區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的設計

摘 要：文章設計的區(qū)域能源站自控系統(tǒng)對象為軟件園5期能源站，使用PLC采集傳感器及變頻器的數(shù)據(jù)，傳遞給上位機WinCC進行顯示、分析之后，進行集中調(diào)度和優(yōu)化控制，并將控制指令下達給PLC，通過PLC控制現(xiàn)場設備。設計內(nèi)容包括冷凍水系統(tǒng)方案設計和冷卻水系統(tǒng)方案設計，設計功能包括系統(tǒng)及設備運行安全監(jiān)控功能、設備優(yōu)化調(diào)度功能、冷凍水系統(tǒng)PID控制、冷卻水PID控制、運行參數(shù)記錄及查詢功能、參數(shù)超限報警功能等。

關(guān)鍵詞：區(qū)域能源系統(tǒng)；PID控制；冷凍水；冷卻水

1 概述

隨著我國建筑的不斷增多，生活質(zhì)量的日益提高，建筑能耗也隨之迅速增加起來，給我國能源結(jié)構(gòu)帶來巨大的挑戰(zhàn)。建筑節(jié)能技術(shù)，即在滿足人們生活品質(zhì)和需求的前提下，使用各種技術(shù)（如節(jié)能材料、區(qū)域能源系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、仿真設計等）降低建筑在運行過程中的能耗。建筑節(jié)能技術(shù)在緩解我國能源壓力的同時，也降低了建筑的運行成本，因此受到政府、企業(yè)和科研工作者的廣泛關(guān)注。DHC（區(qū)域供冷供熱）系統(tǒng)，是為了給多個建筑進行的供冷或者供熱，由專業(yè)的能源站進行集中制造冷水或者熱水，并通過庭院管網(wǎng)進行集中供給的一種中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)。DHC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單體中央空調(diào)相比有著巨大的優(yōu)勢：首先，DHC規(guī)模大，可以集中選用大型、優(yōu)質(zhì)、高效的空調(diào)設備；其次，便于集中管理，將分散在各個樓棟下的空調(diào)設備集中起來進行管理，可以提高管理質(zhì)量，同時減少空調(diào)設備用地面積；第三，便于集中調(diào)度，提高DHC系統(tǒng)整體的能量利用率。此外，使用區(qū)域能源系統(tǒng)還可以減少或取消單體建筑部分的室外設備，簡化樓棟結(jié)構(gòu)、減少空調(diào)設備產(chǎn)生噪聲，除此之外還可以減弱熱島效應等。

研究一種能夠把計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和中央空調(diào)系統(tǒng)緊密結(jié)合，協(xié)同工作，高效運轉(zhuǎn)，節(jié)能降耗的優(yōu)化組合控制系統(tǒng)是本課題的出發(fā)點。

構(gòu)建該系統(tǒng)的目的除了改善圍護結(jié)構(gòu)、控制成本、降低能耗、開發(fā)利用新能源外，“利用計算機模擬技術(shù)分析暖通空調(diào)系統(tǒng)，并進行智能控制，最大限度地降低建筑設備運行過程中的能耗”也是重要內(nèi)容之一。

總結(jié)國內(nèi)外學者對區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，在不同程度上存在如下問題：（1）理論研究與工程實際分離；（2）自控系統(tǒng)和暖通工藝沒有結(jié)合；（3）自控系統(tǒng)使用者——現(xiàn)場操作人有沒有參與。文章從區(qū)域能源站的實際需求出發(fā)，利用計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)，結(jié)合暖通技術(shù)，設計了武漢某節(jié)能公司的某個能源站的自控系統(tǒng)。文章將從自控系統(tǒng)方案設計、方案實施（包括硬件實施和軟件實施）、調(diào)試和結(jié)果分析等幾個章節(jié)來講述區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。

2 區(qū)域能源站自控系統(tǒng)方案設計

2.1 系統(tǒng)總體方案設計

文章設計自控系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)整個區(qū)域能源的智能化管理和優(yōu)化節(jié)能，使其能根據(jù)實際用戶的用冷或用熱情況，有針對性的調(diào)節(jié)水泵、冷水機組、冷卻塔等設備，調(diào)節(jié)供冷量或者供熱量。通過優(yōu)化調(diào)度和有效控制，在充分滿足用戶需求的基礎(chǔ)上最大限度地降低能耗，實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的運行收益及管理收益。

