工業環境溫濕度自動控制系統概述

（河北旭華電子科技有限公司，石家莊 050000）

0 引言

很多工廠甚至住宅樓都對溫濕度有了較高的要求，比如溫度控制在20～25 ℃、濕度控制在25～60%之內，而且范圍可以按需要進行調整，廠房內主要房間的溫度、濕度和壓差都能實現實時監測。根據控制要求可分為3大塊，分別為現場設備、中央監控站和現場操作站。

1 系統結構

根據被控對象的大小可對系統進行級別劃分，系統是基于工業以太網現場總線的集中控制系統，最底層是設備控制層，主要完成設備的現場控制及監測，現場控制系統主要以可編程邏輯控制器（簡稱PLC）為主。第二層是監控層，主要完成系統的在線監測，并向設備控制層下達控制指令，設備采用工業計算機或者人機界面HMI。第二層向上可連接公司級管理層MIS系統，接收其下達的任務，其系統結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構

1.1 監控級

管理層和監控層統稱監控級，是集中監控各個設備的運行狀態，實時報警，運行記錄以及各種報表等。現場總線為工業以太網總線，以太網總線按照距離劃分可選擇網線或者光纖[1]。操作員站為工業級工控計算機，運行穩定可靠，可連續運行，安裝在廠區主控室或者監控室內，可以實時地顯示現場數據和設備運行情況。計算機采用人機界面組態軟件，如今的組態軟件眾多，比如西門子WinCC，組態王，FOXBORO等，計算機配有網卡和服務器軟件包選項。

1.2 現場控制級

現場控制級主要功能是接收管理層下達的參數設置或設備運行、停止命令，按操作員要求對現場設備進行控制并將現場設備的運行情況傳達到管理層。現場各設備與主站之間通過現場總線連接，現場總線采用PROFIBUS通訊協議進行通訊。

2 硬件配置

2.1 PLC選型

在設計PLC系統時，主要根據設備的運行工藝和現場的實際情況以及技術協議。PLC的硬件配置及功能要與技術協議要求和控制工藝相一致。按照工程實際需求和應用場合可選擇現場主站PLC模塊組，PLC的選擇按照點數計算確定，比如輸入點數、輸出點數，其中又包括數字量和模擬量，并且預留15%左右的備用點以備后續升級改造或者某點損壞更換需要。PLC的存儲容量也在考慮范圍之內，一般所選點數足夠的前提下存儲容量不用考慮在內（除特殊情況），對于中大型的PLC一般會設有移動存儲卡，用于存儲程序。還有就是PLC的運算速度，運行程序所需要的時間，如果程序較大需選擇運算速度相對高的PLC。工業發展越來越迅速，PLC也是種類繁多，應用比較廣的有西門子、施耐德、AB、歐姆龍、臺達等。比如西門子S7-300系列PLC的CPU315-2DP。S7-300型PLC如圖2所示。

圖2 西門子S7-300型PLC

2.2 PLC編程方式

西門子S7-300系列PLC有專業的編程軟件STEP7，此軟件畫面簡單易懂，而且已經有漢化版本，編程方式靈活，應用非常廣泛。STEP7集成了IEC-1131標準中的6種編程語言，如STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL。其中主要的組態工具用CFC、SFC和SCL語言，用來進行傳統的控制系統中連續信號過程控制項目的組態。STEP7中的LAD、FBD和STL編程語言可以很方便的對邏輯控制進行編程，如聯鎖控制、自鎖控制和順序控制等。STEP7軟件編程界面如圖3所示。

圖3 STEP7軟件編程界面

2.3 上位機軟件功能

上位機軟件采用西門子組態軟件WinCC，通過WinCC對設備進行實時監控。WinCC是德國西門子公司與微軟公司共同開發的，基于Windows系統（目前支持最新的Windows10操作系統），是在自動化領域處于世界領先地位的工控軟件，其開放性可靠性和安全性非常高，可應用于各種的工業環境。WinCC的監控性能非常強大，不但可以完全勝任小規模的過程監控應用，也可以勝任大規模復雜的工業監控環境。工程設計人員可以便捷的對WinCC進行編程組態，按照工程技術的要求生成簡單明了而便捷的人機對話窗口，可以使現場操作人員方便快捷地管理和優化生產過程。

WinCC系統自帶標準用戶界面（概貌區，畫面區，按鈕區，趨勢，報警行，面板），可以方便工程設計人員的編程操作，畫面結構簡單，導航明了，操作起來更能得心應手。系統還設有開機自啟動項目功能，可以直接進入監控界面進行操作。WinCC用戶界面如圖4所示。

圖4 WinCC組態界面

WinCC系統帶有標準的面板控件供工程設計人員選擇，可以方便的用以控制現場設備和控制策略，如電機控制控件（如圖5所示），閥門控制控件（如圖6所示），PID控制控件（如圖7所示），步進控件等。

圖5 電機控制控件

圖6 閥門控制控件

圖7 PID控制控件

WinCC系統具有多屏幕顯示功能，通過項目編輯器對顯示窗口進行布局設置即可，也可以直接將畫面拖拽到其他顯示器，使操作員更加直觀的監控全局設備。為了操作方便和管理，溫濕度控制系統按照級別劃分設有工程師站和操作員站。工程師站享有所有權限，可以調試設備，更改系統配置，修改重要參數等功能。操作員站按照級別劃分組，組長可以增加或者刪減管理員權限，可以修改部分參數，報表以及報警管理等。操作員站只是對設備進行操作，監控運行情況，打開關閉閥門或者變頻器等簡單指令。

