中央空調智能調度系統的組態改造

王愛民，段海洋，蔡洪濤

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 背景描述

某采油平臺生活樓頂部配備有3臺水冷蒸發式中央空調機組，用于生活樓的溫度、濕度調節和通風。為實現中央空調控制系統的智能運行，并達到及時自動調節溫度、濕度的效果，采用PLC對機組進行自動化控制和保護，并采用觸摸屏進行顯示控制。進行空調參數設置和了解空調狀態只能到現場進行操作，但無數據存儲功能，數據無法外傳，設備之間數據無法共享，形成數據孤島，不便于平臺人員及時了解空調運行狀態和進行空調參數調整，以及提高生活樓環境的舒適度。面對該平臺員工數量少而設備逐年增多的現狀，利用物聯網將設備進行集中顯示控制、推動設備的智能化也是一種趨勢。

2 空調機組介紹

2.1 結構特點

①本裝置結構型式為L型吸入式船用組裝式空調裝置。

②壓縮機是從德國BOCK公司進口的船用半封閉制冷壓縮機，運行安全可靠。

③蒸發器為銅管套裝波紋型雙翻邊銅片，采用了先進的脹管工藝，能夠充分保證肋根的接觸面積。

④冷凝器采用臥式殼管濕水冷凝器。

⑤為了保證中央空調機組及壓縮機的正常運行，中央空調配備了西門子S7-200 PLC控制器，各種電氣控制保護元件和溫度、壓力、濕度。

該空調配備有高、低壓控制器，以防止因斷水或制冷系統壓力過高、過低而引起的壓縮機故障；配備有油壓差控制器，以防止潤滑油壓力偏低而引起的壓縮機故障；還配備有水壓控制器，以防止斷水開機。 風機與壓縮機具有聯鎖保護功能，壓縮機只能在風機開啟后才能啟動，確保空調安全運行。風機與主電加熱器和新風加熱器也具有聯鎖保護，加熱器只能在風機開啟后才能投入使用，防止干燒，此外加熱器還設有超溫保護功能。風機和壓縮機具有斷相、短路和過載保護功能。

空調機組可以根據回風溫度的變化進行能量調節，實現了33%、66%卸載運行，以低能耗的高精度溫度調節為減少碳排放做出了貢獻；冬季還可根據回風濕度的大小進行加濕控制來確保空氣濕度在合理范圍內。

2.2 空調組成

每臺中央空調機組均由水冷直接蒸發式空氣處理機和新風段組成。水冷直接蒸發式空氣處理機主要由德國進口BOCK半封閉船用制冷壓縮機及其配套裝置、可編程序控制器S7-200 PLC及電氣控制箱等組成。所有元器件均集中安裝在同一個橇塊上，占地空間小。新風段主要由進風擋水百葉、新風電加熱器和新風氣動防火閥等組成。

2.3 工作原理

2.3.1 夏季工況

制冷劑的低壓氣體由壓縮機吸入、壓縮后成為高溫、高壓氣體，排到冷凝器中，制冷劑在冷凝器中被冷凝成液體，再經過干燥過濾器，到膨脹閥節流減壓后進入蒸發器，液態制冷劑在蒸發器的低壓區內吸收吹過蒸發器的空氣使熱量充分蒸發，冷卻后的空氣再由風機吸出，通過風管及出風口輸送至生活樓的各個房間，如此不斷地循環流通以達到降溫目的，讓生活樓的人員獲得適宜的工作、生活環境。

2.3.2 冬季工況

外界的新鮮空氣經過新風預熱器預熱后與回風混合，當混合空氣吹過主電加熱器時被加熱，加熱量的多少由回風溫度傳感器感受回風溫度的高低、控制主電加熱投入運行的組數實現。混合空氣經過加熱器后再進行加濕操作，加濕量根據回風濕度的大小通過加濕器的啟停實現自動控制。

2.3.3 通風工況

當生活樓房間內溫度適宜，既不需要制冷也不需要加熱時，可以只開啟空調風機，作為通風使用。

3 改造思路

該空調使用西門子S7-200 PLC控制器對機組進行自動化控制和保護，現場設置有觸摸屏用于參數顯示和控制[1]。西門子S7-200 PLC有2個PORT通信口支持PPI、自由口通信，通過專用擴展模塊還能實現MPI、DP、AS-I、Ethernet協議通信，這些通信功能可以為遠程智能調度控制提供良好的條件。以太網通信具有傳輸速度快、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點，本次改造計劃使用以太網通信。在每臺中央空調控制系統PLC內加裝以太網模塊，在B機控制柜內安裝以太網交換機，將3臺PLC的以太網線匯集到B機的交換機處，從B機交換處鋪設一根以太網線到生活樓二樓的服務器處，服務器上安裝組態王軟件進行中央空調參數的組態顯示和數據存儲，方便工作人員對中央空調運行參數的監控。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖 Fig.1 System architecture diagram

