基于DCS的中央空调制冷机组控制系统

基于基于 DCSDCS 的中央空调制冷机组控制系统的中央空调制冷机组控制系统李树江;倪莎【摘【摘 要】要】建筑智能化程度要求越来越高,针对中央空调制冷机组的分布特性及智能化控制要求,文中提出基于 DCS 的中央空调制冷机组系统的控制,对中央空调制冷机组各部分进行控制.取 2 台制冷机并联控制进行实验分析,实验结果表明该控制系统充分利用了 DCS 软硬件资源,发挥了 DCS 控制系统实时、准确、快速、稳定、智能的特点,提高了控制的稳定性、控制品质,达到满意的效果.【期刊名称】【期刊名称】仪表技术与传感器【年【年(卷卷),),期】期】2013(000)008【总页数】【总页数】3 页(P54-56)【关键词】【关键词】中央空调;冷水机组;DCS【作【作 者】者】李树江;倪莎【作者单位】【作者单位】沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870;沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870【正文语种】【正文语种】中 文【中图分类】【中图分类】TP2730 引言传统的中央空调制冷机都采用独立的 PLC 控制，机组采用简单的设备组合，只能实现简单的控制。而现在节能型中央空调系统要求制冷机组工作在变流量、变温度、变负荷的模式下，因此需要强大的协调控制功能和可靠的基础制冷单机控制。DCS 系统可靠性高、集中操作、便于管理，分级负责，配置灵活，组态方便，是一种有效的工具和实现手段，轻松地对整个中央空调机组的全部活动进行综合自动化控制和过程优化1。DCS 是被越来越多的楼宇自动化、中央空调机组控制所采纳的现代化设备2。文中采用 DCS 对中央空调制冷机组进行控制，对冷却水环节、冷冻水环节、制冷环节的控制分别进行硬件、软件的设计，并取 2 台并联机组加以验证。DCS 系统可靠性高，功能强大，对于复杂控制、协调控制都可以很容易实现。1 中央空调制冷系统中央空调系统主要由制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成。制冷系统是中央空调系统的重要部分，它直接影响了中央空调系统在运行中的经济性、高效性、合理性。制冷系统工作原理为一个卡诺循环。图 1为制冷系统原理图。制冷原理:气态制冷工质经压缩机压缩成高温高压气体后进入冷凝器，与水(空气)进行等压热交换，变成低温高压液态。液态工质经干燥过滤器去除水分、杂质，进入膨胀阀节流减压，成为低温低压液态工质，在蒸发器内汽化。液体汽化过程要吸收汽化潜热，压力越低，饱和温度越低。因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的汽化获取所要求的低温。依此原理，汽化过程吸取冷冻水的热量，使冷冻水温度降低。制冷工质在蒸发器内吸取热量，温度升高变成过热蒸气，进入压缩机重复卡诺循环过程3。图 1 水冷式制冷系统原理图2 中央空调制冷控制系统设计2.1 中央空调制冷控制系统实验环境设计基于 DCS 的中央空调制冷系统控制，文中取 2 台制冷机并联的实验环境进行实验研究。系统分别由 5 个 ACS51001 和 3G3JV 的变频器分别控制 2 台机器的压缩机、AHU、冷却塔、冷冻水、冷却水。采用 ZHC2.2 变频压缩机，其额定工作频率为 50 Hz，排气量为 6.51 m3/h.经实验测得最大制冷量为 1846 W.蒸发器和冷凝器为型号 ZL2030 的制冷专用换热器，其最大工作压力为 4.5MPa.