西安地铁二号线空调水群控系统设计

2013-09-20吴毅哲何军红魏超

电气自动化 2013年5期

吴毅哲，何军红，魏超

（1.西北工业大学航海学院，陕西西安 710072;2.西安航天自动化股份有限公司，陕西西安 710068）

0 引言

西安市城市快速轨道交通二号线规划线路为北起北客站至韦曲南，沿西安市南北向主客流走廊布设，线路全长32.402 km，共设21座地下车站，其中每座车站外加控制中心与车辆段均设置了一套空调水群控系统，用来对车站冷水机房内的冷却水和冷冻水流量、压力、温度等工艺参数及设备状态进行采集，对主要设备进行控制，并实现与BAS系统网络通讯。

1 空调水群控系统结构

在每个车站，空调水群控系统均由PLC控制柜、冷冻水泵控制柜、冷却水泵控制柜、冷却水塔控制柜和网络设备组成，用来对冷水机房内的冷却水和冷冻水流量、压力、温度等工艺参数及设备状态进行采集，对主要设备进行控制，并实现与BAS系统网络通讯。

对冷冻水泵及冷冻水阀门、冷却水泵及冷却水阀门、冷却水塔风机及水塔供水阀门分别设置电控柜，柜内配置有断路器、接触器、热继电器、变频器等电动机控制回路。在每台电控柜上设置一块斯菲尔多功能电量测量装置，该装置采用Profibus_DP通讯协议与实现与PLC通讯，实现对冷水机组、水泵、冷却塔用电量的检测。

PLC柜设置一套西门子S7－300 PLC，采用Profibus_DP总线组建群控系统内部网络，实现群控PLC（S7－300）、群控人机界面、冷水机组PLC（S7－200）、电力仪表之间的通讯，并通过网关与车站BAS系统ControlNet总线进行通讯。

2 控制方式

空调冷水系统受中央级控制、车站级控制、就地级控制三级控制，就地级控制具有优先权。

中央控制、车站控制:对群控系统来说属于“远方”（BAS）控制，群控系统接收BAS系统发来的启停控制信号，完成冷水机组的启停，完成冷却泵、冷却塔、冷冻泵的联动连锁。确保在不同运行工况时，对空调冷水系统的运行状态作控制和显示。正常工况下，显示空调冷水系统运行状态和工艺参数;事故工况下，根据要求对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、阀门等工艺设备进行开/关控制。

就地控制:在冷水机房群控系统控制柜处进行操作，供设备安装、调试、检修时在现场使用。就地控制分为:手动、自动两种控制方式。手动控制由冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔控制柜实现;自动控制由群控系统PLC实现。

3 系统功能

3.1 系统控制范围及受控对象

空调水群控系统控制范围:必要参数状态显示、设备状态及控制，整个制冷系统协调、稳定、可靠、经济工作所需的全部功能。

主要受控设备为冷水机组（两台）、冷冻水泵、冷冻水阀、冷却水泵、冷却水阀、冷却水塔、冷却塔电动蝶阀，及其现场冷冻冷却管路的各类传感器和压差旁通阀等。

3.2 控制功能实现

群控系统通过对冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、系统管路调节阀进行控制，使空调冷水系统在任何负荷情况下能达到设计参数并以最可靠的工况运行，保证空调的使用效果。控制目的是在满足末端空调系统要求的前提下，使整个系统达到最经济的运行状态，使系统的运行费用最低，并提高系统的自动化水平、管理效率，从而降低管理人员劳动强度。

3.2.1 数据采集功能

1）系统工艺设备启动、正常运行、停止、故障状态等开关量采集。温度、压力、流量等非电量工艺参数数据采集。

2）电压、电流、电度等电气量通讯量数据采集。3）冷水机组通讯量数据采集。

3.2.2 数据通讯

1）系统将冷水系统的状态在ProfiBus主站中实时读取。数据内容包括:冷水机组状态数据，冷却水泵及阀的运行状态及数据，冷冻水泵及阀的运行状态及数据，冷却塔风机及阀的运行状态及数据。

2）空调水群控控制器在读取每套冷水系统（1台冷水机组+1台冷冻水泵+1台冷却水泵+1个冷冻水阀+1个冷却水阀+1个冷却塔风机+1个冷却塔水阀）的数据的同时，还要接受上一层通讯系统读取数据的请求，将读得的冷水系统的所有数据都传给上一层的控制系统（BAS），采用的协议是ControlNet。

3）当群控器与任意一个ProfiBus子站（冷水机组）通讯故障或自身有一定故障时，通讯条件允许的情况下应将通讯故障通知上一级的监控系统。

一号机组监视界面如图1所示。

图1 一号机组监视界面

3.2.3 基本控制功能

1）冷水机组的自适应控制功能

冷水机组开启关闭按照以下工艺完成:

开冷却水泵→开冷却塔→开冷冻水泵→开冷水机组;

