楊愛明，蔣森柯（.寧波大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 35000；.南京安廈房屋安全鑒定檢測事務(wù)所，江蘇 南京 009）

隨著科技的發(fā)展以及環(huán)境和資源問題的出現(xiàn),節(jié)能高效和智能環(huán)保已經(jīng)成為對中央空調(diào)控制系統(tǒng)的新要求。但是，如何將空調(diào)機(jī)房的高效運(yùn)行與智能控制有機(jī)結(jié)合，一直是中央空調(diào)從業(yè)人員面臨的一個難題。根據(jù)某創(chuàng)新中心中央空調(diào)的特點(diǎn)，在充分考慮系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能要求后，對中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計。

1 控制系統(tǒng)要求

1.1 項目概況

某創(chuàng)新中心辦公區(qū)建筑面積約為 22 萬 m2，辦公區(qū)夏季制冷采用 3 臺 4 220 kW 蒸汽溴化鋰機(jī)組，二次泵變流量系統(tǒng)；冬季制熱采用 2 臺 4 000 kW 板殼式汽水換熱機(jī)組,一次泵變流量系統(tǒng)。制冷制熱季節(jié)工作日 8:00～17:30 運(yùn)行。

1.2 控制要求

對辦公樓區(qū)的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組、汽水換熱機(jī)組、空調(diào)負(fù)荷一次側(cè)循環(huán)泵、空調(diào)負(fù)荷二次側(cè)循環(huán)泵、空調(diào)冷卻水循環(huán)泵、開式冷卻塔、電動閥等完成智能化控制、節(jié)能運(yùn)行和設(shè)備管理[1]。根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)所有設(shè)備的運(yùn)行；針對冷源特點(diǎn),采用有效的控制方法,以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)良好的節(jié)能效果。

1.3 運(yùn)行控制策略

各設(shè)備的基本控制策略有以下幾個方面。

（1）空調(diào)負(fù)荷側(cè)一次循環(huán)泵及冷卻泵根據(jù)主機(jī)運(yùn)行臺數(shù)和一次側(cè)供回水溫差判斷水泵運(yùn)行臺數(shù)及相應(yīng)頻率。水泵最低頻率時水流量不得低于主機(jī)要求的最低水流量。

（2）冷卻塔風(fēng)機(jī)根據(jù)冷卻水供回水水溫控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)及相應(yīng)頻率。

（3）空調(diào)負(fù)荷側(cè)二次循環(huán)泵與末端分區(qū)一一對應(yīng)。當(dāng)對應(yīng)分區(qū)需要制冷時,開啟對應(yīng)分區(qū)水泵，并通過中央空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)測分區(qū)供回水管上的溫度傳感器,通過溫差控制水泵的運(yùn)行頻率。

（4）系統(tǒng)專用智能工作站通過溴化鋰吸收式制冷機(jī)組開放式通用協(xié)議及汽水換熱機(jī)組開放式通用協(xié)(如 ModBus 等),讀取機(jī)組的各項參數(shù)。通過中央空調(diào)控制系統(tǒng)檢測集水器溫度，檢測（間隔可設(shè)）1 次/30 min，當(dāng)溫度大于加載設(shè)定溫度，則增加 1 臺主機(jī)，最多增加至 3 臺；當(dāng)溫度小于減載設(shè)定溫度，則減少 1 臺主機(jī)，最少減少至 1 臺。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文中央空調(diào)智能化控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC（Programmable Logic Controller） 可編程邏輯控制器和HMI（Human Machine Interface）人機(jī)界面組成[2]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

中央空調(diào)控制器主要控制制熱機(jī)組、制冷機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔以及接收壓力傳感器與各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等模擬量輸入和開關(guān)量輸入。然后通過 TCP/IP 協(xié)議傳送至上位機(jī)[3]，由上位機(jī)對中央空調(diào)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控與采集。

