基于博圖開發的冷源群控系統

摘 要：暖通控制系統在建筑領域中起著至關重要的作用，能夠有效地調節室內溫度、濕度和空氣質量，提高建筑物的舒適性和能源利用效率。研究西門子博圖軟件開發的基于PLC的冷源群控系統，通過工程案例的實踐，該系統能穩定實現冷源系統的遠程和節能控制。

關鍵詞：暖通控制；博圖系統；PLC；冷源群控

CHILLER PLANT CONTROL SYSTEM DEVELOPED BASED ON TIA

Wang Xiaofei

（Hegang Xuangang Control Center Xuanhua 075100，China）

Abstract：The HVAC control system plays a crucial role in the field of building construction， effectively regulating indoor temperature， humidity， and air quality， thereby enhancing building comfort and energy efficiency. This paper aims to study the PLC-based chiller plant control system developed using Siemens TIA software. Through practical engineering cases， this system can stably achieve remote and energy-saving control of the chiller plant system.

Key words：HVAC control system；TIA system；PLC；cold source group control

0 前 言

隨著建筑行業的快速發展和人們對室內舒適度的不斷追求，暖通控制系統作為建筑物的重要組成部分變得越來越重要。冷源群控系統是暖通控制的核心。采用基于PLC的數據中心冷源群控系統無論是在安全性，可靠性，還是節能方面都具有更良好的可擴展性、靈活性和智能化特點，為暖通控制系統的發展提供了新的思路和技術支持。

1 冷源群控系統

數據中心的冷機群控系統是用于管理和監控數據中心的冷卻設備的系統。它的主要功能是確保數據中心的溫度和濕度保持在適當的范圍內，以保護服務器和其他設備免受過熱的影響。

冷機群控系統主要通過群控策略及控制算法控制冷水機組，配套水泵和版式換熱器的合理運行，使冷源系統達到滿足負荷需求下的最大節能控制狀態。通常包括四方面主要功能：

溫度監測和控制：系統可以監測數據中心各個區域的溫度，并根據需要自動調整冷卻設備的運行狀態，以保持恒定的溫度。

故障報警和預測：系統可以監測冷卻設備的運行狀態，并在發現故障或異常情況時發出警報，以便及時采取措施進行修復。

能效優化：系統可以根據數據中心的實際負載情況和外部環境條件，優化冷卻設備的運行模式，以提高能效并降低能耗。

遠程監控和管理：系統通常具有遠程監控和管理功能，可以通過網絡遠程監視和管理數據中心的冷卻設備，提高運維效率。

2 博圖系統

西門子博圖系統是由西門子公司推出的一種工業自動化控制系統。該系統主要用于工業生產過程中的自動化控制和監控，包括生產線、設備、機器人和其他工業設備的控制。

博圖系統主要包括五方面功能和特點：

1）PLC控制：博圖系統使用西門子的Simatic PLC作為控制核心，實現對生產線和設備的精確控制。PLC（可編程邏輯控制器）是一種專門用于工業自動化的控制設備，能夠根據預設的邏輯和條件執行相應的控制操作。

2）HMI界面：博圖系統提供人機界面（HMI），通過觸摸屏或其他交互方式，操作人員可以實時監控生產過程、設備狀態和參數，進行設備操作和調整。

3）數據采集和分析：博圖系統可以實時采集生產過程中的數據，并進行分析和統計，幫助企業進行生產過程的優化和改進。

4）工業網絡通信：博圖系統支持各種工業通信協議，可以與不同廠家的設備進行通信和集成，實現設備之間的協同工作。

5）安全功能：博圖系統還具備安全功能，可以實現對生產過程中的危險點和安全隱患的監控和控制，確保工作人員和設備的安全。

總的來說，西門子博圖系統是一種全面的工業自動化控制系統，可以幫助企業提高生產效率、優化生產過程、提升產品質量，并具有靈活、可靠、安全等特點。

3 應用案例

3.1 工程概況

本工程制冷系統控制對象包括5臺冷水機組，5臺板式換熱器，5臺冷卻泵，5臺冷凍泵，10組冷卻塔，若干電動閥門等。

3.2 系統架構

本項目共5套系統，分別為1套冷源控制系統，1套冷熱源舒適空調系統，1套通風系統，1套新風系統，1套B3樓通風系統。冗余服務器一套，操作員站2套。

3.3 系統硬件設計

冷源系統設備控制系統采用西門子s71500系列工業可編程邏輯控制器PLC；雙冗余CPU（雙冗余群控管理器）；工業以太環網冗余拓撲方式。

冷源控制系統采用了新一代大容量冗余CPU，為內置大容量冗錯算法和邊界條件整定提供了必要的內存空間和快速指令執行周期。

3.4 系統軟件平臺

為了使冷源控制系統更高效、更智能、更快速響應冷源系統各種工況， 程序中大量采用了PLC編程語言（SCL）實施編程，從而有效地減少了程序的執行周期，使得程序更緊湊，更快速，及時有效的響應冷源系統工況的變化、故障切換，有力的保障了冷源系統平穩高效的為末端設備提供高品質冷凍水。

