基于BACnet 的制冷站冷卻塔智能化控制改進(jìn)研究

孟慶華，田立鵬，褚學(xué)國(guó)，楊陽(yáng)，張帥帥

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青州卷煙廠，山東 濰坊 262500）

青州卷煙廠能源動(dòng)力處制冷站內(nèi)3 臺(tái)制冷機(jī)均為離心式冷水機(jī)組，由離心式壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、主電動(dòng)機(jī)等組成。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收熱量，產(chǎn)生符合工藝指標(biāo)的冷凍水供生產(chǎn)使用；吸收了大量熱量的制冷劑被離心式壓縮機(jī)提升壓力后沸點(diǎn)升高，在冷凝器中液化將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水流經(jīng)冷卻塔實(shí)現(xiàn)自身降溫。所以冷卻塔為制冷機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中提供唯一冷熱交換的冷源。

1 現(xiàn)狀

制冷機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，要求制冷機(jī)冷卻水出水溫度≤38℃?，F(xiàn)為人工根據(jù)制冷機(jī)主電機(jī)負(fù)載情況以及憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)啟停冷卻塔風(fēng)機(jī)。以往經(jīng)驗(yàn)根據(jù)當(dāng)天氣溫情況，觀察冷卻水出水溫度：低于30℃時(shí)，不開(kāi)啟；30~32℃時(shí)，開(kāi)啟3~6 臺(tái)；33~35℃時(shí)，開(kāi)啟6~9 臺(tái)；超過(guò)35℃時(shí)，開(kāi)啟9~12 臺(tái)；但開(kāi)啟臺(tái)數(shù)無(wú)法精確預(yù)判，且水溫趨勢(shì)變化無(wú)法確定，一方面制冷機(jī)負(fù)荷容易過(guò)大，造成能源浪費(fèi)，另一方面對(duì)制冷機(jī)的運(yùn)行工況和制冷效率也有很大影響。

2 關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)路線

根據(jù)以往操作經(jīng)驗(yàn)，確定合理的冷卻水出水溫度設(shè)定值。根據(jù)現(xiàn)有冷卻塔配電盤，進(jìn)行分析和改進(jìn)畫出流程控制圖，并編寫自動(dòng)化運(yùn)行程序，將冷卻水溫預(yù)設(shè)值和偏差與實(shí)際值比較，使12 臺(tái)冷卻塔根據(jù)控制邏輯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停，并將控制過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化分組設(shè)計(jì)。BACnet 協(xié)議包含4個(gè)層次的簡(jiǎn)化分層體系結(jié)構(gòu)，協(xié)議定義了4 種服務(wù)原語(yǔ)：請(qǐng)求（request）、指示（indication）、響應(yīng)（response）和證實(shí)（confirm）。Niagara 是一個(gè)基于Java 的基礎(chǔ)架構(gòu)和基本框架，可將混雜的多種系統(tǒng)、協(xié)議、現(xiàn)場(chǎng)總線集成在一起并提供高度分布式、嵌入式的系統(tǒng)。利用BACnet 協(xié)議和Niagara workbench 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和邏輯控制及可視化界面，通過(guò)通信協(xié)議將冷卻塔的運(yùn)行狀態(tài)、啟停狀態(tài)、電流值等數(shù)據(jù)上傳至能源管控中心。

3 項(xiàng)目實(shí)施

3.1 現(xiàn)場(chǎng)改造

12 臺(tái)冷卻塔全部為工頻模式運(yùn)行，設(shè)計(jì)控制器輸出24V 信號(hào)到繼電器，繼電器動(dòng)作，接觸器吸合，電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)控制器啟停冷卻塔。將信號(hào)線分別接入12 臺(tái)冷卻塔的熱繼電器，另一端連接繼電器輸出開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信號(hào)到控制器，實(shí)現(xiàn)冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)。主控制器用Vykon IOS24P-Lab，2個(gè)擴(kuò)展模塊用Vykon IO22D；1 臺(tái)冷卻塔包4 組變量，分別為：?jiǎn)⑼？刂?、運(yùn)行狀態(tài)、手自動(dòng)狀態(tài)、故障報(bào)警。將2 臺(tái)冷卻塔組成1 組，減少數(shù)字量輸出控制點(diǎn)位和狀態(tài)檢測(cè)點(diǎn)位，可以減少擴(kuò)展模塊的使用以節(jié)省經(jīng)費(fèi)。主控制器與擴(kuò)展模塊之間應(yīng)用BACnet 通訊，主控制器與能源控制中心NCU 網(wǎng)絡(luò)控制器之間為TCP/IP 協(xié)議。并且，現(xiàn)場(chǎng)控制器DDC31 可以與我廠空調(diào)機(jī)組K4 的現(xiàn)場(chǎng)控制器DDC01 合用一路光纖傳輸至能源控制中心，無(wú)需另外布線，節(jié)約成本。如圖1 所示。

