本文详细阐述了现代化大型制造工厂的综合能源控制，工厂通过自动化传感器与控制技术对工厂中的基本设施施行优化控制，实现最大化的节能运行，提高设备使用效率。
1、概述：
工厂综合节能控制系统是指通过建筑优化设计，合理地利用自然环境和能量优势，减少对能源(电力、水、燃气)的消耗。利用科技手段对工厂基础设施(中央空调、车间照明、通风控制)实现自动化控制，从而达到降低能源消耗、减少运行人员、提高企业管理水平。
2、系统组成：
本节能控制系统由智能通风系统、地源热泵控制系统、中央空调控制系统、照明节能控制系统组成。四个分系统通过LONWORKS、MODbus-RTU总线与主监控中心计算机连接，管理人员可以在监控中心计算机上对以上四个分系统进行独立配置、运行状况监控、远程参数设定。
3、网络结构
网络结构图如图所示。
4、智能通风系统
该厂智能通风系统由办公室和车间两部分组成，通风自动控制是指能通过中央空气控制器，并根据房间二氧化碳含量指数、空气浊度、室外气象等自然现象自动控制电动窗户进行空气交换，以满足房间内空气新鲜。
4.1自然通风系统
自然通风是指通风控制系统根据房间空气质量，自动将室外新鲜空气引进，室外空气与房间内空气进行中和，以使房间空气清晰，温度基本稳定。
4.1.1办公室自然通风
该厂所在的办公区域房间都装有电动控制窗户(通过控制系统自动开启与关闭)。每个办公室内装有一只二氧化碳传感器与一只温度传感器。传感器所测量的信号被送入通风系统中央控制器中。中央控制器根据所设定的房间温度自动控制电动窗户的开启与关闭，进行空气交换。
在办公室楼顶装有一只风速传感器和雨滴传感器，办公室窗户两侧分别装有一只雨滴传感器。雨滴和风速传感器信号送入到通风系统中央控制器中。
春秋季节，办公区域的中央空调系统将自动关闭，而由自然通风系统完成对办公室的空气控制。早上8点时，室外是微风或小风时，电动窗户自动开启，为办公室引入早晨新鲜的空气。当办公室工作人员9点到达办公室，能第一时间感受到大自然给予的清新空气。当办公室室外气象温度变化(下雨或刮风)时，电动窗户会自动关闭。下午16时，电动窗户会自动关闭。
夏季时，自动通风系统每天早上7点自动打开全部电动窗户，引入室外新鲜空气，8时电动窗户自动关闭，中央空调系统自动启动制冷送风。阴天或室外温度低于25摄氏度时电动窗户会自动开启，下雨时自动关闭。
冬季时，办公区域室内室温度由中央空调供热控制。当室外温度高于10摄氏度，中央空调系统自动减少供热量，电动窗户自动开启30分钟，引进室外新鲜空气，30分钟后电动窗户自动关闭，中央空调系统自动供热。
4.1.2车间自然通风
车间顶部都安装有电动窗户，每个车间有60扇电动窗户，由6套独立的通风控制器自动控制，每个车间顶部装有两只雨滴传感器，信号分别送入相应的通风控制器。
车间电动窗户开启和关闭的时间可以在通风控制器进行设定，也可以在中央监控中心平台软件上进行设定。
春秋季节，每天早上6点时，室外是微风或小风时，电动窗户全部自动开启，为车间引入早晨新鲜的空气，当室外气象温度变化(下雨或刮风)电动窗户会自动关闭。下午18时，电动窗户会自动关闭。
夏季，车间电动窗户每天6时开启，中午12时关闭，下午15时开启，18时关闭。
冬季，车间电动窗户在室外温度超过10度时分组开启，第一次自动开启10扇，电动窗户共分6组每天自动轮换开启。
4.2强迫通风系统
加工车间分别装有强迫排风自动控制装置，每个车间有10组直径1米的强迫排风机，每个车间都装有二氧化碳传感器、可燃气体泄漏探测器、有毒气体传感器。传感器所测量的信号送入强迫通风分布式控制器中，由通风控制器控制通风机进行工作。
当加工车间二氧化碳传感器测量到车间二氧化碳浓度过高时，所在区域的通风机自动开启工作;可燃气体传感器实时在线工作，监控车间可燃气体情况，当探测到车间有可燃气体时通风机开启工作;当有毒气体传感器探测到车间内有毒器浓度超标时，通风机启动工作。
当车间发生火灾时，强迫排风装置会自动启动工作，确保车间烟气及时排出。
5、地源热泵空调系统
