基于博圖開發(fā)的冷源群控系統(tǒng)

摘 要：暖通控制系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用，能夠有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度和空氣質(zhì)量，提高建筑物的舒適性和能源利用效率。研究西門子博圖軟件開發(fā)的基于PLC的冷源群控系統(tǒng)，通過工程案例的實(shí)踐，該系統(tǒng)能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)冷源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程和節(jié)能控制。

關(guān)鍵詞：暖通控制；博圖系統(tǒng)；PLC；冷源群控

CHILLER PLANT CONTROL SYSTEM DEVELOPED BASED ON TIA

Wang Xiaofei

（Hegang Xuangang Control Center Xuanhua 075100，China）

Abstract：The HVAC control system plays a crucial role in the field of building construction， effectively regulating indoor temperature， humidity， and air quality， thereby enhancing building comfort and energy efficiency. This paper aims to study the PLC-based chiller plant control system developed using Siemens TIA software. Through practical engineering cases， this system can stably achieve remote and energy-saving control of the chiller plant system.

Key words：HVAC control system；TIA system；PLC；cold source group control

0 前 言

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展和人們對室內(nèi)舒適度的不斷追求，暖通控制系統(tǒng)作為建筑物的重要組成部分變得越來越重要。冷源群控系統(tǒng)是暖通控制的核心。采用基于PLC的數(shù)據(jù)中心冷源群控系統(tǒng)無論是在安全性，可靠性，還是節(jié)能方面都具有更良好的可擴(kuò)展性、靈活性和智能化特點(diǎn)，為暖通控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路和技術(shù)支持。

1 冷源群控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心的冷機(jī)群控系統(tǒng)是用于管理和監(jiān)控數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)備的系統(tǒng)。它的主要功能是確保數(shù)據(jù)中心的溫度和濕度保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以保護(hù)服務(wù)器和其他設(shè)備免受過熱的影響。

冷機(jī)群控系統(tǒng)主要通過群控策略及控制算法控制冷水機(jī)組，配套水泵和版式換熱器的合理運(yùn)行，使冷源系統(tǒng)達(dá)到滿足負(fù)荷需求下的最大節(jié)能控制狀態(tài)。通常包括四方面主要功能：

溫度監(jiān)測和控制：系統(tǒng)可以監(jiān)測數(shù)據(jù)中心各個區(qū)域的溫度，并根據(jù)需要自動調(diào)整冷卻設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以保持恒定的溫度。

故障報警和預(yù)測：系統(tǒng)可以監(jiān)測冷卻設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)故障或異常情況時發(fā)出警報，以便及時采取措施進(jìn)行修復(fù)。

能效優(yōu)化：系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際負(fù)載情況和外部環(huán)境條件，優(yōu)化冷卻設(shè)備的運(yùn)行模式，以提高能效并降低能耗。

遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理：系統(tǒng)通常具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理功能，可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)視和管理數(shù)據(jù)中心的冷卻設(shè)備，提高運(yùn)維效率。

2 博圖系統(tǒng)

西門子博圖系統(tǒng)是由西門子公司推出的一種工業(yè)自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動化控制和監(jiān)控，包括生產(chǎn)線、設(shè)備、機(jī)器人和其他工業(yè)設(shè)備的控制。

博圖系統(tǒng)主要包括五方面功能和特點(diǎn)：

1）PLC控制：博圖系統(tǒng)使用西門子的Simatic PLC作為控制核心，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線和設(shè)備的精確控制。PLC（可編程邏輯控制器）是一種專門用于工業(yè)自動化的控制設(shè)備，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯和條件執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。

2）HMI界面：博圖系統(tǒng)提供人機(jī)界面（HMI），通過觸摸屏或其他交互方式，操作人員可以實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)，進(jìn)行設(shè)備操作和調(diào)整。

3）數(shù)據(jù)采集和分析：博圖系統(tǒng)可以實(shí)時采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和統(tǒng)計，幫助企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)過程的優(yōu)化和改進(jìn)。

4）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信：博圖系統(tǒng)支持各種工業(yè)通信協(xié)議，可以與不同廠家的設(shè)備進(jìn)行通信和集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同工作。

