中央空调智能调度系统的组态改造

王爱民，段海洋，蔡洪涛

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 背景描述

某采油平台生活楼顶部配备有3台水冷蒸发式中央空调机组，用于生活楼的温度、湿度调节和通风。为实现中央空调控制系统的智能运行，并达到及时自动调节温度、湿度的效果，采用PLC对机组进行自动化控制和保护，并采用触摸屏进行显示控制。进行空调参数设置和了解空调状态只能到现场进行操作，但无数据存储功能，数据无法外传，设备之间数据无法共享，形成数据孤岛，不便于平台人员及时了解空调运行状态和进行空调参数调整，以及提高生活楼环境的舒适度。面对该平台员工数量少而设备逐年增多的现状，利用物联网将设备进行集中显示控制、推动设备的智能化也是一种趋势。

2 空调机组介绍

2.1 结构特点

①本装置结构型式为L型吸入式船用组装式空调装置。

②压缩机是从德国BOCK公司进口的船用半封闭制冷压缩机，运行安全可靠。

③蒸发器为铜管套装波纹型双翻边铜片，采用了先进的胀管工艺，能够充分保证肋根的接触面积。

④冷凝器采用卧式壳管湿水冷凝器。

⑤为了保证中央空调机组及压缩机的正常运行，中央空调配备了西门子S7-200 PLC控制器，各种电气控制保护元件和温度、压力、湿度。

该空调配备有高、低压控制器，以防止因断水或制冷系统压力过高、过低而引起的压缩机故障；配备有油压差控制器，以防止润滑油压力偏低而引起的压缩机故障；还配备有水压控制器，以防止断水开机。 风机与压缩机具有联锁保护功能，压缩机只能在风机开启后才能启动，确保空调安全运行。风机与主电加热器和新风加热器也具有联锁保护，加热器只能在风机开启后才能投入使用，防止干烧，此外加热器还设有超温保护功能。风机和压缩机具有断相、短路和过载保护功能。

空调机组可以根据回风温度的变化进行能量调节，实现了33%、66%卸载运行，以低能耗的高精度温度调节为减少碳排放做出了贡献；冬季还可根据回风湿度的大小进行加湿控制来确保空气湿度在合理范围内。

2.2 空调组成

每台中央空调机组均由水冷直接蒸发式空气处理机和新风段组成。水冷直接蒸发式空气处理机主要由德国进口BOCK半封闭船用制冷压缩机及其配套装置、可编程序控制器S7-200 PLC及电气控制箱等组成。所有元器件均集中安装在同一个橇块上，占地空间小。新风段主要由进风挡水百叶、新风电加热器和新风气动防火阀等组成。

2.3 工作原理

2.3.1 夏季工况

制冷剂的低压气体由压缩机吸入、压缩后成为高温、高压气体，排到冷凝器中，制冷剂在冷凝器中被冷凝成液体，再经过干燥过滤器，到膨胀阀节流减压后进入蒸发器，液态制冷剂在蒸发器的低压区内吸收吹过蒸发器的空气使热量充分蒸发，冷却后的空气再由风机吸出，通过风管及出风口输送至生活楼的各个房间，如此不断地循环流通以达到降温目的，让生活楼的人员获得适宜的工作、生活环境。

2.3.2 冬季工况

外界的新鲜空气经过新风预热器预热后与回风混合，当混合空气吹过主电加热器时被加热，加热量的多少由回风温度传感器感受回风温度的高低、控制主电加热投入运行的组数实现。混合空气经过加热器后再进行加湿操作，加湿量根据回风湿度的大小通过加湿器的启停实现自动控制。

2.3.3 通风工况

当生活楼房间内温度适宜，既不需要制冷也不需要加热时，可以只开启空调风机，作为通风使用。

3 改造思路

该空调使用西门子S7-200 PLC控制器对机组进行自动化控制和保护，现场设置有触摸屏用于参数显示和控制[1]。西门子S7-200 PLC有2个PORT通信口支持PPI、自由口通信，通过专用扩展模块还能实现MPI、DP、AS-I、Ethernet协议通信，这些通信功能可以为远程智能调度控制提供良好的条件。以太网通信具有传输速度快、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，本次改造计划使用以太网通信。在每台中央空调控制系统PLC内加装以太网模块，在B机控制柜内安装以太网交换机，将3台PLC的以太网线汇集到B机的交换机处，从B机交换处铺设一根以太网线到生活楼二楼的服务器处，服务器上安装组态王软件进行中央空调参数的组态显示和数据存储，方便工作人员对中央空调运行参数的监控。系统架构如图1所示。

