关键词 S600系统 系统方案 温湿度 焓值 节能
1 引 言
计算机技术的飞速发展及其在工业与民用领域的广泛应用,使得人们日益增长的对高品质工业与民用产品的需求有了可以依靠的技术基础。计算机自动控制技术使得工厂加工自动化程度显著提高,以本文涉及的工厂空调自控系统为例,由于采用了计算机自动控制,可以将车间的温湿度控制在非常高的精度范围内,为生产高精度的产品创造了良好的外部环境。随着人们环境保护意识的增强,使我们意识到好的空调自控系统不仅要达到高的控制精度,还应该在节约能源方面有所作为。本文就是希望通过两个工程实例介绍在工厂空调自控工程中对精度和节能这两个主题的理论与实践经验。
2 系统概述[1]
一套好的
自控系统,首先要有非常可靠的硬件系统支持,应该在灵敏度、可靠性和使用寿命、系统采用技术的先进程度以及操作维护的简易程度上作权衡考虑。在这里介绍西门子“S600顶峰”楼宇自控系统。“S600顶峰”系统是西门子集团1998年新组建的“西门子楼宇科技”集团公司最新推出的楼宇自控系统。该集团公司是世界上楼宇自控产品的三大供应商之一,她的产品从传感器到阀门、执行器以及现场控制器和集中监控软件,形成了非常完备的规格型号系列,使得用户可以选用同一品牌的产品构建自己的系统,保证了系统的完整统一。同时产品的设计采用国际规范,保证了与其他厂家产品的兼容。“S600顶峰”楼宇自控系统在智能化建筑领域已经得到了广泛的应用,而且在工厂自控工程中也有上乘的表现,这是由其技术上的先进性保证的。
首先系统采用了“分散控制集中管理”的系统结构,控制任务由分散安装在现场的控制器完成,中央图形工作站通过通信网络将现场控制器数据采集上来,实现集中管理,这种系统结构保证局部的故障不会影响全局;
第二,系统控制器采用先进的模块化结构,由CPU模块、电源模块、20～36个I/O模块构成,每个I/O模块上有2～4个I/O点,模块可带电插拔,安装无须工具;
第三,系统网络扩展性好,网络分三层,为乙太网、楼层网、局域网,每条局域网可连接32台单元控制器UC或DPU、TEC,楼层网最多连接64台模块化控制器MBC或MEC、RBC、FLNC等,每台MBC可接3条局域网,网络通讯速率300bps～115.2kbps;
第四,全部的执行器均带手动开启装置,更好保证了系统可靠性;
第五,抗干扰性能好,可以有效地隔离工厂环境各种设备的电气干扰。
软件是自控系统的灵魂,“S600顶峰”系统中的控制器正是由于安装了优化开发的系统软件,才成为智能化的控制器。系统软件是固化在控制器EPROM芯片中的程序,它完成控制器开机自检、A/D数据采集、与上下级网络节点通讯、与外围设备通讯以及解释执行EEPROM应用程序并进行D/A输出控制。应用软件是用户针对具体的工程项目用PPCL语言(一种专用BASIC语言)编制的程序,编写工作可在图形工作站或笔记本电脑上完成,下载到控制器的EEPROM中由系统软件解释执行,编程具有很大的灵活性。图形工作站上运行的是一套专为S600系统开发的图形化工业控制组态软件包,运行环境为Windows98、Win-dowsNT,提供了一系列组态工具用于系统二次开发,包括有控制点数据库编辑、背景图形绘制、动态图形绘制、PPCL语言编辑、操作员管理、各种报表生成及乙太网通讯等。软件具有良好的开放性,可以与多种Windows应用软件,如Excel、Acad、3Dmax等协同工作。
3 工程实例
银燕电脑公司在国内外数十项大小工程中使用了“S600顶峰”系统及其前身S600系统,取得了良好的经济和社会效益,在印刷行业、纺织行业、制药行业、航空航天领域和民用领域都有成功的应用,其中不少是国家重点工程、重点企业、有国际影响的工程。这里介绍一个典型工程项目——西安西罗航空部件有限公司空调自控工程,就其中的技术实施细节作一些总结,特别是在控制精度和节省能源方面的经验。
3.1 工程概述
西安西罗航空部件有限公司是英国劳斯莱斯(Rolls-Royce)公司同西安飞机发动机集团公司合资生产航空发动机叶片的企业。它采用的水基涂料模壳成型技术是目前国际上非常先进的生产工艺,国内同类型企业采用的是胺气干燥法模壳成型技术,使用的涂料中的挥发性有机化合物和胺气对工人和环境都有毒害和污染。我国在这方面已经有了严格的法律法规并且签定了孟特利尔国际环保公约,将在未来3到5年禁止使用这种工艺,所以西罗公司的水基涂料模壳成型技术将得到广泛应用。这种技术的关键在于涂料在蜡模表面的干燥速度,这决定了最后成型的模壳的强度,要求空调系统在生产的全过程保证车间的相对湿度稳定在设定值±2%(设定值可在40%～60%之间任意设定),为保证蜡模不变形,温度控制精度为±1℃。车间总面积620m2,高7m,如此大面积高精度的空调控制工程在国内还很少见。