2.2 系統(tǒng)邏輯控制原理

中央空調(diào)控制系統(tǒng)利用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、PLC 和 HMI三者的數(shù)據(jù)互通[4]，實(shí)現(xiàn)機(jī)房遠(yuǎn)程操縱中央空調(diào)的功能。系統(tǒng)存在手動控制模式、夏季制冷單機(jī)聯(lián)控模式、夏季制冷定時自動控制模式、冬季制熱單機(jī)聯(lián)控模式和冬季制熱定時自動控制模式,可以通過遠(yuǎn)程輸入相關(guān)指令操縱控制器。空調(diào)初始化時默認(rèn)手動控制模式，此時中央空調(diào)控制器按最近一次參數(shù)設(shè)置運(yùn)行。邏輯控制如圖 2 所示。

圖2 邏輯控制圖

3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

中央空調(diào)系統(tǒng)的控制有 3 種控制方式[5]，包括早期的繼電器控制系統(tǒng)、DDC（Direct Digital Control）直接數(shù)字控制以及 PLC 控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗高等明顯的缺點(diǎn)已逐漸被淘汰。DDC 雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展，但由于 DDC 本身的抗干擾能力問題和分布式結(jié)構(gòu)的局限性限制了其應(yīng)用范圍。相反，PLC 控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用與維護(hù)均很方便、抗干擾能力強(qiáng)、適合新型高速網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這些顯著的優(yōu)點(diǎn)使其逐步得到廣泛的應(yīng)用。

3.1 系統(tǒng)硬件選擇

本設(shè)計選用西門子 S7-200 SMART 系列的 PLC，一共有36 個數(shù)字量輸入口，24 個數(shù)字量輸出口。由于控制器本身自帶數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)位個數(shù)不足，同時需要采集多個溫度以及閥門開度等模擬量, 所以在設(shè)計中選用了 1 塊 EM DR 32 數(shù)字量輸入/輸出模塊、1 塊 EM DE 16 數(shù)字量輸入/輸出模塊、2 塊 EM AE 08 模擬量輸入模塊和 2 塊 EM AQ 04 模擬量輸出模塊。

3.2 系統(tǒng) I/O 分配表

結(jié)合中央空調(diào)的控制要求,部分?jǐn)?shù)字量 I/O 分配表如表 1所示，模擬量 I/O 分配表如表 2 所示。

表1 數(shù)字量 I/O分配表

表2 模擬量I/O分配表

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

4.1 PLC 下位機(jī)設(shè)計

4.1.1 下位機(jī)簡介

程序編寫使用西門子公司自帶軟件 STEP 7-MicroWIN SMART,并采用梯形圖語言進(jìn)行編程。PLC 程序塊主要包括：主函數(shù)、手動模式、夏季單機(jī)聯(lián)控、冬季單機(jī)聯(lián)控、夏季定時控制、冬季定時控制、定時、反饋、關(guān)機(jī)等。

（1）主函數(shù)：當(dāng) PLC 得電時,進(jìn)入主函數(shù),程序塊如果需要運(yùn)行必須通過主函數(shù)進(jìn)入。SM0.0 為西門子特殊存儲器,作用是上電運(yùn)行時得電接通。SM0.0 得電接通后進(jìn)入運(yùn)行故障反饋與運(yùn)行時間兩程序塊。VW 500 表示運(yùn)行狀態(tài),通過上位機(jī)或 HMI 來改變數(shù)值，數(shù)值 1～5 分別表示手動模式、夏季單機(jī)聯(lián)控、冬季單機(jī)聯(lián)控、夏季定時控制、冬季定時控制,當(dāng)數(shù)值更改后會進(jìn)入對應(yīng)的程序塊。例如在手動模式中，每個設(shè)備的開啟與關(guān)閉都有單獨(dú)的控制按鈕。按下開啟按鈕時設(shè)備開啟，按下關(guān)閉按鈕時設(shè)備關(guān)機(jī)。

