工业环境温湿度自动控制系统概述

（河北旭华电子科技有限公司，石家庄 050000）

0 引言

很多工厂甚至住宅楼都对温湿度有了较高的要求，比如温度控制在20～25 ℃、湿度控制在25～60%之内，而且范围可以按需要进行调整，厂房内主要房间的温度、湿度和压差都能实现实时监测。根据控制要求可分为3大块，分别为现场设备、中央监控站和现场操作站。

1 系统结构

根据被控对象的大小可对系统进行级别划分，系统是基于工业以太网现场总线的集中控制系统，最底层是设备控制层，主要完成设备的现场控制及监测，现场控制系统主要以可编程逻辑控制器（简称PLC）为主。第二层是监控层，主要完成系统的在线监测，并向设备控制层下达控制指令，设备采用工业计算机或者人机界面HMI。第二层向上可连接公司级管理层MIS系统，接收其下达的任务，其系统结构如图1所示。

图1 控制系统结构

1.1 监控级

管理层和监控层统称监控级，是集中监控各个设备的运行状态，实时报警，运行记录以及各种报表等。现场总线为工业以太网总线，以太网总线按照距离划分可选择网线或者光纤[1]。操作员站为工业级工控计算机，运行稳定可靠，可连续运行，安装在厂区主控室或者监控室内，可以实时地显示现场数据和设备运行情况。计算机采用人机界面组态软件，如今的组态软件众多，比如西门子WinCC，组态王，FOXBORO等，计算机配有网卡和服务器软件包选项。

1.2 现场控制级

现场控制级主要功能是接收管理层下达的参数设置或设备运行、停止命令，按操作员要求对现场设备进行控制并将现场设备的运行情况传达到管理层。现场各设备与主站之间通过现场总线连接，现场总线采用PROFIBUS通讯协议进行通讯。

2 硬件配置

2.1 PLC选型

在设计PLC系统时，主要根据设备的运行工艺和现场的实际情况以及技术协议。PLC的硬件配置及功能要与技术协议要求和控制工艺相一致。按照工程实际需求和应用场合可选择现场主站PLC模块组，PLC的选择按照点数计算确定，比如输入点数、输出点数，其中又包括数字量和模拟量，并且预留15%左右的备用点以备后续升级改造或者某点损坏更换需要。PLC的存储容量也在考虑范围之内，一般所选点数足够的前提下存储容量不用考虑在内（除特殊情况），对于中大型的PLC一般会设有移动存储卡，用于存储程序。还有就是PLC的运算速度，运行程序所需要的时间，如果程序较大需选择运算速度相对高的PLC。工业发展越来越迅速，PLC也是种类繁多，应用比较广的有西门子、施耐德、AB、欧姆龙、台达等。比如西门子S7-300系列PLC的CPU315-2DP。S7-300型PLC如图2所示。

图2 西门子S7-300型PLC

2.2 PLC编程方式

西门子S7-300系列PLC有专业的编程软件STEP7，此软件画面简单易懂，而且已经有汉化版本，编程方式灵活，应用非常广泛。STEP7集成了IEC-1131标准中的6种编程语言，如STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL。其中主要的组态工具用CFC、SFC和SCL语言，用来进行传统的控制系统中连续信号过程控制项目的组态。STEP7中的LAD、FBD和STL编程语言可以很方便的对逻辑控制进行编程，如联锁控制、自锁控制和顺序控制等。STEP7软件编程界面如图3所示。

图3 STEP7软件编程界面

2.3 上位机软件功能

上位机软件采用西门子组态软件WinCC，通过WinCC对设备进行实时监控。WinCC是德国西门子公司与微软公司共同开发的，基于Windows系统（目前支持最新的Windows10操作系统），是在自动化领域处于世界领先地位的工控软件，其开放性可靠性和安全性非常高，可应用于各种的工业环境。WinCC的监控性能非常强大，不但可以完全胜任小规模的过程监控应用，也可以胜任大规模复杂的工业监控环境。工程设计人员可以便捷的对WinCC进行编程组态，按照工程技术的要求生成简单明了而便捷的人机对话窗口，可以使现场操作人员方便快捷地管理和优化生产过程。

WinCC系统自带标准用户界面（概貌区，画面区，按钮区，趋势，报警行，面板），可以方便工程设计人员的编程操作，画面结构简单，导航明了，操作起来更能得心应手。系统还设有开机自启动项目功能，可以直接进入监控界面进行操作。WinCC用户界面如图4所示。

图4 WinCC组态界面

WinCC系统带有标准的面板控件供工程设计人员选择，可以方便的用以控制现场设备和控制策略，如电机控制控件（如图5所示），阀门控制控件（如图6所示），PID控制控件（如图7所示），步进控件等。

图5 电机控制控件

图6 阀门控制控件

图7 PID控制控件

WinCC系统具有多屏幕显示功能，通过项目编辑器对显示窗口进行布局设置即可，也可以直接将画面拖拽到其他显示器，使操作员更加直观的监控全局设备。为了操作方便和管理，温湿度控制系统按照级别划分设有工程师站和操作员站。工程师站享有所有权限，可以调试设备，更改系统配置，修改重要参数等功能。操作员站按照级别划分组，组长可以增加或者删减管理员权限，可以修改部分参数，报表以及报警管理等。操作员站只是对设备进行操作，监控运行情况，打开关闭阀门或者变频器等简单指令。

