船舶中央空调自动控制系统研究

夏 平，阚安康，汤 伟，金雅婷

（上海海事大学，上海 201306）

0 引 言

船舶空调系统一般都采用固定风量的定风量系统，并且是按舱室热湿负荷最大时的总和确定送风量[1]。对于区域舱室多，各舱室功能不一的船舱空调系统，采用变风量系统不仅能满足不同舱室负荷变化，及时调节送入舱室的风量，满足人员的舒适性要求，还能达到节能的目的。随着计算机控制技术和信息技术的快速发展，变风量空调系统在自动控制方面的优势备受关注。本文基于组态软件下研制的变风量空调自动控制系统，不仅能够实现精确的自动控制，而且操作简单。

1 系统概况

1.1 控制系统组成和功能

中央空调系统含有水冷冷水机组系统和风冷热泵系统。两者最大的区别是冷却高温制冷剂的介质不同。在夏季制冷工况下，可以运行其中一个系统；在冬季制热工况下，只能运行风冷热泵系统。中央空调整个控制系统包括冷水机组控制系统、冷冻水控制系统、冷却水控制系统、新风机控制系统和空调箱控制系统。中央空调的自动监控系统可进行下述操作：

1) 全自动操作功能。根据设定的状态参数，自动完成各种设备启停等操作；

2) 手动操作功能。根据设定的状态参数，手动完成各种设备启停等操作；

3) 系统各个基本参数和运行参数的监测。

中央空调系统自动监控的功能有：监测润滑油的压差和压缩机的高低压及对应的温度，当超过极限值时报警，以保证压缩机正常工作；监测与记录冷水机组的冷凝压力与蒸发压力，使冷水机组正常工作；压缩机的启停；冷冻水泵与冷却水泵的启停；冷冻水温度和流量参数的监控；冷却塔的启停；送风机与回风机的启停；新风、回风与排风阀的开启度调节；新风比调节，在卫生条件允许的情况下，控制最低新风量，最大限度地利用回风，来达到节能的目的。在进行全新风运行时，新风阀全开，空调系统的运转只是通风换气；检测新风、回风与送风的温度和湿度，是以回风温度作为被调对象的温度控制参数，因为回风温度能近似反映被调对象的平均状况；湿度的控制参数一般为送风湿度[2]。所有监控就是要保证空调区域空气温度与湿度在设定范围内满足舒适性的要求，又能最大限度地实现节能。系统设计时，可根据工程的实际情况，在上述监控点位的基础上增加或减少一些监控点位即可得到较为满意的效果[3]，中央空调系统见图1。

图1 中央空调系统

1.2 控制系统结构

整个集中控制系统分4个层次：

1) 中央控制计算机：装有 PLC（可编程逻辑控制器）的控制程序以及网络版组态软件，所有的控制都在这里实现，是整个系统的中心；

2) 操作员站：36个操作员站布置在多媒体室（即工作间），每个操作员站的电脑装有网络版组态软件，操作员站和中央控制计算机之间是通过外部WAP访问的方式进行通信；

3) PLC和采集模块；

4) 各类传感器。

系统的工作原理：由传感器测量现场的环境变量，PLC控制系统接受传感器输出的信号并按设定程序进行运算，然后输出控制信号给执行机构，执行机构动作，从而实现中央空调的自动控制。同时，PLC控制系统与上位机监控系统进行通信，上位机与下位机的数据通信通过点对点接口PPI(点到点协议)实现[4]，监控参数在上位机监控系统显示出来。系统结构见图2。

