區域能源站自控系統的設計

摘 要：文章設計的區域能源站自控系統對象為軟件園5期能源站，使用PLC采集傳感器及變頻器的數據，傳遞給上位機WinCC進行顯示、分析之后，進行集中調度和優化控制，并將控制指令下達給PLC，通過PLC控制現場設備。設計內容包括冷凍水系統方案設計和冷卻水系統方案設計，設計功能包括系統及設備運行安全監控功能、設備優化調度功能、冷凍水系統PID控制、冷卻水PID控制、運行參數記錄及查詢功能、參數超限報警功能等。

關鍵詞：區域能源系統；PID控制；冷凍水；冷卻水

1 概述

隨著我國建筑的不斷增多，生活質量的日益提高，建筑能耗也隨之迅速增加起來，給我國能源結構帶來巨大的挑戰。建筑節能技術，即在滿足人們生活品質和需求的前提下，使用各種技術（如節能材料、區域能源系統、自控系統、仿真設計等）降低建筑在運行過程中的能耗。建筑節能技術在緩解我國能源壓力的同時，也降低了建筑的運行成本，因此受到政府、企業和科研工作者的廣泛關注。DHC（區域供冷供熱）系統，是為了給多個建筑進行的供冷或者供熱，由專業的能源站進行集中制造冷水或者熱水，并通過庭院管網進行集中供給的一種中央空調冷熱源系統。DHC系統與傳統的單體中央空調相比有著巨大的優勢：首先，DHC規模大，可以集中選用大型、優質、高效的空調設備；其次，便于集中管理，將分散在各個樓棟下的空調設備集中起來進行管理，可以提高管理質量，同時減少空調設備用地面積；第三，便于集中調度，提高DHC系統整體的能量利用率。此外，使用區域能源系統還可以減少或取消單體建筑部分的室外設備，簡化樓棟結構、減少空調設備產生噪聲，除此之外還可以減弱熱島效應等。

研究一種能夠把計算機技術、自動化技術和中央空調系統緊密結合，協同工作，高效運轉，節能降耗的優化組合控制系統是本課題的出發點。

構建該系統的目的除了改善圍護結構、控制成本、降低能耗、開發利用新能源外，“利用計算機模擬技術分析暖通空調系統，并進行智能控制，最大限度地降低建筑設備運行過程中的能耗”也是重要內容之一。

總結國內外學者對區域能源站自控系統的研究發現，在不同程度上存在如下問題：（1）理論研究與工程實際分離；（2）自控系統和暖通工藝沒有結合；（3）自控系統使用者——現場操作人有沒有參與。文章從區域能源站的實際需求出發，利用計算機網絡通信技術、自動化控制技術，結合暖通技術，設計了武漢某節能公司的某個能源站的自控系統。文章將從自控系統方案設計、方案實施（包括硬件實施和軟件實施）、調試和結果分析等幾個章節來講述區域能源站自控系統的實現過程。

2 區域能源站自控系統方案設計

2.1 系統總體方案設計

文章設計自控系統的目標是實現整個區域能源的智能化管理和優化節能，使其能根據實際用戶的用冷或用熱情況，有針對性的調節水泵、冷水機組、冷卻塔等設備，調節供冷量或者供熱量。通過優化調度和有效控制，在充分滿足用戶需求的基礎上最大限度地降低能耗，實現中央空調系統的運行收益及管理收益。

自控系統的網絡結構拓撲圖如圖1所示。各冷水機組的運行參數通過485總線傳送到主控計算機，其中螺桿機還需要通過LonTalk網關將通訊協議由LonTalk協議轉換為MODBUS協議；板換的部分參數通過485總線從西門子RWD68控制器（即板換控制器）中提取；各關鍵部位（包括板換供/回水，冷水機組，集分水器等）的壓力、溫度，通過傳感器連接到配電房PLC（2#PLC）和控制室PLC（3#PLC），各PLC通過Ethernet局域網連接到主控計算機。主控計算機除了對所有參數進行數據庫管理和監控外，還根據相關參數進行分析，對各個設備進行優化調度控制，以實現經濟運行。控制信號通過Ethernet傳輸到配電房PLC和控制室PLC中，從而對連接到PLC上的設備（如冷凍水泵變頻器、冷水機組冷凍側電動轉換閥等）進行控制。兩臺控制用主機都配有1000VA的UPS。

2.2 冷凍水子系統方案設計

冷凍水系統包括：冷水機組優化調度、冷凍水泵優化調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，增強系統對于用戶負荷的變化的魯棒性，同時也降低了壓力在管道、閥門上的損耗。

因為制冷的需要，主控制回路為恒定溫差控制。可根據實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，并設置目標值△T（如5℃）；溫差的設定值可根據季節變換、室外環境的變化以及峰谷時間段自動或人工設定。被控對象是反應用戶負荷的實際變化的供回水溫差，如果不引入前饋控制，很難實現快速穩定的控制，也不利于節能降耗。因此，文章在設計冷凍水變頻控制時加入前饋量：根據計費系統提取用戶總的冷量負荷N總，以及最不利回路溫差、壓差變化、供水壓力、供回水溫差、環境溫度、濕度、流量等參數綜合分析判斷，實現對正在運行的冷凍泵的前饋控制，以期實現用戶負荷變化的快速響應控制。

2.3 冷卻水子系統方案設計

冷卻塔和冷卻水泵的合理調度對流量的調節是有限的，還需要通過調節水泵的變頻器實現對流量的精準的調控。具體內容為：根據冷卻塔出口溫度實際值與設定值的偏差，以及冷卻水供水母管溫度，有限度的調節水泵的工作頻率，達到對流量進一步精確調控的目的，從而達到對冷卻塔出口溫度（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。系統選擇冷卻塔出口溫度為被控參數，并設定目標值T供（如32℃）；溫度設定值在運行中是可以改變的，影響因素有環境濕球溫度、冷水機組組合方式、冷卻塔風機運行臺數，以及冷卻泵的運行臺數，在滿足冷水機組對冷卻水溫度基本要求的前提下，盡量使冷卻系統的綜合能耗最低，從而實現經濟運行的目的。主控制回路的被控對象是冷卻塔出口溫度，具有大延遲的特點，所以采用串級過程控制，將冷水機組冷凝器的出口溫度引入，使變頻器根據冷水機組負載變化而做出快速響應控制，克服系統延時對控制的影響，提高控制系統的魯棒性。

3 結束語

文章設計的區域能源站自控系統在方案設計、方案實施、系統調試的過程中，都與暖通工藝人員進行了深入的溝通，使自控系統更符合區域能源系統工程實際，取得了良好的效果。同時，控制工程與暖通工藝結合的思想剛剛起步，并沒有多少同類經驗的借鑒，工程屬于探索性質，并不能完全發揮區域能源站自控系統的潛力，相信隨著區域能源站自控系統的不斷發展與完善，區域能源站自控系統在建筑節能中的作用和優勢將更加明顯。

參考文獻

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