林 愉,李 輝

(1.廣東白云學(xué)院機(jī)電系,廣州510450;2.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,贛州341000)

1 引 言

集中冷站是實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)制冷功能的冷源,主要負(fù)責(zé)在單位時(shí)間內(nèi)制備充足的冷凍水量,同時(shí)輸向多個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)的末端空調(diào)設(shè)備,以滿(mǎn)足多個(gè)用戶(hù)群空調(diào)的需求。集中冷站由一個(gè)龐大的設(shè)備群組成,主要包括:冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍泵、分水器、集水器、恒壓罐、水處理設(shè)備、蝶閥、和水管路等。

當(dāng)所有設(shè)備安全、合理的協(xié)同運(yùn)作時(shí),冷站水系統(tǒng)才能最大限度的發(fā)揮出生產(chǎn)能力,為此,研究和設(shè)計(jì)科學(xué)合理的集中冷站設(shè)備控制方案,是確保水系統(tǒng)設(shè)備群安全協(xié)同運(yùn)作的關(guān)鍵,實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮最大制冷功能的基礎(chǔ)。設(shè)備控制方案主要包括:低壓配電控制和自動(dòng)化控制。前者負(fù)責(zé)向設(shè)備提供動(dòng)力用電,實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常開(kāi)機(jī)、運(yùn)行和停機(jī),同時(shí)切斷故障設(shè)備電源,保證設(shè)備的電氣安全性;后者,主要對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程啟、停控制,及時(shí)將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警信息反饋到監(jiān)控中心視屏上,以便監(jiān)控中心隨時(shí)掌控設(shè)備運(yùn)行情況并及時(shí)處理各種事故。

2 低壓配電控制方案的設(shè)計(jì)

設(shè)備低壓配電控制主要針對(duì)水系統(tǒng)中的機(jī)電設(shè)備,控制方案如圖1所示。電源經(jīng)變壓器整定變壓到設(shè)備所需電壓后,通過(guò)電纜線或電纜母排從變電所引至配電房,接入電控柜主空氣開(kāi)關(guān)的上樁,然后從主空氣開(kāi)關(guān)下樁接至控制柜各單元的電控抽屜內(nèi)空氣開(kāi)關(guān)上樁,最后從電控抽屜接入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電源輸入端。考慮到有些設(shè)備每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行,為確保設(shè)備不斷電,引入來(lái)自不同發(fā)電廠的兩路電源到配電室的電控柜,以確保設(shè)備的連續(xù)正常運(yùn)行。

圖1 低壓配電控制方案

2.1 電控抽屜控制原理

電控抽屜是控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作的開(kāi)關(guān)柜,主要用于控制可直接啟動(dòng)的設(shè)備開(kāi)停機(jī),柜內(nèi)裝有空氣開(kāi)關(guān)、過(guò)載保護(hù)器、繼電器、主、輔接觸器、遠(yuǎn)控和配控轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、指示燈、電流表、電壓表和熱繼電器等設(shè)備。當(dāng)設(shè)備載超過(guò)電流運(yùn)行時(shí),空氣開(kāi)關(guān)和過(guò)載保護(hù)器會(huì)自動(dòng)跳開(kāi),使設(shè)備斷電,同時(shí)過(guò)載保護(hù)器會(huì)自動(dòng)記入設(shè)備故障時(shí)的電氣運(yùn)行參數(shù)。

電控抽屜控制原理:通過(guò)弱電控制強(qiáng)電導(dǎo)通,將遠(yuǎn)控和配控轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打至配控?fù)?按下開(kāi)機(jī)按鈕,抽屜內(nèi)開(kāi)機(jī)繼電器得電吸合,并使輔、主接觸器先后得電吸合,從而使電控抽屜所控設(shè)備得電啟動(dòng)運(yùn)行。

將遠(yuǎn)控和配控轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打至配控?fù)?按下停機(jī)按鈕,抽屜內(nèi)停機(jī)繼電器吸合,并控制輔、主接觸器先后失電斷開(kāi),從而使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備斷電停機(jī)。當(dāng)設(shè)備過(guò)電流運(yùn)行一段時(shí)間時(shí),抽屜內(nèi)過(guò)載保護(hù)器會(huì)動(dòng)作,控制抽屜內(nèi)主電源空氣開(kāi)關(guān)斷開(kāi),使電控抽屜和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備失電,設(shè)備停止運(yùn)行。

