基于Metasys系统车间空调机组自动化

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1、基于 Metasys 系统车间空调机组自动化Air-conditioning Automation Based on Metasys System青州卷烟厂 曲广庆 刁立鹏 李红燕Qu Guangqing Diao Lipeng Li hongyan摘要：为了实现我厂空调系统节能降耗、方便管理、达到工艺要求、提高经济效益等目标，我们选用 Johnson Controls（美国江森自控） 之Metasys 系统对厂区车间的空调进行自控设计。关键词： Metasys 系统 空调机组 自动控制 Abstract: In order to achieve my factory air-conditio

2、ning system, energy saving, easy management, and meet the technological requirements, improving economic efficiency and other objectives, We selected Johnson Controls of the Metasys system to automate the factory air-conditioning plant。Key words: Metasys System Air-conditioning unit Automation0 前言前言

3、传统的中央空调系统是基于定流量运行和传输能量的原理、基于传统的工程设计方法进行冷热负荷计算和设备选型的。但由于外界温度和内部负荷的动态变化，中央空调系统普遍存在着 30以上的无效能耗，特别对于一些温湿度精度及工艺要求高的工矿企业，如果自控策略针对性不强，就很容易出现系统高位平衡的现象，即冷热源相互抵消达到平衡，造成能源的极度浪费。一些企业为了克服这一浪费，不得不牺牲系统的控制精度，采用人工干预方式对其进行手动控制。因此通过对中央空调系统配制一套中央空调全年多工况控制工艺自控系统，解决系统高位平衡和降低无效功耗，达到节能降耗的效果成为必然。1 控制控制对对象和象和实现实现目目标标青州卷烟厂为各车

4、间共设置了 14 台空调、新风机组.序号序号机房机房编编号号所在位置所在位置空空调编调编号号服服务务区域区域改造情况改造情况K-9装箱喂丝区更换新设备1空调一室原空调一室K-11卷接包车间更换新设备2空调二室原空调二室K-12卷接包车间更换新设备3空调三室原空调三室K-5贮丝间更换新设备K-6、K-7烟丝高架库更换新设备K-8辅料库更换新设备4空调四室烟丝库南13.6 米层K-13嘴棒加工车间更换新设备5空调五室装封箱区东 10 米层K-10卷接包车间、辅料入库区、装封箱区更换新设备6空调六室原空调六室K-4贮叶间更换新设备7空调七室配方库二层空调室K-2制丝车间更换新设备8空调八室CO2 一

5、层空调室K-1制丝车间更换新设备9空调九室CO2 五层空调室K-14、K-15保持原有设备设置“空调自控系统”的目的主要是为了实现和完成青州卷烟厂内所有设备的集中管理、环境控制，实现以下三个目标：1) 通过对设备的有效管理和控制，可以使这些设备均工作在最佳工作状态。这既有利于提高设备的运行寿命，又有利于节约能源。2) 通过对所有设备运行状态的实时监控，可减轻操作、维修人员对设备巡视的劳动强度，又可避免一些人为因素可能对设备造成的不良影响。3）控制车间内空气温、湿度、压差、洁净度，达到需要的工艺要求。2 控制系控制系统统我们选用 Johnson Controls（美国江森自控） 之 Metasy

6、s 系统对厂区车间的空调进行自控设计。空调自控系统包括中央操作站、数字控制器(DDC)。网络是以集散理论为基础的成熟的空调自动化系统。它具有结构灵活、适应性强、扩展方便、软件优化设备运行、操作简单等特点。中央操作站显示器选用 PIV 高档工控计算机，速度快、运行稳定。预装 WINDOWS NT 和动态图形管理软件及编程软件。直接数字式控制器（DDC）是 METASYS 系统的最前线装置，它分布于建筑物内各处的设备现场，如空调机房，水泵房，冷冻站等。DDC 连接于 METASYS 的控制层总线。自控系统网络结构规划本系统的设计思想是集散式控制方式。因高级的控制过程复杂，用同一控制过程的结果并不能

