对DCS的中央空调制冷系统的控制探讨

张洁琳

（武汉凯兴经济发展有限责任公司，湖北武汉 430010）

对DCS的中央空调制冷系统的控制探讨

张洁琳

（武汉凯兴经济发展有限责任公司，湖北武汉 430010）

随着时代的发展，我国建筑行业也处于快速发展状态中，对于建筑来说，中央空调已经成为不可或缺的一项硬件设备，它很大程度上改善了人们生活的舒适度。但是中央空调消耗的能源较大，不利于我国能源的长期发展斩落，所以现在对中央空调提出了新的要求——智能化控制，中央空调智能化对其制冷机组的分布位置要求十分严格，甚至将制冷机组分布情况好坏与空调的智能化程度直接挂钩。接下来笔者将结合自身的经验和调查走访结果，基于“中央空调制冷系统”的内容特点，详细论述DCS的中央空调制冷系统的控制问题。

DCS 中央空调制冷系统 控制

对于传统式的中央空调来说，机身内部主要是使用了相对独立的PLC控制系统进行温度控制，将制冷系统与其他零件进行简单的拼接组合，就能实现温度控制的工作。但是这种空调消耗的能源量非常多，无法适应现在节能减排社会对于能源使用量的要求。

目前我国对于智能中央空调的要求是在负荷量变化、流量变化和温度变化的环境下依旧可以准备调节环境的温度，要达到这样的效果，需要有一个强大的协调控制中心作为支柱，还需要一个可靠的基础制冷单机。

1 DCS系统

DCS系统是目前来说，是制造职能中央空调最佳的系统，它的操作简便、易于管理、配置之间相对灵活、组态非常方便、可靠性较强。相对于市面上其他操作系统来说，DCS系统是最合适的一种实现中央空调智能化管理的手段，也正是因为其众多优点，被越来越多的住宅小区、楼盘等使用。

图1 水冷式制冷系统原理图

图2 DCS中央空调制冷系统控制硬件框图

接下来笔者将详细叙述DCS系统如何控制中央空调制冷机组，间接控制制冷环节、冷却水环节和冷冻水环节，还需要对这些操作环节分别进行软件和硬件的设计。在运行过程中还需要两台并联状态的机组对系统进行检测，通过一段时间的生产试验，证明DCS系统的功能强大、可靠性高，比较容易达到对中央空调智能控制的目标。

2 中央空调内部的制冷系统

对于中央空调来说，一般由冷冻水循环系统、冷却水循环系统、制冷机组、散热水塔和风机盘管系统组成，在这些零件中，制冷系统是中央空调系统最为重要的部分。这主要是因为它可以直接影响中央空调系统在运行过程中消耗能源的多少，换句话说，它可以直接决定中央空调的经济性、合理性、高效性。

笔者将制冷系统的工作原理总结归纳如图1所示：

由图1可知，制冷系统的运作方式为一个卡诺循环。制冷原理可以归纳为：当气态制冷工质通过了压缩机压缩处理之后，会形成一股高温高压气体。然后进入冷凝器，在冷凝器中与水或者空气进行热交换，变成低温高压状的液态气体形式。液态工质再经过干燥过滤器的脱湿处理，过滤掉水分和杂志，通入膨胀阀节流减压，最后形成低温低压液态工质流入蒸发器。

图3 控制系统组态项目树

进入蒸发器之后，就会进行汽化处理，对于液体的汽化过程来说，主要依靠吸热，液态气体只有通过不断吸热，达到汽化点才能转化为气体形式。在汽化过程中压力越低，饱和温度越低，所以应当竭尽全力创造一定程度的低压条件，这样才能利用液体的汽化获取所要求的低温。按照这种原理，我们可以明确看出卡诺的循环过程。

3 中央空调制冷控制系统设计

3.1 中央空调制冷控制系统实验环境

在模拟中央空调制冷控制系统的运作环境时，将DCS系统的中央空调作为研究主体，抽取两台并联状态下的制冷机。系统 3G3JV和5个ACS510—01的变频器分别控制，包括两台机器的AHU、冷却塔、压缩机、冷冻水和冷却水。变频压缩机主要是使用了ZHC－2.2，这种机型的排气量为6.51m3/h，额定工作频率为50Hz，通过模拟实验，可知其最大制冷量为1846W。此实验中冷凝器和蒸发器型号为ZL－20－30，这种机型最大工作压力为 4.5MPa。在节流装置中，设置了两个回路，其一是制冷剂在冷凝器中处理之后，出来的经热力膨胀阀节流后流向蒸发器，另一个是经过了冷凝器之后流向电子膨胀阀，无论哪一个都可以通过四通阀切换的手段，实现实时控制的目标。