2.2 電動(dòng)機(jī)控制原理

冷站大部分設(shè)備屬于旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械,多由三相異步電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)做功。這些旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械的低壓配電控制主要通過(guò)電機(jī)控制實(shí)施。電機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常啟、停;降低電機(jī)啟、停對(duì)供電網(wǎng)的沖擊;對(duì)電機(jī)短路、過(guò)載、堵轉(zhuǎn)和斷路等事故狀態(tài),進(jìn)行電氣安全保護(hù)。對(duì)于小功率電機(jī),當(dāng)其功率與供電變壓器容量比值小于20%,可允許直接啟動(dòng),如冷站設(shè)備中的電動(dòng)蝶閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)和補(bǔ)水泵等小功率電機(jī)。對(duì)于大功率電機(jī)采用軟啟動(dòng)、星三角啟動(dòng)或變頻啟動(dòng),改變電機(jī)的啟動(dòng)電壓和電阻,降低電機(jī)啟動(dòng)電流,改變電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,以減少起動(dòng)瞬時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊;待電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),啟動(dòng)電流降低后,恢復(fù)電機(jī)的正常供電電壓,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2.1 大功率電機(jī)軟啟動(dòng)原理 當(dāng)電機(jī)功率較大,啟動(dòng)電流很大時(shí),采用軟啟動(dòng)器使電機(jī)軟啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中,軟啟動(dòng)器改變電機(jī)的輸入電壓,使電壓按預(yù)設(shè)的函數(shù)變化關(guān)系逐漸加大,電機(jī)轉(zhuǎn)速和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也逐漸增大,當(dāng)電機(jī)完全啟動(dòng)時(shí),電機(jī)輸入電壓增至全壓。軟啟動(dòng)的方式包括:脈沖沖擊啟動(dòng)、斜波升壓軟啟動(dòng)、階躍啟動(dòng)和斜波恒流軟啟動(dòng)。對(duì)于冷站水系統(tǒng)泵類(lèi)設(shè)備,較常采用斜波恒流軟啟動(dòng),在電機(jī)啟動(dòng)初級(jí)階段,逐漸增加啟動(dòng)電流,當(dāng)電流升至預(yù)設(shè)的整定值后,保持恒定,直到啟動(dòng)完畢。電流的變化速率根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)定,電流的變化速率快,則電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間短,輸出轉(zhuǎn)矩大。同時(shí),軟啟動(dòng)器可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行軟停機(jī),如水泵停機(jī)時(shí),為防止水錘效應(yīng),不能瞬間停機(jī),可通過(guò)軟啟動(dòng)器,使水泵在一段時(shí)間內(nèi)由運(yùn)行狀態(tài)逐漸過(guò)渡到完全停機(jī)狀態(tài)。

2.2.2 大功率電機(jī)星—三角降壓?jiǎn)?dòng)原理 冷站設(shè)備中的冷水機(jī)組電機(jī)功率較大,設(shè)計(jì)采用星-三角轉(zhuǎn)換降壓?jiǎn)?dòng),星形啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩只有三角啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的1/3。此啟動(dòng)方式所需設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低、啟動(dòng)電流小,但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,啟動(dòng)電壓不能按實(shí)際需要調(diào)節(jié),僅適用于空載或輕載啟動(dòng)的場(chǎng)合。

2.2.3 電機(jī)變頻啟動(dòng)原理 冷站冷凍二次泵主要負(fù)責(zé)為冷凍水在集水器、末端空調(diào)機(jī)組和分水器之間循環(huán)流動(dòng)提供動(dòng)力,由于末端空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷適時(shí)變化,因此對(duì)冷凍水量的需求也應(yīng)適時(shí)變化。為滿(mǎn)足制冷工況的變化需求,冷凍二次泵采用變頻器控制啟動(dòng)和運(yùn)行,調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,使水泵流量滿(mǎn)足用戶(hù)需求。變頻器通過(guò)整流裝置將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電,然后再通過(guò)逆變裝置把直流電轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可變的交流電。