圖1 制冷站現(xiàn)場(chǎng)直接數(shù)字控制器與其他空調(diào)機(jī)組控制器圖

3.2 基本邏輯實(shí)現(xiàn)

根據(jù)冷卻水進(jìn)水溫度實(shí)際值、冷卻水進(jìn)水溫度預(yù)設(shè)值及偏差3個(gè)關(guān)鍵變量確定冷卻塔開(kāi)啟數(shù)量；設(shè)定冷卻水水溫變化保持時(shí)間來(lái)完善冷卻塔加減機(jī)過(guò)程控制，設(shè)定冷卻塔加減機(jī)間隔時(shí)間保證開(kāi)啟精度，從而整體實(shí)現(xiàn)冷卻水水溫過(guò)程控制。溫度預(yù)設(shè)值s2，溫度偏差設(shè)定值為N，當(dāng)冷凝器出水溫度大于s2+N 度時(shí)啟動(dòng)一組冷卻塔風(fēng)機(jī)，大于s2+2N 時(shí)開(kāi)啟2 組冷卻塔風(fēng)機(jī)，以此類推。邏輯圖如圖2 所示。

圖2 冷卻塔自控邏輯及加減機(jī)邏輯圖

邏輯公式：最終開(kāi)啟臺(tái)數(shù)X=|進(jìn)水溫度s1-預(yù)設(shè)溫度s2|/偏差N。

加機(jī)過(guò)程：X ≥1 時(shí)，啟動(dòng)1 組；X ≥2 時(shí)，啟動(dòng)2 組；以此類推……X ≥6，全部啟動(dòng)。

減機(jī)過(guò)程：5 ≤X ≤6，開(kāi)啟5 組；4 ≤X ≤5，開(kāi)啟4 組；以此類推……X ≤1，全部停止。

同時(shí)，在冷卻塔自動(dòng)控制邏輯里增加加減機(jī)的保持時(shí)間Y 變量和加減機(jī)間隔時(shí)間Z 變量。只有當(dāng)加減機(jī)保持時(shí)間Y 和加減機(jī)間隔時(shí)間Z 2個(gè)條件都滿足時(shí)，才會(huì)加減1 組冷卻塔風(fēng)機(jī)，只有一個(gè)條件滿足時(shí)不會(huì)加減冷卻塔風(fēng)機(jī)。Y 變量和Z 變量參與邏輯控制全過(guò)程并且會(huì)影響最終加減機(jī)的數(shù)量。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)冷卻塔開(kāi)啟后，即使溫度達(dá)到了加第二臺(tái)的溫度，也需要間隔此設(shè)定時(shí)間Z 再開(kāi)第二臺(tái)，當(dāng)需要關(guān)掉1 臺(tái)冷卻塔時(shí)，也需要間隔此設(shè)定時(shí)間Z 后才會(huì)關(guān)閉。在控制邏輯中設(shè)定加減機(jī)保持時(shí)間Y 變量和加減機(jī)間隔時(shí)間Z 變量可以有效防止因溫度變化過(guò)快導(dǎo)致冷卻塔頻繁啟停問(wèn)題的出現(xiàn)，從而有效保證了設(shè)備的使用周期及運(yùn)行穩(wěn)定性。

加機(jī)舉例說(shuō)明：冷卻水預(yù)設(shè)溫度s2 為29℃，偏差N 設(shè)定值為1℃，加減機(jī)保持時(shí)間Y 設(shè)定為3min，加減機(jī)間隔時(shí)間Z 設(shè)定為1min，冷卻塔開(kāi)啟1 臺(tái)。冷卻水進(jìn)水溫度s1 上升達(dá)到30℃時(shí)，需要保持3min 內(nèi)一直高于30℃，才會(huì)開(kāi)啟第二臺(tái)冷卻塔。當(dāng)開(kāi)啟第二臺(tái)冷卻塔時(shí)，進(jìn)水溫度s1 升高至31℃，由于加減機(jī)間隔時(shí)間Z 為1min，則需要等待1min 后再開(kāi)啟第三臺(tái)冷卻塔。

