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中央空調系統變頻節能改造及自控集成方案

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廣州華德汽車彈簧有限公司位于廣州增城永和鎮，占地面積80000平方米，是廣汽集團廣汽零部件有限公司的全資的下屬企業 .自2000年開始，公司產品研發技術水平及銷售規模，一直處于國內彈簧行業前三甲，其中扭桿產品約占國內總體市場份額的40%，穩居行業第一。 

中山市沅力科技只能科技有限公司成為廣汽華德廣州華德汽車彈簧有限公司的戰略合作伙伴，對其中央空調系統變頻節能改造及自控集成進行了改造，取得了良好的效益。

中央空調系統變頻節能改造及自控集成解決方案

一．中央空調系統變頻節能改造及自控集成概述

中央空調變頻節能自控系統初步設計由SIEMENS S7-200系列可編程序控制器(PLC)、Weinview MT6100i 觸摸屏(HMI)、SIEMENS M420/M430系列變頻器、Schneider電氣控制元件組成。控制系統分別對冷凍水泵組、冷卻水泵組、閥門等進行分組變頻控制，對制冷主機、冷卻塔風機進行臺式控制。冷凍水泵組（2臺泵）、冷卻水泵組（2臺泵）各配置1臺變頻器，采用一拖二變頻控制方案（循環變頻，自動變頻調節及啟停泵組）。

系統采用一套SIEMENS S7-200 PLC（CPU 226、EM235、EM222）分別控制對應的制冷主機、冷凍水泵組、冷卻水泵組、冷卻塔、閥門等。與變頻器之間采用SIEMENS RS485/USS協議通訊，與HMI采用SIEMENS RS485/PPI協議通訊。同時系統可根據需求增設工業以太網接口或BA接口，工業以太網接口方便集中監控計算機與PLC通訊進行遠程監控，預留的BA接口方便與樓宇自控系統(DDC)連接。

中央空調系統組成及流程圖（例圖）

中央空調控制系統初步設計組態圖（例圖）

二．中央空調系統變頻節能及自控集成

1.泵組的變頻控制

二臺冷凍水泵組采用一臺SIEMENS M430系列風機/泵類專業變頻器進行循環變頻控制，在冷凍循環水回水總管上安裝一臺溫度傳感器將冷凍水實時溫度采集到PLC進行數據標準化運算，PLC將標準化的冷凍水溫度和設定的冷凍水溫度送到PID控制模塊(我公司獨立開發的空調系統專用PID計算模塊)進行控制計算，輸出控制變量通過USS協議傳輸給變頻器進行恒溫變頻調節。PID控制模塊以采集的冷凍水溫度為過程計算參量，結合我公司多年積累的精確PID控制模塊數據整定經驗，使冷凍循環水溫度變化曲線更加平滑，動態響應調節及節能調節穩定，給用戶一個節能、舒適的使用環境。

二臺冷卻水泵組同樣采用一臺SIEMENS M430系列風機/泵類專業變頻器進行循環變頻控制，在冷卻循環水出水總管和回水總管上各安裝一臺溫度傳感器將冷卻出水和回水實時溫度采集到PLC進行數據標準化運算。PLC將PID主過程計算參量（標準化冷卻回水溫度）、PID動態計算參量（標準化冷卻水出水溫度）以及設定的冷卻水溫度送到PID控制模塊進行控制計算，輸出控制變量通過USS協議傳輸給變頻器進行動態恒溫及恒溫差變頻調節。使系統在最大節能的同時達到高效完美的熱量交換。

循環變頻的控制方式說明（以冷凍水循環泵組控制為例說明）：首先解釋名詞“下限頻率”，下限頻率是指冷卻水泵和冷凍水泵在系統變頻調速運行時為了維持制冷主機安全運行所需的基本水流量所設定的限制頻率。系統開始運行時首先變頻啟動一臺冷凍水泵組，泵組先以下限頻率開始運行，當PLC檢測到變頻器頻率到達下限頻率后自動切換到以設定溫度為參考值的PID調節變頻恒溫運行狀態。若在一定時間內（例如1000S，時間可設定）回水溫度小于等于設定溫度且調節頻率等于下限頻率時，系統將進入以下限頻率為限制值的恒速運行狀態，以保證制冷主機安全運行的基本水流量，當回水溫度大于設定溫度時自動恢復到PID調節變頻恒溫運行狀態。若變頻恒溫運行時回水溫度大于設定溫度且調節頻率大于49.99Hz持續一定時間（例如1000S，時間可設定），系統自動讓該泵組以工頻50Hz運行，同時啟動下一臺冷凍水泵組進行PID調節變頻恒溫運行，增加泵組運行方式依此類推。當啟動泵組臺數是2臺以上時，若一定時間內（例如1000S，時間可設定）回水溫度小于設定溫度且調節頻率等于下限頻率系統將停止以50Hz運行的工頻泵組，變頻調速運行泵組繼續以PID輸出的調節變量恒溫變頻運行。