4 軟件介紹

組態王軟件是北京亞控科技發展有限公司生產的、國內最早實現商用的組態軟件[2]。采用組態王kingview 6.55能夠實時地進行圖形顯示及數據采集，具有以下特點。

4.1 工程管理

組態王工程管理器用來管理本機所有的組態工程，能夠實現開發和運行系統的切換，并且可以實現工程的壓縮備份、備份恢復、數據詞典的導出導入等功能。

4.2 開發環境

組態王軟件有集成的開發環境，工程瀏覽器能夠為用戶提供便利的集成開發環境。工程設計者可以在工程瀏覽器中查看工程的各個部分，以及變量、數據庫、配置通信驅動程序、畫面等，完成系統的大部分配置。

4.3 繪圖工具

組態王提供了豐富的繪圖工具，圖形界面上的復合對象都可以隨著過程參數的改變而變換狀態，以產生動畫效果。圖形對象可以按動畫連接的要求改變顏色、尺寸、位置、填充百分比等屬性，具有良好的視覺效果[3]。

4.4 畫面管理

在組態王軟件中提供了畫面按照名稱、畫面描述或畫面文件名稱的排序功能，畫面、變量的查找功能。對設備列表和變量列表的排序還可以按照列表進行，非常方便畫面的管理。

5 改造過程

①在每臺空調內安裝以太網模塊，采用國產艾莫迅以太網模塊AMX-ETH-PPI，其功能與西門子的以太網模塊CPI-243i功能相同，但有明顯的價格優勢。首先需要對以太網模塊進行IP地址配置，將IP地址分別配置為空調A為192.168.1.11，空調B為192.168.1.12，空調C為192.168.1.13。在空調B機內安裝以太網交換機，3臺空調的以太網線接入此交換機，并從此交換機鋪設以太網線至生活樓二樓監控服務器處。

②組態王監控服務器IP設置為192.168.1.10，安裝組態王軟件及相應驅動。利用組態王軟件開發出 一套適合本次改造使用的組態工程進行項目組建和設備添加，確保能與空調PLC實現正常通信。為此首先在組態王開發軟件中添加設備，選擇S7-200系列(TCP)→TCP，輸入PLC的IP地址值，并進行通信測試，確保能夠實現組態王和PLC的通信。

③定義外部變量。要想在組態王畫面上顯示PLC內I/O狀態的變化，首先進行“I/O變量”的定義，“I/O變量”指的是組態王與PLC進行數據交換的變量。這種數據交換是雙向的、實時的，當PLC中的值改變時，組態王系統中的變量值也會自動改變。首先在工程項目下的變量組/變量組內雙擊新建，自定義變量名，連接設備選擇對應的PLC設備，寄存器選擇對應PLC的地址，再根據空調PLC程序對應點表進行變量添加，并做好報警條件添加和記錄存儲 功能[4]。

④畫面組態。在瀏覽器中選擇“畫面”選項，雙擊“新建”，畫面命名為中央空調智能調度系統，畫面風格為覆蓋式，其他默認即可，接下來進行畫面繪制。在工具箱中單擊文本工具，輸入文字：中央空調智能調度系統，打開圖庫，選擇圖庫名稱“空調”，選中對應的圖形雙擊鼠標，在工程畫面上鼠標位置出現一“|_”標志，在畫面上單擊鼠標，該圖形就被放置在畫面上，并標注此圖形為“中央空調A”。選中空調圖標將其轉換成普通圖素，再雙擊空調圖形，對圖形的顯示動畫進行鏈接，空調運行時顯示紅色，停止時顯示綠色，故障時顯示黃色。依次做好其他狀態監測點的畫面制作即可。

⑤通過組建好的組態工程可以實現中央空調機組運行情況的實時監控，其中包括設備運行狀態、運行時的主要參數、參數設置、故障顯示和記錄存儲等功能。監控畫面如圖2所示。

圖2 監控畫面 Fig.2 Monitoring screen

⑥組態完成，通過離線PLC對項目反復進行仿真測試，以模仿空調的各種工況，并對發現的問題進行改正，確保組態正確。測試完成后將空調接入系統內進行運行監控，以實現在生活樓辦公室監控空調運行狀態及參數調整的功能。

6 效果及結論

本次改造完成后，人員在二樓辦公室就能對空調運行狀況進行監控和參數調整，提高了生活樓環境的舒適度，減少了工作人員感冒等癥狀的發生，并具有參數據存儲功能，方便故障排查工作，有效減輕了平臺人員工作量、提高了工作效率，同時實現了數據共享。利用存儲的數據也可進行預測分析，隨著數據和預測項目的增多，空調數據的趨勢預測預警功能將會越來越強大，為進一步降本增效提供助力。經過一年的使用，目前系統運行穩定，在使用過程中有故障出現報警時，系統能自動顯示報警，實現了對中央空調系統的有效監控及數據的共享，為大數據分析做好了基礎數據存儲工作。