地源热泵是一种利用浅层地热资源(也称低能，包括地下水、土壤、地表水等)既可供热又可制冷的高效节能空调设备。
地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现由低温位热能向高温位热能的转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源。冬季把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖。夏季把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。
该厂地源热泵系统采用地埋管与土壤交换技术，土壤温度在10-18℃之间，制冷制热系数可以达到3.5~4.7。
5.1热泵机组
该厂设有专用热泵机房，由8台地源热泵机组组成。制冷工况：制冷量619kW，功率98kW，COP=6.3。制热工况：制热量637kW，功率128kW，COP=5.0。机组调节方式为连续容量调节(调节范围25~100)，分别为车间和办公室中央空调系统提供热量与冷量。
在冷热源机房自动化控制中，设备最前端由温度传感器、压力传感器、流量传感器、水流开关等组成测量系统。传感器我们选用管道安装式一体化变送器，变送器全部选用2线制方式(DC24V供电)4-20mA输出型。具有很强的抗干扰能力，特别适于信号远距离传输。热泵机组的启动停止、热量冷量调节采用自动化控制。热泵自动控制装置能根据设定的运行时间自动投入热泵机组和相应的循环水泵，并能根据外部用冷用热情况自动启动调峰机组，以实现最大化的节能运行。
当热泵机组设备出现故障后，备用热泵机组及附属设备自动启动运行，并能切除损坏的机组。
夏季冬季切换时，热泵自动控制系统能完成冷热和热冷工况自动切换。
机房控制系统提供标准的工业以太网(TCP/IP)通讯网络介质、标准RJ45接口。用户可以通过以太网实现中央管理工作站与现场控制机之间的信息传输。以太网通讯具有速度快、传输距离远、抗干扰性强、成本低廉等众多优点。通讯协议支持西门子标准S7300-DP、MPI、MODEBUS协议，很方便将来与车间控制中央站组成网络控制。
5.2车间地热系统
车间采用地热盘管采暖及制冷，每个车间地热采暖系统由独立的小型地热盘管组成，所有盘管全部分布在车间地板下面不同的位置，为了达到车间某一区域的温度恒定，必须在盘管供水入口上安装电动调节阀门，并在此组盘管的回水管上安装温度传感器(最佳的测温位置应该是此盘管的供热区域表面，但是由于车间地面无法安装温度传感器，所以只能装在回水管道上)。通过理论推导，当回水温度达到设定温度时，在一定时间后盘管所在的地面温度也接近此温度，所以我们选用回水温度间接的控制盘管所在区域的温度。
总体的一个原则是将相邻距离较近的盘管集中在一个控制柜中，控制柜采用壁挂式安装，安装位置选择在维护方便环境较好的地方。选用此种控制模式有以下三个有点：(1)采用就近编组控制减少了集中控制时的布线烦恼;(2)采用就近编组控制减少了控制系统的总投资;(3)采用就近编组控制维护人员可以方便的对系统进行维护，不必担心由于维护或故障原因而造成整个系统瘫痪。
5.2.1车间地热盘管所在区域温度的控制方法
我们对盘管回水温度的控制方式大致分为以下几种，管理人员可在现场盘管温度控制柜液晶屏上直接选择盘管温度工作模式。
经验调节：在各个控制器上输入盘管回水温度调节曲线，控制系统通过检测盘管回水温度和室外温度，自动调节盘管入口的阀门开度，从而达到盘管实际回水温度在设定的回水温度值范围内(也相当于此区域地板处的温度)，用户可以在现场通过液晶键盘对此曲线进行修改。
固定回水温度：用户可任意设定回水温度值，系统将自动调节盘管入口流量从而使盘管出水温度稳定在此设定值，用户可以在现场通过液晶键盘对此设定值进行修改。
分时段修正运行：本方式支持在不同的时间段修正固定的回水温度设定值(经验调节曲线或固定回水温度)，这样可生成一条更经济的运行曲线。用户可以在现场通过液晶键盘对此曲线进行修改。