當(dāng)數(shù)值為 4 或 5 時會進(jìn)入對應(yīng)的定時控制程序塊,同時也會進(jìn)入定時的程序塊，通過上位機(jī)或 HMI 設(shè)定周一至周日設(shè)備開啟與關(guān)閉時間。

（2）反饋：監(jiān)控各機(jī)組、水泵、閥門的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）關(guān)機(jī)：根據(jù)不同機(jī)組，制訂不同的關(guān)機(jī)流程。

4.1.2 下位機(jī)制冷制熱

當(dāng) VW 500 數(shù)值為 2 和 4 時進(jìn)入夏季制冷畫面。PLC 利用 EM AE 08 兩個模擬量模塊獲取壓力和溫度,通過 CPU SR 60、EM DR 32 和 EM DE 16 獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動改變溴化鋰機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔和二次泵的開啟或關(guān)閉。當(dāng) VW 500 數(shù)值為 3 和 5 時則進(jìn)入冬季制熱畫面，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動改變蒸汽板式換熱機(jī)組的開啟或關(guān)閉。

4.2 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)程序采用 C# 語言編寫[6]，軟件界面使用Winform 進(jìn)行編寫。下位機(jī) PLC 的狀態(tài)信息通過交換機(jī)上傳，電表、水表與機(jī)組狀態(tài)通過 RS-485 通信傳輸，并顯示在相關(guān)的區(qū)域。上位機(jī)能源管控平臺軟件功能主要包括：系統(tǒng)總覽、能耗監(jiān)測、能源控制、能耗查詢、能效分析等。

4.3 HMI 設(shè)計

HMI 人機(jī)界面采用海為 C10-W 觸摸屏,組態(tài)界面使用Haiwell Cloud Scada Develop 軟件編寫。組態(tài)主要畫面包括：運(yùn)行模式、手動模式、運(yùn)行設(shè)置、機(jī)組參數(shù)、定時設(shè)置和歷史報警。① 運(yùn)行模式：當(dāng)程序運(yùn)行在夏季單機(jī)聯(lián)控或夏季定時控制時，運(yùn)行模式會顯示夏季機(jī)組運(yùn)行圖。當(dāng)程序運(yùn)行在冬季單機(jī)聯(lián)控或冬季定時控制時，運(yùn)行模式會顯示冬季機(jī)組運(yùn)行圖。此時主畫面的手動模式無法點(diǎn)擊。② 手動模式：當(dāng)程序運(yùn)行設(shè)置為手動模式后，主畫面手動模式按鈕變藍(lán)，進(jìn)入手動模式畫面后可以點(diǎn)擊對應(yīng)設(shè)備按鈕來進(jìn)行開啟或關(guān)閉。③ 運(yùn)行設(shè)置：可以更改當(dāng)前程序的模式，設(shè)定機(jī)組加減載的溫度。④ 機(jī)組參數(shù)：查看運(yùn)行機(jī)組的各項參數(shù)。⑤ 定時設(shè)置：設(shè)定周一至周日定時開啟和關(guān)閉時間。⑥ 歷史報警：查看機(jī)組、水泵、閥門等歷史故障。

5 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分 3 步。① 分別對室外溫濕度、用電量、用水量、設(shè)備功率、空調(diào)狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行檢測。② 開機(jī)啟動后，通過上位機(jī)或 HMI 更改運(yùn)行模式。③ 用戶通過上位機(jī)或 HMI 獲取運(yùn)行模式、設(shè)備狀態(tài)、用電量、用水量、功率等信息，可實(shí)時反饋相關(guān)參數(shù)并與功率報警功能相結(jié)合，通過運(yùn)行模式的不同對機(jī)組進(jìn)行智能控制。

6 結(jié) 語

根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)及節(jié)能運(yùn)行要求，本文詳細(xì)介紹了中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)的方案及軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)通過了測試，實(shí)際運(yùn)行情況良好，達(dá)到了設(shè)計要求。該系統(tǒng)控制靈活、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且實(shí)時性較好，具有廣泛的應(yīng)用前景。