3.2 系统方案
该项目的空调系统设计方案由英国Drytech工程公司提供,银燕电脑公司提供自控系统的设计方案,并负责工程施工、调试。下图为项目的核心部分制壳车间空调系统图。空调机组K2—1、K2—2为两台风量为35,000m3/Hr的YORK机组,负责制壳车间的空调控制,保证15次/小时的换气次数,新风机组的设置是考虑到西安地区的气候条件(早晚温差大,冬夏季节差异大)而采取的予处理措施,对保证高精度的控制效果起到了重要作用。新风机组设预热段、制冷和加热段,预热段为防霜冻措施,根据新风温湿度传感器数值进行调整,确保冬季防冻。制冷和加热段保证送风温度控制在设定值±3℃。压差开关用于检测过滤段的堵塞情况。空调机组设制冷、加热和加湿段,其中加湿段没有采用常用的蒸汽加湿方法,主要考虑蒸汽压力不稳对湿度控制不利,选用的是美国进口的VLD可控硅电热蒸汽加湿器,蒸汽量平稳且易于控制。送风风速传感器的设置是为了确保送风的连续可靠即稳定的换气次数,如果风速降低,就意味着风机故障、过滤器堵塞、风门失控等原因,应及时处理。针对控制对象连续高精度的要求,为空调系统配备了充足稳定的能源供给。在辅助厂房除3台常规大容量YORK冷冻机组外,为高精度空调机组配备了1台意大利克莱门特风冷冷冻机组(用于冬季供冷)和4台英国HE—200型燃气热水锅炉(用于常年供热)。系统图形工作站选用台湾A DVANTECH研华工业控制PC机,PENTIUM166主板,32M RAM,32X光驱,20英寸显示器,操作系统为Windows98,运行IN-SIGHT2.7软件。配备UPS不间断电源和宽行报表打印机。选用了4种现场控制器:
•FLNC楼层网络控制器不带输入/输出点,主要用于将LAN网设备连接至PMD楼层网,可编程。
•MBC模块化楼宇控制器带多种输入/输出模块,可以连接LAN网设备,可编程。
•UC单元控制器板式结构,可插1或2块I/O板,每块板点数为:3DI,4AI,3AO,2DO。可带显示屏、键盘,可编程。
•DPU数字点单元控制器带12DI,12DO,用作MBC的数字点扩充,不可编程。
3.3 控制方案
制壳车间的运行特点是模壳在生产过程和干燥过程中散发大量的水分,空调系统要将这部分湿度除掉,由制冷段的表冷器将水分凝结出来,再由加热段升温,即可保证温度和相对湿度,这就是为什么要常年保证冷热源的供给。同时还不能让湿度偏低,以便控制干燥速度,保证模壳强度。由于生产的不同阶段散湿量亦不相同,对于空调机组来讲是一种变化的负荷,不能采用常用的定露点控制方案。Drytech公司的方案是以回风温湿度的变化对冷、热阀和加湿器做PID调节,中方技术人员分析这种方案有两点问题:
①冷阀的调整对温度和相对湿度都产生影响,以回风温湿度为参照控冷阀会有“一仆二主”的矛盾,难免顾此失彼;
②尽管系统换气次数较高,但回风温湿度还是会有一定的滞后,对PID参数的调整不利。经过与英方技术人员充分交流探讨,确定了“露点动态调节”的软件控制方案,即由温湿度设定值计算出理论露点温度,根据回风湿度的高或低在理论露点的基础上向上或向下浮动计算出实际露点值,作为冷水阀的控制依据。这样还克服了露点温度传感器误差影响。经过表冷器的空气的绝对含湿量得到了控制,然后经加热段将空气温度提升至设定值,则相对湿度也不会超出精度范围。在车间湿度偏低时则由加湿器补充水分。空调机组控制程序的重点是控制精度,辅助厂房能源供给部分的程序设计则突出了节能的要求,当然节能的前提是保证生产。在夏季使用3台大冷冻机组,满足全厂制冷需求,冬季和过渡季节冷水供应由风冷机组负担,主要满足高精度车间的使用,体现了节能的思想。季节交替时由操作员发出指令,程序控制水泵和蝶阀进行机组切换。夏季3台大机组的工作也由程序进行控制,按实际负荷的状况决定机组工作台数,计算的依据有二,一是总进水和总出水温差,二是空调机组冷水阀的开度。若冷水阀开度大于80%,表明冷量不足,程序自动按顺序启动冷却塔、冷却泵、机组进水蝶阀、冷冻泵、冷冻机组;当冷水阀开度低于10%,则按相反顺序关闭机组序列。程序按机组累计工作时间确定下一次开启哪个机组序列,保证劳逸结合。另外每台机组自己也能根据负载大小调整出力,三方面结合起来,使系统达到了最佳节能效果。
3.4 系统特色
软件的设计充分发挥了INSIGHT软件包的开放性,将3D图形设计技术融入系统界面,给用户提供了接近实景的操作环境,大大提高了系统的易用性,这充分表明了S600系统的技术先进性。系统于1999年8月和12月通过了夏季和冬季验收,验收时控制精度超过设计指标,达到温度±0.5℃、湿度±1%。英方对工程的评价是:“该系统优于劳斯莱斯公司目前所有同类型系统,给人以深刻的印象”。