5）安全功能：博圖系統(tǒng)還具備安全功能，可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的危險點(diǎn)和安全隱患的監(jiān)控和控制，確保工作人員和設(shè)備的安全。

總的來說，西門子博圖系統(tǒng)是一種全面的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)過程、提升產(chǎn)品質(zhì)量，并具有靈活、可靠、安全等特點(diǎn)。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

本工程制冷系統(tǒng)控制對象包括5臺冷水機(jī)組，5臺板式換熱器，5臺冷卻泵，5臺冷凍泵，10組冷卻塔，若干電動閥門等。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本項(xiàng)目共5套系統(tǒng)，分別為1套冷源控制系統(tǒng)，1套冷熱源舒適空調(diào)系統(tǒng)，1套通風(fēng)系統(tǒng)，1套新風(fēng)系統(tǒng)，1套B3樓通風(fēng)系統(tǒng)。冗余服務(wù)器一套，操作員站2套。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

冷源系統(tǒng)設(shè)備控制系統(tǒng)采用西門子s71500系列工業(yè)可編程邏輯控制器PLC；雙冗余CPU（雙冗余群控管理器）；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)冗余拓?fù)浞绞健?/p>

冷源控制系統(tǒng)采用了新一代大容量冗余CPU，為內(nèi)置大容量冗錯算法和邊界條件整定提供了必要的內(nèi)存空間和快速指令執(zhí)行周期。

3.4 系統(tǒng)軟件平臺

為了使冷源控制系統(tǒng)更高效、更智能、更快速響應(yīng)冷源系統(tǒng)各種工況， 程序中大量采用了PLC編程語言（SCL）實(shí)施編程，從而有效地減少了程序的執(zhí)行周期，使得程序更緊湊，更快速，及時有效的響應(yīng)冷源系統(tǒng)工況的變化、故障切換，有力的保障了冷源系統(tǒng)平穩(wěn)高效的為末端設(shè)備提供高品質(zhì)冷凍水。

冷源群控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)界面，故障管理，報警管理，數(shù)據(jù)報表，參數(shù)設(shè)置，動態(tài)顯示狀態(tài)界面，冷水系統(tǒng)流程圖等。

4 冷源群控的控制邏輯

4.1 模式控制

冷源系統(tǒng)的三種模式：冬季模式（免費(fèi)制冷模式），過渡季模式（預(yù)冷模式），夏季模式（制冷模式），三種模式在冷源控制中被互鎖，每次只有一種模式被激活。當(dāng)模式之間切換時，如果模式切換不成功，將退回至原模式。

冬季模式（免費(fèi)制冷模式）：利用室外冷空氣制冷（板式熱交換器）。

過度季模式（預(yù)冷模式）：利用室外冷空氣制冷預(yù)交換部分熱能（板式熱交換器）后單套制冷單元制冷。

夏季模式（制冷模式）：單套制冷單元冷凍機(jī)制冷（關(guān)閉預(yù)冷模式相應(yīng)閥門）。

室外濕球溫度決定了模式切換（以冷卻塔逼近度6 ℃，板式熱交換2 ℃計算），當(dāng)濕球溫度

≤6 ℃時，進(jìn)板式熱交換器的冷卻水溫度12 ℃，進(jìn)入冬季模式，當(dāng)濕球溫度（6～10） ℃的時候進(jìn)入過渡季模式，當(dāng)濕球溫度≥10 ℃的時候，進(jìn)入夏季模式。

4.2 單元臺數(shù)

冷源系統(tǒng)控制器統(tǒng)計單套制冷單元中冷凍機(jī)的運(yùn)行累計時間基數(shù)，對系統(tǒng)內(nèi)的2套制冷單元實(shí)施排序，以保證冷源系統(tǒng)中的單套制冷單元生命周期基本保持一致，當(dāng)單套制冷單元被置于“手動，停止”或者單套制冷單元內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備發(fā)送故障（例如：水泵，當(dāng)季閥門），或者被置于“維護(hù)模式”，“就地模式”時，此套制冷單元將被冷源系統(tǒng)剔除，排在單套制冷單元的最后，當(dāng)此套制冷單元恢復(fù)正常且“就緒”時，此套系統(tǒng)將根據(jù)運(yùn)行時間冷源系統(tǒng)中排序。

