基于DCS的中央空调制冷机组控制系统

2015-10-29孙翠霞王庆云谈庆松

建材与装饰 2015年4期

关键词：冷量操作员制冷机

孙翠霞　王庆云　谈庆松

（山东格瑞德集团有限公司　山东　德州　253012）

基于DCS的中央空调制冷机组控制系统

孙翠霞王庆云谈庆松

（山东格瑞德集团有限公司山东德州253012）

随着科学技术的不断发展与进步，智能化建筑逐渐进入了人们的视野，特别是智能建筑中与人们生活息息相关的中央空调系统，更是受到了广泛地关注，因此，本文通过研究中央空调的制冷机组分布情况和智能化建筑对中央空调系统的要求，分析DCS控制系统对中央空调制冷机组的制冷环节、冷却水和冷冻水环节控制情况，设计机组的软件和硬件，通过2台并联的制冷机进行实验，以挖掘DCS的中央空调制冷机组控制系统的优势，希望能提高中央空调的控制稳定性和空调质量能满足智能建筑的要求。

DCS控制系统；中央空调；制冷机组；研究

1　前言

智能化建筑的中央空调系统主要由冷、热源系统以及空气调节系统组成，运作原理是通过液体气化后吸收热量的特点供给空气调节系统所需要的冷量，以达到室内降温的目的。其中制冷系统起着至关重要的作用，它使用的控制系统、运行方式以及结构情况直接影响着智能化建筑中央空调系统的经济高效以及科学合理。在传统的制冷系统里，制冷机多是由PLC系统控制，系统只能进行简单的控制，根本无法满足提倡节能型的中央空调要求，这为DCS控制系统提供了良好的发展契机，它的操作性强、可靠性高、方便管理以及配置灵活都能很好的满足中央空调需求，因此被广泛应用开来也是必然。

2　制冷原理

卡诺循环是制冷系统的主要制冷原理，即气态的制冷剂在压缩机对其进行压缩后会变成高温、高压的气体，并直接进入机组的冷凝器里与水或者空气进行等压、等热交换，直至变成低温、高压的液态，而后再由干燥过滤器对其进行干燥、过滤杂质处理，在进入膨胀阀使得高压低温的液体制冷剂经过节流的形式后改为低温、低压的湿润蒸汽，最后湿润蒸汽经由蒸发器吸收其热量而使周围温度下降。通过制冷原理不难看出，只要运作时的低压条件符合要求，则可以使液体在汽化中吸收冷冻水的热量，使得冷冻水温度下降而达到降温目的[1]。

3　实验的制冷系统设计

3.1实验环境设计

为了更好地了解DCS的中央空调制冷机组控制系统的优势，本文选择使用2台并联的制冷机进行实验研究，控制系统选择为DCS控制系统，控制器主要是Freelance 800F系列中的AC700F。其中实验的2台并联制冷机的冷却塔、压缩机、冷冻水、AHU以及冷却水皆由变频器（型号分别为：3G3JV、ACS510～01）控制，变频压缩机型号为ZHC-2.2，工作的频率是50Hz，制冷量达到1846W，主要排气量大小是每小时6.51m3/h。而机组的冷凝器、蒸发器主要使用空调专用的换热器（型号：ZL-20-30），换热器的工作压力是4.5MPa。膨胀阀里的节流装置一共有两个回路，且回路都能由四通阀进行切换，其中一个回路是高温、高压的液态制冷剂在冷凝器里等压等热交换后经过热力膨胀阀的节流，最后流到蒸发器中；而另一个回路是液态制冷剂经过冷凝器的交换后直接流向电子式膨胀阀[2]。

3.2硬件设计

由于控制器选择的是Freelance 800F系列中的AC700F，控制器的功能是进行开环和闭环，其控制系统主要操作等级为过程控制等级和操作员等级两种。

图1　DCS的中央空调制冷控制系统的硬件设计图

（1）过程控制等级。过程控制等级主要是由与I/O单元相连的所有过程控制站构成，并通过TCP/IP协议的总线与操作员等级进行通信，过程控制站中因为AC700F控制站特性与可编程的逻辑控制器相似，使用的核心部分属于高性能CPU处理器，因此其处理数据效率快捷，可以实现高速位的处理方式，而且功能也达到ISC61131-3的要求。

（2）操作员等级。操作员等级主要的功能是进行控制操作、显示操作页面、记录操作情况并归档以及报警等，设计软件为Control BuilderF。在进行操作员等级操作时主要设有一个工程师和一个操作员站，工程师站主要的功能是组织和调试系统，因此在系统工作正常的情况下工程师站可以暂时性的关闭，不用一直与系统相连，而操作员站则需要与系统一直连接，并在Microsoft-Windows系统下采用PC硬件。

