大型办公楼中央空调冷源站控制系统软硬件设计剖析——以福建厦门瑞达金融广场中央空调冷源站为例

罗汉权

(厦门垒智建设有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

在竟争激烈的办公楼宇市场，5A智能建筑不断完善和提高实际运营效果，对业主、租方皆为利好，越来越引发人们的关注，而传统的中央空调冷源站控制系统基于自身的诸多不足已越来越不能满足时代社会需求，必须给予优化。基于此，本文以福建厦门瑞达金融广场中央空调冷源站为例，剖析其控制系统软硬件设计，助力大型办公楼中央空调冷源站控制系统优化。

1 项目概况

瑞达金融广场坐落在厦门观音山片区，分南、北楼，主要提供5A级写字楼办公服务，总建筑面积近10万m2，其中地下设计4层，地上29层，建筑高度116m(图1)。

图1 厦门瑞达金融广场 全景效果图

南楼面积约41 000m2，采用VRV直流变频系统设计；北楼面积约59 000m2,采用水冷中央空调系统设计(图2)，采用2台2110kW制冷量的离心式制冷机组及1台1096kW制冷量的螺杆式制冷机组，冷冻水供回水温度7/12℃，冷却水供回水温度32/37℃，冷却、冷冻泵系统皆采用一次泵变流量循环系统；冷却塔放置在南楼三层屋面；在传统的BAS控制系统中，基本上没有对整个中央空调冷源站系统的控制原理进行规划。因此，为实现对整个冷源站系统的控制全局一盘化，提前对冷源站系统的控制进行合理规划。

图2 暧通系统冷源站控制原理规划图(局部)

2 中央空调冷源站设计

传统BAS控制系统存在的强弱电控制(柜)分开设计、制作、再在现场联络控制，注重设备的控制，在强弱电一体化设计、电力计量、抗干扰设计、节能优化控制上存在较多不完善的地方。由于该项目为新建项目，因此为了解决上述问题，该项目在电力系统设计上，采集整个冷源站必要的用能设备的用电量数据，然后分别采用多功能电表对各台制冷主机进行能耗计量；冷却、冷冻、冷却风机系统分别采用冷源站就地独立配电设计，且分别设计有用电计量装置，采集并上传用电数据(图3)；在水泵动力柜的设计上，采用强弱电一体化设计，将变频驱动单元、PLC控制器安装在同一控制柜中，柜体内部上部区域为弱电控制，下部区域为强电控制，尽量减少不同工作面的电缆联接，少了传统BAS控制的强、弱电分离生产再在现场通过信号电缆进行联结的短板，同时提高了可靠性及维护的便利性；而且，利用前后错位安装，既美观，又有利于变频驱动单元的散热；同时，在弱电控制回路上采用隔离电路设计，提高了抗干扰能力。柜体面板就地操作区域设计为安全盒式操作控制面板，对控制进行安全锁管理，防止误动作或控制(图4)；在制冷量数据设计上，采用在集水器回水主管上设计能(流)量计，采集累积冷量、瞬时冷量、流速等数据；在传感单元设计上，分别在冷却水供回水总管、冷冻水集分水器设计有PT100型3线制无源型温度传感器；在集分水器上安装有压力传感单元，设计有室外环境温湿度传感器、室内冷源站环境温湿度传感器；在设备受控范围设计上，整体考虑暧通设备，将制冷主机、冷却水泵、冷冻水泵、冷源站阀门、冷却风机、冷却风机端阀门、传感单元、多功能电表、能(流)量计、温湿度传感器、能量平衡调节阀等设备纳入集中控制(表1)，同时预留第三方设备用的对接功能，通过以上功能性的设计，为实现无人值守型的控制系统打下基础。强弱电一体化成套柜内外部局如图4所示。

图3 冷冻系统动力配电设计

图4 强弱电一体化成套柜内外布局

表1 受控设备及其点位表、通信表

在通信方面，基于先前的BAS系统对关键设备均是集中控制，只要集中控制单元或链路异常，则会导致控制系统对应的链路上的设备全部都不能正常运行，该项目整个系统主网采用全以太网网络架构设计(图5)，各单元独立控制。这样，当对应设备的控制单元或链路异常时，不会影响到其它设备的正常工作，不仅提高了系统的稳定性、安全性，还提高了受控设备在接收指令或反馈信息时的影响速度(300MS左右响应)及大流量数据通信能力。而且，制冷主机通过通信协议通信读写主机数据，对多功能电表、能(流)量计等仪表，通过MODBUS-RTU通信方式都能分别读取用电量、冷量等数据。

