張潔琳

（武漢凱興經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010）

對(duì)DCS的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制探討

張潔琳

（武漢凱興經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010）

隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)建筑行業(yè)也處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)中，對(duì)于建筑來(lái)說(shuō)，中央空調(diào)已經(jīng)成為不可或缺的一項(xiàng)硬件設(shè)備，它很大程度上改善了人們生活的舒適度。但是中央空調(diào)消耗的能源較大，不利于我國(guó)能源的長(zhǎng)期發(fā)展斬落，所以現(xiàn)在對(duì)中央空調(diào)提出了新的要求——智能化控制，中央空調(diào)智能化對(duì)其制冷機(jī)組的分布位置要求十分嚴(yán)格，甚至將制冷機(jī)組分布情況好壞與空調(diào)的智能化程度直接掛鉤。接下來(lái)筆者將結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查走訪結(jié)果，基于“中央空調(diào)制冷系統(tǒng)”的內(nèi)容特點(diǎn)，詳細(xì)論述DCS的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

DCS 中央空調(diào)制冷系統(tǒng) 控制

對(duì)于傳統(tǒng)式的中央空調(diào)來(lái)說(shuō)，機(jī)身內(nèi)部主要是使用了相對(duì)獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，將制冷系統(tǒng)與其他零件進(jìn)行簡(jiǎn)單的拼接組合，就能實(shí)現(xiàn)溫度控制的工作。但是這種空調(diào)消耗的能源量非常多，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)在節(jié)能減排社會(huì)對(duì)于能源使用量的要求。

目前我國(guó)對(duì)于智能中央空調(diào)的要求是在負(fù)荷量變化、流量變化和溫度變化的環(huán)境下依舊可以準(zhǔn)備調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度，要達(dá)到這樣的效果，需要有一個(gè)強(qiáng)大的協(xié)調(diào)控制中心作為支柱，還需要一個(gè)可靠的基礎(chǔ)制冷單機(jī)。

1 DCS系統(tǒng)

DCS系統(tǒng)是目前來(lái)說(shuō)，是制造職能中央空調(diào)最佳的系統(tǒng)，它的操作簡(jiǎn)便、易于管理、配置之間相對(duì)靈活、組態(tài)非常方便、可靠性較強(qiáng)。相對(duì)于市面上其他操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，DCS系統(tǒng)是最合適的一種實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)智能化管理的手段，也正是因?yàn)槠浔姸鄡?yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的住宅小區(qū)、樓盤(pán)等使用。

圖1 水冷式制冷系統(tǒng)原理圖

圖2 DCS中央空調(diào)制冷系統(tǒng)控制硬件框圖

接下來(lái)筆者將詳細(xì)敘述DCS系統(tǒng)如何控制中央空調(diào)制冷機(jī)組，間接控制制冷環(huán)節(jié)、冷卻水環(huán)節(jié)和冷凍水環(huán)節(jié)，還需要對(duì)這些操作環(huán)節(jié)分別進(jìn)行軟件和硬件的設(shè)計(jì)。在運(yùn)行過(guò)程中還需要兩臺(tái)并聯(lián)狀態(tài)的機(jī)組對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)一段時(shí)間的生產(chǎn)試驗(yàn)，證明DCS系統(tǒng)的功能強(qiáng)大、可靠性高，比較容易達(dá)到對(duì)中央空調(diào)智能控制的目標(biāo)。

2 中央空調(diào)內(nèi)部的制冷系統(tǒng)

對(duì)于中央空調(diào)來(lái)說(shuō)，一般由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、制冷機(jī)組、散熱水塔和風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)組成，在這些零件中，制冷系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)最為重要的部分。這主要是因?yàn)樗梢灾苯佑绊懼醒肟照{(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中消耗能源的多少，換句話說(shuō)，它可以直接決定中央空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性、合理性、高效性。

筆者將制冷系統(tǒng)的工作原理總結(jié)歸納如圖1所示：

由圖1可知，制冷系統(tǒng)的運(yùn)作方式為一個(gè)卡諾循環(huán)。制冷原理可以歸納為：當(dāng)氣態(tài)制冷工質(zhì)通過(guò)了壓縮機(jī)壓縮處理之后，會(huì)形成一股高溫高壓氣體。然后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中與水或者空氣進(jìn)行熱交換，變成低溫高壓狀的液態(tài)氣體形式。液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器的脫濕處理，過(guò)濾掉水分和雜志，通入膨脹閥節(jié)流減壓，最后形成低溫低壓液態(tài)工質(zhì)流入蒸發(fā)器。

