基于PLC和WINCC的中央空調溫濕度預警系統

張要朋

摘 要：為了確保卷煙產品質，目前卷煙工廠多采用中央空調來實現生產車間的溫濕度控制，本文將介紹一種基于PLC和WINCC的中央空調溫濕度控制方案，并在該方案中詳細論述一種溫濕度預警系統，經實踐該系統穩定可靠，降低了工人勞動強度，提高了溫濕度的穩定性。

關鍵詞：數據通信；中央空調；溫濕度；預警

中圖分類號：TB657.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）19-0072-01

某卷煙工廠擁有45組中央空調系統，在當班期間，溫濕度調節工通過WINCC集中監控系統，密切監測每臺空調機組的溫濕度數據波動情況。在運行過程中發現三個問題：一是空調機組數目較多，監控畫面當中數據密集，長期注視，容易引起員工視覺疲勞；二是各區域空調的溫濕度標準不同，再加上監控畫面字體較小，操作人員難以及時發現預超標的數據；三是原空調監控畫面設計的超標報警系統，是待空調的溫濕度參數，超過上限或者下限范圍時，進行報警，此時報警，數據已經不達標了。溫濕度參數報警后，操作人員進行人工干預，調整空調的相關運行參數，使其恢復到達標狀態，此種報警方式屬于“亡羊補牢”型，延誤了人工干預的時機，易造成溫濕度波動。因此，迫切需要一種溫濕度預警系統，便于提前發現問題。

1 系統軟硬件構成

為實現空調系統的穩定、可靠、快速控制，自控系統核心部件控制器選用SIEMENS公司當今流行的、功能強大的S7-300系列PLC，車間溫濕度、室外溫濕度、風道溫濕度傳感器均選用E+E傳感器，溫濕度信號均采用4-20mA標準電流信號進行輸送，經PLC的AI模塊模數轉換后，然后經過工業以太網將信號傳輸至WINCC監控系統。

空調系統網絡構建，系統網絡結構由監控層（中央監控微機）、過程控制層和末端設備層組成。監控層由1臺DELL工作站組成（Dell Precision T5600）及相關配件組成，工作站負責空調系統、制冷系統、新風機組系統的集中監控管理，采用WINCC7.0完全版監控管理軟件，此工作站為工程師站；過程控制層采用SIEMENS的S7-300系列PLC作為控制主站，對現場監控點集中且離主站較遠的地方則采用ET200M；各PLC控制主站之間、以及控制主站與能源管理中心服務器之間通過工業以太網總線相連，實現通訊，傳輸介質采用多模光纖，以增強現場抗電磁干擾能力，提高數據通訊傳輸速率（100MBit/s）。

2 控制系統要求及設計

控制系統要求：控制系統應具有自動/手動、遠程/本地三種運行模式。自動模式是控制系統的正常運行模式，是在無人干預的情況下全自動實現系統所有的監控功能（除參數再設定、報表打印等必需的手動操作）；遠程模式是在遠程維護工程師站上能對現場設備進行遠程手動啟停和調節；現場控制器要求提供控制端口，保證所有在現場手控能實現的控制功能（控制模式轉換開關除外）均能由遠端遠程手動完成。手動模式是在設備現場的控制柜或設備本體上完成對設備的單獨操作（設備現場的控制柜必須包含設備啟停等必備元器件）。在權限劃分上，現場手動控制權限最大，一旦現場控制柜的轉換開關調至“現場手動”，將屏蔽所有遠端指令，包括自控和遠程手動，由且僅由現場操作面板實施控制。控制系統要求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/停及各個執行機構的動作；

在手動模式下要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測各個檢測點的數據和各個設備、執行機構的運行狀態。

控制系統設計：空調系統屬于大滯后系統，同時被控參數（車間溫度、相對濕度）又存在相互關聯的問題，溫度的變化影響到相對濕度的變化。只有在對空氣調節原理及空調機組工作原理充分掌握后才能很好的完成對車間溫濕度的控制、采用合理的節能措施達到節能目的。我們所關心的空氣參數為溫度（T）、絕對含濕量（d）、相對濕度（φ）、焓值（i）。其中絕對含濕量（d）是濕空氣中水蒸氣密度與干空氣密度之比即對應于1Kg干空氣的濕空氣所含有的水蒸氣量。相對濕度（φ）指濕空氣中的水蒸氣壓力（分壓）與同溫度下飽和濕空氣的水蒸汽壓力（分壓）之比。焓值（i）是與溫度、絕對含濕量有關的反映空氣能量的物理參數。空氣調節過程主要依據：對濕空氣焓濕圖（i～d圖）的分析及應用、空調全年多工況分區控制理論。選用典型的反饋+分程+選擇的控制規律。其中：反饋控制是通過典型的PID調節來實現的；分程調節通過在反饋調節的輸出基礎上進行分程調節，避免造成影響同一個控制參數的兩個被控對象同時動作。如對溫度控制回路的輸出進行分程，分別控制加熱閥、表冷閥。對濕度控制回路的輸出進行分程，分別控制加濕閥、表冷閥。選擇控制是當同一個被控對象變化時會影響到系統的兩個或以上的被控參數的變化，通過在反饋調節的輸出基礎上進行選擇最大需求輸出調節。如對表冷閥的控制就要通過選擇溫度控制回路及濕度控制回路輸出的最大值控制。

3 系統預警設計

當前，企業正在開展SPC應用實踐活動，如何將SPC的理念更直觀的引入動力設備的監控和運行當中，我們一直在探索，SPC是統計過程控制的英文簡稱，它是一種借助數理統計方法的過程控制工具，對生產過程進行分析評價，根據反饋信息及時發現系統性因素出現的征兆，并采取措施消除其影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態，以達到控制質量的目的。

根據空調自控系統的運行原理，引入“統計過程控制”的理念，將WINCC集中監控系統與SPC過程質量控制進行有機結合，從而構建空調中控溫濕度參數三級預警系統。具體為：在WINCC中控系統中，對于靠近中心值的溫濕度數據，劃分為一級數據，顯示為“綠色”；遠離中心值但暫未超標的數據，劃分為二級數據，顯示為“黃色”；超出上下限的溫濕度數據，劃分為三級數據，顯示為“紅色”。當系統出現黃色數據時，操作人員進行人工干預，避免溫濕度數據繼續“惡化”。endprint

一級數據篩選腳本：

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二級數據篩選腳本：

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三級數據篩選腳本：

（'K35_SF_Run_State'）&&（（（'K35_AVER_H_SP'-'K35_Aver_H'）>'K35_Alarm_H_PC_SP'）||（（'K35_Aver_H'-'K35_AVER_H_SP'）>'K35_Alarm_H_PC_SP'））

4 結語

基于PLC和WINCC的監控系統，實現空調的集中監控，在此基礎上對空調的工藝參數進行預警，運行人員可以快捷方便的判斷空調的運行狀態，降低了勞動強度；同時便于提前發現問題，為人工干預提供時機；通過對空調溫濕度參數劃分等級，建立三級預警系統，空調操作實現了由“亡羊補牢”向“未雨綢繆”質的轉變，從而提高溫濕度的穩定性，改進前后的效果對比，波動下降了87%，效果明顯。

參考文獻

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