中央空调系统改造方案

中央空调系统变频节能改造及自控集成解决方案

一．中央空调系统变频节能改造及自控集成概述

中央空调变频节能自控系统初步设计由SIEMENS S7-200系列可编程序控制器(PLC)、Weinview MT6100i 触摸屏(HMI)、SIEMENS M420/M430系列变频器、Schneider电气控制元件组成。控制系统分别对冷冻水泵组、冷却水泵组、阀门等进行分组变频控制，对制冷主机、冷却塔风机进行台式控制。冷冻水泵组（2台泵）、冷却水泵组（2台泵）各配置1台变频器，采用一拖二变频控制方案（循环变频，自动变频调节及启停泵组）。

系统采用一套SIEMENS S7-200 PLC（CPU 226、EM235、EM222）分别控制对应的制冷主机、冷冻水泵组、冷却水泵组、冷却塔、阀门等。与变频器之间采用SIEMENS RS485/USS 协议通讯，与HMI采用SIEMENS RS485/PPI协议通讯。同时系统可根据需求增设工业以太网接口或BA接口，工业以太网接口方便集中监控计算机与PLC通讯进行远程监控，预留的BA 接口方便与楼宇自控系统(DDC)连接。

中央空调系统组成及流程图（例图）

中央空调控制系统初步设计组态图（例图）

二．中央空调系统变频节能及自控集成

1.泵组的变频控制

二台冷冻水泵组采用一台SIEMENS M430系列风机/泵类专业变频器进行循环变频控制，在冷冻循环水回水总管上安装一台温度传感器将冷冻水实时温度采集到PLC进行数据标准化运算，PLC将标准化的冷冻水温度和设定的冷冻水温度送到PID控制模块(我公司独立开发的空调系统专用PID计算模块)进行控制计算，输出控制变量通过USS协议传输给变频器进行恒温变频调节。PID控制模块以采集的冷冻水温度为过程计算参量，结合我公司多年积累的精确PID控制模块数据整定经验，使冷冻循环水温度变化曲线更加平滑，动态响应调节及节能调节稳定，给用户一个节能、舒适的使用环境。

二台冷却水泵组同样采用一台SIEMENS M430系列风机/泵类专业变频器进行循环变频控制，在冷却循环水出水总管和回水总管上各安装一台温度传感器将冷却出水和回水实时温度采集到PLC进行数据标准化运算。PLC将PID主过程计算参量（标准化冷却回水温度）、PID 动态计算参量（标准化冷却水出水温度）以及设定的冷却水温度送到PID控制模块进行控制计算，输出控制变量通过USS协议传输给变频器进行动态恒温及恒温差变频调节。使系统在

最大节能的同时达到高效完美的热量交换。

循环变频的控制方式说明（以冷冻水循环泵组控制为例说明）：首先解释名词“下限频率”，下限频率是指冷却水泵和冷冻水泵在系统变频调速运行时为了维持制冷主机安全运行所需的基本水流量所设定的限制频率。系统开始运行时首先变频启动一台冷冻水泵组，泵组先以下限频率开始运行，当PLC检测到变频器频率到达下限频率后自动切换到以设定温度为参考值的PID调节变频恒温运行状态。若在一定时间内（例如1000S，时间可设定）回水温度小于等于设定温度且调节频率等于下限频率时，系统将进入以下限频率为限制值的恒速运行状态，以保证制冷主机安全运行的基本水流量，当回水温度大于设定温度时自动恢复到PID调节变频恒温运行状态。若变频恒温运行时回水温度大于设定温度且调节频率大于49.99Hz持续一定时间（例如1000S，时间可设定），系统自动让该泵组以工频50Hz运行，同时启动下一台冷冻水泵组进行PID调节变频恒温运行，增加泵组运行方式依此类推。当启动泵组台数是2台以上时，若一定时间内（例如1000S，时间可设定）回水温度小于设定温度且调节频率等于下限频率系统将停止以50Hz运行的工频泵组，变频调速运行泵组继续以PID输出的调节变量恒温变频运行。

2.冷却塔风机的台式控制

冷却塔风机采用台式控制，系统开机时自动启动一台冷却塔风机，若在一定时间内（例如1000S，时间可设定）冷却循环水进出水温差小于温差设定值时自动增加一台冷却塔运行，在一定时间内（例如1000S，时间可设定）冷却循环水进出水温差大于温差设定值时自动停止一台冷却塔，在系统运行过程中至少有一台冷却塔在持续运行，以保证系统正常运行。3.制冷主机的台式控制

制冷主机采用台式控制，系统开机时自动启动一台制冷主机，若在高峰期冷冻回水温度一直大于设定温度且制冷主机满负荷运转时，系统自动启动第二台制冷主机，若二台制冷主机同时运行，冷冻回水温度小于设定温度且制冷主机负荷在50%时自动停止最先启动或运行时间最长的制冷主机。在系统运行过程中至少有一台制冷主机在持续运行，以保证系统正常运行。冷水机组自动调节控制，自控系统只对其进行台式控制和状态监控。

4.制冷主机的阀门控制

制冷主机的冷冻/冷却循环水电动阀门按照开启主机的序号自动打开并保持常开状态，未开启的主机冷冻/冷却循环水电动阀门全部关闭并保持常闭状态，同时系统监视阀门的实时状态。

5.系统自动控制过程

点击人机对话系统（HMI）的自动控制操作域，系统自动检测制冷主机、冷却循环水泵、冷冻循环水泵、冷却塔、相应电动阀门等设备的当前是否是自动控制状态、是否有故障等。当检测到有设备没有设置为自动状态或故障时系统自动提示报警同时系统进入自动控制待机状态；当同一类别设备都没有设置为自动状态或故障，没有一台可以自动控制时系统提示报警同时锁定系统，等待该类别设备设置为自动状态同时故障解除后系统进入自动控制待机状态。