WinCC系统的通讯功能非常强大，可以方便的连接各种设备，比如与S7-300PLC进行通讯，只需要简单的几步设置。连接方式非常灵活，可以用自带的OPC代理服务器功能，也可以通过通讯卡用PROFIBUS通讯协议进行通讯等。

3 温湿度控制

温湿度控制系统全年运行工况为恒温恒湿系统，工艺控制可按季节工况划分为冬季工况和夏季工况。

3.1 夏季工况

在夏季室外温度较高，湿度较大，是一个高温高湿的恶劣环境，控制方式以降温除湿为主。在保持厂房压差稳定的情况下，采用尽可能小的新风补充量，避免室外高温高湿度的空气对系统的干扰，且在表冷器后增设露点温度检测，该露点温度设定值由系统温度、湿度控制值（t=25 ℃，RH=40%）计算得出[2]。回风与新风混合后经由表冷段降至露点，将多余的水分排除，经过露点控制，混合后的空气变为温度降至露点的饱和空气（湿度达到100%），再经加热段对空气进行升温处理，由于空气中的水分总含量一定，相对湿度自然也能达到控制要求，如不能达到要求可增设表冷器后露点温度检测，以满足工艺要求。

3.2 冬季工况

冬季与夏季相反，室外处于低温低湿状态，由于温度、湿度均低于设定值，控制过程为新回风混合后，加热升温至控制值，再进行蒸汽加湿。

冬季的控制工艺虽然相对简单，但是要注意防冻的问题，尤其是表冷盘管防冻问题，首次开机时由于新风温度较低，室内回风温度也较低，这样如果开启新风阀门的话，可能会冻伤盘管。应首先检查新风温度，如低于设定温度，将新风阀置于关闭状态，回风阀和电动加热阀全部打开，按照温度设定值进行升温，当检测表冷器后温度高于设定值时，即可将新风阀打开一定角度，可防止表冷盘管冻伤，其他控制环节按程序执行。

4 风机变频控制

为了便于控制，所有传动部分均采用变频器传动方式，科学发达的今天，变频技术已经非常完善，利用微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率方式来控制电动机的转速。变频器的组成部分主要由整流（交流变直流）、滤波（过滤干扰信号）、逆变（直流变交流）、制动单元（应用于重载需配制动电阻）、驱动单元、检测单元和微处理单元等组成。变频器根据实际工况依靠大功率开关管IGBT的开断来改变输出电源的电压和频率，从而改变电机的转速。变频器还有各种的保护功能，如过电压、过电流、过载等。控制系统通过检测送风管道送风压力，与工艺设定值比较后，通过控制送风机变频器频率，调整送风电机转速，逐步调整送风压力至设定值，保证机组送风量的恒定，实现送风机变频静压控制，消除由于机组滤网阻塞等原因造成的送风量的下降。

5 节能控制

为了响应国家节能减排的要求，温湿度控制系统也设置了节能方案，在季节交替的时候，随着室外的温湿度的变化，对新风阀门和回风阀门进行合理的调整，新风阀门和回风阀门设置为反向联锁控制逻辑，在极端的天气状况下尽量减少室外新风量的注入，减少了温度的升降时间，使室内的空气循环起来。

系统工作模式一般分为正常状态和值班状态两种工作模式，系统将根据操作人员的选择，自动从一种工作模式转为其他工作模式。正常状态与值班状态控制送风风压设定值不同，在值班状态保持最小风压，尽可能的实现节能降耗[3]。

6 系统功能

温湿度控制系统可以随实际工况和技术要求设置系统功能，常用功能有实时记录，超限报警，局域网监测，数据统计分析，数据存储，报表打印，用户分级管理等功能。实时记录功能是连续不间断采集和记录工厂或者房间的温度、湿度、压差等各项参数，并以数字和图形的方式显示在监控显示屏上。超限报警功能，监控站配备声光报警系统，实时监测测点数据并与设定值比较，一但捕获到异常信号，系统能自动报警，上传报警信息并进行记录。局域网监测功能是通过网络对上位机的数据进行实时监测，但必须经过授权。数据统计分析功能对实时数据和历史数据进行分组或者分批统计，可以方便查看任何时段的厂房温度、湿度和压差的参数曲线，可查看各时段参数列表、曲线图、实时数据、折算数据、累计数据、报警数据、报表等多种参数数据。数据存储功能是把所有采集到的数据和运行反馈参数记录到监控站主机上，操作员可以自行保存相应数据，但重要数据是以最高权限自动保存的。打印报表功能可以自动定时打印，也可以按需要手动打印，包括控制画面、历史曲线、参数设置、设备报表和设备故障报警等，并且以通用格式输出，避免了转换格式的苦恼。用户分级管理，不同人员输入不同密码登录系统，获得相应的操作权限，系统为用户提供了一个总的管理平台，对操作人员进行分级管理，保证只有经过授权的用户才能对系统进行操作和管理，提高了系统的安全性。

7 结束语

现在的科技越来越发达，各种智能化产品相继诞生，对于一个控制系统而言，组态越来越容易，文中的温湿度控制系统采用西门子元件组成，系统运行稳定可靠，总线传输协议统一，避免了通讯障碍。为整体的控制环节，节能减排等奠定了基础。