圖3 控制系統(tǒng)組態(tài)項(xiàng)目樹(shù)

進(jìn)入蒸發(fā)器之后，就會(huì)進(jìn)行汽化處理，對(duì)于液體的汽化過(guò)程來(lái)說(shuō)，主要依靠吸熱，液態(tài)氣體只有通過(guò)不斷吸熱，達(dá)到汽化點(diǎn)才能轉(zhuǎn)化為氣體形式。在汽化過(guò)程中壓力越低，飽和溫度越低，所以應(yīng)當(dāng)竭盡全力創(chuàng)造一定程度的低壓條件，這樣才能利用液體的汽化獲取所要求的低溫。按照這種原理，我們可以明確看出卡諾的循環(huán)過(guò)程。

3 中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在模擬中央空調(diào)制冷控制系統(tǒng)的運(yùn)作環(huán)境時(shí)，將DCS系統(tǒng)的中央空調(diào)作為研究主體，抽取兩臺(tái)并聯(lián)狀態(tài)下的制冷機(jī)。系統(tǒng) 3G3JV和5個(gè)ACS510—01的變頻器分別控制，包括兩臺(tái)機(jī)器的AHU、冷卻塔、壓縮機(jī)、冷凍水和冷卻水。變頻壓縮機(jī)主要是使用了ZHC－2.2，這種機(jī)型的排氣量為6.51m3/h，額定工作頻率為50Hz，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，可知其最大制冷量為1846W。此實(shí)驗(yàn)中冷凝器和蒸發(fā)器型號(hào)為ZL－20－30，這種機(jī)型最大工作壓力為 4.5MPa。在節(jié)流裝置中，設(shè)置了兩個(gè)回路，其一是制冷劑在冷凝器中處理之后，出來(lái)的經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流后流向蒸發(fā)器，另一個(gè)是經(jīng)過(guò)了冷凝器之后流向電子膨脹閥，無(wú)論哪一個(gè)都可以通過(guò)四通閥切換的手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的目標(biāo)。

3.2 設(shè)計(jì)硬件

根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用控制器，F(xiàn)reelance 800F過(guò)程控制系統(tǒng)主要分為兩個(gè)操作界面，一個(gè)是過(guò)程控制級(jí)，另一個(gè)是操作員級(jí)。圖2 DCS中央空調(diào)制冷系統(tǒng)控制硬件框圖。

在過(guò)程控制級(jí)中，系統(tǒng)主要由連接處I/O單元的過(guò)程控制站拼接組成，所以操作員必須使用TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)總線才能與過(guò)程控制級(jí)之間實(shí)現(xiàn)通信。其中AC700F過(guò)程站具有與可編程邏輯控制器相似的構(gòu)造，過(guò)程站中核心元件是一個(gè)高性能的CPU處理器，以保證過(guò)程站可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)處理。并且其所有功能必須完全符合IEC61131－3的有關(guān)規(guī)定。在模擬過(guò)程中還使用了DC732F和AX722機(jī)架式I/O作為輔助。

操作員級(jí)主要包含了記錄、顯示、操作、歸檔、報(bào)警和趨勢(shì)等多項(xiàng)功能，設(shè)計(jì)之時(shí)使用了Control Builder F軟件?？刂破骶_的執(zhí)行命令，決定回路處于開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)狀態(tài)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中安排了1個(gè)操作員站和1個(gè)工程師站，工程師站主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和組態(tài)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，工程師站可以暫時(shí)關(guān)閉，不需要與系統(tǒng)永久性連接。操作員站主要使用了PC硬件，所有的運(yùn)行工作都處于Microsoft Windows的操作系統(tǒng)環(huán)境下。

針對(duì)制冷機(jī)組來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)了8個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)和1個(gè)制冷環(huán)節(jié)，其中還包括4個(gè)水溫度傳感器和4個(gè)制冷劑溫度傳感器。水溫度傳感器主要測(cè)量冷卻水回水溫度、冷凍水回水溫度、冷卻水供水溫度和冷凍水供水溫度；制冷劑溫度傳感器主要測(cè)量蒸發(fā)器入口制冷劑溫度、壓縮機(jī)入口制冷劑溫度、壓縮機(jī)出口制冷劑溫度和冷凝器出口制冷劑溫度。與此同時(shí)還設(shè)立了4個(gè)壓力檢測(cè)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)排氣壓力、蒸發(fā)器入口制冷劑壓力、冷凝器出口制冷劑壓力和壓縮機(jī)吸氣壓力。