节流装置设计了 2 个回路，一个回路是制冷剂在冷凝器中出来后经热力膨胀阀节流后流向蒸发器，另一个回路是经冷凝器后走电子膨胀阀，2 个回路可通过四通阀切换。Industrial IT DCS 分散控制系统，控制器为 Freelance 800F 系列 AC700F.2.2 硬件设计控制系统实现采用控制器。Freelance 800F 过程控制系统分为操作员级和过程控制级。操作员级包含了用于操作和显示、归档和记录、趋势及报警等功能，通过Control Builder F 软件进行设计。控制器执行开环和闭环回路控制功能。在操作员级设有 1 个工程师站和 1 个操作员站。工程师站对系统进行组态和调试，工程师站在系统正常运行期间可以关闭，无需永久与系统连接。操作员站使用 PC硬件，并运行在 Microsoft Windows 操作系统下。在过程控制级，系统由连接 I/O 单元的过程控制站组成。操作员级和过程控制级之间通信使用 TCP/IP 协议系统总线(基于以太网)。AC700F 过程站具有与可编程逻辑控制器类似的构造，核心元件是一个高性能的 CPU 处理器，实现高速位处理，所有功能完全符合 IEC611313。采用 AX722、DC732F 机架式 I/O.图 2 为控制系统的硬件框图。图 2 DCS 中央空调制冷系统控制硬件框图在制冷机组方面，1 个制冷环节设立 8 个温度检测点，包括 4 个制冷剂温度传感器，4 个水温度传感器，分别测量压缩机出口制冷剂温度、压缩机入口制冷剂温度、冷凝器出口制冷剂温度、蒸发器入口制冷剂温度、冷冻水供水温度、冷冻水回水温度、冷却水供水温度和冷却水回水温度。同时还设立了 4 个压力检测点，检测量包括压缩机吸气压力、压缩机排气压力、冷凝器出口制冷剂压力和蒸发器入口制冷剂压力。2.3 软件设计整个控制系统由工程师站组态调试，配置自动化功能，操作员接口和显示，记录现场参数等，符合 IEC 611313 标准的图形编程界面。CBF 通过设计一个树形结构 zhilengji 来管理所有的项目对象，并且每个节点或功能元素在项目树中都以 1 个对象的特定类型表示，分别设计 dps 过程站、dos 操作员站、opc 网关站，是管理和调试整个用户程序的核心部分。组态过程站 DPS，过程站 DPS 与在硬件结构中组态的物理站相关联，系统选 AC700F 控制器。CBF 在过程站生成 2 种类型任务组，USRTask 添加用户程序，SYSTask 为由 CPU模件执行的标准程序。在用户程序中设计冷却水循环系统任务、冷冻水循环系统任务、制冷系统任务，分别对泵、风扇、压缩机、膨胀阀等进行控制设计。组态操作员站 DOS，用于对过程对象的操作和监控，DOS 资源选择使用 DigiVis 软件的操作员站，设计工业流程图人机界面及操作面板等。组态网关站 DGS，用于其他系统访问 Freelance 800F 系统数据。在 CBF 中，项目树中定义的资源都在硬件结构中指定 1 个实际的硬件，将系统所需变量指定 I/O 及进行参数设计。图 3 为该控制系统组态项目树。图 3 控制系统组态项目树2.4 制冷水系统控制策略设计2.4.1 冷量控制测量冷水机的供回水温度 t2、t1 及回水流量 l，根据冷量计算公式Q=41.868l(cpt1t1cpt2t2)，计算出空调所需冷负荷来控制冷水机组，以下为各设备的控制4。压缩机的控制:压缩机的作用是在外界的能源作用下，把制冷剂压缩成高温、高压的气体5。压缩机由变频器进行变频调速，远程 DCS 控制，采用 PID 控制策略，经过 PID 控制改变压缩机的驱动电机的供电频率，压缩机通过变频调节其转数，使其单位时间内的排气压力发生变化，控制制冷剂流量。