西门子6ES7211-0BA23-0XB0介绍说明

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1、引言

蓄冷空调系统的主要特点是电力移峰及节省运行费用。为了充分发挥蓄冷系统的特点，设置合适的自控系统显得十分重要。若无合适的自控系统，可以说蓄冷系统将不能成立，至少是不完整的。

蓄冷系统的设备容量是按设计日冷负荷确定的，实际运行中部分冷负荷运行的时间占大部分，此时蓄冷系统能否经济地运行是决定其能否成立的关键。因此须设置有效的自控系统，根据冷负荷的变化来控制系统的运行。

2、蓄冷空调系统自动控制的目的

控制系统要求达到的主要目的是：

①充分利用蓄冷装置的容量，发挥蓄冷的优势

②有效地利用蓄冷量

③降低运行费用

④设备及管路的安全运行

为达到控制目的所采取的基本措施如表1所示。

表1 蓄冷系统自动控制目的及控制措施

3、蓄冷空调系统自动控制系统概况

蓄冷空调自控系统的优势主要是由PCC（Programmable Computer Controller-可编程计算机控器）主控系统来体现的。自从世界上**台PLC于1969年在美国DEC公司诞生以来，PLC随着计算机技术的飞速发展早已摆脱了当年"顺序控制器"的雏形[1]。当今传统的PLC已能完成逻辑顺序控制，模拟量处理和回路调节的功能。PCC就是从这个家族里脱颖而出的较新一代的可编程控制器。它在面向控制的前提条件下经济地集成了PLC和大型计算机的特点。它与一般的PLC相比具有如下优势：

①多任务分时操作系统（MULTI－ASKING OPERATING SYSTEM）；

②硬件软件充分体现模块式思想，且硬件模块可带电插拔；

③多处理器模块（MP）和智能型I/O模块（IP）；

④高级语言C可直接作为编程语言；

⑤现场总线实现分布式控制结构，主站与子站及子站间既相互关联又相互独立；

⑥通信功能强大；

⑦具有兆字节级的应用程序存储器。

对于中央空调控制系统有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC（可编程序控制器）控制系统[2]。继电器控制系统由于故障，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于 DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围[3]。相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步在智能建筑中得到广泛的应用。

对于未来智能化建筑中应用的蓄冷空调，使用PLC或PCC主控系统是大有发展前途的。

3.1自动控制系统组成

蓄冷系统的自控系统需要保证制冷机组、冷却塔、蓄冷装置、热交换器及各种泵在设计要求的参数下地运行，并能达到预期的降低能耗的经济目的。其控制系统已作为建筑物自动化系统（BAS）中的重要组成部分。BAS系统已在世界各地广泛采用，并受到充分重视。

蓄冷系统的自控系统主要由蓄冷控制器、操作微机、显示器、打印机、冷水机组控制器及有关执行机构和传感器等组成。

图1为蓄冷系统自控系统组成示意图。

此系统可对制冷机组、冷却塔风机、蓄冷装置、溶液泵及水泵、热交换器、冷凝器热回收及自然制冷等提供监视、控制和诊断功能。蓄冷控制器与制冷机组控制器以通讯网络相联，使冷水机组的状态和各种运行数据以及故障诊断结果都可在蓄冷控制器上得到，并在系统的显示屏上显示。每一个制冷机组的操作单元及与其相应的设**，可由蓄冷控制器进行控制。蓄冷控制器收集处理各个运行设备的各种数据，用来控制蓄冷系统的及经济运行。

