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中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)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(zhèn)，占地面積80000平方米，是廣汽集團(tuán)廣汽零部件有限公司的全資的下屬企業(yè) .自2000年開始，公司產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)水平及銷售規(guī)模，一直處于國內(nèi)彈簧行業(yè)前三甲，其中扭桿產(chǎn)品約占國內(nèi)總體市場份額的40%，穩(wěn)居行業(yè)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(zhàn)略合作伙伴，對其中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造及自控集成進(jìn)行了改造，取得了良好的效益。

中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造及自控集成解決方案

一．中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造及自控集成概述

中央空調(diào)變頻節(jié)能自控系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)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?？刂葡到y(tǒng)分別對冷凍水泵組、冷卻水泵組、閥門等進(jìn)行分組變頻控制，對制冷主機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)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(huán)變頻，自動(dòng)變頻調(diào)節(jié)及啟停泵組）。

系統(tǒng)采用一套SIEMENS S7-200 PLC（CPU 226、EM235、EM222）分別控制對應(yīng)的制冷主機(jī)、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(xié)議通訊，與HMI采用SIEMENS RS485/PPI協(xié)議通訊。同時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)需求增設(shè)工業(yè)以太網(wǎng)接口或BA接口，工業(yè)以太網(wǎng)接口方便集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC通訊進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，預(yù)留的BA接口方便與樓宇自控系統(tǒng)(DDC)連接。

中央空調(diào)系統(tǒng)組成及流程圖（例圖）

中央空調(diào)控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)組態(tài)圖（例圖）

二．中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)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(fēng)機(jī)/泵類專業(yè)變頻器進(jìn)行循環(huán)變頻控制，在冷凍循環(huán)水回水總管上安裝一臺溫度傳感器將冷凍水實(shí)時(shí)溫度采集到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)算，PLC將標(biāo)準(zhǔn)化的冷凍水溫度和設(shè)定的冷凍水溫度送到PID控制模塊(我公司獨(dú)立開發(fā)的空調(diào)系統(tǒng)專用PID計(jì)算模塊)進(jìn)行控制計(jì)算，輸出控制變量通過USS協(xié)議傳輸給變頻器進(jìn)行恒溫變頻調(diào)節(jié)。PID控制模塊以采集的冷凍水溫度為過程計(jì)算參量，結(jié)合我公司多年積累的精確PID控制模塊數(shù)據(jù)整定經(jīng)驗(yàn)，使冷凍循環(huán)水溫度變化曲線更加平滑，動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)及節(jié)能調(diào)節(jié)穩(wěn)定，給用戶一個(gè)節(jié)能、舒適的使用環(huán)境。

二臺冷卻水泵組同樣采用一臺SIEMENS M430系列風(fēng)機(jī)/泵類專業(yè)變頻器進(jìn)行循環(huán)變頻控制，在冷卻循環(huán)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(shí)時(shí)溫度采集到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)算。PLC將PID主過程計(jì)算參量（標(biāo)準(zhǔn)化冷卻回水溫度）、PID動(dòng)態(tài)計(jì)算參量（標(biāo)準(zhǔn)化冷卻水出水溫度）以及設(shè)定的冷卻水溫度送到PID控制模塊進(jìn)行控制計(jì)算，輸出控制變量通過USS協(xié)議傳輸給變頻器進(jìn)行動(dòng)態(tài)恒溫及恒溫差變頻調(diào)節(jié)。使系統(tǒng)在最大節(jié)能的同時(shí)達(dá)到高效完美的熱量交換。