減機(jī)舉例說(shuō)明：冷卻水預(yù)設(shè)溫度s2 為29℃，偏差N設(shè)定值為1℃，加減機(jī)保持時(shí)間設(shè)定Y 為3min，加減機(jī)間隔時(shí)間Z 設(shè)定為1min?，F(xiàn)冷卻水進(jìn)水溫度s1 為33℃，冷卻塔開(kāi)啟4 臺(tái)。當(dāng)冷卻水進(jìn)水溫度s1 開(kāi)始下降小于32℃時(shí)，此狀態(tài)需要保持3min，才會(huì)停止其中一臺(tái)。當(dāng)停止1 臺(tái)冷卻塔時(shí)，進(jìn)水溫度降低至31℃，由于加減機(jī)間隔時(shí)間Z 為1min，則需要等待1min 后再停止第二臺(tái)冷卻塔。

3.3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.3.1 自控程序?qū)崿F(xiàn)

Niagara 采用一種以面向組件開(kāi)發(fā)為中心的結(jié)構(gòu)，在workbench 中可以用組件組裝需要的應(yīng)用邏輯。在Niagara workbench 中設(shè)定冷卻塔的6個(gè)點(diǎn)位：手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、啟動(dòng)、停止、報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)指示；同時(shí)對(duì)制冷機(jī)點(diǎn)位、冷卻水泵點(diǎn)位、冷媒水泵點(diǎn)位、集水器及管道壓力流量裝置和制冷機(jī)的變量進(jìn)行采集和設(shè)定。設(shè)定冷卻塔啟動(dòng)前強(qiáng)制監(jiān)測(cè)變量，冷卻水泵運(yùn)行狀態(tài)及冷卻水管道壓力，避免冷卻塔無(wú)意義自啟；冷卻水水溫≤16℃時(shí)，冷卻塔必須全關(guān)；冷卻水水溫≥40℃時(shí)，冷卻塔必須全開(kāi)。當(dāng)冷卻回水溫度高于全開(kāi)溫度時(shí)冷卻塔全部打開(kāi)，水溫降低后再按照溫度自動(dòng)加減。當(dāng)冷卻回水溫度低于全關(guān)溫度時(shí)冷卻塔全停，當(dāng)溫度上升時(shí)再按照溫度自動(dòng)加減。進(jìn)水溫度設(shè)定值和偏差值根據(jù)需要設(shè)定，全關(guān)溫度設(shè)定小于進(jìn)水溫度設(shè)定值。

在主控制器Vykon IOS24P-Lab 中設(shè)置服務(wù)處理主要單元站點(diǎn)（station），建立守護(hù)進(jìn)程（daemon）管理運(yùn)行平臺(tái)的各種配置，設(shè)置Platform 的 TCP/IP，其中WebService 組件負(fù)責(zé)在 Station 運(yùn)行中提供 HTTP和 HTTPS 服務(wù)。在用戶服務(wù)中定義BACnet 驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序的服務(wù)器端功能通過(guò)使用導(dǎo)出描述符來(lái)將Niagara 對(duì)象映射為BACnet 對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。在站點(diǎn)中channel 里通過(guò)模塊（module）部署baja 里的組件編寫冷卻塔自動(dòng)控制程序，如圖3 所示。

圖3 冷卻塔自控在niagara workbench 中程序?qū)崿F(xiàn)圖

3.3.2 冷卻塔運(yùn)行時(shí)間計(jì)數(shù)及選擇性啟停程序?qū)崿F(xiàn)

在控制程序中運(yùn)用Niagara 基本定時(shí)器框架，使用Clock 類下的schedulePeriodically 函數(shù)建立，回調(diào)Action 類的接口。對(duì)12 臺(tái)冷卻塔運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行記錄，主控制程序優(yōu)先選擇運(yùn)行時(shí)間短的冷卻塔啟動(dòng)。冷卻塔風(fēng)機(jī)的啟停順序通過(guò)記錄每組冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較，首先啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間最短的一組冷卻塔，加機(jī)時(shí)從運(yùn)行時(shí)間短的開(kāi)始加起，減機(jī)時(shí)從運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的開(kāi)始減起。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，保障每組冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間相當(dāng)，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)多偏差。如圖4 所示。

圖4 冷卻塔運(yùn)行時(shí)間記錄及比較程序圖

3.3.3 冷卻塔故障報(bào)警程序?qū)崿F(xiàn)