蓄冷控制器应与建筑物自动化系统（BAS）兼容以取得用户对供冷要求等的信号并提供BAS所需的信息[4]。

3.2蓄冷控制器的功能要求

蓄冷控制器可具有以下功能：

① 控制功能：包括负荷预测，启停时间控制、溶液供回温度控制、制冷机组台数控制、冷却水系统控制、泵的台数及转速控制等。

② 计测分析及通信功能：包括计测及采集各种运行参数、状态信息显示及记录打印、分析计测数据、通过网络传输数据、异常报警等。

③ 其他功能：包括自动故障的复位、参数重设等。

3.3冷水机组控制器的功能要求

① 显示溶液进出温度、制冷剂高低压、运行小时数、油温油压、压缩机启动次数等。

② 运行控制：包括冷冻水出水温度控制、运行周期控制、电动机限流控制等。

③ 运行、停机控制：包括冷冻水低温设定值停机，水温回升后自动重新启动等。

④ 安全停机控制：包括排气温度过高、油温过高、蒸发压力过低或冷凝压力过高等。

4、蓄冷系统控制内容及设计要求

4.1一般控制内容及方式

对于蓄冷系统自控的一般控制内容主要有：

① 经济合理地控制系统各运行方式的启动、运行时间及终止

②充冷量、释冷量及直供冷量的控制

③制冷机组运行台数的选择、输入、输出温度控制、冷量调节、单机容量调节等

④输送泵流量调节、压力控制、回液管路（开式流程）静压控制

⑤冷冻水循环回路中，负荷泵的流量调节和压力控制、热交换器的二次侧温度控制等

控制方式主要有：蓄冷控制器及BAS系统、定流量温度控制、机组所带控制器完成控制、变速泵调节流量、以三通调节阀或两个关联动作的二通阀进行流量调节、设自力式或自动式压力维持阀、供回管路间设恒压阀或压差控制阀等方式来完成控制。

4.2具体控制内容及方式

①负荷预测

蓄冷装置的蓄冷量应考虑当天基本用尽，这种运行是较经济的，但又不能出现最后几小时蓄冷系统供不应求。蓄冷控制器具有这种控制功能才能达到经济运行的目的[5]。无冷负荷预测功能的蓄冷控制器对运行方式的操作一般是结合电费结构等间预设，再加上温度控制来控制蓄冷系统各运行方式的启、停，一般这种控制很难实现在部分负荷下能经济地发挥蓄冷系统的作用，这种控制功能只对蓄冷率相对于供冷负荷较少的系统会有效果，可以每小时平均地释冷再由制冷机组直供不足的负荷，一般不至于出现供不应求，但当蓄冷率相对于供冷负荷占相当的比例时，这种方法是不可行的，为满足供冷负荷要求，往往导致蓄冷装置容量的不能充分利用，运行经济性下降。因此冷负荷预测功能对较大及蓄冷率不是很低的蓄冷系统的蓄冷控制器是很有必要的。

负荷预测基本上可分为简单的负荷预测及复杂的负荷预测，其方法大致是：

a．简单的负荷预测：其方法一般是以一年内的日负荷计算及实际运行结果的分析为基础，时间表"安排，并再考虑节日等的修正，把计算得出的现存蓄冷量与之平衡后确定运行方式及制冷机组台数等的选择。

b．复杂的负荷预测：其方法一般是把实际负荷的统计数据进行处理，定出一年内的"时间表"，即每日的冷负荷安排。更复杂的方法是按统计数据作为基础，把室外温湿度、室内温度、日照量及内部发热量等作为因子与冷负荷建立热平衡式，平衡式的系数从实测数据中确定，进行动态冷负荷计算。

在蓄冷控制器冷负荷预测功能选择时应按具体情况加以分析确定。

②制冷机组出口温度控制

可由机组配带的控制器执行，一般都可采用其出口温度传感器设定在各运行方式规定值，维持出口温度的恒定，但在串联、制冷机组上游流程配置中，若采用制冷机组优化的控制策略时，则应采用蓄冷装置后的出液温度恒定来控制，制冷机组出口温度在联供时是不恒定的，但一般情况下都不会采用制冷机**的策略。

③制冷机组进口温度控制

制冷机组一般可只作出口温度控制，进口温度控制，是为满足出口温度要求而进、出口温差较大时采用的。其控制方式采用PID控制。

④制冷量控制

制冷量的控制：一是制冷机组的单机容量调节，一般可用维持出口温度恒定来完成调节，亦可采用进口温度控制，可由制冷机组及所带的自控系统来完成；二是采用台数控制（多台机组时），台数控制在一般制冷机组设计为恒流量运行的情况下，可采用其流量与供、回水（液）温差计算出的冷量达到整台机组容量来进行。

