孫翠霞　王慶云　談慶松

（山東格瑞德集團有限公司　山東　德州　253012）

基于DCS的中央空調(diào)制冷機組控制系統(tǒng)

孫翠霞王慶云談慶松

（山東格瑞德集團有限公司山東德州253012）

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，智能化建筑逐漸進入了人們的視野，特別是智能建筑中與人們生活息息相關的中央空調(diào)系統(tǒng)，更是受到了廣泛地關注，因此，本文通過研究中央空調(diào)的制冷機組分布情況和智能化建筑對中央空調(diào)系統(tǒng)的要求，分析DCS控制系統(tǒng)對中央空調(diào)制冷機組的制冷環(huán)節(jié)、冷卻水和冷凍水環(huán)節(jié)控制情況，設計機組的軟件和硬件，通過2臺并聯(lián)的制冷機進行實驗，以挖掘DCS的中央空調(diào)制冷機組控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，希望能提高中央空調(diào)的控制穩(wěn)定性和空調(diào)質(zhì)量能滿足智能建筑的要求。

DCS控制系統(tǒng)；中央空調(diào)；制冷機組；研究

1　前言

智能化建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷、熱源系統(tǒng)以及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，運作原理是通過液體氣化后吸收熱量的特點供給空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需要的冷量，以達到室內(nèi)降溫的目的。其中制冷系統(tǒng)起著至關重要的作用，它使用的控制系統(tǒng)、運行方式以及結(jié)構(gòu)情況直接影響著智能化建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟高效以及科學合理。在傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)里，制冷機多是由PLC系統(tǒng)控制，系統(tǒng)只能進行簡單的控制，根本無法滿足提倡節(jié)能型的中央空調(diào)要求，這為DCS控制系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展契機，它的操作性強、可靠性高、方便管理以及配置靈活都能很好的滿足中央空調(diào)需求，因此被廣泛應用開來也是必然。

2　制冷原理

卡諾循環(huán)是制冷系統(tǒng)的主要制冷原理，即氣態(tài)的制冷劑在壓縮機對其進行壓縮后會變成高溫、高壓的氣體，并直接進入機組的冷凝器里與水或者空氣進行等壓、等熱交換，直至變成低溫、高壓的液態(tài)，而后再由干燥過濾器對其進行干燥、過濾雜質(zhì)處理，在進入膨脹閥使得高壓低溫的液體制冷劑經(jīng)過節(jié)流的形式后改為低溫、低壓的濕潤蒸汽，最后濕潤蒸汽經(jīng)由蒸發(fā)器吸收其熱量而使周圍溫度下降。通過制冷原理不難看出，只要運作時的低壓條件符合要求，則可以使液體在汽化中吸收冷凍水的熱量，使得冷凍水溫度下降而達到降溫目的[1]。

3　實驗的制冷系統(tǒng)設計

3.1實驗環(huán)境設計

為了更好地了解DCS的中央空調(diào)制冷機組控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，本文選擇使用2臺并聯(lián)的制冷機進行實驗研究，控制系統(tǒng)選擇為DCS控制系統(tǒng)，控制器主要是Freelance 800F系列中的AC700F。其中實驗的2臺并聯(lián)制冷機的冷卻塔、壓縮機、冷凍水、AHU以及冷卻水皆由變頻器（型號分別為：3G3JV、ACS510～01）控制，變頻壓縮機型號為ZHC-2.2，工作的頻率是50Hz，制冷量達到1846W，主要排氣量大小是每小時6.51m3/h。而機組的冷凝器、蒸發(fā)器主要使用空調(diào)專用的換熱器（型號：ZL-20-30），換熱器的工作壓力是4.5MPa。膨脹閥里的節(jié)流裝置一共有兩個回路，且回路都能由四通閥進行切換，其中一個回路是高溫、高壓的液態(tài)制冷劑在冷凝器里等壓等熱交換后經(jīng)過熱力膨脹閥的節(jié)流，最后流到蒸發(fā)器中；而另一個回路是液態(tài)制冷劑經(jīng)過冷凝器的交換后直接流向電子式膨脹閥[2]。

