對DCS的中央空調制冷系統的控制探討

張潔琳

（武漢凱興經濟發展有限責任公司，湖北武漢 430010）

對DCS的中央空調制冷系統的控制探討

張潔琳

（武漢凱興經濟發展有限責任公司，湖北武漢 430010）

隨著時代的發展，我國建筑行業也處于快速發展狀態中，對于建筑來說，中央空調已經成為不可或缺的一項硬件設備，它很大程度上改善了人們生活的舒適度。但是中央空調消耗的能源較大，不利于我國能源的長期發展斬落，所以現在對中央空調提出了新的要求——智能化控制，中央空調智能化對其制冷機組的分布位置要求十分嚴格，甚至將制冷機組分布情況好壞與空調的智能化程度直接掛鉤。接下來筆者將結合自身的經驗和調查走訪結果，基于“中央空調制冷系統”的內容特點，詳細論述DCS的中央空調制冷系統的控制問題。

DCS 中央空調制冷系統 控制

對于傳統式的中央空調來說，機身內部主要是使用了相對獨立的PLC控制系統進行溫度控制，將制冷系統與其他零件進行簡單的拼接組合，就能實現溫度控制的工作。但是這種空調消耗的能源量非常多，無法適應現在節能減排社會對于能源使用量的要求。

目前我國對于智能中央空調的要求是在負荷量變化、流量變化和溫度變化的環境下依舊可以準備調節環境的溫度，要達到這樣的效果，需要有一個強大的協調控制中心作為支柱，還需要一個可靠的基礎制冷單機。

1 DCS系統

DCS系統是目前來說，是制造職能中央空調最佳的系統，它的操作簡便、易于管理、配置之間相對靈活、組態非常方便、可靠性較強。相對于市面上其他操作系統來說，DCS系統是最合適的一種實現中央空調智能化管理的手段，也正是因為其眾多優點，被越來越多的住宅小區、樓盤等使用。

圖1 水冷式制冷系統原理圖

圖2 DCS中央空調制冷系統控制硬件框圖

接下來筆者將詳細敘述DCS系統如何控制中央空調制冷機組，間接控制制冷環節、冷卻水環節和冷凍水環節，還需要對這些操作環節分別進行軟件和硬件的設計。在運行過程中還需要兩臺并聯狀態的機組對系統進行檢測，通過一段時間的生產試驗，證明DCS系統的功能強大、可靠性高，比較容易達到對中央空調智能控制的目標。

2 中央空調內部的制冷系統

對于中央空調來說，一般由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統、制冷機組、散熱水塔和風機盤管系統組成，在這些零件中，制冷系統是中央空調系統最為重要的部分。這主要是因為它可以直接影響中央空調系統在運行過程中消耗能源的多少，換句話說，它可以直接決定中央空調的經濟性、合理性、高效性。

筆者將制冷系統的工作原理總結歸納如圖1所示：

由圖1可知，制冷系統的運作方式為一個卡諾循環。制冷原理可以歸納為：當氣態制冷工質通過了壓縮機壓縮處理之后，會形成一股高溫高壓氣體。然后進入冷凝器，在冷凝器中與水或者空氣進行熱交換，變成低溫高壓狀的液態氣體形式。液態工質再經過干燥過濾器的脫濕處理，過濾掉水分和雜志，通入膨脹閥節流減壓，最后形成低溫低壓液態工質流入蒸發器。

圖3 控制系統組態項目樹

進入蒸發器之后，就會進行汽化處理，對于液體的汽化過程來說，主要依靠吸熱，液態氣體只有通過不斷吸熱，達到汽化點才能轉化為氣體形式。在汽化過程中壓力越低，飽和溫度越低，所以應當竭盡全力創造一定程度的低壓條件，這樣才能利用液體的汽化獲取所要求的低溫。按照這種原理，我們可以明確看出卡諾的循環過程。

3 中央空調制冷控制系統設計

3.1 中央空調制冷控制系統實驗環境

在模擬中央空調制冷控制系統的運作環境時，將DCS系統的中央空調作為研究主體，抽取兩臺并聯狀態下的制冷機。系統 3G3JV和5個ACS510—01的變頻器分別控制，包括兩臺機器的AHU、冷卻塔、壓縮機、冷凍水和冷卻水。變頻壓縮機主要是使用了ZHC－2.2，這種機型的排氣量為6.51m3/h，額定工作頻率為50Hz，通過模擬實驗，可知其最大制冷量為1846W。此實驗中冷凝器和蒸發器型號為ZL－20－30，這種機型最大工作壓力為 4.5MPa。在節流裝置中，設置了兩個回路，其一是制冷劑在冷凝器中處理之后，出來的經熱力膨脹閥節流后流向蒸發器，另一個是經過了冷凝器之后流向電子膨脹閥，無論哪一個都可以通過四通閥切換的手段，實現實時控制的目標。