手动调节：用户可以在现场通过液晶键盘手动给定调节阀门的开度，从而调节盘管供水流量。
紧急手动功能：我们在盘管温度控制柜上设置有手动紧急操作按钮，即使是温度控制器完全被损坏也能正常开启和关闭温度调节阀门。
5.2.2防止结露控制技术
车间装有专门用于监测地面结露的专用传感器。当夏季工况时，车间地热盘管中流动的是14度的低温水，温度调节阀门将全部打开，以增大冷量释放，但当地面温度过低时，由于冷、热空气交汇地面会出现结露、积存冷凝水。当结露传感器检测到地面会出现露水时会立刻将信号发送到本区域的地热盘管温度控制装置，温度控制装置会立刻切断本区域的冷水循环供应，以减少结露，当露水消失后，盘管会自动开启。
5.2.3动态调节式风机盘管
当车间工作负荷过大、人员多、夏季出现极端高温天气，冬季出现极端寒冷天气时，地热所供应的能量在极端天气下不够时，安装了大功率风机盘管作为补偿。每个车间装有12台功率55kW的大功率风机盘管，风机盘管高度安装为离地3米，当夏季室外温度超过38℃时，中午12时后，12台风机盘管自动开启，将以最大送风速度为车间送冷，以弥补地热提供能量不足的情况，当室外温度降至35℃以下，风机盘管自动关闭，由地热系统为车间提供冷量。冬季当室外气温降至-10℃及以下时，风机盘管启动，为车间送热风;温度高于-5℃时，风机盘管停止工作。
5.3办公室中央空调系统
办公区域全部采用中央空调系统。为了最大化的节约能源，每层楼装有一台中央空调处理机组，该机组由冷热盘管、过滤系统、加湿系统、除湿系统、辅助制热系统组成。每个办公室有不同的送风口和回风口。送风机采用VAV变风量控制技术，送风大小可分别在房间进行调节，送风温度由楼层中央空调机组处理器统一处理。中央空调机组的冷热源由地源热泵机组提供。
夏季工况：地源热泵系统为办公室楼层中央空调处理机组提供8度的冷冻水，由楼层中央空调处理机组统一为本楼层办公区域提供冷风。中央空调机组每天早上7时启动工作，下午18时自动关闭。各办公室房间温度基本一致。当某办公室负荷较大时，办公室VAV变风量送风系统会自动加大对此办公室的送风。
冬季工况：地热热泵系统为办公室楼层中央空调处理机组提供60度的热水，由楼层中央空调处理机组统一为本楼层办公区域提供热风，中央空调机组每天早上7时启动工作，下午18时自动关闭，各办公室房间温度基本一致，当某办公室负荷较大时，办公室VAV变风量送风系统会自动加大对某一办公室的送风。
春秋季节：由自然通风系统自动控制，中央空调系统不工作。
6、智能照明系统
工厂灯光照明控制的目的是最大化地节约电能、提高电灯使用寿命、统一管理并合理调配区域照明照度、为工厂电力供应进行电能统计。该厂照明控制分为工厂路灯控制、车间照明控制、办公室照明控制等组成。
6.1智能路灯控制
路灯全部采用智能路灯控制技术，路灯核心控制器采用当今主流的LonWorks控制器，每一盏灯都带有一个独立智能控制。各路灯控制之间通过LonWorks电子载波模块进行连接，统一由节能控制中心进行统一设置参数和管理。由于路等之间通过LonWorks网络进行互相通讯，路灯的开启与关闭是由室外照度和时间双重进行控制。照度的测量由室外一只高性能照度传感器测量，照度传感器将测量结果通过LonWorks网络传至节能控制中心，由节能控制中心进行计算并指挥路灯的工作。在本系统中，路灯工作模式如下：
开启路灯：当厂区照度低于0.2LUX(可设定)时，厂区路灯将自动开启，路灯开启时采用分区域、分等级方式开启，先开启重要区域和人员活动密集区域，直到最后一盏路灯开启。
路灯自动节能调配：当到达22点后，路灯控制程序将开启自动节能模式，即关闭路灯编号中的偶数路灯(2、4、6...)，以减少电能的消耗。进入节能程序2小时后，将自动开启偶数路灯，关闭奇数路灯(1、3、5…)，系统每两个小时更换一次电灯的开启与关闭。
关闭路灯：当厂区照度高于5LUX(可设定)时，路灯自动关闭。
优点：采用照度控制，可以根据室外光线来合理地开启路灯和关闭路灯，避免了传统定时控制的缺陷，夜间采用循环点灯技术，更有效地节约了电能。