該控制策略提供機(jī)房系統(tǒng)的最優(yōu)化啟動、順序啟動及運(yùn)行臺數(shù)控制，以使單元總制冷量滿足負(fù)荷端需求。該功能根據(jù)建筑負(fù)荷需求、單元狀態(tài)及輔助設(shè)備狀態(tài)等信息來判斷單元是否投入運(yùn)行。當(dāng)冷凍機(jī)返回運(yùn)行狀態(tài)后，其制冷量（制冷模式不是冬季模式時，以冷凍機(jī)冷凍側(cè)名義制冷量進(jìn)行統(tǒng)計，制冷模式是冬季模式時，以板換冷凍側(cè)名義制冷量進(jìn)行統(tǒng)計）、制冷百分比等參數(shù)才參與運(yùn)算計算需求數(shù)。

4.3 加減機(jī)控制

平穩(wěn)運(yùn)行后，首先考慮通過協(xié)議通訊調(diào)整每臺冷水單元的輸出來滿足負(fù)荷變化要求，每臺冷水單元在最佳效率一定范圍內(nèi)運(yùn)行，如果動態(tài)調(diào)整運(yùn)行冷水單元輸出效率不能滿足要求，才使用加減機(jī)的方式。

加機(jī)判斷：通過讀取單元內(nèi)部參數(shù)——電流負(fù)載百分比，當(dāng)負(fù)載處于最高限制負(fù)荷（90％可調(diào)），且持續(xù)一定時間（30 min可調(diào)），判斷增加一臺冷凍單元，冷凍機(jī)需求數(shù)增加1。

減機(jī)判斷：通過讀取單元內(nèi)部參數(shù)——電流負(fù)載百分比，當(dāng)單元負(fù)載低于某一設(shè)定值（40％可調(diào)），且持續(xù)一定時間（30 min可調(diào)），判斷需減少一臺冷凍單元，冷凍機(jī)需求數(shù)減少1。

單套制冷單元流量低限。如果流量低于設(shè)定值則不觸發(fā)加減載。

4.4 最不利壓差控制

冷凍水泵設(shè)置最低運(yùn)行頻率（可調(diào)），在系統(tǒng)末端支路設(shè)有壓差傳感器，當(dāng)實(shí)際壓差小于壓差設(shè)定下限（120 kPa可調(diào)）時，增加冷凍泵轉(zhuǎn)速；當(dāng)實(shí)際壓差大于壓差設(shè)定下限時，減少水泵轉(zhuǎn)速。

4.5 輪詢控制

為了確保冷源系統(tǒng)冷凍水連續(xù)供水溫度的穩(wěn)定性（14 ℃），輪詢命令每次只觸發(fā)一套冷源設(shè)備參與的輪詢。在SCADA界面上顯示輪詢的運(yùn)行次序；輪詢時采用先開后關(guān)的原則，當(dāng)被輪詢的制冷單元開啟后，才會關(guān)閉原制冷單元。（開啟的制冷單元要滿足產(chǎn)冷能力后，才可以卸載）。

單套制冷單元的輪詢失敗處理流程：當(dāng)輪詢命令發(fā)出且單套制冷單元進(jìn)入輪詢切換過程，輪詢失敗即切換的單套制冷單元啟動失敗，此時啟動失敗的單套制冷單元作為故障被系統(tǒng)剔除排，排在單套制冷單元的末端，此時控制系統(tǒng)停止本次輪詢命令過程，如需輪詢可以再次觸發(fā)輪詢命令，此時系統(tǒng)將安排“就緒”的單套制冷單元參與輪詢。

5 結(jié) 論

本論文通過研究基于博圖開發(fā)的暖通控制系統(tǒng)，探討了其在暖通領(lǐng)域的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢?；诓﹫D的暖通控制系統(tǒng)具有智能化、高效節(jié)能、易維護(hù)等優(yōu)勢，將成為未來建筑暖通控制的主流趨勢，為建筑能效的提高和智能化控制提供了新的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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作者：王曉飛，女，46歲，高級工程師

收稿日期：2024-07-30