⑤蓄冷装置释冷量及供出温度控制

蓄冷装置释冷量控制，以用户侧或供出侧温度的恒定，控制蓄冷装置进口或出口的流量分配调节阀门来完成；在变流量控制中以用户侧温度的恒定，控制变流量泵来完成，而供出侧温度的恒定，以其温度传感器的设定值来控制蓄冷装置进口或出口的调节阀。

⑥蓄冷装置充冷量控制

蓄冷装置一般在尚有25％以上蓄冷量时一般应不进行充冷；充冷充足时，应停止制冷机组运行，以节省电力及运行费用。

停机控制常用：

a． 制冷机组出口温度低至充冷充足时的输出温度值；

b． 制冷机组充冷时的进、出口温差低至充冷充足时的规定值；

c． 蓄冷装置蓄冷量指示已达**；

d． 充冷时间设定。

⑦运行流量及压力控制

在采用恒流量泵输送及用户采用变流量二通阀控制的流程中，供、回管路间必须设置恒压装置，以回流来维持回路压力的稳定，多台泵时应设台数控制，以流量变送器的流量达整台泵的流量时进行台数控制。

当采用变速泵时，则不设恒压装置，但应注意低流量时回路须维持的必要压力值，一般往往要求变速泵有一定回流量来保证，因此需设置泵的回流阀。

⑧负荷侧用户（空调器）对供冷负荷的控制

空调器对供冷负荷的控制，在蓄冷系统中应采用比例二通调节阀进行变流量控制的方式，以便实现冷水温差的利用及泵的台数控制或变速泵的采用。以三通调节阀进行恒流量的控制方式只在小系统及单台泵的流程中有采用。

⑨静压维持的控制，仅在开式流程回水管路中设置。

5、系统监视及测量项目

5.1蓄冷控制系统需要监视的一些基本项目

室外大气温度、室外大气湿度、室外湿球温度、较大需用功率限制、每个泵的启/停、每个泵的运行状态、启/停冷却塔风机、阀的控制、制冷侧冷冻水或二次冷剂供出温度和回液温度、冷凝器冷却水供回水温度、蓄冷量、热交换器冷水侧水流保证、制冷机组、冷凝器水流开关、冷冻水或二次冷剂水流开关等。

对制冷机组还要监测冷水（二次冷剂）出水稳定设**，电流限制设**，运行/停止控制，二次冷剂入口、出口温度，冷却水进口、出口温度，蒸发器和冷凝器压力，油压油温，电动机满负荷电流，吸入温度，排气温度，安全停机控制，所有运行停机要求控制等。

5.2蓄冷系统需要计测、计量的项目

蓄冷槽内温度（水蓄冷装置）、制冷侧冷水流量、供负荷侧冷水流量、制冷机组电流、各种泵及冷却塔风机电流、制冷机组制冷量、供冷量、制冷机组用电量、各种泵用电量、冷却塔风机用电量、制冷机组累计运行时间、供出冷量、补给水量、制冷机组累计制冷量等。

6、结论

①蓄冷是实现用电负荷"移峰填谷"，改善能源使用状况、减少环境污染、促进能源、经济和环境协调发展的、实用系统节能技术，具有较大的社会效益与经济效益。为了充分发挥蓄冷系统的特点，设计合适的自控系统显得十分重要。

②文章介绍了自控系统的目的、组成及概况，分析了各个组成部分的测控要求。

③对蓄冷系统的控制内容及设计要求着重进行了说明，对实际工程有一定的参考价值。

蓄冷中央空调是利用夜间低谷电力制冰-蓄存冷量，在白天用电高峰时融冰释放冷量，用以部分或者全部满足中央空调的供冷需要。从而减少空调主机的装机容量，利用低价的谷电，达到理想的空调效果和经济效益。但是能否达到原先设计的效果，实现"移峰填谷"，节约运行费用的目的，不仅与制冷剂、蓄冰设备等有关，其自控系统也至关重要。

