一、概況

 

      本文以杭州某大型醫院門診大樓為例，介紹建筑空調系統節能控制系統改造實施方案。該醫院門診大樓原設有樓宇控制系統，主要控制對象是暖通空調設備,由于各種原因系統功能開通率不高，冷熱源系統的變頻器只做手動調節，節能效果不佳。我們針對樓宇控制系統的特點采用了基于最新的CC-Link現場總線技術，運用三菱最新的Q系列可編程控制器（PLC）為主站控制器，由FX3U和FX1N可編程控制為現場子站控制器組成的聯網控制系統來對系統逐步改造的方案，本期工程首先對冷熱源部分包括空調水泵的變頻控制、冷卻塔水閥控制及樓層設備控制中存在故障的控制部分進行改造。主站的監控采用組態王軟件，全中文界面，功能強大，具有通過INTERNET網實現遠程監控功能。

 
二、系統軟硬件介紹

2.1 CC-Link現場總線簡介
      CC-Link是CONTROL&COMMUNICATION LINK的簡稱，它通過普通三芯屏蔽線，提供156KBPS至10MBPS的通訊速率（視系統通訊距離而定），最大通訊距離可達1200M（156KBPS速率）。CC-Link網絡上可掛的各種模塊（包括開關量I/O和模擬量I/O）以及子站控制器，最多64個遠程設備站，可方便地組成各種類型的集散控制系統，并可大大簡化控制線路的布線，并可根據需要隨時擴展系統功能。

 
CC-Link網絡的主要特點：
在同行業中速度較快的總線網絡
      由于其擁有在同行業中最快的通信速度，所以當何處需要高速應答時，它可以支持傳感器輸入及容許智能化設備進行大量數據的傳送。此外，還可以選擇系統適用的最佳的通信速度和總距離。

 

完善了的RAS（可靠性、實用性、可維護性）功能
      具備自動在線恢復功能，待機主控功能，切斷從站功能，確認鏈接狀態功能及測試和診斷功能，因此可以構成具有高度可靠性的網絡。
完全支持和具有高度安全性的多廠商網絡
      公開的技術，并與包括日本國內和國外的許多設備廠商建立了合作關系，因此具有廣泛的兼容性。2005年6月，批準成為中國國家標準，并被推薦為應用于建筑設備監控系統的控制總線之一。

2.2 三菱可編程控制器簡介
      中央站PLC控制器: Q系列PLC是由CPU模塊、電源模塊和主基板單元組成，具有自動CC-Link啟動功能，本次采用的Q00JPLC具有：
1、最多8192個軟元件
2、最多4096個I/O
3、多達14K步的程序容量
4、可以加7個擴展基板
5、配合GPPW軟件可以進行在線編程及監控
      系統子站PLC控制器: 三菱FX3U系列可編程控制器具有體積小，內置16K步的RAM和時鐘，是FX系列中性能最高的機型，可通過RS485通訊口通過專用指令控制多達32臺變頻器；FX1N是性價比較高的機型, 內置8K步的RAM和時鐘。它們都擁有模擬量控制、系統通訊的各種特殊用途組件，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。該系列PLC具有較強的通訊功能,可通過FX2n-CCL通訊模塊直接掛在CC-Link網絡上，組成集散控制系統，通過CC-Link網絡可與主站交換數據，通過主站PC機對整個系統進行集中管理監視和控制。   

三、系統軟件

 
      我們采用北京亞控自動化軟件有限公司開發的組態王（Kingview）。該軟件是最優秀的國產組態軟件之一，目前的版本是6.52。

 
四、改造內容

4.1冷熱源部分

 

      建筑空調系統是現代大型建筑物和不可缺少的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物總電能消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定余量設計，而實際上在一年中，滿負載下運行天數恨少，有的只有十多天，大部分時間都在70%負載以下運行。通常中央空調系統中冷凍主機的負荷能隨季節氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，造成電能的大量浪費。如果采用根據空調負荷自動調節水泵轉速的方式來調節流量，就可以從根本上節約電能，同時也可保證空調的使用效果。
      該醫院門診大樓中央空調系統冷熱源部分改造前的主要設備和控制方式：主機800冷噸冷氣主機2臺，空調循環泵3臺，配用功率75KW；冷卻水泵3臺，配用功率75KW。熱水泵30KW3臺，配用功率30KW?？照{末端為空調箱、新風機和風機盤管，為變流量系統，供回站設旁通調節閥平衡水流量。冬季通過閥門切換，空調循環泵水流通過板式蒸汽/水熱交換器為大樓末端提供熱水。原系統空調循環泵定頻運行或手動調節變頻器，節能效果并不理想。
      水泵是一種平方轉矩負載，其轉速 n 與流量 Q, 揚程 H 及泵的軸功率 N 的關系如下式所示：
Q1=Q2(n1/n2) H1=H2(n12/n22)  N1=N2(n13/n23)     (1-1)
      上式表明，泵的流量與其轉速成正比，泵的揚程與其轉速的平方成正比, 泵的軸功率與其轉速的立方成正比。當電動機驅動泵時，電動機的軸功率P(kw) 可按下式計算:
       P=ρQH/ηcηF×10-2                 (1-2)
式中： P：電動機的軸功率（KW）   Q：流量（m3/s）     ρ：液體的密度（Kg/m-2）
ηc:傳動裝置效率           ηF：泵的效率       H：全揚程（m）

