區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：文章設(shè)計(jì)的區(qū)域能源站自控系統(tǒng)對(duì)象為軟件園5期能源站，使用PLC采集傳感器及變頻器的數(shù)據(jù)，傳遞給上位機(jī)WinCC進(jìn)行顯示、分析之后，進(jìn)行集中調(diào)度和優(yōu)化控制，并將控制指令下達(dá)給PLC，通過(guò)PLC控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括冷凍水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和冷卻水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)功能包括系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行安全監(jiān)控功能、設(shè)備優(yōu)化調(diào)度功能、冷凍水系統(tǒng)PID控制、冷卻水PID控制、運(yùn)行參數(shù)記錄及查詢(xún)功能、參數(shù)超限報(bào)警功能等。

關(guān)鍵詞：區(qū)域能源系統(tǒng)；PID控制；冷凍水；冷卻水

1 概述

隨著我國(guó)建筑的不斷增多，生活質(zhì)量的日益提高，建筑能耗也隨之迅速增加起來(lái)，給我國(guó)能源結(jié)構(gòu)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。建筑節(jié)能技術(shù)，即在滿(mǎn)足人們生活品質(zhì)和需求的前提下，使用各種技術(shù)（如節(jié)能材料、區(qū)域能源系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、仿真設(shè)計(jì)等）降低建筑在運(yùn)行過(guò)程中的能耗。建筑節(jié)能技術(shù)在緩解我國(guó)能源壓力的同時(shí)，也降低了建筑的運(yùn)行成本，因此受到政府、企業(yè)和科研工作者的廣泛關(guān)注。DHC（區(qū)域供冷供熱）系統(tǒng)，是為了給多個(gè)建筑進(jìn)行的供冷或者供熱，由專(zhuān)業(yè)的能源站進(jìn)行集中制造冷水或者熱水，并通過(guò)庭院管網(wǎng)進(jìn)行集中供給的一種中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)。DHC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單體中央空調(diào)相比有著巨大的優(yōu)勢(shì)：首先，DHC規(guī)模大，可以集中選用大型、優(yōu)質(zhì)、高效的空調(diào)設(shè)備；其次，便于集中管理，將分散在各個(gè)樓棟下的空調(diào)設(shè)備集中起來(lái)進(jìn)行管理，可以提高管理質(zhì)量，同時(shí)減少空調(diào)設(shè)備用地面積；第三，便于集中調(diào)度，提高DHC系統(tǒng)整體的能量利用率。此外，使用區(qū)域能源系統(tǒng)還可以減少或取消單體建筑部分的室外設(shè)備，簡(jiǎn)化樓棟結(jié)構(gòu)、減少空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生噪聲，除此之外還可以減弱熱島效應(yīng)等。

研究一種能夠把計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和中央空調(diào)系統(tǒng)緊密結(jié)合，協(xié)同工作，高效運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)能降耗的優(yōu)化組合控制系統(tǒng)是本課題的出發(fā)點(diǎn)。

構(gòu)建該系統(tǒng)的目的除了改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)、控制成本、降低能耗、開(kāi)發(fā)利用新能源外，“利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)分析暖通空調(diào)系統(tǒng)，并進(jìn)行智能控制，最大限度地降低建筑設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的能耗”也是重要內(nèi)容之一。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，在不同程度上存在如下問(wèn)題：（1）理論研究與工程實(shí)際分離；（2）自控系統(tǒng)和暖通工藝沒(méi)有結(jié)合；（3）自控系統(tǒng)使用者——現(xiàn)場(chǎng)操作人有沒(méi)有參與。文章從區(qū)域能源站的實(shí)際需求出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，結(jié)合暖通技術(shù)，設(shè)計(jì)了武漢某節(jié)能公司的某個(gè)能源站的自控系統(tǒng)。文章將從自控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施（包括硬件實(shí)施和軟件實(shí)施）、調(diào)試和結(jié)果分析等幾個(gè)章節(jié)來(lái)講述區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2 區(qū)域能源站自控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)自控系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域能源的智能化管理和優(yōu)化節(jié)能，使其能根據(jù)實(shí)際用戶(hù)的用冷或用熱情況，有針對(duì)性的調(diào)節(jié)水泵、冷水機(jī)組、冷卻塔等設(shè)備，調(diào)節(jié)供冷量或者供熱量。通過(guò)優(yōu)化調(diào)度和有效控制，在充分滿(mǎn)足用戶(hù)需求的基礎(chǔ)上最大限度地降低能耗，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行收益及管理收益。