1 工程简介
西安交大文管大楼培训中心项目位于西安交通大学校园内，总建筑面积19800平方米，总建筑高度30.9米，功能为教学及办公大楼。中央空调冷源采用蓄冰技术，选用2台双螺杆双工况主机用于制冰并供冷，配置84m3的储冰球用于夜间储存冷量供电力高峰使用。由主机单独蓄冰模式、主机与蓄冰装置联合供冷模式、蓄冰设备单独供冷模式和主机单独供冷模式四种模式担负起大楼的冷负荷。本项目冷冻站自控系统位于地下一层，共设监控点64个。

2 系统结构及功能
本工程采用我公司自行开发的STL_2型自控系统，系统的操作平台采用图形界面，动态显示空调系统的运行情况，使整个工艺流程一目了然。该系统采用集散型（DCS）结构，由*监控计算机（以下简称上位机）和现场控制工作站（以下简称下位机）两级组成，实现集中管理、分散控制的策略。上位机提供人机交换及监控、管理和数据记录、检索、制表、打印等功能。下位机完成控制回路的输入输出。 2．1*监控计算机
*监控计算机由金属全密封工业控制微机及外围辅助设备、制冷站自动监测控制软件等组成，为整个自控系统的核心部分。它是STL_2集散式微机控制系统的管理与调度中心，动态画面直观明了，操作简便（如下图）。冷冻站自控系统作为楼宇自控系统(BAS)的一个组成部分，可通过TCP/IP通讯协议与BAS系统实现数据互传。
图-1见附件

2．2现场控制工作站

现场控制器与其控制系统内的传感器、执行器及被控设备组成现场控制工作站。现场控制器采用siemens可编程控制器（PLC），并配备完善的可编程控制软件。控制工作站在脱离*计算机时仍能维持空调系统的基本运行，并具备支持这一功能的基本人机交互手段。*计算机与现场控制工作站之间通过RS485通讯接口实现数据交换。

3、控制方案
由于冰蓄冷空调的特殊性，其控制策略除一些基本功能（如系统中一些温度、流量、压力等的检测；水泵、阀门、制冷机、冷却塔等的运行状态监测及开关控制）外，还包括：负荷预测、空调运行模式的自动切换；设备起停时间及顺序控制；冷媒水温度自动控制；蓄冰时间自动控制；蓄冷量及当前蓄冷速率估算；供冷量及当前供冷负荷估算；全自动顺序控制；系统故障诊断和报警；系统运行图表及报表功能等。

4、工程特点
4．1数字式温度传感器的应用
在计算机控制与检测系统中，无论我们采用什么方式来表示对象，较终都要将信号转换成数字方式才能被计算机处理。根据传感器输出的电信号形式，可将它们分为模拟传感器和数字传感器。模拟温度传感器在把检测结果量化为数字信号前需经多道转换，数字温度传感器则一步到位，直接由传感器输出温度的数字值，由于没有经过多道转换环节，减小了转换误差，提高了系统的可靠性。数字式传感器还能方便地构成现场总线，在检测点较多的系统中，数字温度传感器可将所有的传感器挂在一根总线上，而模拟式传感器每只传感器都有一路屏蔽线，这对降低造价、提高可靠性的作用显而易见。 4．2三通阀的应用：
在蓄冰系统中，设置电动三通调节阀（在管径较大时，也可用两只二通调节阀联动代替三通阀）用以控制乙二醇溶液至板式换热器的温度。电动三通调节阀的作用非常重要，从蓄冷装置流出的冷水温度在冰点附近，若不采取措施就会造成能量浪费并使末端温度过低发生故障。控制系统将回水与冷水混合，并通过调整混合比例来控制冷媒水温度，可以使冰槽的融冰速度得到控制，按我们所需要的模式去运行。