3.2 設計硬件

根據控制系統實現采用控制器，Freelance 800F過程控制系統主要分為兩個操作界面，一個是過程控制級，另一個是操作員級。圖2 DCS中央空調制冷系統控制硬件框圖。

在過程控制級中，系統主要由連接處I/O單元的過程控制站拼接組成，所以操作員必須使用TCP/IP協議系統總線才能與過程控制級之間實現通信。其中AC700F過程站具有與可編程邏輯控制器相似的構造，過程站中核心元件是一個高性能的CPU處理器，以保證過程站可以高速運轉處理。并且其所有功能必須完全符合IEC61131－3的有關規定。在模擬過程中還使用了DC732F和AX722機架式I/O作為輔助。

操作員級主要包含了記錄、顯示、操作、歸檔、報警和趨勢等多項功能，設計之時使用了Control Builder F軟件。控制器精確的執行命令，決定回路處于開環還是閉環狀態。在設計過程中安排了1個操作員站和1個工程師站，工程師站主要負責對系統進行調試和組態，在系統正常運行狀態時，工程師站可以暫時關閉，不需要與系統永久性連接。操作員站主要使用了PC硬件，所有的運行工作都處于Microsoft Windows的操作系統環境下。

針對制冷機組來說，設計了8個溫度檢測點和1個制冷環節，其中還包括4個水溫度傳感器和4個制冷劑溫度傳感器。水溫度傳感器主要測量冷卻水回水溫度、冷凍水回水溫度、冷卻水供水溫度和冷凍水供水溫度；制冷劑溫度傳感器主要測量蒸發器入口制冷劑溫度、壓縮機入口制冷劑溫度、壓縮機出口制冷劑溫度和冷凝器出口制冷劑溫度。與此同時還設立了4個壓力檢測點，主要負責監測壓縮機排氣壓力、蒸發器入口制冷劑壓力、冷凝器出口制冷劑壓力和壓縮機吸氣壓力。

3.3 設計軟件

對于整個控制系統來說，主要由工程師站負責組態調試，并且需要配置相應的操作員接口、自動化功能、記錄現場和顯示等參數，還需要符合IEC 61131－3標準圖形編程界面的相關要求。

除此之外設計的軟件還要符合CBF，通過設計一個樹形結構，實現對所有項目管理的目標，其中每個功能元素或節點在項目樹中都用“1”這個阿拉伯數字來表示特定對象類型。分別設計dos操作員站、opc網關站和dps過程站，這也是調試和管理整個用戶群的重要部分。過程站D－PS需要和硬件結構中組態的物理站想連接，也需要與組態過程站D－PS相連接。CBF在過程站會自動生成兩種類型的任務組，分別為USRTask添加用戶程序和SYSTas，SYSTas主要負責為CPU 模件執行標準程序。

在用戶程度中，設計了諸多任務，分別為：冷凍水循環系統任務、制冷系統任務和冷卻水循環系統任務，針對風扇、膨脹閥、壓縮機和泵等零件進行實時監控。態網關站D－GS，適用于其他系統訪問Freelance 800F系統數據之時，組態操作員站主要使用了D－OS系統，針對過程對象的監控和操作，設計人員設定了工業流程圖操作面板和人機界面等。將項目樹中定義的資源在硬件結構中指定為1個實際的硬件，把系統使用的變量設定為I/O及進行參數。圖3為控制系統組態項目樹。

3.4 制冷水系統控制策略設計

在測量冷水機的供回水溫度時，根據冷量計算公式，可以算出實驗中熱量為41.868。對于壓縮機來說，最重要的作用就是消耗外界能源，將制冷劑的形態壓縮成高溫高壓狀的氣體，壓縮機主要通過變頻器實現變頻調速。使用PID控制策略，遠程使用DCS控制，經過PID，最終實現改變壓縮機驅動電機供電頻率的目標。壓縮機的供電頻率變化就帶動了單位時間內排氣壓力的變化，控制了電子膨脹的程度和制冷劑流量。

電子膨脹閥主要負責對制冷劑的節流降壓工作，控制制冷劑進入蒸發器中流量的多少，這種控制的精確度更高，反應也較為迅速，還使用標準的PID調節控制器作為輔助設施。在設計的控制系統中，蒸發器的數值是主要監控對象，電子膨脹閥是系統操作的執行部件，輸入為蒸發器出口制冷劑過熱度的數值。反之，輸出為蒸發器出口制冷劑過熱度。

4 結語

時代的快速發展，締造了能源快速消耗的現狀，對于現代化的建筑來說，中央空調是不可或缺的硬件設置，但是中央空調這種制冷設備所消耗的能源是巨大的。所以現階段提出了智能中央空調的理念，為了減少不必要的能源損害，需要增強中央空調監控環境溫度的能力，實時保持最佳制冷狀態。本文筆者結合自身的經驗和調查走訪結果，基于“中央空調制冷系統”的內容特點，詳細論述了DCS的中央空調制冷系統的控制問題，希望對相關工作者有所幫助。

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