冷源群控系統界面包括系統界面，故障管理，報警管理，數據報表，參數設置，動態顯示狀態界面，冷水系統流程圖等。

4 冷源群控的控制邏輯

4.1 模式控制

冷源系統的三種模式：冬季模式（免費制冷模式），過渡季模式（預冷模式），夏季模式（制冷模式），三種模式在冷源控制中被互鎖，每次只有一種模式被激活。當模式之間切換時，如果模式切換不成功，將退回至原模式。

冬季模式（免費制冷模式）：利用室外冷空氣制冷（板式熱交換器）。

過度季模式（預冷模式）：利用室外冷空氣制冷預交換部分熱能（板式熱交換器）后單套制冷單元制冷。

夏季模式（制冷模式）：單套制冷單元冷凍機制冷（關閉預冷模式相應閥門）。

室外濕球溫度決定了模式切換（以冷卻塔逼近度6 ℃，板式熱交換2 ℃計算），當濕球溫度

≤6 ℃時，進板式熱交換器的冷卻水溫度12 ℃，進入冬季模式，當濕球溫度（6～10） ℃的時候進入過渡季模式，當濕球溫度≥10 ℃的時候，進入夏季模式。

4.2 單元臺數

冷源系統控制器統計單套制冷單元中冷凍機的運行累計時間基數，對系統內的2套制冷單元實施排序，以保證冷源系統中的單套制冷單元生命周期基本保持一致，當單套制冷單元被置于“手動，停止”或者單套制冷單元內部關鍵設備發送故障（例如：水泵，當季閥門），或者被置于“維護模式”，“就地模式”時，此套制冷單元將被冷源系統剔除，排在單套制冷單元的最后，當此套制冷單元恢復正常且“就緒”時，此套系統將根據運行時間冷源系統中排序。

該控制策略提供機房系統的最優化啟動、順序啟動及運行臺數控制，以使單元總制冷量滿足負荷端需求。該功能根據建筑負荷需求、單元狀態及輔助設備狀態等信息來判斷單元是否投入運行。當冷凍機返回運行狀態后，其制冷量（制冷模式不是冬季模式時，以冷凍機冷凍側名義制冷量進行統計，制冷模式是冬季模式時，以板換冷凍側名義制冷量進行統計）、制冷百分比等參數才參與運算計算需求數。

4.3 加減機控制

平穩運行后，首先考慮通過協議通訊調整每臺冷水單元的輸出來滿足負荷變化要求，每臺冷水單元在最佳效率一定范圍內運行，如果動態調整運行冷水單元輸出效率不能滿足要求，才使用加減機的方式。

加機判斷：通過讀取單元內部參數——電流負載百分比，當負載處于最高限制負荷（90％可調），且持續一定時間（30 min可調），判斷增加一臺冷凍單元，冷凍機需求數增加1。

減機判斷：通過讀取單元內部參數——電流負載百分比，當單元負載低于某一設定值（40％可調），且持續一定時間（30 min可調），判斷需減少一臺冷凍單元，冷凍機需求數減少1。

單套制冷單元流量低限。如果流量低于設定值則不觸發加減載。

4.4 最不利壓差控制

冷凍水泵設置最低運行頻率（可調），在系統末端支路設有壓差傳感器，當實際壓差小于壓差設定下限（120 kPa可調）時，增加冷凍泵轉速；當實際壓差大于壓差設定下限時，減少水泵轉速。

4.5 輪詢控制

為了確保冷源系統冷凍水連續供水溫度的穩定性（14 ℃），輪詢命令每次只觸發一套冷源設備參與的輪詢。在SCADA界面上顯示輪詢的運行次序；輪詢時采用先開后關的原則，當被輪詢的制冷單元開啟后，才會關閉原制冷單元。（開啟的制冷單元要滿足產冷能力后，才可以卸載）。

單套制冷單元的輪詢失敗處理流程：當輪詢命令發出且單套制冷單元進入輪詢切換過程，輪詢失敗即切換的單套制冷單元啟動失敗，此時啟動失敗的單套制冷單元作為故障被系統剔除排，排在單套制冷單元的末端，此時控制系統停止本次輪詢命令過程，如需輪詢可以再次觸發輪詢命令，此時系統將安排“就緒”的單套制冷單元參與輪詢。

5 結 論

本論文通過研究基于博圖開發的暖通控制系統，探討了其在暖通領域的應用前景和發展趨勢。基于博圖的暖通控制系統具有智能化、高效節能、易維護等優勢，將成為未來建筑暖通控制的主流趨勢，為建筑能效的提高和智能化控制提供了新的技術支持。

參考文獻

[1] 王明. 基于博圖的建筑智能化控制系統設計與應用[J]. 建筑科學， 2019（10）： 45-49.

[2] 張濤. 博圖系統在建筑暖通控制中的應用研究[J]. 建筑技術， 2020（5）： 56-60.

作者：王曉飛，女，46歲，高級工程師

收稿日期：2024-07-30