冷凍泵變頻運(yùn)行的頻率值,通過(guò)自控系統(tǒng)根據(jù)安裝于末端空調(diào)區(qū)域的溫度傳感器和濕度傳感器檢測(cè)的溫度和濕度,計(jì)算出末端空調(diào)區(qū)域的冷負(fù)荷以及所需的冷凍水量來(lái)確定,并由自控系統(tǒng)向變頻器發(fā)出運(yùn)行該頻率值的指令,實(shí)現(xiàn)變頻器帶動(dòng)水泵在該頻率工況下運(yùn)行。

3 設(shè)備自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì)

冷站水系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化控制的主要目的是:監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),適時(shí)將設(shè)備運(yùn)行情況反饋到監(jiān)控視屏,方便工作人員及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況,及時(shí)處理各種突發(fā)事件;實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程開(kāi)、停機(jī);運(yùn)用相應(yīng)的開(kāi)、停機(jī)模式,優(yōu)化設(shè)備的開(kāi)停機(jī)順序和間隔時(shí)間,實(shí)現(xiàn)設(shè)備高效的自動(dòng)開(kāi)停機(jī)。自控系統(tǒng)主要從低壓配電系統(tǒng)獲取相應(yīng)的控制點(diǎn),將控制線路接至配電室內(nèi)電控柜各相應(yīng)電控抽屜內(nèi)的繼電器上,通過(guò)控制相關(guān)的繼電器,控制抽屜內(nèi)接觸器吸合和斷開(kāi);而且通過(guò)相應(yīng)的繼電器接收設(shè)備的狀態(tài)反饋信號(hào);同時(shí)還引線至就地控制箱,接收就地控制箱的運(yùn)行反饋信號(hào)。自控系統(tǒng)將控制線路接入變頻器的控制主板,控制變頻器的運(yùn)行頻率和接受變頻器運(yùn)行反饋信息。自控系統(tǒng)與冷水機(jī)組也設(shè)置有通信接口,將控制線路接至機(jī)組的控制主板,以控制機(jī)組開(kāi)停機(jī)和接收機(jī)組的狀態(tài)信息。

冷站自控系統(tǒng)主要由工控上位機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、交換機(jī)、溫濕度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)、UPS不間斷電源、通信線纜和輸入輸出模塊等設(shè)備組成。通過(guò)匯編計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程,可在系統(tǒng)的上位工控機(jī)顯示屏上實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的可視控制畫(huà)面,點(diǎn)選設(shè)備圖標(biāo),即出現(xiàn)設(shè)備開(kāi)、停機(jī)的控制按鈕,點(diǎn)選這些按鈕即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開(kāi)、停機(jī)。冷站自控系統(tǒng)把從終端設(shè)備 (電控柜抽屜、變頻器、冷水機(jī)組控制主板、就地控制箱和各類(lèi)傳感器等)采集的信息,經(jīng)過(guò)通信線纜傳送到下位機(jī)輸入輸出模塊,再由輸入輸出模塊傳送到PLC控制系統(tǒng),經(jīng)PLC控制系統(tǒng)處理后,由PLC控制系統(tǒng)傳送到上位工控機(jī),將信息顯示在工控機(jī)顯示屏上,讓工作人員及時(shí)了解設(shè)備信息 (作為歷史記錄保存在工控機(jī)內(nèi),方便以后查閱),從而在工控機(jī)上發(fā)出各項(xiàng)指令。指令從工控機(jī)上傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng),經(jīng)PLC控制系統(tǒng)處理后,被傳送到輸入輸出模塊,再由輸入輸出模塊傳輸?shù)较鄳?yīng)終端設(shè)備的控制面板,控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作。設(shè)備動(dòng)作后再將狀態(tài)信息反饋到上位工控機(jī)顯示屏上。自動(dòng)化控制原理示意圖如圖2所示。

3.1 自控系統(tǒng)正常模式開(kāi)停機(jī)注意事項(xiàng)

自控系統(tǒng)正常模式開(kāi)停機(jī)主要用于設(shè)備的正常開(kāi)停機(jī),各類(lèi)控制模式用計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言編程,寫(xiě)入PLC控制系統(tǒng),當(dāng)用戶(hù)選中執(zhí)行某一模式時(shí),控制系統(tǒng)將自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的程序。當(dāng)然,模式執(zhí)行成功與否與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)有關(guān)。