1.3 控制系统硬件

1) 工控机：监控系统的主控计算机选用IPC-510H工控机，其优点是可靠性高，抗干扰能力强，可满足控制系统在恶劣环境下不间断工作的要求。

2) 控制器组成见表1。

表1 控制器组成

3) 室内温度传感器/变送器组成见表2。

表2 传感器/变送器组成

2 控制系统软件设计

2.1 程序设计

硬件组态后，在STEP-7的SIMATIC Manager下编写程序。由于系统的外部控制信号点数多，机构多，各个机构既有独立性，又有相关性，因此系统进行模块化程序设计，采用自然语言的梯形图编程，将每个机构编写成功能块FC或功能块FB，这样既增加了程序的可读性，又减少了工作量[5]。

2.2 实时数据库

系统中所有的控制点在组态王的数据字典中被定义，所有控制点的信息形成实时动态数据库，其为整个系统数据处理的核心，可以使现场数据状况以动画反应在屏幕上，同时操作人员在计算机前发布的控制命令也能迅速到达现场，并最终体现在现场设备的动作上。这种双向、动态的数据交换，是实时数据库联系上位机与下位机的桥梁[6]。

2.3 人机界面设计

上位机软件采用组态王6.5软件编写，其具有丰富的设备驱动程序，灵活的组态方式和数据连接功能，可以充分利用Windows图形编辑功能构成监控画面，人机界面设计简单，现场的状况能以动画的形式反映在屏幕上，同时，操作人员的控制命令也可以迅速到达现场。

组态王与S7-200PLC之间支持多种通信方式，但其端口号与通信波特率须设置一致。组态王是通过对逻辑设备名的管理实现对设备的管理，即具体I/O设备与逻辑设备名一一对应，组态王中的I/O变量与具体I/O设备的数据交换是通过逻辑设备名来实现的，一个逻辑设备可与多个I/O变量对应。

在操作过程中，通过如图3所示的监控窗口可得到各种检测参数，同时也可对被调对象的参数进行控制。上位机发出命令后，通过动态数据库将信号输送给下位机PLC，PLC输出信号，驱动现场对应的执行机构。在系统的运行过程中，各种检测参数都是实时动态地显示在上位机的屏幕上。

图3 监控窗口

整个人机界面含有几个子窗口：系统运行窗口可以形象地显示出水冷或则风冷机组的基本系统架构，将当前机组的运行的动态效果运行主机内的冷媒流动的方向以及监控主机运行时候的各个设备的运行状态和参数实时地显示出来；趋势曲线窗口：实时曲线窗口显示多媒体教室内的温度和湿度实时变化趋势曲线，历史趋势窗口显示出多媒体教室内的温度和湿度的历史变化趋势曲线；报警信息窗口：当系统运行出现异常状态时，显示各个设备出现故障后的报警信息，用户可根据报警信息排除故障； 数据报表窗口：通过该窗口可以查阅系统的实时数据报表，或根据条件查询生产历史数据报表，还可根据需要进行编辑打印。

3 结 语

该系统已成功应用于船舶中央空调实验室建设项目中，经过连续运行表明：系统设计合理、投入成本较低、运行稳定、节能效果明显，既减轻了工作人员的劳动强度，又提高了自动化管理水平，具有较高的实用和推广价值。由于考虑到后续的研究和教学，同时设计了两种空调机组同时并存，以便在不同的外界环境条件下，进行两种空调机组的性能和能耗的实验与分析。

[1] 由成良，刘万松. VAV技术在船舶空调领域应用可行性分析[J]. 船舶空调，2000, (1): 33-36.

[2] 卢士勋. 制冷与空气调节技术[M]. 上海：上海科学普及出版社，1992.

[3] 宁永生，王琪辉，张 英. 大型空调中央监控系统设计[J]. 暖通空调，2004, 34 (3): 59-61.

[4] 张红军，贺建军. PLC在过程控制系统实验装置中的应用[J]. 可编程控制器与工厂自动化，2005 (6): 48-50.

[5] 弭洪涛. PLC应用技术[M]. 北京：中国电力出版社，2004.

[6] 姜世凯，吴成东，张丽丹. 变风量空调自动控制系统设计[J]. 低压电器，2008 (12): 8-12.