大型辦公樓中央空調冷源站控制系統軟硬件設計剖析
——以福建廈門瑞達金融廣場中央空調冷源站為例

羅漢權

(廈門壘智建設有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

在竟爭激烈的辦公樓宇市場，5A智能建筑不斷完善和提高實際運營效果，對業主、租方皆為利好，越來越引發人們的關注，而傳統的中央空調冷源站控制系統基于自身的諸多不足已越來越不能滿足時代社會需求，必須給予優化。基于此，本文以福建廈門瑞達金融廣場中央空調冷源站為例，剖析其控制系統軟硬件設計，助力大型辦公樓中央空調冷源站控制系統優化。

1 項目概況

瑞達金融廣場坐落在廈門觀音山片區，分南、北樓，主要提供5A級寫字樓辦公服務，總建筑面積近10萬m2，其中地下設計4層，地上29層，建筑高度116m(圖1)。

圖1 廈門瑞達金融廣場 全景效果圖

南樓面積約41 000m2，采用VRV直流變頻系統設計；北樓面積約59 000m2,采用水冷中央空調系統設計(圖2)，采用2臺2110kW制冷量的離心式制冷機組及1臺1096kW制冷量的螺桿式制冷機組，冷凍水供回水溫度7/12℃，冷卻水供回水溫度32/37℃，冷卻、冷凍泵系統皆采用一次泵變流量循環系統；冷卻塔放置在南樓三層屋面；在傳統的BAS控制系統中，基本上沒有對整個中央空調冷源站系統的控制原理進行規劃。因此，為實現對整個冷源站系統的控制全局一盤化，提前對冷源站系統的控制進行合理規劃。

圖2 曖通系統冷源站控制原理規劃圖(局部)

2 中央空調冷源站設計

傳統BAS控制系統存在的強弱電控制(柜)分開設計、制作、再在現場聯絡控制，注重設備的控制，在強弱電一體化設計、電力計量、抗干擾設計、節能優化控制上存在較多不完善的地方。由于該項目為新建項目，因此為了解決上述問題，該項目在電力系統設計上，采集整個冷源站必要的用能設備的用電量數據，然后分別采用多功能電表對各臺制冷主機進行能耗計量；冷卻、冷凍、冷卻風機系統分別采用冷源站就地獨立配電設計，且分別設計有用電計量裝置，采集并上傳用電數據(圖3)；在水泵動力柜的設計上，采用強弱電一體化設計，將變頻驅動單元、PLC控制器安裝在同一控制柜中，柜體內部上部區域為弱電控制，下部區域為強電控制，盡量減少不同工作面的電纜聯接，少了傳統BAS控制的強、弱電分離生產再在現場通過信號電纜進行聯結的短板，同時提高了可靠性及維護的便利性；而且，利用前后錯位安裝，既美觀，又有利于變頻驅動單元的散熱；同時，在弱電控制回路上采用隔離電路設計，提高了抗干擾能力。柜體面板就地操作區域設計為安全盒式操作控制面板，對控制進行安全鎖管理，防止誤動作或控制(圖4)；在制冷量數據設計上，采用在集水器回水主管上設計能(流)量計，采集累積冷量、瞬時冷量、流速等數據；在傳感單元設計上，分別在冷卻水供回水總管、冷凍水集分水器設計有PT100型3線制無源型溫度傳感器；在集分水器上安裝有壓力傳感單元，設計有室外環境溫濕度傳感器、室內冷源站環境溫濕度傳感器；在設備受控范圍設計上，整體考慮曖通設備，將制冷主機、冷卻水泵、冷凍水泵、冷源站閥門、冷卻風機、冷卻風機端閥門、傳感單元、多功能電表、能(流)量計、溫濕度傳感器、能量平衡調節閥等設備納入集中控制(表1)，同時預留第三方設備用的對接功能，通過以上功能性的設計，為實現無人值守型的控制系統打下基礎。強弱電一體化成套柜內外部局如圖4所示。

圖3 冷凍系統動力配電設計

圖4 強弱電一體化成套柜內外布局

表1 受控設備及其點位表、通信表

在通信方面，基于先前的BAS系統對關鍵設備均是集中控制，只要集中控制單元或鏈路異常，則會導致控制系統對應的鏈路上的設備全部都不能正常運行，該項目整個系統主網采用全以太網網絡架構設計(圖5)，各單元獨立控制。這樣，當對應設備的控制單元或鏈路異常時，不會影響到其它設備的正常工作，不僅提高了系統的穩定性、安全性，還提高了受控設備在接收指令或反饋信息時的影響速度(300MS左右響應)及大流量數據通信能力。而且，制冷主機通過通信協議通信讀寫主機數據，對多功能電表、能(流)量計等儀表，通過MODBUS-RTU通信方式都能分別讀取用電量、冷量等數據。