2.冷卻塔風機的臺式控制

冷卻塔風機采用臺式控制，系統開機時自動啟動一臺冷卻塔風機，若在一定時間內（例如1000S，時間可設定）冷卻循環水進出水溫差小于溫差設定值時自動增加一臺冷卻塔運行，在一定時間內（例如1000S，時間可設定）冷卻循環水進出水溫差大于溫差設定值時自動停止一臺冷卻塔，在系統運行過程中至少有一臺冷卻塔在持續運行，以保證系統正常運行。

3.制冷主機的臺式控制

制冷主機采用臺式控制，系統開機時自動啟動一臺制冷主機，若在高峰期冷凍回水溫度一直大于設定溫度且制冷主機滿負荷運轉時，系統自動啟動第二臺制冷主機，若二臺制冷主機同時運行，冷凍回水溫度小于設定溫度且制冷主機負荷在50%時自動停止最先啟動或運行時間最長的制冷主機。在系統運行過程中至少有一臺制冷主機在持續運行，以保證系統正常運行。冷水機組自動調節控制，自控系統只對其進行臺式控制和狀態監控。

4.制冷主機的閥門控制

制冷主機的冷凍/冷卻循環水電動閥門按照開啟主機的序號自動打開并保持常開狀態，未開啟的主機冷凍/冷卻循環水電動閥門全部關閉并保持常閉狀態，同時系統監視閥門的實時狀態。

5.系統自動控制過程

點擊人機對話系統（HMI）的自動控制操作域，系統自動檢測制冷主機、冷卻循環水泵、冷凍循環水泵、冷卻塔、相應電動閥門等設備的當前是否是自動控制狀態、是否有故障等。當檢測到有設備沒有設置為自動狀態或故障時系統自動提示報警同時系統進入自動控制待機狀態；當同一類別設備都沒有設置為自動狀態或故障，沒有一臺可以自動控制時系統提示報警同時鎖定系統，等待該類別設備設置為自動狀態同時故障解除后系統進入自動控制待機狀態。

當系統自動控制準備完畢，點擊HMI的自動啟動按鈕或系統自動定時開機控制（定時開關機是系統在無人值守情況下，系統自動按照設定的開/關機時刻對系統自動執行開啟/關閉操作。例如星期一到星期五的早上8:00開機，下午5:00關機，周六周日系統自動待機，當然可以每天按操作員設置的時刻定時開關），系統按照檢測的結果（制冷主機及對應電動閥門的是否為自動控制狀態，是否故障或事件報警）和運行時間的長短首先確定運行主機的序號，打開該運行序號制冷主機對應的冷凍循環水/冷卻循環水電動閥門并且鎖定為常開狀態，系統檢測到冷凍循環水/冷卻循環水電動閥門安全開到位后自動變頻啟動冷凍循環水/冷卻循環水泵組，開始以下限頻率運行。此時系統檢測冷凍循環水壓力傳感器反饋壓力信號是否超過壓力保護設定值，若超壓系統會自動判定末端沒有開啟或故障系統會自動鎖定并且停止泵組，若壓力正常系統延時（例如30S，時間可設定）啟動運行序號的制冷主機，制冷主機完全開啟一定時間后系統進入自動變頻節能控制狀態。此時泵組、冷卻塔、制冷主機進入如上所述的自主、獨立、高效、節能的運行狀態環境。

當系統沒有供冷末端開啟或點擊HMI的自動停止按鈕以及系統自動定時關機時，系統自動停止制冷主機，然后延時（例如5min，時間可設定）停止冷凍循環泵、冷卻循環泵、冷卻塔，所有水泵完全停止后關閉冷水機組的相應電動閥門。