循環(huán)變頻的控制方式說明（以冷凍水循環(huán)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(tǒng)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)為了維持制冷主機(jī)安全運(yùn)行所需的基本水流量所設(shè)定的限制頻率。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)首先變頻啟動(dòng)一臺冷凍水泵組，泵組先以下限頻率開始運(yùn)行，當(dāng)PLC檢測到變頻器頻率到達(dá)下限頻率后自動(dòng)切換到以設(shè)定溫度為參考值的PID調(diào)節(jié)變頻恒溫運(yùn)行狀態(tài)。若在一定時(shí)間內(nèi)（例如1000S，時(shí)間可設(shè)定）回水溫度小于等于設(shè)定溫度且調(diào)節(jié)頻率等于下限頻率時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入以下限頻率為限制值的恒速運(yùn)行狀態(tài)，以保證制冷主機(jī)安全運(yùn)行的基本水流量，當(dāng)回水溫度大于設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)恢復(fù)到PID調(diào)節(jié)變頻恒溫運(yùn)行狀態(tài)。若變頻恒溫運(yùn)行時(shí)回水溫度大于設(shè)定溫度且調(diào)節(jié)頻率大于49.99Hz持續(xù)一定時(shí)間（例如1000S，時(shí)間可設(shè)定），系統(tǒng)自動(dòng)讓該泵組以工頻50Hz運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)下一臺冷凍水泵組進(jìn)行PID調(diào)節(jié)變頻恒溫運(yùn)行，增加泵組運(yùn)行方式依此類推。當(dāng)啟動(dòng)泵組臺數(shù)是2臺以上時(shí)，若一定時(shí)間內(nèi)（例如1000S，時(shí)間可設(shè)定）回水溫度小于設(shè)定溫度且調(diào)節(jié)頻率等于下限頻率系統(tǒng)將停止以50Hz運(yùn)行的工頻泵組，變頻調(diào)速運(yùn)行泵組繼續(xù)以PID輸出的調(diào)節(jié)變量恒溫變頻運(yùn)行。

2.冷卻塔風(fēng)機(jī)的臺式控制

冷卻塔風(fēng)機(jī)采用臺式控制，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)一臺冷卻塔風(fēng)機(jī)，若在一定時(shí)間內(nèi)（例如1000S，時(shí)間可設(shè)定）冷卻循環(huán)水進(jìn)出水溫差小于溫差設(shè)定值時(shí)自動(dòng)增加一臺冷卻塔運(yùn)行，在一定時(shí)間內(nèi)（例如1000S，時(shí)間可設(shè)定）冷卻循環(huán)水進(jìn)出水溫差大于溫差設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止一臺冷卻塔，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中至少有一臺冷卻塔在持續(xù)運(yùn)行，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.制冷主機(jī)的臺式控制

制冷主機(jī)采用臺式控制，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)一臺制冷主機(jī)，若在高峰期冷凍回水溫度一直大于設(shè)定溫度且制冷主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)第二臺制冷主機(jī)，若二臺制冷主機(jī)同時(shí)運(yùn)行，冷凍回水溫度小于設(shè)定溫度且制冷主機(jī)負(fù)荷在50%時(shí)自動(dòng)停止最先啟動(dòng)或運(yùn)行時(shí)間最長的制冷主機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中至少有一臺制冷主機(jī)在持續(xù)運(yùn)行，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。冷水機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，自控系統(tǒng)只對其進(jìn)行臺式控制和狀態(tài)監(jiān)控。

4.制冷主機(jī)的閥門控制

制冷主機(jī)的冷凍/冷卻循環(huán)水電動(dòng)閥門按照開啟主機(jī)的序號自動(dòng)打開并保持常開狀態(tài)，未開啟的主機(jī)冷凍/冷卻循環(huán)水電動(dòng)閥門全部關(guān)閉并保持常閉狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)視閥門的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