7、满足各个区域的情况，采用集散式控制方式还可增强系统可靠性，减少施工费用。整个系统共分三级，第一级为中央站，设于能源中控室；第二级为直接数字控制器（DDC），对现场设备进行就地控制；第三级为采集现场信号的传感器和执行机构。每个现场控制器 DDC 采用分散控制的原则，分布在被控设备的附近，现场工作人员可以通过 DDC 上的显示面板和操作面板就近操作或监测被控设备。3 生生产车间产车间空空调调制冷系制冷系统统控制控制过过程特征程特征卷烟厂各车间具有面积大、生产设备发热量大、部分车间空气中悬浮超细烟尘多, 温湿度工艺要求精度高等特点。通常选择全空气中央空调系统对空气进行混合、加热、冷却、加湿、除湿、过

8、滤等处理, 并在保证车间温湿度参数的前提下做到节能运行。卷烟厂工艺空调系统过程控制的主要特征有：1) 该系统是一个多输人、多输出的非线性、时变、强耦合、大滞后的复杂控制系统。2) 被控空调区域面积大，发热设备多， 扰动大，空气场很不均匀， 温室度传感器布点必须合理。3) 卷烟生产设备发热量大，产湿量仅是人体散湿。卷接包车间夏季空调负荷中生产设备负荷约占7080，围栏结构传热仅占20%30%。4) 卷烟产品生产需要基本恒定的温湿度环境，空调控制必须考虑室外全年多种工况时如何满足工艺要求的情况，空调风量理论计算值较大，应采取变风量调节。5) 卷烟生产工艺要求相对湿度值较大，一般在50%70%，空调

9、控制时必须考虑机器结露问题。6) 卷烟厂车间空气中悬浮超细烟尘多，特别是卷接包车间既是空调车间又是产尘车间。空调回风的含尘浓度要远远大于其他空调系统，对空气过滤有较高要求，同时在利用新、回风比例时应加以考虑。7) 空调系统全年运行，通常每天24小时连续生产，空调设备运行能耗高，约占全厂总能耗的1/3左右。4 车间车间空空调调机机组组自控控制思路自控控制思路由于生产车间空调制冷系统自身控制过程特征,即使在按照全年多工况条件分类简化空调输出调节量的情况下，也难以找出很好的数学模型来实现良好的控制品质。依据多年的调试经验提出了一种多模多段的模糊PID控制方法。具体思路是：依据在不同时段的不同的空气处

10、理过程和处理方案，绘制全年多工况恒温恒湿控制策略烩湿分析图，输入室外温湿度传感器数值，计算室外焓值，确定其在图上的位置，如下图所示：图1多工况恒温恒湿控制策略焓湿分析图W1-W4为全年室外可能出现的气象状态点；C1-C4为新回风混合状态点；N为全年车间恒温恒湿状态点；N为回风状态点（由回风温湿度传感器监测）；O为车间送风状态点（由送风传感器检测）；S为加热器与加湿器之间的状态点然后按照表1确定控制器输出，实现恒温恒湿的变风量调节。1区通常代表了夏季工况，5区通常代表了冬季工况，2、3、4区同代表了过渡季节的三种可能出现的工况。表1边界判断条件及控制策略表模糊PID算法可以根据不同的条件和要求用

11、不同的模态进行控制， 即当误差大于某一阀值时，用比例控制，以提高系统的响应速度，加快响应过程。当误差小于某一阀值时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼特性，减小响应过程的超调。当误差达到平衡点附近时，采用PI控制，利用其积分作用的特点最终消除误差。从而可以兼顾传统的和模糊控制PID的优点， 实现精度高、适应性好、抗干扰能力强、鲁棒性好等特点。控制框图如下图所示：图 2模糊控制 PID 图5 空空调调机机组组自自动动控制方案控制方案（卷接包车间为例）室温控制是空调自动系统中重要的环节，它是用温湿度敏感元件来控制相应的调节机构，使得送风温度随扰量的变化而变化。改变送风温湿度的方法有：调节加热器的加