图1 系统架构图 Fig.1 System architecture diagram

4 软件介绍

组态王软件是北京亚控科技发展有限公司生产的、国内最早实现商用的组态软件[2]。采用组态王kingview 6.55能够实时地进行图形显示及数据采集，具有以下特点。

4.1 工程管理

组态王工程管理器用来管理本机所有的组态工程，能够实现开发和运行系统的切换，并且可以实现工程的压缩备份、备份恢复、数据词典的导出导入等功能。

4.2 开发环境

组态王软件有集成的开发环境，工程浏览器能够为用户提供便利的集成开发环境。工程设计者可以在工程浏览器中查看工程的各个部分，以及变量、数据库、配置通信驱动程序、画面等，完成系统的大部分配置。

4.3 绘图工具

组态王提供了丰富的绘图工具，图形界面上的复合对象都可以随着过程参数的改变而变换状态，以产生动画效果。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分比等属性，具有良好的视觉效果[3]。

4.4 画面管理

在组态王软件中提供了画面按照名称、画面描述或画面文件名称的排序功能，画面、变量的查找功能。对设备列表和变量列表的排序还可以按照列表进行，非常方便画面的管理。

5 改造过程

①在每台空调内安装以太网模块，采用国产艾莫迅以太网模块AMX-ETH-PPI，其功能与西门子的以太网模块CPI-243i功能相同，但有明显的价格优势。首先需要对以太网模块进行IP地址配置，将IP地址分别配置为空调A为192.168.1.11，空调B为192.168.1.12，空调C为192.168.1.13。在空调B机内安装以太网交换机，3台空调的以太网线接入此交换机，并从此交换机铺设以太网线至生活楼二楼监控服务器处。

②组态王监控服务器IP设置为192.168.1.10，安装组态王软件及相应驱动。利用组态王软件开发出 一套适合本次改造使用的组态工程进行项目组建和设备添加，确保能与空调PLC实现正常通信。为此首先在组态王开发软件中添加设备，选择S7-200系列(TCP)→TCP，输入PLC的IP地址值，并进行通信测试，确保能够实现组态王和PLC的通信。

③定义外部变量。要想在组态王画面上显示PLC内I/O状态的变化，首先进行“I/O变量”的定义，“I/O变量”指的是组态王与PLC进行数据交换的变量。这种数据交换是双向的、实时的，当PLC中的值改变时，组态王系统中的变量值也会自动改变。首先在工程项目下的变量组/变量组内双击新建，自定义变量名，连接设备选择对应的PLC设备，寄存器选择对应PLC的地址，再根据空调PLC程序对应点表进行变量添加，并做好报警条件添加和记录存储 功能[4]。

④画面组态。在浏览器中选择“画面”选项，双击“新建”，画面命名为中央空调智能调度系统，画面风格为覆盖式，其他默认即可，接下来进行画面绘制。在工具箱中单击文本工具，输入文字：中央空调智能调度系统，打开图库，选择图库名称“空调”，选中对应的图形双击鼠标，在工程画面上鼠标位置出现一“|_”标志，在画面上单击鼠标，该图形就被放置在画面上，并标注此图形为“中央空调A”。选中空调图标将其转换成普通图素，再双击空调图形，对图形的显示动画进行链接，空调运行时显示红色，停止时显示绿色，故障时显示黄色。依次做好其他状态监测点的画面制作即可。

⑤通过组建好的组态工程可以实现中央空调机组运行情况的实时监控，其中包括设备运行状态、运行时的主要参数、参数设置、故障显示和记录存储等功能。监控画面如图2所示。

图2 监控画面 Fig.2 Monitoring screen

⑥组态完成，通过离线PLC对项目反复进行仿真测试，以模仿空调的各种工况，并对发现的问题进行改正，确保组态正确。测试完成后将空调接入系统内进行运行监控，以实现在生活楼办公室监控空调运行状态及参数调整的功能。

6 效果及结论

本次改造完成后，人员在二楼办公室就能对空调运行状况进行监控和参数调整，提高了生活楼环境的舒适度，减少了工作人员感冒等症状的发生，并具有参数据存储功能，方便故障排查工作，有效减轻了平台人员工作量、提高了工作效率，同时实现了数据共享。利用存储的数据也可进行预测分析，随着数据和预测项目的增多，空调数据的趋势预测预警功能将会越来越强大，为进一步降本增效提供助力。经过一年的使用，目前系统运行稳定，在使用过程中有故障出现报警时，系统能自动显示报警，实现了对中央空调系统的有效监控及数据的共享，为大数据分析做好了基础数据存储工作。