3.3 設(shè)計(jì)軟件

對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要由工程師站負(fù)責(zé)組態(tài)調(diào)試，并且需要配置相應(yīng)的操作員接口、自動(dòng)化功能、記錄現(xiàn)場(chǎng)和顯示等參數(shù)，還需要符合IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)圖形編程界面的相關(guān)要求。

除此之外設(shè)計(jì)的軟件還要符合CBF，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有項(xiàng)目管理的目標(biāo)，其中每個(gè)功能元素或節(jié)點(diǎn)在項(xiàng)目樹(shù)中都用“1”這個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字來(lái)表示特定對(duì)象類型。分別設(shè)計(jì)dos操作員站、opc網(wǎng)關(guān)站和dps過(guò)程站，這也是調(diào)試和管理整個(gè)用戶群的重要部分。過(guò)程站D－PS需要和硬件結(jié)構(gòu)中組態(tài)的物理站想連接，也需要與組態(tài)過(guò)程站D－PS相連接。CBF在過(guò)程站會(huì)自動(dòng)生成兩種類型的任務(wù)組，分別為USRTask添加用戶程序和SYSTas，SYSTas主要負(fù)責(zé)為CPU 模件執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)程序。

在用戶程度中，設(shè)計(jì)了諸多任務(wù)，分別為：冷凍水循環(huán)系統(tǒng)任務(wù)、制冷系統(tǒng)任務(wù)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)任務(wù)，針對(duì)風(fēng)扇、膨脹閥、壓縮機(jī)和泵等零件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。態(tài)網(wǎng)關(guān)站D－GS，適用于其他系統(tǒng)訪問(wèn)Freelance 800F系統(tǒng)數(shù)據(jù)之時(shí)，組態(tài)操作員站主要使用了D－OS系統(tǒng)，針對(duì)過(guò)程對(duì)象的監(jiān)控和操作，設(shè)計(jì)人員設(shè)定了工業(yè)流程圖操作面板和人機(jī)界面等。將項(xiàng)目樹(shù)中定義的資源在硬件結(jié)構(gòu)中指定為1個(gè)實(shí)際的硬件，把系統(tǒng)使用的變量設(shè)定為I/O及進(jìn)行參數(shù)。圖3為控制系統(tǒng)組態(tài)項(xiàng)目樹(shù)。

3.4 制冷水系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

在測(cè)量冷水機(jī)的供回水溫度時(shí)，根據(jù)冷量計(jì)算公式，可以算出實(shí)驗(yàn)中熱量為41.868。對(duì)于壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，最重要的作用就是消耗外界能源，將制冷劑的形態(tài)壓縮成高溫高壓狀的氣體，壓縮機(jī)主要通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。使用PID控制策略，遠(yuǎn)程使用DCS控制，經(jīng)過(guò)PID，最終實(shí)現(xiàn)改變壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電頻率的目標(biāo)。壓縮機(jī)的供電頻率變化就帶動(dòng)了單位時(shí)間內(nèi)排氣壓力的變化，控制了電子膨脹的程度和制冷劑流量。

電子膨脹閥主要負(fù)責(zé)對(duì)制冷劑的節(jié)流降壓工作，控制制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器中流量的多少，這種控制的精確度更高，反應(yīng)也較為迅速，還使用標(biāo)準(zhǔn)的PID調(diào)節(jié)控制器作為輔助設(shè)施。在設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，蒸發(fā)器的數(shù)值是主要監(jiān)控對(duì)象，電子膨脹閥是系統(tǒng)操作的執(zhí)行部件，輸入為蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱度的數(shù)值。反之，輸出為蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱度。

4 結(jié)語(yǔ)

時(shí)代的快速發(fā)展，締造了能源快速消耗的現(xiàn)狀，對(duì)于現(xiàn)代化的建筑來(lái)說(shuō)，中央空調(diào)是不可或缺的硬件設(shè)置，但是中央空調(diào)這種制冷設(shè)備所消耗的能源是巨大的。所以現(xiàn)階段提出了智能中央空調(diào)的理念，為了減少不必要的能源損害，需要增強(qiáng)中央空調(diào)監(jiān)控環(huán)境溫度的能力，實(shí)時(shí)保持最佳制冷狀態(tài)。本文筆者結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查走訪結(jié)果，基于“中央空調(diào)制冷系統(tǒng)”的內(nèi)容特點(diǎn)，詳細(xì)論述了DCS的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的控制問(wèn)題，希望對(duì)相關(guān)工作者有所幫助。

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