圖5 以太網架構設計

在傳統BAS控制系統中，一般都沒有提供較為可行的運行策略。為此，該項目為實現曖通系統智能化及節能控制上無人值守型的運行，在考慮整個冷源站設備使用時，根據末端辦公情況，通過合理分配設備的運行，確定設備的運行策略(表2)。該控制策略可以在軟件上進行設定、更改，組合為多種控制策略，方便運營根據人流、辦公情況等負荷的變化進行運行策略調整，以滿足各種運營需要。

表2 運行策略(供冷期為每年的5月份～11月份)

3 中央空調冷源站控制工藝設計

傳統BAS系統著重于對設備的控制，對節能運行存在有待提高的空間。基于該項目為新建項目，除了注重設備的智能化控制外，對高效節能運行有著更高的要求，因此采用了科之杰中央空調能效管理控制系統進行控制。該項目中央空調能效管理控制系統，從工程學理念出發，不僅對中央空調各部分進行全面控制，而且通過系統集成技術將各個控制子系統在物理上、邏輯上和功能上互連在一起，并在一個計算機平臺上進行集中控制和統一管理，實現各信息的綜合、預測、資源共享，實現中央空調全系統的一體化智能控制、精細化管理和高效節能運行。

根據智能預測算法[2]與數據庫中記錄的各種工況參數下的設備運行狀態數據(歷史運行數據)，實時預測計算出輸出參數，對冷凍水泵進行負荷隨動控制，即根據末端空調參數的變化情況，對系統的冷凍水流量進行控制。在滿足末端溫度要求的況下，通過泵組優化選擇，最大限度地減少冷凍水管網的阻力及冷凍水泵的轉速和功率，降低冷凍水泵的能耗；在控制參數遭遇環境溫度、空調末端負荷發生變化時，各路冷凍水溫度、溫差、壓差、流量均能隨之發生變化，溫度傳感器、壓差傳感器、流量計將檢測到的實時數據送入智能控制器，智能控制器根據此數據及歷史運行數據，實時預測計算出末端空調所需的制冷量，以及各路冷凍水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值[3]，并以此調節各變頻器輸出頻率，調節冷凍水泵的轉速，改變其流量使冷凍水系統供回水溫度、溫差、壓差和流量運行在智能控制器給出的最優值。同時，在現場調節中，根據水泵的楊程、流量、主機冷凍水流量要求(冷凍水量M3/H=主機額定制冷量×0.603M3/H×主機運行負荷%)，計算出冷凍水泵的運行頻率的下限值,再結合現場試驗去驗證計算出的下限值，最終確定滿足主機冷凍水流量時且主機并不發生報警、喘振等故障的實際頻率下限值，并由此可以確定冷凍水泵運行時的頻率下限值與頻率上限值之間無級自動閉環調節，實現高效節能，在軟件界面上頻率上下限值、控制目標值SP皆可以設定及調整。

對冷卻水及主機采用智能優化算法，即當環境溫度、空調末端負荷發生變化時，中央空調主機的負荷率也隨之發生變化，系統的最佳轉換效率也隨之發生變化，智能控制器在動態預測控制冷媒循環的前提下，依據所采集的空調系統實時數據及歷史運行數據，計算出冷卻水最佳進、出口溫度值SP，并與實際運行的PV值進行比較，計算出偏差值△T=∣SP-PV∣，動態調節冷卻水泵的流量(及冷卻塔風機的風量)，使系統轉換效率逼進不同負荷下的最佳值，從而實現中央空調主機與冷卻水系統運行的綜合消耗能源的最低組合；根據制冷系統的特點，若要增大主機的冷卻效果以提高主機的效率系數(COP)，冷卻水泵的能耗就要增加；若要使冷卻水泵的能耗同比減少，則必然會引起主機多耗能，科之杰中央空調智能化與節能系統已經把主機和冷卻系統能耗之和作為一個重要的參數進行控制，在各種運行工況下，力求主機和冷卻系統能耗之和為最低；在現場調節中，根據水泵的楊程、流量、主機冷卻水流量要求(冷卻水量M3/H=主機額定制冷量×0.722M3/H×主機運行負荷%)，計算出冷卻水泵的運行頻率的下限值,再結合現場試驗去驗證計算出的下限值，最終確定最終滿足主機冷卻水流量時且主機并不發生報警、喘振等故障時的實際頻率下限值，并依此確定冷卻水泵運行時的頻率下限值與頻率上限值之間無級自動閉環調節，實現高效節能，在軟件界面上頻率上下限值、控制目標值SP皆可以設定及調整。

綜之，通過對整個冷源站為整體控制對象為出發點的設計，系統能夠實現對冷水機組啟停的優化選擇，并能夠通過計算主機COP或主機負荷,對開機的臺時數進行有效的控制、機組之間將引入自動加減機功能。從系統經過制冷季的運行效果來看，非常適合中央空調這樣復雜的、非線性的和時變性的控制，系統綜合節能率達23%。

4 中央空調冷源站受控設備測控內容及群控設計

4.1 冷水機組智能控制系統監控內容

冷凍水回水能(流)量值、室內環境溫濕度值、制冷主機運行信號、故障信號、干節點起/停控制信號；通過MODBUS-RTU通信協議，讀取單臺機組的冷卻水進出水溫度值、冷凍水進出水溫度值、制冷主機運行時間、主機電流占比負荷值、冷凝壓力，膨脹壓力、油壓等數值。