5.系統(tǒng)自動(dòng)控制過程

點(diǎn)擊人機(jī)對話系統(tǒng)（HMI）的自動(dòng)控制操作域，系統(tǒng)自動(dòng)檢測制冷主機(jī)、冷卻循環(huán)水泵、冷凍循環(huán)水泵、冷卻塔、相應(yīng)電動(dòng)閥門等設(shè)備的當(dāng)前是否是自動(dòng)控制狀態(tài)、是否有故障等。當(dāng)檢測到有設(shè)備沒有設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)或故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)提示報(bào)警同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)同一類別設(shè)備都沒有設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)或故障，沒有一臺可以自動(dòng)控制時(shí)系統(tǒng)提示報(bào)警同時(shí)鎖定系統(tǒng)，等待該類別設(shè)備設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)同時(shí)故障解除后系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制待機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)控制準(zhǔn)備完畢，點(diǎn)擊HMI的自動(dòng)啟動(dòng)按鈕或系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)開機(jī)控制（定時(shí)開關(guān)機(jī)是系統(tǒng)在無人值守情況下，系統(tǒng)自動(dòng)按照設(shè)定的開/關(guān)機(jī)時(shí)刻對系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行開啟/關(guān)閉操作。例如星期一到星期五的早上8:00開機(jī)，下午5:00關(guān)機(jī)，周六周日系統(tǒng)自動(dòng)待機(jī)，當(dāng)然可以每天按操作員設(shè)置的時(shí)刻定時(shí)開關(guān)），系統(tǒng)按照檢測的結(jié)果（制冷主機(jī)及對應(yīng)電動(dòng)閥門的是否為自動(dòng)控制狀態(tài)，是否故障或事件報(bào)警）和運(yùn)行時(shí)間的長短首先確定運(yùn)行主機(jī)的序號，打開該運(yùn)行序號制冷主機(jī)對應(yīng)的冷凍循環(huán)水/冷卻循環(huán)水電動(dòng)閥門并且鎖定為常開狀態(tài)，系統(tǒng)檢測到冷凍循環(huán)水/冷卻循環(huán)水電動(dòng)閥門安全開到位后自動(dòng)變頻啟動(dòng)冷凍循環(huán)水/冷卻循環(huán)水泵組，開始以下限頻率運(yùn)行。此時(shí)系統(tǒng)檢測冷凍循環(huán)水壓力傳感器反饋壓力信號是否超過壓力保護(hù)設(shè)定值，若超壓系統(tǒng)會自動(dòng)判定末端沒有開啟或故障系統(tǒng)會自動(dòng)鎖定并且停止泵組，若壓力正常系統(tǒng)延時(shí)（例如30S，時(shí)間可設(shè)定）啟動(dòng)運(yùn)行序號的制冷主機(jī)，制冷主機(jī)完全開啟一定時(shí)間后系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)變頻節(jié)能控制狀態(tài)。此時(shí)泵組、冷卻塔、制冷主機(jī)進(jìn)入如上所述的自主、獨(dú)立、高效、節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài)環(huán)境。

當(dāng)系統(tǒng)沒有供冷末端開啟或點(diǎn)擊HMI的自動(dòng)停止按鈕以及系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止制冷主機(jī)，然后延時(shí)（例如5min，時(shí)間可設(shè)定）停止冷凍循環(huán)泵、冷卻循環(huán)泵、冷卻塔，所有水泵完全停止后關(guān)閉冷水機(jī)組的相應(yīng)電動(dòng)閥門。

在運(yùn)行過程中若檢測到某一類別的設(shè)備故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換到下一臺該類設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行同時(shí)提示報(bào)警，不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。若某一類別的設(shè)備全部故障時(shí)系統(tǒng)將執(zhí)行鎖定程序，停止系統(tǒng)運(yùn)行并提示報(bào)警。閥門類設(shè)備在開關(guān)機(jī)時(shí)執(zhí)行檢測，運(yùn)行過程中對其鎖定不會出現(xiàn)故障而停機(jī)的誤操作。

6.系統(tǒng)具體節(jié)能措施

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了人性化控制程序（具有參數(shù)自整定優(yōu)化程序），對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，計(jì)算出優(yōu)化的控制參數(shù)使系統(tǒng)更加高效節(jié)能。

根據(jù)空調(diào)類設(shè)備的使用特殊性，系統(tǒng)每天提前30分鐘（時(shí)間可設(shè)定）開啟系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，在使用時(shí)段開始時(shí)即可達(dá)到了舒適的使用環(huán)境，同樣在使用時(shí)段結(jié)束時(shí)提前60分鐘（時(shí)間可設(shè)定）關(guān)閉制冷主機(jī)，然后關(guān)閉冷卻循環(huán)水泵、冷卻塔，系統(tǒng)利用冷凍循環(huán)水的蓄冷繼續(xù)給會所供冷，在使用時(shí)段結(jié)束時(shí)停止冷凍循環(huán)水泵組，關(guān)閉相應(yīng)的制冷主機(jī)電動(dòng)閥門。

采用循環(huán)變頻控制技術(shù)使系統(tǒng)溫度恒定在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，在保證使用需求的同時(shí)可通過HMI對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使系統(tǒng)工作在一個(gè)高效、節(jié)能、安全的工作狀態(tài)。