关冷水机组→关冷却塔→关冷却水泵→关（延时5分钟）冷冻水泵。

为达到节能的目的，系统能适应车站负荷的大小，开启相应的冷机，当车站负荷较大时，现在运行的冷机无法达到系统控制目标时，需要增加一台冷机，反之，则减少一台机组。以增加冷机为例，软件实现如图2所示。

2）水泵的选择控制

在现场，冷冻水与冷却水均配置三台水泵，两台工作一台备用。为有效并合理利用，采用如图3所示控制策略，以冷却水泵为例。

3）冷却水塔的控制

对冷却水控制的基本要求是保证经过冷却塔处理的冷却水温度符合冷冻机的要求。按冷却水供水温度决定是否开启冷却塔风机，同时进行冷却塔风机运转台数的控制，当冷却水供水水温低于预设温度值时，可以不必开启冷却塔，仅靠自然冷却即可;高于预设值值时，冷却塔开启。如果当前开启一台冷却塔风机，冷却水供水水温仍然高于预设值时加大风量（即增加冷却塔风机运行台数），反之则减少风量，以便降低能耗。

图3 空调水冷却水泵控制策略

图2 空调水冷水机组开机工艺

因此，在系统中，群控控制器对冷却塔控制包括对冷却水供水温度的监测，对冷却塔风机及对应电动蝶阀的控制。

在人机界面上，操作人员可以根据实际情况修改预设值。

4）冷冻水压差的控制

群控PLC根据检测到的冷冻水供回水压差，自动调节旁通调节阀，维持供水压差恒定。具体要求为:需在一定条件下（冷冻水总管路的压差升高到一定数值），尽快调节压差旁通阀的开度，以让该压差达到一个预先设定的数值。

调节原则为:如果压差偏大，应将阀门开大以减小压差;反之应将阀门关小增大压差直至阀门全关。

在所有过程中应将阀门开度的百分数实时写入各冷水机组PLC控制器。并将压差值实时写入各冷水机组PLC控制器，用于机组控制水泵变频器的参考变量。

3.2.4 报警复位及目标温度设定

1）群控器接受到报警复位命令时，在机组处于远程控制状态下需将此命令发送到已经处于报警状态的机组，且报警命令的持续时间要大于3秒。

2）当机组处于远程控制状态中，群控器有重新设置机组“出水温度”的操作时，群控器要将最新的设定值写人每台冷水机组中。

3.2.5 空调水一次泵变流量控制

1）一次泵变流量控制方案特点

空调系统的冷冻水一次泵，传统上都采用固定转速水泵，仅在负荷侧作变流量控制。两者之间的流量差值和系统压力，靠压差旁通控制来平衡，在正常运转时旁通管内不可避免会有旁通水流，就是说全速运转的冷冻水泵有一部分作功消耗于旁通循环中，同时水泵扬程所产生的供回总管之间的较高压力，使大量的水流动能消耗在克服管路阻力上。而空调水的变一次流量控制系统是近年才开始出现的先进控制方案。该方案控制系统冷冻水的供应量（总流量）始终保持在刚好满足系统负荷要求的水平，并确保系统供回总管之间最不利负荷处的压力差稳定于某个预设定值，这一点需要靠高品质的变频调速控制冷冻水泵来完成。

一次泵变流量控制，其特点是利用最新的测控技术和冷冻机在低水流量能力上的改进，在冷冻机的蒸发器管路配置变频调速水泵，使得流过冷冻机的冷冻水量可以按负荷的需要调节，它比传统的二级泵系统设备配置少，但有更好的节能效果。变一次流量控制系统能够很好地跟踪系统荷的动态变化，较好地满足系统的负荷需求，把能源消耗控制在较低的水平。

2）控制方案的实现

本系统为实现变流量控制，采用一次泵变流量控制但同时也保留了传统模式工作作为备用模式的方案，在设备全部正常时，变频调速冷冻水泵闭环控制投运，系统作变一次流量控制;万一变频调速闭环控制不能投运时，系统也可非常方便地切换成传统工作模式，即冷冻水泵恒定转速，同时投入压差旁通控制，系统仍能正常运行，只是后者的节能效果比前者差。为此，每一台冷冻泵配置了一台ABB的变频器，型号为ABB的ACS510系列变频器。一次泵变流量控制依然以系统供回水总管处的设计压差（人机界面可设置）为压差预设值，以变频调速冷冻水泵作为执行机构，对冷冻水供水进行调节控制，控制目标是使过程变量趋近于预设定值，如图4所示;当冷冻水的系统负荷流量大于一台冷冻机蒸发器最低许可流量值时，流量旁通控制阀门是关闭的;当只有一台机组在运行，且冷冻水的系统负荷流量低于一台冷冻机蒸发器最低许可流量值时，需要启动分、集水器之间的旁通流量控制，控制目标是使这台正在运转的冷冻机蒸发器的水流量大于等于最低许可流量值。