自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。各冷水機組的運行參數(shù)通過485總線傳送到主控計算機，其中螺桿機還需要通過LonTalk網(wǎng)關(guān)將通訊協(xié)議由LonTalk協(xié)議轉(zhuǎn)換為MODBUS協(xié)議；板換的部分參數(shù)通過485總線從西門子RWD68控制器（即板換控制器）中提取；各關(guān)鍵部位（包括板換供/回水，冷水機組，集分水器等）的壓力、溫度，通過傳感器連接到配電房PLC（2#PLC）和控制室PLC（3#PLC），各PLC通過Ethernet局域網(wǎng)連接到主控計算機。主控計算機除了對所有參數(shù)進行數(shù)據(jù)庫管理和監(jiān)控外，還根據(jù)相關(guān)參數(shù)進行分析，對各個設備進行優(yōu)化調(diào)度控制，以實現(xiàn)經(jīng)濟運行?？刂菩盘柾ㄟ^Ethernet傳輸?shù)脚潆姺縋LC和控制室PLC中，從而對連接到PLC上的設備（如冷凍水泵變頻器、冷水機組冷凍側(cè)電動轉(zhuǎn)換閥等）進行控制。兩臺控制用主機都配有1000VA的UPS。

2.2 冷凍水子系統(tǒng)方案設計

冷凍水系統(tǒng)包括：冷水機組優(yōu)化調(diào)度、冷凍水泵優(yōu)化調(diào)度和冷凍水泵變頻控制。在控制供回水溫差恒定的主控策略上，引入最不利回路的供回水壓差作為前饋控制，增強系統(tǒng)對于用戶負荷的變化的魯棒性，同時也降低了壓力在管道、閥門上的損耗。

因為制冷的需要，主控制回路為恒定溫差控制。可根據(jù)實際要求選擇控制最不利回路溫差（或者母管供回水溫差）作為被控主參數(shù)，并設置目標值△T（如5℃）；溫差的設定值可根據(jù)季節(jié)變換、室外環(huán)境的變化以及峰谷時間段自動或人工設定。被控對象是反應用戶負荷的實際變化的供回水溫差，如果不引入前饋控制，很難實現(xiàn)快速穩(wěn)定的控制，也不利于節(jié)能降耗。因此，文章在設計冷凍水變頻控制時加入前饋量：根據(jù)計費系統(tǒng)提取用戶總的冷量負荷N總，以及最不利回路溫差、壓差變化、供水壓力、供回水溫差、環(huán)境溫度、濕度、流量等參數(shù)綜合分析判斷，實現(xiàn)對正在運行的冷凍泵的前饋控制，以期實現(xiàn)用戶負荷變化的快速響應控制。

2.3 冷卻水子系統(tǒng)方案設計

冷卻塔和冷卻水泵的合理調(diào)度對流量的調(diào)節(jié)是有限的，還需要通過調(diào)節(jié)水泵的變頻器實現(xiàn)對流量的精準的調(diào)控。具體內(nèi)容為：根據(jù)冷卻塔出口溫度實際值與設定值的偏差，以及冷卻水供水母管溫度，有限度的調(diào)節(jié)水泵的工作頻率，達到對流量進一步精確調(diào)控的目的，從而達到對冷卻塔出口溫度（及冷卻水回水溫度）的精確控制。

因制冷要求冷卻水溫度保持恒定，因此主控回路為恒定溫度控制。系統(tǒng)選擇冷卻塔出口溫度為被控參數(shù)，并設定目標值T供（如32℃）；溫度設定值在運行中是可以改變的，影響因素有環(huán)境濕球溫度、冷水機組組合方式、冷卻塔風機運行臺數(shù)，以及冷卻泵的運行臺數(shù)，在滿足冷水機組對冷卻水溫度基本要求的前提下，盡量使冷卻系統(tǒng)的綜合能耗最低，從而實現(xiàn)經(jīng)濟運行的目的。主控制回路的被控對象是冷卻塔出口溫度，具有大延遲的特點，所以采用串級過程控制，將冷水機組冷凝器的出口溫度引入，使變頻器根據(jù)冷水機組負載變化而做出快速響應控制，克服系統(tǒng)延時對控制的影響，提高控制系統(tǒng)的魯棒性。

3 結(jié)束語

文章設計的區(qū)域能源站自控系統(tǒng)在方案設計、方案實施、系統(tǒng)調(diào)試的過程中，都與暖通工藝人員進行了深入的溝通，使自控系統(tǒng)更符合區(qū)域能源系統(tǒng)工程實際，取得了良好的效果。同時，控制工程與暖通工藝結(jié)合的思想剛剛起步，并沒有多少同類經(jīng)驗的借鑒，工程屬于探索性質(zhì)，并不能完全發(fā)揮區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的潛力，相信隨著區(qū)域能源站自控系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，區(qū)域能源站自控系統(tǒng)在建筑節(jié)能中的作用和優(yōu)勢將更加明顯。

參考文獻

[1]陳煥玲.基于節(jié)能理念的建筑設計研究[J].中華民居，2011，4（3）：141.

[2]薛瞇瞇.水源熱泵區(qū)域集中供冷供熱系統(tǒng)定價方法的研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[3]張勤.區(qū)域空調(diào)的發(fā)展前景[J].工程建設與設計，2005，52（4）：58-59.