电子膨胀阀的控制:电子膨胀阀的作用是对制冷剂进行节流降压，控制制冷剂进入蒸发器的质量流量，具有更准确的控制制冷剂流量、反应迅速等特点6。采用连续标准 PID 调节控制器。在该控制系统中，蒸发器为被控对象，输入为蒸发器出口制冷剂过热度的设定值，执行机构为电子膨胀阀，输出为蒸发器出口制冷剂过热度。控制系统不断检测蒸发器出口制冷剂过热度，并与设定值进行比较，通过PID 控制器输出控制信号。控制参数为蒸发器出口过热度，用 2 只温度传感器分别检测制冷剂在蒸发入口处的温度和出口处的温度，计算温差，并以此为控制参数。PV 为过热度检测值，SP 为过热度目标值，文中设为 5，CE 为过热度相对于目标值的偏差。控制变量 PV 总是尽可能的接近设定值 SP，通过计算控制偏差CE(CE=SPPV)实现，偏差发给控制器，控制器输出一个影响电子膨胀阀的输出变量，以消除控制偏差 CE.2.4.2 冷冻水环路压差控制为了保证冷冻水泵的流量与冷水机组的水量稳定，通常采取固定供回水压差的办法。冷冻水泵也由变频器进行变速控制，根据实际负荷的变化，导致水量、供水管道压力的变化，来控制水泵。2.4.3 冷却塔控制冷却塔与冷水机组通常为电气连锁，但冷却塔风机不要求随冷水机组一起运行，而要求冷却塔控制系统投入工作。通过变频器的变速控制，利用冷却水回水温度来控制冷却塔的风机，当冷却水回水温度不满足要求时，则冷却塔风机自动启动。以上控制均通过上位机统一管理，实现启停、正反转、外部频率给定等功能。3 系统运行实现取 2 台制冷机组并联运行，图 4 为制冷机组中一个制冷环节的系统操作界面，为操作员站控制流程界面。图 4 操作流程界面界面形象地展示了整个水系统的工艺流程及控制过程，实时显示冷却水循环系统、冷冻水循环系统、制冷循环系统中各检测点数值，在制冷水系统各设备旁边都设有控制块，可以手动自动操作，实现各设备的相应控制，另可以根据实际工况在参数设定区修改参数，实现联锁控制，先启动风扇和水泵，最后开压缩机，关闭时先关压缩机，再关风扇和水泵。PID 控制可以以内模式、外模式工作，面板可以手动键入设定值、过程值、输出值、限位，能够更有效、更快地实现调节。整个界面清晰、易于现场操作，系统运行实时显示、控制，实现分散控制，集中管理的目的。4 结束语以 2 台制冷机组并联实现基于 DCS 的中央空调制冷机组系统控制，充分利用了DCS 的软硬件资源，提高了控制的智能化程度，充分说明了 DCS 控制中央空调冷水机组是现代中央空调节能控制的需要，提供中央空调在变流量、变温度、变负荷工作模式下的协调、可靠控制。该控制系统运行稳定、安全可靠、自动化程度高，操作面板简便操作、直观，流程图主界面友好，可清晰地观测空调水系统的全貌及即时信息和动作，界面实时显示空调设备各监测点示数，各控制器件旁有相应控制块，方便进行操作，发挥了 DCS 集中管理、分散控制，速度快、功能强，调试修改程序方便，可不断完善功能，灵活、抗干扰能力强，故障率低的特点，是理想的控制方案。参考文献:1韩宇丽.石化企业 DCS 抗爆中心控制室通风空调系统设计特点分析.暖通空调，2010，40(9):1620.2朱云芳，戴朝华.基于 DCS 的中央空调冷水机组自动控制系统.制冷与空调(四川)，2003(1):57.3苏宏英，李慧，方昌始.计算机集散控制在中央空调系统中的应用.电气传动，2004(5):4648;51.4初勤亭，张萍，基于 PLC 的电子膨胀阀模糊参数自整定控制.自动化技术与应用，2008，27(7):1720.5由玉文，张丽璐，徐永生.基于模糊控制的制冷机组变负荷优化控制方法.煤气与热力，2011(3):2327.6李明亮，王莉.PLC 制冷机组控制系统开发.可编程控制器与工厂自动化，2011(1):9294.