自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。各冷水機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)485總線傳送到主控計(jì)算機(jī)，其中螺桿機(jī)還需要通過(guò)LonTalk網(wǎng)關(guān)將通訊協(xié)議由LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換為MODBUS協(xié)議；板換的部分參數(shù)通過(guò)485總線從西門(mén)子RWD68控制器（即板換控制器）中提取；各關(guān)鍵部位（包括板換供/回水，冷水機(jī)組，集分水器等）的壓力、溫度，通過(guò)傳感器連接到配電房PLC（2#PLC）和控制室PLC（3#PLC），各PLC通過(guò)Ethernet局域網(wǎng)連接到主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)除了對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理和監(jiān)控外，還根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度控制，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。控制信號(hào)通過(guò)Ethernet傳輸?shù)脚潆姺縋LC和控制室PLC中，從而對(duì)連接到PLC上的設(shè)備（如冷凍水泵變頻器、冷水機(jī)組冷凍側(cè)電動(dòng)轉(zhuǎn)換閥等）進(jìn)行控制。兩臺(tái)控制用主機(jī)都配有1000VA的UPS。

2.2 冷凍水子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

冷凍水系統(tǒng)包括：冷水機(jī)組優(yōu)化調(diào)度、冷凍水泵優(yōu)化調(diào)度和冷凍水泵變頻控制。在控制供回水溫差恒定的主控策略上，引入最不利回路的供回水壓差作為前饋控制，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)于用戶(hù)負(fù)荷的變化的魯棒性，同時(shí)也降低了壓力在管道、閥門(mén)上的損耗。

因?yàn)橹评涞男枰骺刂苹芈窞楹愣夭羁刂啤？筛鶕?jù)實(shí)際要求選擇控制最不利回路溫差（或者母管供回水溫差）作為被控主參數(shù)，并設(shè)置目標(biāo)值△T（如5℃）；溫差的設(shè)定值可根據(jù)季節(jié)變換、室外環(huán)境的變化以及峰谷時(shí)間段自動(dòng)或人工設(shè)定。被控對(duì)象是反應(yīng)用戶(hù)負(fù)荷的實(shí)際變化的供回水溫差，如果不引入前饋控制，很難實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的控制，也不利于節(jié)能降耗。因此，文章在設(shè)計(jì)冷凍水變頻控制時(shí)加入前饋量：根據(jù)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)提取用戶(hù)總的冷量負(fù)荷N總，以及最不利回路溫差、壓差變化、供水壓力、供回水溫差、環(huán)境溫度、濕度、流量等參數(shù)綜合分析判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)正在運(yùn)行的冷凍泵的前饋控制，以期實(shí)現(xiàn)用戶(hù)負(fù)荷變化的快速響應(yīng)控制。

2.3 冷卻水子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

冷卻塔和冷卻水泵的合理調(diào)度對(duì)流量的調(diào)節(jié)是有限的，還需要通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精準(zhǔn)的調(diào)控。具體內(nèi)容為：根據(jù)冷卻塔出口溫度實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，以及冷卻水供水母管溫度，有限度的調(diào)節(jié)水泵的工作頻率，達(dá)到對(duì)流量進(jìn)一步精確調(diào)控的目的，從而達(dá)到對(duì)冷卻塔出口溫度（及冷卻水回水溫度）的精確控制。

因制冷要求冷卻水溫度保持恒定，因此主控回路為恒定溫度控制。系統(tǒng)選擇冷卻塔出口溫度為被控參數(shù)，并設(shè)定目標(biāo)值T供（如32℃）；溫度設(shè)定值在運(yùn)行中是可以改變的，影響因素有環(huán)境濕球溫度、冷水機(jī)組組合方式、冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，以及冷卻泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在滿(mǎn)足冷水機(jī)組對(duì)冷卻水溫度基本要求的前提下，盡量使冷卻系統(tǒng)的綜合能耗最低，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。主控制回路的被控對(duì)象是冷卻塔出口溫度，具有大延遲的特點(diǎn)，所以采用串級(jí)過(guò)程控制，將冷水機(jī)組冷凝器的出口溫度引入，使變頻器根據(jù)冷水機(jī)組負(fù)載變化而做出快速響應(yīng)控制，克服系統(tǒng)延時(shí)對(duì)控制的影響，提高控制系統(tǒng)的魯棒性。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的區(qū)域能源站自控系統(tǒng)在方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、系統(tǒng)調(diào)試的過(guò)程中，都與暖通工藝人員進(jìn)行了深入的溝通，使自控系統(tǒng)更符合區(qū)域能源系統(tǒng)工程實(shí)際，取得了良好的效果。同時(shí)，控制工程與暖通工藝結(jié)合的思想剛剛起步，并沒(méi)有多少同類(lèi)經(jīng)驗(yàn)的借鑒，工程屬于探索性質(zhì)，并不能完全發(fā)揮區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的潛力，相信隨著區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，區(qū)域能源站自控系統(tǒng)在建筑節(jié)能中的作用和優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

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