3.2 设计硬件

根据控制系统实现采用控制器，Freelance 800F过程控制系统主要分为两个操作界面，一个是过程控制级，另一个是操作员级。图2 DCS中央空调制冷系统控制硬件框图。

在过程控制级中，系统主要由连接处I/O单元的过程控制站拼接组成，所以操作员必须使用TCP/IP协议系统总线才能与过程控制级之间实现通信。其中AC700F过程站具有与可编程逻辑控制器相似的构造，过程站中核心元件是一个高性能的CPU处理器，以保证过程站可以高速运转处理。并且其所有功能必须完全符合IEC61131－3的有关规定。在模拟过程中还使用了DC732F和AX722机架式I/O作为辅助。

操作员级主要包含了记录、显示、操作、归档、报警和趋势等多项功能，设计之时使用了Control Builder F软件。控制器精确的执行命令，决定回路处于开环还是闭环状态。在设计过程中安排了1个操作员站和1个工程师站，工程师站主要负责对系统进行调试和组态，在系统正常运行状态时，工程师站可以暂时关闭，不需要与系统永久性连接。操作员站主要使用了PC硬件，所有的运行工作都处于Microsoft Windows的操作系统环境下。

针对制冷机组来说，设计了8个温度检测点和1个制冷环节，其中还包括4个水温度传感器和4个制冷剂温度传感器。水温度传感器主要测量冷却水回水温度、冷冻水回水温度、冷却水供水温度和冷冻水供水温度；制冷剂温度传感器主要测量蒸发器入口制冷剂温度、压缩机入口制冷剂温度、压缩机出口制冷剂温度和冷凝器出口制冷剂温度。与此同时还设立了4个压力检测点，主要负责监测压缩机排气压力、蒸发器入口制冷剂压力、冷凝器出口制冷剂压力和压缩机吸气压力。

3.3 设计软件

对于整个控制系统来说，主要由工程师站负责组态调试，并且需要配置相应的操作员接口、自动化功能、记录现场和显示等参数，还需要符合IEC 61131－3标准图形编程界面的相关要求。

除此之外设计的软件还要符合CBF，通过设计一个树形结构，实现对所有项目管理的目标，其中每个功能元素或节点在项目树中都用“1”这个阿拉伯数字来表示特定对象类型。分别设计dos操作员站、opc网关站和dps过程站，这也是调试和管理整个用户群的重要部分。过程站D－PS需要和硬件结构中组态的物理站想连接，也需要与组态过程站D－PS相连接。CBF在过程站会自动生成两种类型的任务组，分别为USRTask添加用户程序和SYSTas，SYSTas主要负责为CPU 模件执行标准程序。

在用户程度中，设计了诸多任务，分别为：冷冻水循环系统任务、制冷系统任务和冷却水循环系统任务，针对风扇、膨胀阀、压缩机和泵等零件进行实时监控。态网关站D－GS，适用于其他系统访问Freelance 800F系统数据之时，组态操作员站主要使用了D－OS系统，针对过程对象的监控和操作，设计人员设定了工业流程图操作面板和人机界面等。将项目树中定义的资源在硬件结构中指定为1个实际的硬件，把系统使用的变量设定为I/O及进行参数。图3为控制系统组态项目树。

3.4 制冷水系统控制策略设计

在测量冷水机的供回水温度时，根据冷量计算公式，可以算出实验中热量为41.868。对于压缩机来说，最重要的作用就是消耗外界能源，将制冷剂的形态压缩成高温高压状的气体，压缩机主要通过变频器实现变频调速。使用PID控制策略，远程使用DCS控制，经过PID，最终实现改变压缩机驱动电机供电频率的目标。压缩机的供电频率变化就带动了单位时间内排气压力的变化，控制了电子膨胀的程度和制冷剂流量。

电子膨胀阀主要负责对制冷剂的节流降压工作，控制制冷剂进入蒸发器中流量的多少，这种控制的精确度更高，反应也较为迅速，还使用标准的PID调节控制器作为辅助设施。在设计的控制系统中，蒸发器的数值是主要监控对象，电子膨胀阀是系统操作的执行部件，输入为蒸发器出口制冷剂过热度的数值。反之，输出为蒸发器出口制冷剂过热度。

4 结语

时代的快速发展，缔造了能源快速消耗的现状，对于现代化的建筑来说，中央空调是不可或缺的硬件设置，但是中央空调这种制冷设备所消耗的能源是巨大的。所以现阶段提出了智能中央空调的理念，为了减少不必要的能源损害，需要增强中央空调监控环境温度的能力，实时保持最佳制冷状态。本文笔者结合自身的经验和调查走访结果，基于“中央空调制冷系统”的内容特点，详细论述了DCS的中央空调制冷系统的控制问题，希望对相关工作者有所帮助。

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