4.2 冷凍智能控制系統監控內容

冷凍水供回水溫度值、冷凍水供回水壓差、冷凍水泵本地/遠程選擇、冷凍水泵運行信號、故障信號、啟/停控制信號、頻率反饋值、頻率給定值、備用/常用選擇信號。

4.3 冷卻智能控制系統監控內容

冷卻水供回水溫度值、冷卻水泵本地/遠程選擇、冷卻水泵運行信號、故障信號、啟/停控制信號、頻率反饋值、頻率給定值、備用/常用選擇信號。

4.4 冷卻風機智能控制系統監控內容

冷卻水供回水溫度值、冷卻風機本地/遠程選擇、冷卻風機運行信號、故障信號、啟/停控制信號、臺數信號、室外溫濕度值。

4.5 開關制冷機組流程

開流程：按時間假日程序或根據空調負荷決定開啟一臺冷水機組，根據每臺冷水機組的運行時間選出運行時間最短的冷水機組，確認這臺冷水機組的冷卻水電動蝶閥和冷凍水電動蝶閥開啟后，啟動冷卻水泵，確認冷卻水泵開啟后，啟動冷凍水泵，確認冷凍水泵開啟后，再開啟冷水機組、啟動冷卻風機。

關流程:按時間假日程序或根據空調負荷決定關閉一臺冷水機組→根據每臺冷凍機的運行時間選出運行時間最長的→關閉這臺冷水機組→確認關機以后，關閉冷凍水泵→確認冷凍水泵停機后→等冷凍機停機后5min后，停冷卻水泵、冷卻風機。

4.6 冷水機組臺數控制

系統主要根據冷凍水供回水管的流量及集水器、分水器的溫差，計算負荷，對冷水機組進行群控；如若改造條件所限時，將依據主機電流負荷進行控制；冷水機組加載/卸載(自動加減機)次序的原則是依據冷水機組累計運行時間，時間短的先開，時間長的后開，時間長的先停，時間短的后停。

5 中央空調冷源站軟件設計

在硬件設計要求穩定、可靠、可維護性的基礎上，底層PLC軟件的設計完全接照控制工藝的要求進行設計與編寫，顯示端軟件界面主界面一目了然(圖6)，提供報警功能、記錄功能、監測功能、權限設置功能、報表功能[1]、趨勢曲線圖功能、整點數據報表生成功能(表7)、參數設定功能(圖8)，整個顯示端軟件界面的設計以方便、簡單、易懂的操作為主(圖9～圖10)。

圖6 主控制界面

圖7 整點數據報表功能

圖8 參數設定功能

圖9 方便、簡單、易懂的操作顯示端軟件界面一

圖10 方便、簡單、易懂的操作顯示端軟件界面二

在軟件界面中，設定好運行策略后，當運營人員一鍵發出運行指示信號(或時間自動觸發)時，整個機組接受到此信號時，首先根據納入群控的設備(各機組是否納入群控)開啟臺數(整個機組中，希望的開機數)、自動加減機判斷時間、單臺機組運行時加機參數設定值、2臺機組運行時加機參數設定值、3臺機組運行時減機參數設定值、2臺機組運行時減機參數設定值、參控設備置在遠程自動狀態下等各運行參數范圍內，開啟滿足上述參數要求的設備中運行時間最少的機組。開啟順序先開啟該機組的冷卻端冷門(包含冷卻風機端閥門)、冷凍端閥門，在確保冷卻端閥門開到位后，自動開啟冷卻水泵，這時冷卻水泵會根據冷卻水系統的控制策略進行變流量調節，冷卻風機會根據其臺數控制策略進行工作；冷凍端閥門開到位后，自動開啟冷凍水泵，這時冷凍水泵會運行在其負荷隨動控制策略上，等水泵頻率關閉穩定后，開啟該制冷主機。隨著負荷的變化，如果末端負荷增大，觸發單臺機組運行時的加機參數設定值時，則會在開啟滿足上述參數要求的設備中運行時間第二少的機組，其開機過程與首臺類同，如果末端負荷繼續集增大，觸發2臺機組運行時的加機參數設定值時，則會在開啟滿足上述參數要求的設備中運行時間第三少的機組，開機過程與首臺類同，反之則減機；如果是減機組時，會先停機組，5min后停冷卻風機、相應的冷卻水泵、冷凍水泵、最后關相應的閥門。上述提到的參數，軟件界面上可以設定與調整；整個控制過程穩定、可靠、高度智能化。

6 結語

綜上，對比傳統BAS系統的設計，該項目采用優化軟硬件設計，使瑞達金融廣場中央空調冷源站控制系統在智能化、節能控制方面在福建尚屬領先，為引領地區相關項目的應用提供了示范作用。同時，可為瑞達金融廣場創造一個舒適及安全的工作環境，并大大節約能源。