 

       調節流量的方法如圖二所示，曲線1是閥門全部打開時，供水系統的阻力特性；曲線2是額定轉速時，泵的揚程特性。這時供水系統的工作點為A點：流量QA，揚程HA；由（1-2）式可知電動機軸功率與面積OQAAHA成正比。今欲將流量從QA調節到QB只需將水泵電機轉速由N2調節到N4，電動機軸功率由面積OQAAHA降為面積OQBCHC，節能效果明顯。
      經實地勘察，本著節省投資，并使改造后的能與原有的系統隨時方便切換，采用基于三菱FX3U系列PLC控制器、變頻器和外圍傳感器等組成的智能控制系統，自動控制的空調循環、冷卻水泵的變頻運行，主要功能有：

       （1）按空調負荷變化來對空調泵進行變頻控制，設定的溫差、壓差（流量）值可人工設定或按不同時段自動調整，以滿足不同時間段大樓對空調的需求。在夏季制冷工況下，系統還需自動保證離心制冷機的允許最低流量，確保系統安全運行。
      （2）夏季制冷工況時根據空調負荷自動地在機組允許的冷卻水量范圍內調節冷卻水泵的流量，達到冷卻水泵節能目的。
      （3）該大樓的冷卻塔采用了低噪音無風機形式，為保證冷卻效果，需保證冷卻塔出水壓力在一定范圍，使水流以一定流速噴出霧化充分獲得較好的冷卻效果，冷卻塔出水閥需與冷卻水泵的自動聯動控制故，即根據冷卻水出水壓力控制出水閥門開啟個的個數實現。
      （4）考慮到系統運行的可靠性，采用人工干預下的臺數控制功能，即系統可實時監測空調負荷，并計算出當前空調系統的負荷情況，提示需開啟空調機組的臺數。
      （5）對被控制的設備提供電氣保護（過電壓、過電流、過載）保護、冷凍水低流量保護、冷凍水低溫保護、冷卻水高水溫保護功能。
      （6）本子系統的監控數據及控制指令通過CC-Link與主站 QPLC通信，并采用通用組態軟件組態王6.52對空調系統的各水泵、風機、主機的主要工藝參數的監控。

 
4.2空調末端部分

 
      由于空調末端設備如空調機新風機等的數量較多且分布范圍大，其能耗也占有比較大的比例，故本次改造方案是首先對大樓節能和管理要求較高的部分的控制功能進行改造，在現場設置性價比很高的FX1N PLC控制器對末端設備進行控制，該控制器也連接在CC-Link網絡上，可通過主站控制軟件界面監測和操作。
      改造完成后對空調末端設備實現下列控制功能：
空調末端：
1、 實時監控樓層的空調機新風機和風機盤管的運行狀態
2、 設備控制開關為時間程序控制，或監控站人工控制。
3、 根據室溫采用PID算法控制空調機水閥開度，保證溫度恒定，達到節能舒適的功能。
4、 監視空調機濾網濾網是否淤堵，及時提醒清洗。
5、 時間程序可根據季節設定并累計空調機的累計運行時間。
6、 為管理提供可靠依據。還可實現夜間換風和防凍等功能。

4.3系統框圖

 

 
1~20層共5個控制子站

 
五、結論

      系統改造后，經精心調試，完全達到各項控制功能的要求，由于采用了工業控制的通用設備，系統的實時性較以往有了大幅提高且穩定可靠，投資和維護費用低，備件充裕，可確保系統長期可靠使用。特別是冷熱源系統部分的控制程序經多次測試和優化，不但操作簡便且節能效果明顯，平均可達20%左右；同時末端設備控制更加方便。在舉國關注節能減排的形勢下，該控制系統值得在推廣。