WinCC系統的通訊功能非常強大，可以方便的連接各種設備，比如與S7-300PLC進行通訊，只需要簡單的幾步設置。連接方式非常靈活，可以用自帶的OPC代理服務器功能，也可以通過通訊卡用PROFIBUS通訊協議進行通訊等。

3 溫濕度控制

溫濕度控制系統全年運行工況為恒溫恒濕系統，工藝控制可按季節工況劃分為冬季工況和夏季工況。

3.1 夏季工況

在夏季室外溫度較高，濕度較大，是一個高溫高濕的惡劣環境，控制方式以降溫除濕為主。在保持廠房壓差穩定的情況下，采用盡可能小的新風補充量，避免室外高溫高濕度的空氣對系統的干擾，且在表冷器后增設露點溫度檢測，該露點溫度設定值由系統溫度、濕度控制值（t=25 ℃，RH=40%）計算得出[2]。回風與新風混合后經由表冷段降至露點，將多余的水分排除，經過露點控制，混合后的空氣變為溫度降至露點的飽和空氣（濕度達到100%），再經加熱段對空氣進行升溫處理，由于空氣中的水分總含量一定，相對濕度自然也能達到控制要求，如不能達到要求可增設表冷器后露點溫度檢測，以滿足工藝要求。

3.2 冬季工況

冬季與夏季相反，室外處于低溫低濕狀態，由于溫度、濕度均低于設定值，控制過程為新回風混合后，加熱升溫至控制值，再進行蒸汽加濕。

冬季的控制工藝雖然相對簡單，但是要注意防凍的問題，尤其是表冷盤管防凍問題，首次開機時由于新風溫度較低，室內回風溫度也較低，這樣如果開啟新風閥門的話，可能會凍傷盤管。應首先檢查新風溫度，如低于設定溫度，將新風閥置于關閉狀態，回風閥和電動加熱閥全部打開，按照溫度設定值進行升溫，當檢測表冷器后溫度高于設定值時，即可將新風閥打開一定角度，可防止表冷盤管凍傷，其他控制環節按程序執行。

4 風機變頻控制

為了便于控制，所有傳動部分均采用變頻器傳動方式，科學發達的今天，變頻技術已經非常完善，利用微電子技術，通過改變電動機工作電源的頻率方式來控制電動機的轉速。變頻器的組成部分主要由整流（交流變直流）、濾波（過濾干擾信號）、逆變（直流變交流）、制動單元（應用于重載需配制動電阻）、驅動單元、檢測單元和微處理單元等組成。變頻器根據實際工況依靠大功率開關管IGBT的開斷來改變輸出電源的電壓和頻率，從而改變電機的轉速。變頻器還有各種的保護功能，如過電壓、過電流、過載等。控制系統通過檢測送風管道送風壓力，與工藝設定值比較后，通過控制送風機變頻器頻率，調整送風電機轉速，逐步調整送風壓力至設定值，保證機組送風量的恒定，實現送風機變頻靜壓控制，消除由于機組濾網阻塞等原因造成的送風量的下降。

5 節能控制

為了響應國家節能減排的要求，溫濕度控制系統也設置了節能方案，在季節交替的時候，隨著室外的溫濕度的變化，對新風閥門和回風閥門進行合理的調整，新風閥門和回風閥門設置為反向聯鎖控制邏輯，在極端的天氣狀況下盡量減少室外新風量的注入，減少了溫度的升降時間，使室內的空氣循環起來。

系統工作模式一般分為正常狀態和值班狀態兩種工作模式，系統將根據操作人員的選擇，自動從一種工作模式轉為其他工作模式。正常狀態與值班狀態控制送風風壓設定值不同，在值班狀態保持最小風壓，盡可能的實現節能降耗[3]。

6 系統功能

溫濕度控制系統可以隨實際工況和技術要求設置系統功能，常用功能有實時記錄，超限報警，局域網監測，數據統計分析，數據存儲，報表打印，用戶分級管理等功能。實時記錄功能是連續不間斷采集和記錄工廠或者房間的溫度、濕度、壓差等各項參數，并以數字和圖形的方式顯示在監控顯示屏上。超限報警功能，監控站配備聲光報警系統，實時監測測點數據并與設定值比較，一但捕獲到異常信號，系統能自動報警，上傳報警信息并進行記錄。局域網監測功能是通過網絡對上位機的數據進行實時監測，但必須經過授權。數據統計分析功能對實時數據和歷史數據進行分組或者分批統計，可以方便查看任何時段的廠房溫度、濕度和壓差的參數曲線，可查看各時段參數列表、曲線圖、實時數據、折算數據、累計數據、報警數據、報表等多種參數數據。數據存儲功能是把所有采集到的數據和運行反饋參數記錄到監控站主機上，操作員可以自行保存相應數據，但重要數據是以最高權限自動保存的。打印報表功能可以自動定時打印，也可以按需要手動打印，包括控制畫面、歷史曲線、參數設置、設備報表和設備故障報警等，并且以通用格式輸出，避免了轉換格式的苦惱。用戶分級管理，不同人員輸入不同密碼登錄系統，獲得相應的操作權限，系統為用戶提供了一個總的管理平臺，對操作人員進行分級管理，保證只有經過授權的用戶才能對系統進行操作和管理，提高了系統的安全性。

7 結束語

現在的科技越來越發達，各種智能化產品相繼誕生，對于一個控制系統而言，組態越來越容易，文中的溫濕度控制系統采用西門子元件組成，系統運行穩定可靠，總線傳輸協議統一，避免了通訊障礙。為整體的控制環節，節能減排等奠定了基礎。