当系统自动控制准备完毕，点击HMI的自动启动按钮或系统自动定时开机控制（定时开关机是系统在无人值守情况下，系统自动按照设定的开/关机时刻对系统自动执行开启/关闭操作。例如星期一到星期五的早上8:00 开机，下午5:00关机，周六周日系统自动待机，

当然可以每天按操作员设置的时刻定时开关），系统按照检测的结果（制冷主机及对应电动阀门的是否为自动控制状态，是否故障或事件报警）和运行时间的长短首先确定运行主机的序号，打开该运行序号制冷主机对应的冷冻循环水/冷却循环水电动阀门并且锁定为常开状态，系统检测到冷冻循环水/冷却循环水电动阀门安全开到位后自动变频启动冷冻循环水/冷却循环水泵组，开始以下限频率运行。此时系统检测冷冻循环水压力传感器反馈压力信号是否超过压力保护设定值，若超压系统会自动判定末端没有开启或故障系统会自动锁定并且停止泵组，若压力正常系统延时（例如30S，时间可设定）启动运行序号的制冷主机，制冷主机完全开启一定时间后系统进入自动变频节能控制状态。此时泵组、冷却塔、制冷主机进入如上所述的自主、独立、高效、节能的运行状态环境。

当系统没有供冷末端开启或点击HMI的自动停止按钮以及系统自动定时关机时，系统自动停止制冷主机，然后延时（例如5min，时间可设定）停止冷冻循环泵、冷却循环泵、冷却塔，所有水泵完全停止后关闭冷水机组的相应电动阀门。

在运行过程中若检测到某一类别的设备故障时系统自动切换到下一台该类设备继续运行同时提示报警，不影响系统的运行。若某一类别的设备全部故障时系统将执行锁定程序，停止系统运行并提示报警。阀门类设备在开关机时执行检测，运行过程中对其锁定不会出现故障而停机的误操作。

6.系统具体节能措施

系统设计了人性化控制程序（具有参数自整定优化程序），对系统数据进行记录分析，计算出优化的控制参数使系统更加高效节能。

根据空调类设备的使用特殊性，系统每天提前30分钟（时间可设定）开启系统进入正常运行状态，在使用时段开始时即可达到了舒适的使用环境，同样在使用时段结束时提前60分钟（时间可设定）关闭制冷主机，然后关闭冷却循环水泵、冷却塔，系统利用冷冻循环水的蓄冷继续给会所供冷，在使用时段结束时停止冷冻循环水泵组，关闭相应的制冷主机电动阀门。

采用循环变频控制技术使系统温度恒定在设定温度范围内，在保证使用需求的同时可通过HMI对系统参数进行优化调整，使系统工作在一个高效、节能、安全的工作状态。

7.系统手动操作

系统在自动出现锁定或故障不能正常运行时，可通过HMI或控制面板按钮按照安全的开关机操作顺序对系统设备执行手动操作。

三．自动控制系统的特点

数据筛选技术将系统各泵组、制冷主机、冷却塔的运行时间或次数按照大小顺序排队，启动泵组按运行时间或次数由小到大的顺序启动，停止泵组按运行时间或次数由大到小的顺序停止。按运行时间排队的优点是每台泵组运行时间平均，延长系统的整体使用寿命，减少系统维修量。同时也可以选择按运行次数排队，传统的依次轮换、先启先停、先停先启模式。泵组故障或者屏蔽停用时自动退出泵组启动和停止顺序表，系统不再对其进行排队处理，程序运行不受其影响。设备的轮换可以选择运行过程中自动定时触发轮换或者按每天系统启动时触发轮换。

变频驱动技术在传统变频技术上对泵组无效工作区的频率做了跨越处理，使泵组启动时快速进入到有效工作区间，对泵组的变频调节始终控制在其有效工作区间内，保证系统安全、高效运行，同时也避免了泵组在动态调节时进入了无效工作区而造成能源浪费。

运行数据采集模块采用数据滤波器技术、数据偏差修正技术和断线保护报警技术，有效的滤除外部干扰杂波信号，在系统数据和标准仪器检测的参考数据之间出现偏差或维护更换不同量程传感器时通过触控人机对话系统进行数据修正或量程修改，为系统稳定运行提供准确的参考数据，当系统传感器出现故障或断线时自动报警并让系统停机。同时系统对变频器、设备电机泵组进行过热、过流、过载、缺相、失速等多项检测保证设备的安全运行。

触控人机对话系统(HMI)，开发了动态图形显示界面，系统工作状态显示一目了然。实时在线修改参数，方便用户参照技术数据对系统进行微调和整定，使系统工作在高效、节能、安全、稳定的最佳运行状态。

系统内置了一键恢复功能，工程调试人员在调试时将系统最佳工作状态数据写入到一键恢复数据块，当用户自行修改参数使系统失调时只需输入正确的管理密码后执行一键恢复功能系统立即恢复如初。

事件报警数据归档把系统发生的各项事件和故障进行报警输出，并且对数据进行分类归档记录，方便历史记录查询。同时对冷冻水/冷却水温度、压力、调节频率等创建历史趋势曲线供用户查询，为系统微调和整定提供可靠依据。

手动操作界面让系统在维护时手动选择对各泵组进行手动变频或工频操作，此时依然受到精确PID控制功能块变频恒压控制，系统依然安全可靠运行。

多方通讯为贵公司的集中管理方式提供了多种选择，根据要求选择工业控制计算机或其他的DDC、DCS系统进行远程集中监控，通讯方式可以根据现场使用需求设置以太网通讯、现场总线通讯，我公司将提供相应的通讯接口和系统集成。