在運行過程中若檢測到某一類別的設備故障時系統自動切換到下一臺該類設備繼續運行同時提示報警，不影響系統的運行。若某一類別的設備全部故障時系統將執行鎖定程序，停止系統運行并提示報警。閥門類設備在開關機時執行檢測，運行過程中對其鎖定不會出現故障而停機的誤操作。

6.系統具體節能措施

系統設計了人性化控制程序（具有參數自整定優化程序），對系統數據進行記錄分析，計算出優化的控制參數使系統更加高效節能。

根據空調類設備的使用特殊性，系統每天提前30分鐘（時間可設定）開啟系統進入正常運行狀態，在使用時段開始時即可達到了舒適的使用環境，同樣在使用時段結束時提前60分鐘（時間可設定）關閉制冷主機，然后關閉冷卻循環水泵、冷卻塔，系統利用冷凍循環水的蓄冷繼續給會所供冷，在使用時段結束時停止冷凍循環水泵組，關閉相應的制冷主機電動閥門。

采用循環變頻控制技術使系統溫度恒定在設定溫度范圍內，在保證使用需求的同時可通過HMI對系統參數進行優化調整，使系統工作在一個高效、節能、安全的工作狀態。

7.系統手動操作

系統在自動出現鎖定或故障不能正常運行時，可通過HMI或控制面板按鈕按照安全的開關機操作順序對系統設備執行手動操作。

三．自動控制系統的特點

數據篩選技術將系統各泵組、制冷主機、冷卻塔的運行時間或次數按照大小順序排隊，啟動泵組按運行時間或次數由小到大的順序啟動，停止泵組按運行時間或次數由大到小的順序停止。按運行時間排隊的優點是每臺泵組運行時間平均，延長系統的整體使用壽命，減少系統維修量。同時也可以選擇按運行次數排隊，傳統的依次輪換、先啟先停、先停先啟模式。泵組故障或者屏蔽停用時自動退出泵組啟動和停止順序表，系統不再對其進行排隊處理，程序運行不受其影響。設備的輪換可以選擇運行過程中自動定時觸發輪換或者按每天系統啟動時觸發輪換。

變頻驅動技術在傳統變頻技術上對泵組無效工作區的頻率做了跨越處理，使泵組啟動時快速進入到有效工作區間，對泵組的變頻調節始終控制在其有效工作區間內，保證系統安全、高效運行，同時也避免了泵組在動態調節時進入了無效工作區而造成能源浪費。

運行數據采集模塊采用數據濾波器技術、數據偏差修正技術和斷線保護報警技術，有效的濾除外部干擾雜波信號，在系統數據和標準儀器檢測的參考數據之間出現偏差或維護更換不同量程傳感器時通過觸控人機對話系統進行數據修正或量程修改，為系統穩定運行提供準確的參考數據，當系統傳感器出現故障或斷線時自動報警并讓系統停機。同時系統對變頻器、設備電機泵組進行過熱、過流、過載、缺相、失速等多項檢測保證設備的安全運行。

觸控人機對話系統(HMI)，開發了動態圖形顯示界面，系統工作狀態顯示一目了然。實時在線修改參數，方便用戶參照技術數據對系統進行微調和整定，使系統工作在高效、節能、安全、穩定的最佳運行狀態。

系統內置了一鍵恢復功能，工程調試人員在調試時將系統最佳工作狀態數據寫入到一鍵恢復數據塊，當用戶自行修改參數使系統失調時只需輸入正確的管理密碼后執行一鍵恢復功能系統立即恢復如初。

事件報警數據歸檔把系統發生的各項事件和故障進行報警輸出，并且對數據進行分類歸檔記錄，方便歷史記錄查詢。同時對冷凍水/冷卻水溫度、壓力、調節頻率等創建歷史趨勢曲線供用戶查詢，為系統微調和整定提供可靠依據。

手動操作界面讓系統在維護時手動選擇對各泵組進行手動變頻或工頻操作，此時依然受到精確PID控制功能塊變頻恒壓控制，系統依然安全可靠運行。

多方通訊為貴公司的集中管理方式提供了多種選擇，根據要求選擇工業控制計算機或其他的DDC、DCS系統進行遠程集中監控，通訊方式可以根據現場使用需求設置以太網通訊、現場總線通訊，我公司將提供相應的通訊接口和系統集成。