12、热量或冷却器的冷却量，调节新、回风混合比或一、二次回风比，调节干蒸汽和高压微雾加湿量的大小，调节送回风机送风量的频率等。由于工艺空调服务区域所要去的工艺参数不同，空调机组的系统形式及气流组织不同，自控方案也各有区别，下面以卷接包车间空调控制方案说明。5.1、现状分析卷接包车间占地 7000 余平方米，其中布置自动卷包机数十台，空调负荷变化比较大。卷接包车间共配置了 3 台空调，分别分布于空调空调一室、二室和五室。由于送回风管道的布置，在物理上形成了三个南、中、北三个分区，分别由位于空调二室的 K-12 空调、位于装封箱区东 10 米层的 K-10 空调及位于空调一室的 K-11 空调负责。由于

13、二车间内没有墙体互相分割，这三个分区既互相独立，又互相影响。由于卷接包车间各分区内要求的工艺参数不同，因此各空调机组送风温湿度也就不同。又由于各分区之间没有任何墙体物理隔断，保持各分区的送风口送风压力趋于一致是保证各分区能够达到工艺要求的基本条件。5.2 专业对策5.2.1 空调自控专业除采用传统的控制模式，还需要如下设置：A、卷接包车间东西方向共 4 排立柱，每排 19 个。在每排立柱上间隔安装温湿度传感器，安装高度为 1.7 米，每排安装 9 只，共 36 只。每排立柱错对安装温湿度传感器，形成互相交错状。B、由于每排立柱的位置恰好在各空调分区的交界处，立柱上的传感器测得的温湿度信号也为交

14、界处参数，因此在各分区的吊顶上 4只温湿度传感器，传感器呈“S”形布置，共 12 只。C、在各分区吊顶上安装 3 只压差传感器，检测室内外空气压差，作为空调机组的变频依据，共计 9 只。D、对上述温湿度传感器测得的信号根据安装位置，作加权算法，取平均值作为空调机组 K-10、K-11、K-12 的送风设定参数之一；同时实时检测由于传感器故障测出的假信号（过高或过低），并在计算中将该数据剔除。E、空调机组 K-10、K-11、K-12 的送回风机的运行频率在满足本区压差的同时，应基本一致，否则由于各分区间没有隔断，气流组织互相干扰，无法保证各分区的工艺参数。5.2.2 卷接包车间温湿度、压差传感

15、器布置示意图5.3 监测内容监测故障报警状态；监测送/回机手/自动转换开关的状态；在送/回机前后安装空气压差开关，监测其状态，确认风机机械部分是否已正式投入运行；当送/回机处于自动状态时，系统可以对送/回机进行启停控制、变频控制，包括远程控制和定时启停机组；监测防冻开关的状态，当温度低于设定值(在防冻开关上可调整)时，防冻开关动作，控制器触发联动一系列的防冻保护动作，如关闭新风阀并打开水阀等；监测初效及二级过滤网淤塞报警状态，提醒运行管理人员及时清洗过滤器；监测高效滤桶反吹洗系统的压差，控制其吹洗；监测新风温、湿度（全套系统共取 3 套）；监测送/回风温、湿度；监测冷水盘管后温度；调节送、回、

16、排风阀开度及循环风阀开度；控制干蒸汽加湿电动调节阀，调节送风湿度；控制变频器输出频率、检测其实际输出频率；监测车间内的温湿度；控制加热、制冷盘管上的调节阀；控制高压微雾加湿系统，通过 OPC 接口接收控制其启停、运行状态、故障状态5.4 自动控制原理图：5.5 控制程序框图： 空调机组控制程序图空调机组控制程序图5.6 各程序模块说明：5.6.1 夏季工况的除湿程序： ：夏季工况空气湿度比较大，尤其在阴雨天气时。除湿是依靠空调机组的制冷盘管将空气冷却到露点以下，从而使空气中的水蒸气凝结、分离来进行的。根据室外温湿度、室内温湿度及湿度要求，系统计算设定制冷盘管后的空气温度设定值，经PID 算法计