控制邏輯選擇啟動(dòng)一組風(fēng)機(jī)，如果此組2個(gè)風(fēng)機(jī)在2min 內(nèi)沒(méi)有運(yùn)行狀態(tài)，則認(rèn)為此組冷卻塔有故障，在界面顯示故障圖標(biāo)，然后啟動(dòng)下一組冷卻塔。當(dāng)程序沒(méi)有啟動(dòng)某組風(fēng)機(jī)的命令下發(fā)時(shí)，不檢測(cè)此組冷卻塔風(fēng)機(jī)狀態(tài)，不判斷風(fēng)機(jī)是否故障。當(dāng)一個(gè)風(fēng)機(jī)報(bào)未啟動(dòng)故障后，如果過(guò)后能啟動(dòng)、有運(yùn)行狀態(tài)，故障報(bào)警將自動(dòng)消除。當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)有故障報(bào)警（接觸器報(bào)警）或者給啟動(dòng)命令后冷卻塔沒(méi)有啟動(dòng)會(huì)顯示冷卻塔未啟動(dòng)故障，在下次自動(dòng)控制停止再啟動(dòng)前不會(huì)再選擇這一組冷卻塔。

3.4 自控程序界面實(shí)現(xiàn)

利用Niagara workbench 平臺(tái)自帶的GX 圖形工具包，模塊定義用于渲染到顯示設(shè)備的圖形基元。GX API 使用基于x 和y 的向量坐標(biāo)系表示雙精度并形成用戶空間。用bajaui 模塊中的Widget 工具包構(gòu)建人機(jī)界面，將制冷機(jī)、水泵及冷卻塔的各種變量與設(shè)定圖形點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，在能源控制中心已有的空調(diào)操作系統(tǒng)上重新設(shè)計(jì)制冷站界面，方便查看各項(xiàng)工藝參數(shù)及手自動(dòng)操作。如圖5 所示。

圖5 冷卻塔及制冷機(jī)界面圖

4 結(jié)語(yǔ)

此次改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)和制冷自控系統(tǒng)的集成，一方面實(shí)現(xiàn)了冷卻塔根據(jù)制冷機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)控制；另一方面還方便了空調(diào)操作人員觀察制冷機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及冷媒水冷卻水出水口溫度，防止異常情況的發(fā)生。只需設(shè)置3個(gè)參數(shù)即可科學(xué)高效的保證冷卻水溫度控制在工藝指標(biāo)之內(nèi)，極大減少人力資源的浪費(fèi)，避免操作不合理性。冷卻塔自控系統(tǒng)完全不需要人為干預(yù)，只需定期巡檢時(shí)觀察開(kāi)關(guān)狀態(tài)和運(yùn)行電流值即可。每臺(tái)冷卻塔可以設(shè)置手/自動(dòng)模式，來(lái)確認(rèn)是否參與到自控系統(tǒng)中去，以適應(yīng)多種條件多種工況的運(yùn)行。

冷卻塔自控改造完畢后經(jīng)2020 年夏季為期5個(gè)月試運(yùn)行，崗位人員定期查看并記錄制冷機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)得出，冷卻水進(jìn)水口溫度基本可以保持在設(shè)定值附近，主電機(jī)負(fù)載無(wú)巨大波動(dòng)及過(guò)載現(xiàn)象。12 臺(tái)冷卻塔運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)基本一致，制冷機(jī)及冷卻塔設(shè)備運(yùn)行效率提升。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，冷卻水溫調(diào)控過(guò)程花費(fèi)時(shí)間由原來(lái)的的57.5min 減少到12.7min，減幅為77.9%，水溫調(diào)控效率提升364.7%。原冷卻塔維保后設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為90 天，自控系統(tǒng)應(yīng)用后設(shè)備運(yùn)行周期變?yōu)?50 天，冷卻塔工作運(yùn)行效率提升66.7%，每年減少一次集中維保。3#制冷機(jī)電機(jī)功率708kW，制冷量1300 冷噸，1#、2#制冷機(jī)電機(jī)功率433kW，制冷量650 冷噸，全年日平均運(yùn)行功率618.4kW。制冷機(jī)日均負(fù)荷量由88.4%降為72.1%。

3 臺(tái)制冷機(jī)運(yùn)行用電同比2018 年和2019 年減少357419 kW·h 和368335kW·h，同時(shí)減少運(yùn)行期間不合理的保養(yǎng)及檢修。