7.系統(tǒng)手動(dòng)操作

系統(tǒng)在自動(dòng)出現(xiàn)鎖定或故障不能正常運(yùn)行時(shí)，可通過HMI或控制面板按鈕按照安全的開關(guān)機(jī)操作順序?qū)ο到y(tǒng)設(shè)備執(zhí)行手動(dòng)操作。

三．自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)篩選技術(shù)將系統(tǒng)各泵組、制冷主機(jī)、冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間或次數(shù)按照大小順序排隊(duì)，啟動(dòng)泵組按運(yùn)行時(shí)間或次數(shù)由小到大的順序啟動(dòng)，停止泵組按運(yùn)行時(shí)間或次數(shù)由大到小的順序停止。按運(yùn)行時(shí)間排隊(duì)的優(yōu)點(diǎn)是每臺泵組運(yùn)行時(shí)間平均，延長系統(tǒng)的整體使用壽命，減少系統(tǒng)維修量。同時(shí)也可以選擇按運(yùn)行次數(shù)排隊(duì)，傳統(tǒng)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(shí)自動(dòng)退出泵組啟動(dòng)和停止順序表，系統(tǒng)不再對其進(jìn)行排隊(duì)處理，程序運(yùn)行不受其影響。設(shè)備的輪換可以選擇運(yùn)行過程中自動(dòng)定時(shí)觸發(fā)輪換或者按每天系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)觸發(fā)輪換。

變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)在傳統(tǒng)變頻技術(shù)上對泵組無效工作區(qū)的頻率做了跨越處理，使泵組啟動(dòng)時(shí)快速進(jìn)入到有效工作區(qū)間，對泵組的變頻調(diào)節(jié)始終控制在其有效工作區(qū)間內(nèi)，保證系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行，同時(shí)也避免了泵組在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)進(jìn)入了無效工作區(qū)而造成能源浪費(fèi)。

運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊采用數(shù)據(jù)濾波器技術(shù)、數(shù)據(jù)偏差修正技術(shù)和斷線保護(hù)報(bào)警技術(shù)，有效的濾除外部干擾雜波信號，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)儀器檢測的參考數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)偏差或維護(hù)更換不同量程傳感器時(shí)通過觸控人機(jī)對話系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正或量程修改，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)傳感器出現(xiàn)故障或斷線時(shí)自動(dòng)報(bào)警并讓系統(tǒng)停機(jī)。同時(shí)系統(tǒng)對變頻器、設(shè)備電機(jī)泵組進(jìn)行過熱、過流、過載、缺相、失速等多項(xiàng)檢測保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

觸控人機(jī)對話系統(tǒng)(HMI)，開發(fā)了動(dòng)態(tài)圖形顯示界面，系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示一目了然。實(shí)時(shí)在線修改參數(shù)，方便用戶參照技術(shù)數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)和整定，使系統(tǒng)工作在高效、節(jié)能、安全、穩(wěn)定的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)內(nèi)置了一鍵恢復(fù)功能，工程調(diào)試人員在調(diào)試時(shí)將系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入到一鍵恢復(fù)數(shù)據(jù)塊，當(dāng)用戶自行修改參數(shù)使系統(tǒng)失調(diào)時(shí)只需輸入正確的管理密碼后執(zhí)行一鍵恢復(fù)功能系統(tǒng)立即恢復(fù)如初。

事件報(bào)警數(shù)據(jù)歸檔把系統(tǒng)發(fā)生的各項(xiàng)事件和故障進(jìn)行報(bào)警輸出，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類歸檔記錄，方便歷史記錄查詢。同時(shí)對冷凍水/冷卻水溫度、壓力、調(diào)節(jié)頻率等創(chuàng)建歷史趨勢曲線供用戶查詢，為系統(tǒng)微調(diào)和整定提供可靠依據(jù)。

手動(dòng)操作界面讓系統(tǒng)在維護(hù)時(shí)手動(dòng)選擇對各泵組進(jìn)行手動(dòng)變頻或工頻操作，此時(shí)依然受到精確PID控制功能塊變頻恒壓控制，系統(tǒng)依然安全可靠運(yùn)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(jù)要求選擇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或其他的DDC、DCS系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，通訊方式可以根據(jù)現(xiàn)場使用需求設(shè)置以太網(wǎng)通訊、現(xiàn)場總線通訊，我公司將提供相應(yīng)的通訊接口和系統(tǒng)集成。