3.2硬件設計

由于控制器選擇的是Freelance 800F系列中的AC700F，控制器的功能是進行開環(huán)和閉環(huán)，其控制系統(tǒng)主要操作等級為過程控制等級和操作員等級兩種。

圖1　DCS的中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)的硬件設計圖

（1）過程控制等級。過程控制等級主要是由與I/O單元相連的所有過程控制站構(gòu)成，并通過TCP/IP協(xié)議的總線與操作員等級進行通信，過程控制站中因為AC700F控制站特性與可編程的邏輯控制器相似，使用的核心部分屬于高性能CPU處理器，因此其處理數(shù)據(jù)效率快捷，可以實現(xiàn)高速位的處理方式，而且功能也達到ISC61131-3的要求。

（2）操作員等級。操作員等級主要的功能是進行控制操作、顯示操作頁面、記錄操作情況并歸檔以及報警等，設計軟件為Control BuilderF。在進行操作員等級操作時主要設有一個工程師和一個操作員站，工程師站主要的功能是組織和調(diào)試系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)工作正常的情況下工程師站可以暫時性的關閉，不用一直與系統(tǒng)相連，而操作員站則需要與系統(tǒng)一直連接，并在Microsoft-Windows系統(tǒng)下采用PC硬件。

對于制冷機組的設計，每一個制冷環(huán)節(jié)中都會設置8個溫度的監(jiān)測點，其中包括有制冷機的溫度傳感器4個，水溫溫度傳感器4個，主要測量的是制冷劑在冷凝器出口、蒸發(fā)器入口的溫度、壓縮機出、入口的溫度以及冷凍水供水、回水溫度等，除了溫度的監(jiān)測點，還設置了壓力的檢測點4個，主要監(jiān)測冷凝器出口、蒸發(fā)器入口的制冷劑壓力和壓縮機排、吸氣壓力。

3.3軟件設計

由于硬件系統(tǒng)的設計滿足ISC61131-3的要求，因此對于軟件的設計主要是通過CBF來設計樹形結(jié)構(gòu)的zhilengji進行項目管理，其中樹形結(jié)構(gòu)的每一個對象都代表了每一個節(jié)點功能，管理調(diào)試程序的核心則設計為dos操作員站、dps過程站以及opc的網(wǎng)關站，與硬件結(jié)構(gòu)的物理站連接的組站是D-PS組態(tài)過程站，控制器選擇的仍是Freelance 800F系列中的AC700F，通過CBF給過程站涉及了兩個不同的任務組，其分別為USRTask程序和SYSTask程序，前者主要功能是添加用戶，而后者則主要使用CPU模件來執(zhí)行，通過設計冷凍水、冷卻水的循環(huán)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的任務來對制冷機組的壓縮機、膨脹閥、對泵以及風扇進行控制，對于操作對象的監(jiān)控主要由D-OC操作員站來進行，其資源的選擇則通過以DigiVis軟件為主的操作員站選擇，或者使用工業(yè)設計流程的人機界面完成。而對于其他系統(tǒng)想要訪問Freelance 800F的數(shù)據(jù)時，則主要使用D-GS的網(wǎng)關站[3]。

由于CBF設計的控制項目樹形結(jié)構(gòu)zhilengji的資源都必須在硬件系統(tǒng)中制定一個硬件，因此必須對系統(tǒng)的變量I/O進行指定，并其設計參數(shù)。

圖2　CBF設計的控制項目樹形結(jié)構(gòu)zhilengji

4　控制方法

冷量的控制：

通過冷量的計算公式可以有效的計算冷水機供、回水溫度，其公式為：

Q=41.868×L×（cpt1×t2-cpt1×t1）

式中：Q是冷量；t1是冷水機供水的溫度；t2是冷水機回水的溫度；L是水流量。通過計算出冷量可以有效的對制冷機組進行控制。

（1）對壓縮機的控制。壓縮機主要功能是對氣態(tài)的制冷劑進行壓縮，將其變成高溫、高壓的氣體。它可以通過變頻器進行壓縮速度調(diào)節(jié)，同時經(jīng)由遠程的DCS來控制，在使用PID的控制方法后，將壓縮機里的驅(qū)動電機進行供電頻率的調(diào)節(jié)，讓每小時的排氣壓力發(fā)生改變以控制液態(tài)制冷劑的流量，達到控制冷量的目的。