图5 以太网架构设计

在传统BAS控制系统中，一般都没有提供较为可行的运行策略。为此，该项目为实现暧通系统智能化及节能控制上无人值守型的运行，在考虑整个冷源站设备使用时，根据末端办公情况，通过合理分配设备的运行，确定设备的运行策略(表2)。该控制策略可以在软件上进行设定、更改，组合为多种控制策略，方便运营根据人流、办公情况等负荷的变化进行运行策略调整，以满足各种运营需要。

表2 运行策略(供冷期为每年的5月份～11月份)

3 中央空调冷源站控制工艺设计

传统BAS系统着重于对设备的控制，对节能运行存在有待提高的空间。基于该项目为新建项目，除了注重设备的智能化控制外，对高效节能运行有着更高的要求，因此采用了科之杰中央空调能效管理控制系统进行控制。该项目中央空调能效管理控制系统，从工程学理念出发，不仅对中央空调各部分进行全面控制，而且通过系统集成技术将各个控制子系统在物理上、逻辑上和功能上互连在一起，并在一个计算机平台上进行集中控制和统一管理，实现各信息的综合、预测、资源共享，实现中央空调全系统的一体化智能控制、精细化管理和高效节能运行。

根据智能预测算法[2]与数据库中记录的各种工况参数下的设备运行状态数据(历史运行数据)，实时预测计算出输出参数，对冷冻水泵进行负荷随动控制，即根据末端空调参数的变化情况，对系统的冷冻水流量进行控制。在满足末端温度要求的况下，通过泵组优化选择，最大限度地减少冷冻水管网的阻力及冷冻水泵的转速和功率，降低冷冻水泵的能耗；在控制参数遭遇环境温度、空调末端负荷发生变化时，各路冷冻水温度、温差、压差、流量均能随之发生变化，温度传感器、压差传感器、流量计将检测到的实时数据送入智能控制器，智能控制器根据此数据及历史运行数据，实时预测计算出末端空调所需的制冷量，以及各路冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值[3]，并以此调节各变频器输出频率，调节冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统供回水温度、温差、压差和流量运行在智能控制器给出的最优值。同时，在现场调节中，根据水泵的杨程、流量、主机冷冻水流量要求(冷冻水量M3/H=主机额定制冷量×0.603M3/H×主机运行负荷%)，计算出冷冻水泵的运行频率的下限值,再结合现场试验去验证计算出的下限值，最终确定满足主机冷冻水流量时且主机并不发生报警、喘振等故障的实际频率下限值，并由此可以确定冷冻水泵运行时的频率下限值与频率上限值之间无级自动闭环调节，实现高效节能，在软件界面上频率上下限值、控制目标值SP皆可以设定及调整。

对冷却水及主机采用智能优化算法，即当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率也随之发生变化，系统的最佳转换效率也随之发生变化，智能控制器在动态预测控制冷媒循环的前提下，依据所采集的空调系统实时数据及历史运行数据，计算出冷却水最佳进、出口温度值SP，并与实际运行的PV值进行比较，计算出偏差值△T=∣SP-PV∣，动态调节冷却水泵的流量(及冷却塔风机的风量)，使系统转换效率逼进不同负荷下的最佳值，从而实现中央空调主机与冷却水系统运行的综合消耗能源的最低组合；根据制冷系统的特点，若要增大主机的冷却效果以提高主机的效率系数(COP)，冷却水泵的能耗就要增加；若要使冷却水泵的能耗同比减少，则必然会引起主机多耗能，科之杰中央空调智能化与节能系统已经把主机和冷却系统能耗之和作为一个重要的参数进行控制，在各种运行工况下，力求主机和冷却系统能耗之和为最低；在现场调节中，根据水泵的杨程、流量、主机冷却水流量要求(冷却水量M3/H=主机额定制冷量×0.722M3/H×主机运行负荷%)，计算出冷却水泵的运行频率的下限值,再结合现场试验去验证计算出的下限值，最终确定最终满足主机冷却水流量时且主机并不发生报警、喘振等故障时的实际频率下限值，并依此确定冷却水泵运行时的频率下限值与频率上限值之间无级自动闭环调节，实现高效节能，在软件界面上频率上下限值、控制目标值SP皆可以设定及调整。

综之，通过对整个冷源站为整体控制对象为出发点的设计，系统能够实现对冷水机组启停的优化选择，并能够通过计算主机COP或主机负荷,对开机的台时数进行有效的控制、机组之间将引入自动加减机功能。从系统经过制冷季的运行效果来看，非常适合中央空调这样复杂的、非线性的和时变性的控制，系统综合节能率达23%。

4 中央空调冷源站受控设备测控内容及群控设计

4.1 冷水机组智能控制系统监控内容

冷冻水回水能(流)量值、室内环境温湿度值、制冷主机运行信号、故障信号、干节点起/停控制信号；通过MODBUS-RTU通信协议，读取单台机组的冷却水进出水温度值、冷冻水进出水温度值、制冷主机运行时间、主机电流占比负荷值、冷凝压力，膨胀压力、油压等数值。