对于制冷机组的设计，每一个制冷环节中都会设置8个温度的监测点，其中包括有制冷机的温度传感器4个，水温温度传感器4个，主要测量的是制冷剂在冷凝器出口、蒸发器入口的温度、压缩机出、入口的温度以及冷冻水供水、回水温度等，除了温度的监测点，还设置了压力的检测点4个，主要监测冷凝器出口、蒸发器入口的制冷剂压力和压缩机排、吸气压力。

3.3软件设计

由于硬件系统的设计满足ISC61131-3的要求，因此对于软件的设计主要是通过CBF来设计树形结构的zhilengji进行项目管理，其中树形结构的每一个对象都代表了每一个节点功能，管理调试程序的核心则设计为dos操作员站、dps过程站以及opc的网关站，与硬件结构的物理站连接的组站是D-PS组态过程站，控制器选择的仍是Freelance 800F系列中的AC700F，通过CBF给过程站涉及了两个不同的任务组，其分别为USRTask程序和SYSTask程序，前者主要功能是添加用户，而后者则主要使用CPU模件来执行，通过设计冷冻水、冷却水的循环系统和制冷系统的任务来对制冷机组的压缩机、膨胀阀、对泵以及风扇进行控制，对于操作对象的监控主要由D-OC操作员站来进行，其资源的选择则通过以DigiVis软件为主的操作员站选择，或者使用工业设计流程的人机界面完成。而对于其他系统想要访问Freelance 800F的数据时，则主要使用D-GS的网关站[3]。

由于CBF设计的控制项目树形结构zhilengji的资源都必须在硬件系统中制定一个硬件，因此必须对系统的变量I/O进行指定，并其设计参数。

图2　CBF设计的控制项目树形结构zhilengji

4　控制方法

冷量的控制：

通过冷量的计算公式可以有效的计算冷水机供、回水温度，其公式为：

Q=41.868×L×（cpt1×t2-cpt1×t1）

式中：Q是冷量；t1是冷水机供水的温度；t2是冷水机回水的温度；L是水流量。通过计算出冷量可以有效的对制冷机组进行控制。

（1）对压缩机的控制。压缩机主要功能是对气态的制冷剂进行压缩，将其变成高温、高压的气体。它可以通过变频器进行压缩速度调节，同时经由远程的DCS来控制，在使用PID的控制方法后，将压缩机里的驱动电机进行供电频率的调节，让每小时的排气压力发生改变以控制液态制冷剂的流量，达到控制冷量的目的。

（2）对电子式膨胀阀的控制。电子式膨胀阀的主要功能是使得高压低温的液体制冷剂在经过节流后改为低温、低压的湿润蒸汽。因此其能控制低温、低压制冷剂流入蒸发器的流量，有利于更准确的控制气态制冷剂的流量。在使用PID的控制器时，因为蒸发器被默认为监控对象，其出口值是制冷剂的过热度值，控制系统通过监控热发起的出口过热度值来与原本的设定值来进行对比，最后由PID发送控制信号。其中蒸发器出口的过热度值分别由两个温度传感器来检测，并计算温差以控制系统的参数。过热度的检测数值为P，目标数值为S（本文设置为5℃），检测数值与目标值之差为CE，通过公式CE（CE=S-P）来实现变量P不断接近S的目的，然后将CE传送给控制器，让其传送一个变量来影响电子式膨胀阀的输出量，以降低或者消除差值CE。

（3）对冷冻水的控制。为了有效的控制冷冻水，确保水泵流量情况与制冷机组中冷水机的水量相对稳定，一般方式是使用固定的供、回水压差来进行控制，主要是由变频器对水泵流量速度进行控制，然后结合实际情况改变供水管道的压力以及水量情况以控制水泵流量。

（4）对冷却塔的控制。对于冷却塔的控制主要是将其与冷水机组进行电气连接，但是风机却不能与冷水机组同时运行，只能将冷却塔的运行控制系统与冷水机组共同工作，在冷却塔通过变频器进行控制时，风机的运行控制则由冷却水的回水温度来完成，当回水温度过低或者没能满足所需的温度时，风机即可开始启动。

5　实验结果

本文通使用2台并联的制冷机进行实验，通过上述的制冷系统设置，已知在DCS的中央空调制冷机组控制系统中各制冷组件旁都没有设置控制块，操作人员可以进行手动操作，让各组件之间能得到更好的控制，而且可以通过实际的情况在系统的软件中修改参数值，让连锁控制能满足不同的业主要求，PID系统控制方法能进行内外模式同时工作，拥有可编程的操作系统，手动设置数值能更便捷的调节中央空调情况，控制界面操作性强，有利于实现集中管理、分散控制的目的，提高对中央空调的控制力度。