（2）對電子式膨脹閥的控制。電子式膨脹閥的主要功能是使得高壓低溫的液體制冷劑在經(jīng)過節(jié)流后改為低溫、低壓的濕潤蒸汽。因此其能控制低溫、低壓制冷劑流入蒸發(fā)器的流量，有利于更準確的控制氣態(tài)制冷劑的流量。在使用PID的控制器時，因為蒸發(fā)器被默認為監(jiān)控對象，其出口值是制冷劑的過熱度值，控制系統(tǒng)通過監(jiān)控熱發(fā)起的出口過熱度值來與原本的設定值來進行對比，最后由PID發(fā)送控制信號。其中蒸發(fā)器出口的過熱度值分別由兩個溫度傳感器來檢測，并計算溫差以控制系統(tǒng)的參數(shù)。過熱度的檢測數(shù)值為P，目標數(shù)值為S（本文設置為5℃），檢測數(shù)值與目標值之差為CE，通過公式CE（CE=S-P）來實現(xiàn)變量P不斷接近S的目的，然后將CE傳送給控制器，讓其傳送一個變量來影響電子式膨脹閥的輸出量，以降低或者消除差值CE。

（3）對冷凍水的控制。為了有效的控制冷凍水，確保水泵流量情況與制冷機組中冷水機的水量相對穩(wěn)定，一般方式是使用固定的供、回水壓差來進行控制，主要是由變頻器對水泵流量速度進行控制，然后結(jié)合實際情況改變供水管道的壓力以及水量情況以控制水泵流量。

（4）對冷卻塔的控制。對于冷卻塔的控制主要是將其與冷水機組進行電氣連接，但是風機卻不能與冷水機組同時運行，只能將冷卻塔的運行控制系統(tǒng)與冷水機組共同工作，在冷卻塔通過變頻器進行控制時，風機的運行控制則由冷卻水的回水溫度來完成，當回水溫度過低或者沒能滿足所需的溫度時，風機即可開始啟動。

5　實驗結(jié)果

本文通使用2臺并聯(lián)的制冷機進行實驗，通過上述的制冷系統(tǒng)設置，已知在DCS的中央空調(diào)制冷機組控制系統(tǒng)中各制冷組件旁都沒有設置控制塊，操作人員可以進行手動操作，讓各組件之間能得到更好的控制，而且可以通過實際的情況在系統(tǒng)的軟件中修改參數(shù)值，讓連鎖控制能滿足不同的業(yè)主要求，PID系統(tǒng)控制方法能進行內(nèi)外模式同時工作，擁有可編程的操作系統(tǒng)，手動設置數(shù)值能更便捷的調(diào)節(jié)中央空調(diào)情況，控制界面操作性強，有利于實現(xiàn)集中管理、分散控制的目的，提高對中央空調(diào)的控制力度。

6　結(jié)束語

本文通過了解中央空調(diào)的制冷原理，通過DCS的環(huán)境設計，軟、硬件資源情況以及控制冷量的方法來有效的提高中央空調(diào)的控制穩(wěn)定性，保證中央空調(diào)的質(zhì)量，它的操作性強、可靠性高、方便管理以及配置靈活都能很好的滿足中央空調(diào)和智能建筑的需求，值得推廣。

[1]由玉文，張麗璐，徐永生.基于模糊控制的制冷機組變負荷優(yōu)化控制方法[J].自動化與儀器儀表，2014，10（03）：225～226.

[2]朱云芳，戴朝華.基于DCS的中央空調(diào)冷水機組自動控制系統(tǒng)[J].制冷與空調(diào)（四川），2014，07（01）：83～84.

[3]韓宇麗，蘇宏英，李慧，方昌始.石化企業(yè)DCS抗爆中心控制室通風空調(diào)系統(tǒng)設計特點分析[J].電氣傳動自動化，2014，03（09）：188～189.

TB657.2

A

1673-0038（2015）04-0076-02

2015-1-8

孫翠霞（1980-），女，助理工程師，碩士研究生，主要從事電氣控制工作。

王慶云（1984-），男，助理工程師，本科，主要從事暖通空調(diào)工作。

談慶松（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事電氣控制工作。