4.2 冷冻智能控制系统监控内容

冷冻水供回水温度值、冷冻水供回水压差、冷冻水泵本地/远程选择、冷冻水泵运行信号、故障信号、启/停控制信号、频率反馈值、频率给定值、备用/常用选择信号。

4.3 冷却智能控制系统监控内容

冷却水供回水温度值、冷却水泵本地/远程选择、冷却水泵运行信号、故障信号、启/停控制信号、频率反馈值、频率给定值、备用/常用选择信号。

4.4 冷却风机智能控制系统监控内容

冷却水供回水温度值、冷却风机本地/远程选择、冷却风机运行信号、故障信号、启/停控制信号、台数信号、室外温湿度值。

4.5 开关制冷机组流程

开流程：按时间假日程序或根据空调负荷决定开启一台冷水机组，根据每台冷水机组的运行时间选出运行时间最短的冷水机组，确认这台冷水机组的冷却水电动蝶阀和冷冻水电动蝶阀开启后，启动冷却水泵，确认冷却水泵开启后，启动冷冻水泵，确认冷冻水泵开启后，再开启冷水机组、启动冷却风机。

关流程:按时间假日程序或根据空调负荷决定关闭一台冷水机组→根据每台冷冻机的运行时间选出运行时间最长的→关闭这台冷水机组→确认关机以后，关闭冷冻水泵→确认冷冻水泵停机后→等冷冻机停机后5min后，停冷却水泵、冷却风机。

4.6 冷水机组台数控制

系统主要根据冷冻水供回水管的流量及集水器、分水器的温差，计算负荷，对冷水机组进行群控；如若改造条件所限时，将依据主机电流负荷进行控制；冷水机组加载/卸载(自动加减机)次序的原则是依据冷水机组累计运行时间，时间短的先开，时间长的后开，时间长的先停，时间短的后停。

5 中央空调冷源站软件设计

在硬件设计要求稳定、可靠、可维护性的基础上，底层PLC软件的设计完全接照控制工艺的要求进行设计与编写，显示端软件界面主界面一目了然(图6)，提供报警功能、记录功能、监测功能、权限设置功能、报表功能[1]、趋势曲线图功能、整点数据报表生成功能(表7)、参数设定功能(图8)，整个显示端软件界面的设计以方便、简单、易懂的操作为主(图9～图10)。

图6 主控制界面

图7 整点数据报表功能

图8 参数设定功能

图9 方便、简单、易懂的操作显示端软件界面一

图10 方便、简单、易懂的操作显示端软件界面二

在软件界面中，设定好运行策略后，当运营人员一键发出运行指示信号(或时间自动触发)时，整个机组接受到此信号时，首先根据纳入群控的设备(各机组是否纳入群控)开启台数(整个机组中，希望的开机数)、自动加减机判断时间、单台机组运行时加机参数设定值、2台机组运行时加机参数设定值、3台机组运行时减机参数设定值、2台机组运行时减机参数设定值、参控设备置在远程自动状态下等各运行参数范围内，开启满足上述参数要求的设备中运行时间最少的机组。开启顺序先开启该机组的冷却端冷门(包含冷却风机端阀门)、冷冻端阀门，在确保冷却端阀门开到位后，自动开启冷却水泵，这时冷却水泵会根据冷却水系统的控制策略进行变流量调节，冷却风机会根据其台数控制策略进行工作；冷冻端阀门开到位后，自动开启冷冻水泵，这时冷冻水泵会运行在其负荷随动控制策略上，等水泵频率关闭稳定后，开启该制冷主机。随着负荷的变化，如果末端负荷增大，触发单台机组运行时的加机参数设定值时，则会在开启满足上述参数要求的设备中运行时间第二少的机组，其开机过程与首台类同，如果末端负荷继续集增大，触发2台机组运行时的加机参数设定值时，则会在开启满足上述参数要求的设备中运行时间第三少的机组，开机过程与首台类同，反之则减机；如果是减机组时，会先停机组，5min后停冷却风机、相应的冷却水泵、冷冻水泵、最后关相应的阀门。上述提到的参数，软件界面上可以设定与调整；整个控制过程稳定、可靠、高度智能化。

6 结语

综上，对比传统BAS系统的设计，该项目采用优化软硬件设计，使瑞达金融广场中央空调冷源站控制系统在智能化、节能控制方面在福建尚属领先，为引领地区相关项目的应用提供了示范作用。同时，可为瑞达金融广场创造一个舒适及安全的工作环境，并大大节约能源。