用模式統(tǒng)一開(kāi)機(jī)時(shí),需合理的制定各設(shè)備的開(kāi)機(jī)順序和開(kāi)機(jī)間隔時(shí)間,應(yīng)避免多臺(tái)設(shè)備同時(shí)啟動(dòng),使啟動(dòng)電流過(guò)大,造成電網(wǎng)跳閘。對(duì)于水系統(tǒng)設(shè)備,開(kāi)機(jī)順序不當(dāng),可能導(dǎo)致冷水機(jī)組不能起動(dòng),電動(dòng)蝶閥開(kāi)不到位。水泵和冷水機(jī)組開(kāi)機(jī)前,應(yīng)先將管路上的各類(lèi)閥門(mén)打開(kāi),再開(kāi)啟水泵和冷水機(jī)組。水泵開(kāi)機(jī)設(shè)置與電動(dòng)蝶閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)聯(lián)鎖,只有當(dāng)閥門(mén)開(kāi)到位后,才能正常開(kāi)機(jī)。同時(shí),冷水機(jī)組開(kāi)機(jī)設(shè)置與相應(yīng)的冷凍一次泵和冷卻泵聯(lián)鎖,否則容易造成冷水機(jī)組跳停。

水系統(tǒng)設(shè)備正常開(kāi)機(jī)順序?yàn)?開(kāi)啟閥門(mén)→開(kāi)啟冷凍一次泵→開(kāi)啟冷卻水泵→開(kāi)啟冷凍二次泵→開(kāi)啟冷卻塔→開(kāi)啟冷水機(jī)組。水系統(tǒng)設(shè)備停機(jī)時(shí)也應(yīng)注意設(shè)備的關(guān)停順序,為防止冷水機(jī)組跳停,應(yīng)先停冷水機(jī)組,再停泵,后關(guān)閥,正確的停機(jī)順序?yàn)?關(guān)停冷水機(jī)組→關(guān)停冷卻泵→關(guān)停冷凍二次泵→關(guān)停冷凍一次泵→關(guān)停冷卻塔→關(guān)閉閥門(mén)。

圖2 自動(dòng)化控制原理示意圖

3.2 自控系統(tǒng)事故模式工作原理

自控系統(tǒng)事故模式主要用于爆管等事故狀態(tài)下,控制設(shè)備停機(jī),切斷設(shè)備電源,并通知相關(guān)人員及時(shí)處理。其控制模式用計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言編程,寫(xiě)入PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行。系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中,安裝于水系統(tǒng)管路上的壓力傳感器、溫度傳感器和流量計(jì)適時(shí)檢測(cè)管路中的運(yùn)行參數(shù),控制系統(tǒng)根據(jù)管路中的運(yùn)行參數(shù)判斷整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。若傳感器檢測(cè)到管路中某處壓力和流量下降很快,說(shuō)明水管某處可能發(fā)生爆管,控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息,指令工作人員前去現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。若故障現(xiàn)象持續(xù)一段時(shí)間,控制系統(tǒng)將執(zhí)行爆管事故模式,迅速關(guān)停所有設(shè)備和所有閥門(mén)。

4 結(jié)論

集中冷站水系統(tǒng)是中央空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng),其運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能,而最大限度發(fā)揮冷站水系統(tǒng)設(shè)備功能的關(guān)鍵,則是設(shè)計(jì)制定一套科學(xué)、合理的控制策略,以保證設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。設(shè)備控制方案主要包括低壓配電控制和設(shè)備自動(dòng)化控制。先進(jìn)的低壓配電控制是整個(gè)控制策略的基礎(chǔ),是最為關(guān)鍵的一環(huán),其控制策略的合理性將直接影響設(shè)備的正常起動(dòng)、運(yùn)行性能和設(shè)備安全等。針對(duì)大功率電機(jī)的起動(dòng),設(shè)計(jì)采用軟啟動(dòng)、星—三角啟動(dòng)或變頻啟動(dòng),通過(guò)改變電機(jī)的啟動(dòng)電壓和電阻,降低電機(jī)啟動(dòng)電流,改變電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,能有效減少起動(dòng)瞬時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。設(shè)備自動(dòng)化控制大多建立在低壓配電系統(tǒng)基礎(chǔ)之上,建立與低壓配電設(shè)備間的通信接口,準(zhǔn)確設(shè)定與各類(lèi)設(shè)備的通信協(xié)議,保證冷站水系統(tǒng)處于最優(yōu)的運(yùn)行工況,實(shí)現(xiàn)集中冷站的各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能,達(dá)到安全、高效、節(jié)能的目的。

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