6.2车间照明控制
该厂共有6个(分别F1、F2、F3、F4、F5、F6)生产加工车间，每个车间装有240盏防眩无极顶灯，顶灯间平行间距6米，距离地面20米，方形排布，灯分布在整个车间顶部，每4个灯组成一个控制回路，车间四周侧壁每隔10米装有一盏超强抗震大功率泛光灯，安装高度为离地10米，灯具工作电源为220V交流供电。
每个车间装有4个照度传感器，分别布置在10,100,200米的空间位置，照度传感器负责将车间空间内的照度测量传送给灯光控制器。车间每隔12米装有一个高性能人体移动感应传感器，人体移动感应器由红外和雷达波双签组成，人体探测信号通过信号系统送入灯光控制器。车间照明的灯的开启和关闭由车间灯光管理控制器控制。
车间照明灯的开启：数控及结构加工车间照度低于50LUX(可设定)时，车间照明灯自动开启奇数顶灯，以确保车间基本的照明，当有工人在车间走动时，移动传感器会探测到人体，此时灯光控制器会自动开启工人所在区域的偶数电灯，以增加工人所在范围的照度，通常照度会超过150LUX，当人体离开工作区域时，偶数电灯会自动关闭，进入节电模式。
6.3办公室照明控制
该厂办公区域分为独立办公区和综合办公区，办公区域灯光控制由人体移动传感器和照度传感器组成，每个办公室至少装有一只照度传感器和一只人体移动感应传感器，人体移动传感器的数量是根据办公区域大小和分布情况而定的，综合办公区域每隔6米安装一只人体移动传感器，以加大人体探测密度。照度和人体移动感应信号全部送入办公室照明灯光控制器中，各办公室电灯组由灯管控制器分组控制。
标准办公室照明照度为150LUX，当办公室低于80LUX时，人体移动传感器会自动检测是否有人体存在，如办公室有人存在时且照度低于80LUX，所在区域的照明灯会自动开启。照明灯开启后，照度传感器停止工作，人体移动传感器持续工作，并检测人体是否存在，如果人体离开后10分钟内照度传感器没有检测到人体，办公室照明灯将自动关闭。当再次检测到人体时，照明灯继续开启。
7、综合节能控制分析
工厂综合节能控制系统是由多系统组成的，在该工厂中，由地源热泵控制系统、中央空调控制系统、照明节能控制系统及智能通风系统组成。每一个独立的系统都由自动化仪表、传感器完成测量，并将所测量的信号送入控制单元，控制单元根据设定的程序和外界变化情况对所控制的对象进行调节，以达到节能运行。
地源热泵控制系统是当今主流的新型的能源系统，能以较少的电力提取更高的土壤中的冷热量，能效比高，再加上自动化控制技术对热泵机组进行合理的控制、能量的匹配，地源热泵系统比传统冷热源系统节能电力20%。
中央空调控制系统采用先进的自动化控制技术，合理地与自然通风系统结合使用，定时控制，统一送风，达到了有效的节能。
照明节能控制系统引入了当今主流的科技手段，通过智能控制器结合照度、人体感应等技术来完成灯光控制，采用此控制技术全厂照明灯可节省50%，大大地减少了耗电量，为企业带来了很好的效益。
智能通风节能系统车间和办公室在春秋季节不使用外部能量的情况下完成了所在区域的空气调节。
由于建立了中央监控中心，以上四个子系统的运行数据都能通过通讯网络传输到监控中心，运行管理人员可以在监控中心远程设定各分系统的运行参数，并能进行远程故障查找诊断，减少了对运行人员的需求，提高了企业的运行效率，减少了运行成本。
8、结束语
现代工厂综合节能控制系统是一个复杂的大型控制系统。在本工程中只涉及到了：中央空调系统、地源热泵系统、工厂节能系统、智能通风系统。而工厂中可以进行智能化控制与管理的设备远远大于以上四部分，如车间用电设备的智能监控，通过电流记录可以判断出设备和工人的操作效率、全方位视频监控与跟踪，给排水和燃气供应自动化控制等等，都可以加入工厂综合节能控制系统。全方位的自动化节能在设计和工厂建设前期需大量的资金投入，这是导致本行业前进较为缓慢的原因。
随着我国工业化进程的加快，对能源需求日益增高，国家对环境保护意识的不断提高和相关鼓励政策的出台，工厂综合节能系统将是未来发展的主要方向。
（敬请关注微信号：dzbyqzx）