工控機：監控系統的主控計算機選用IPC-510H工控機，其優點是可靠性高，抗干擾能力強，可滿足控制系統在惡劣環境下不間斷工作的要求。

2) 控制器組成見表1。

表1 控制器組成

3) 室內溫度傳感器/變送器組成見表2。

表2 傳感器/變送器組成

2 控制系統軟件設計

2.1 程序設計

硬件組態后，在STEP-7的SIMATIC Manager下編寫程序。由于系統的外部控制信號點數多，機構多，各個機構既有獨立性，又有相關性，因此系統進行模塊化程序設計，采用自然語言的梯形圖編程，將每個機構編寫成功能塊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 實時數據庫

系統中所有的控制點在組態王的數據字典中被定義，所有控制點的信息形成實時動態數據庫，其為整個系統數據處理的核心，可以使現場數據狀況以動畫反應在屏幕上，同時操作人員在計算機前發布的控制命令也能迅速到達現場，并最終體現在現場設備的動作上。這種雙向、動態的數據交換，是實時數據庫聯系上位機與下位機的橋梁[6]。

2.3 人機界面設計

上位機軟件采用組態王6.5軟件編寫，其具有豐富的設備驅動程序，靈活的組態方式和數據連接功能，可以充分利用Windows圖形編輯功能構成監控畫面，人機界面設計簡單，現場的狀況能以動畫的形式反映在屏幕上，同時，操作人員的控制命令也可以迅速到達現場。

組態王與S7-200PLC之間支持多種通信方式，但其端口號與通信波特率須設置一致。組態王是通過對邏輯設備名的管理實現對設備的管理，即具體I/O設備與邏輯設備名一一對應，組態王中的I/O變量與具體I/O設備的數據交換是通過邏輯設備名來實現的，一個邏輯設備可與多個I/O變量對應。

在操作過程中，通過如圖3所示的監控窗口可得到各種檢測參數，同時也可對被調對象的參數進行控制。上位機發出命令后，通過動態數據庫將信號輸送給下位機PLC，PLC輸出信號，驅動現場對應的執行機構。在系統的運行過程中，各種檢測參數都是實時動態地顯示在上位機的屏幕上。

圖3 監控窗口

整個人機界面含有幾個子窗口：系統運行窗口可以形象地顯示出水冷或則風冷機組的基本系統架構，將當前機組的運行的動態效果運行主機內的冷媒流動的方向以及監控主機運行時候的各個設備的運行狀態和參數實時地顯示出來；趨勢曲線窗口：實時曲線窗口顯示多媒體教室內的溫度和濕度實時變化趨勢曲線，歷史趨勢窗口顯示出多媒體教室內的溫度和濕度的歷史變化趨勢曲線；報警信息窗口：當系統運行出現異常狀態時，顯示各個設備出現故障后的報警信息，用戶可根據報警信息排除故障； 數據報表窗口：通過該窗口可以查閱系統的實時數據報表，或根據條件查詢生產歷史數據報表，還可根據需要進行編輯打印。

3 結 語

該系統已成功應用于船舶中央空調實驗室建設項目中，經過連續運行表明：系統設計合理、投入成本較低、運行穩定、節能效果明顯，既減輕了工作人員的勞動強度，又提高了自動化管理水平，具有較高的實用和推廣價值。由于考慮到后續的研究和教學，同時設計了兩種空調機組同時并存，以便在不同的外界環境條件下，進行兩種空調機組的性能和能耗的實驗與分析。

[1] 由成良，劉萬松. VAV技術在船舶空調領域應用可行性分析[J]. 船舶空調，2000, (1): 33-36.

[2] 盧士勛. 制冷與空氣調節技術[M]. 上海：上海科學普及出版社，1992.

[3] 寧永生，王琪輝，張 英. 大型空調中央監控系統設計[J]. 暖通空調，2004, 34 (3): 59-61.

[4] 張紅軍，賀建軍. PLC在過程控制系統實驗裝置中的應用[J]. 可編程控制器與工廠自動化，2005 (6): 48-50.

[5] 弭洪濤. PLC應用技術[M]. 北京：中國電力出版社，2004.

[6] 姜世凱，吳成東，張麗丹. 變風量空調自動控制系統設計[J]. 低壓電器，2008 (12): 8-12.