17、算后调节制冷盘管电动两通阀的开度，改变流经制冷盘管的冷冻水的流量，使流经制冷盘管的空气温度降至设定温度（低于露点温度）。当电动两通阀开至 100时仍无法满足要求时，系统通过网关再次降低冷冻站冷水机组的出水温度。5.6.2 冬、夏季工况的加热程序： ：自控系统采集车间内的温湿度信号，计算其加权平均值（去除假点），与送风回风温度比较，经 PID 算法控制器输出模拟信号控制加热盘管的电动调节阀，改变其中的蒸汽流量，使送风温度达到设计值。5.6.3 冬季工况的加湿程序：冬季采用干蒸汽加湿。 。该加湿方式近似为等温加湿，因此对送风温度影响较小，便于调节。该加湿程序类似加热程序，只是采用的是室内温湿度传感

18、器的湿度信号作为调整参数，调节的是干蒸汽加湿调节阀开度。 。5.6.4 过渡季节的加湿程序： ：过渡季节采用高压微雾加湿。该装置为独立系统，通过 OPC 接口与自控系统通讯，自控系统采集其运行状态、故障报警信号，并可对其进行启停控制，同时也可以通过电压信号对其进行加湿量调节。加湿程序同冬季工况的加湿。5.7 变频程序通过风机变频调速，一方面改变送风量来保持室内外压差恒定，同时节约了电能。此次改造的空调机组均为双风机系统，即一台机组内配置有送风机和回风机，而且个别机组内的两风机功率不同。采用风机变频既要保证车间内换气次数的要求（一般为 810 次每小时），同时保证车间内对外的正压差。本方案采用如

19、下控制方式：由车间的有效容积、换气次数及空调送风主管道的截面积计算出送风的大致风速设定值，同时以车间实际温度和送风温度的差值修订该风速设定值，在送风主管道上安装风速传感器测量实际风速，并作为控制器进行 PID 计算的输入参数。PID 计算输出控制送风机的转速，使送风风速达到设定值。通过车间内的压差传感器的测量值与压差设定值比较、PID 计算，控制回风机转速，进而保持车间内压差恒定。5.8、先期安装的 DDC 控制柜的网络拓朴图如下： 初期空调自控系统网络拓补图这种结构在运行过程中，出现一处故障而牵动全身瘫痪的缺点。 后期空调自控系统网络拓补图由于我厂受控点多，受控区域大，数据传输量大等特点，安

20、装的DDC 控制多达 31 个，所以该方案在实际过程中存在诸多弊病，因此我们及时优化了网络拓朴结构，把 14 台受空调和 13 个受控区域温湿度信号分 6 路上传，加装 34 个光端机，主线路、DDC 控制柜之间用光纤连接，6 路之间相互独立，互不影响，增强系统稳定性、可靠性。保证了数据传输的稳定性。 空调自控系统网络拓补图5.9、工作站、工作站图图形界面形界面图图： ： 6.结论干扰在自动控制系统中，一直是比较头疼的问题，也是我们自控技术人员必须解决的问题，前期我厂实施的空调自控过程中，由于工作量大，信号线路长，所经范围有大量动力电源以及几台变频在一起工作的情况，所以经常出现由于干扰，程序不

21、能上传下载、DDC 断线、信号时断时续的问题，我们从 DDC 之间的信号传输以及上位机的联网类型、变频器谐波干扰、动力电源线干扰、供电电源、控制柜的位置、线槽的走向、接地等各个方面入手，成功解决了由于信号干扰带来的不良影响，增强系统的稳定性，保证信号传输的准确性、及时性，保证了空调自控项目的实施。空调自控自 10 月份运行以来，能够在能源控制中心，自动、手动控制风阀、蒸汽加温加湿阀、高压微雾加湿器、变频器的启停及运行频率，通过对设备的有效管理和控制，可以使这些设备均工作在最佳工作状态。通过实时监控，可以使操作者和维修人员对各种设备的运行状况了如指掌，能够根据车间需要开启风机，及时调节送风温湿度，精确控制车间的温湿度到达工艺技术指标。经过 2 个多月的运行，完全实现了当时设置“空调自控系统”的目的，实现和完成青州卷烟厂内空调的集中管理、车间环境控制。山东省青州市玲珑山北路 1818 号青州卷烟厂动力车间 曲广庆 邮编：262500 电话：13406606232 邮箱：hua_