中央空調自動(dòng)控制系統
中央空調自控系統為生產(chǎn)工房工藝性空調系統提供恒溫恒濕自動(dòng)化控制和節能控制，或為辦公樓宇空調系統提供舒適性辦公環(huán)境和節能控制。中央空調設備的風(fēng)量、冷熱量、加濕量等裝機容量一般按最不利季節工況進(jìn)行選型和配置，當室外氣象參數發(fā)生變化或生產(chǎn)車(chē)間負荷發(fā)生變化，中央空調系統的風(fēng)量、冷熱量、加濕量需要進(jìn)行調節才能消除室內的冷熱負荷、濕負荷，維持工藝所需的恒溫恒濕室內環(huán)境或滿(mǎn)足人體舒適的建筑環(huán)境。中央空調系統是建筑物內的能耗大戶(hù)，通過(guò)自動(dòng)化控制手段降低運行能耗已成為中央空調系統必配的重要措施。
中央空調自控系統基于成熟的自控技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為分散在建筑物不同區域的空氣處理機組（AHU）、新風(fēng)機組（PAU）、風(fēng)機盤(pán)管（FCU）、VAV末端裝置等設備配置現場(chǎng)自控系統，并通過(guò)工業(yè)級自控網(wǎng)絡(luò )或樓宇級自控網(wǎng)絡(luò )實(shí)現數據通訊、系統集成和集中管理。根據不同的應用場(chǎng)合和用戶(hù)需求，空調自控系統現場(chǎng)控制站可選擇工業(yè)級PLC控制器和樓宇級DDC控制器。
中央空調自控系統可以作為企業(yè)能源管控系統的一個(gè)子系統，也可以作為獨立系統進(jìn)行集中管理和分散控制。中央空調自控系統為空調系統提供自動(dòng)化運行、節能控制、故障診斷和遠程集中管理。
空調自控系統現場(chǎng)電控柜
空調自控系統網(wǎng)絡(luò )結構設計遵循“分散控制、集中管理、綜合監控”的設計原則，空調自控系統采用集散式網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。分布在各單體建筑物的空調末端機組、新風(fēng)機組、制冷機組就地設計PLC控制站，獨立完成本地監控功能。分布在現場(chǎng)的各PLC控制站通過(guò)ProfiNet工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)連接在一起，光纖環(huán)網(wǎng)由工業(yè)級環(huán)網(wǎng)交換機、光纖介質(zhì)、冗余電源等設備組成，PLC控制站就近接入光纖環(huán)網(wǎng)交換機，實(shí)現各PLC控制站之間點(diǎn)對點(diǎn)通訊（Peer to Peer）。
在中控室為空調自控系統配置上位機工作站，實(shí)現廠(chǎng)區空調制冷系統的集中管理，上位機工作站通過(guò)信息層管理交換機與光纖環(huán)網(wǎng)上的交換機建立冗余鏈路連接?？照{自控系統網(wǎng)絡(luò )將所有的現場(chǎng)PLC控制站通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò )連接組成一個(gè)有機整體，環(huán)網(wǎng)上任何一節點(diǎn)故障均不致影響系統的正常運行和數據傳輸。
中央空調制冷系統網(wǎng)絡(luò )結構拓撲圖
空調自控系統網(wǎng)絡(luò )結構由信息管理層、集中控制層和末端設備層組成。
信息管理層主要由實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器、SCADA數采服務(wù)器（冗余配置）、操作員站、信息層網(wǎng)絡(luò )交換機設備等組成。信息管理層基于鏈路冗余100/1000M Bit/s自適應以太通訊網(wǎng)絡(luò )構架，信息管理層設備通過(guò)以太網(wǎng)交換數據信息。信息管理層的操作員工作站與服務(wù)器之間采用C/S與B/S相結合的模式。C/S模式下，通過(guò)空調自控系統的多臺操作員站（上位機），由操作人員負責監控管理整個(gè)廠(chǎng)區空調制冷系統的設備運行。B/S模式下，空調自控系統對外提供WEB發(fā)布功能，允許授權用戶(hù)在全廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )連接到的任何地方查看空調制冷自控系統的過(guò)程參數、流程圖形和統計分析數據，
集中監控層由工業(yè)以太網(wǎng)交換機構成的ProfiNet工業(yè)以太環(huán)
網(wǎng)、PLC控制站、現場(chǎng)觸摸屏等設備組成。工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)以光纖作為連接介質(zhì)，配備冗余電源，冗余介質(zhì)，保證主干網(wǎng)絡(luò )穩定可靠的通訊。工業(yè)以太網(wǎng)采用千兆互連、百兆到設備，主干網(wǎng)交換機互連光纖通訊速率達到1000Mbps，集中監控層環(huán)網(wǎng)交換機采用三層以上管理型交換機。
末端設備層主要由設備層交換機、動(dòng)力啟動(dòng)柜、現場(chǎng)操作終端、分布式 I/O站、PLC控制從站、變頻器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量計、電動(dòng)閥/電磁閥、調節閥以及獨立單機設備自控等組成。對數據采集類(lèi)不參與控制的監測點(diǎn)，配置帶有DP/PA/FF或Modbus通訊協(xié)議的儀器儀表，各種網(wǎng)絡(luò )接線(xiàn)配置原廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )接頭、PA網(wǎng)絡(luò )T形轉接頭和終端電阻以及協(xié)議轉換模塊，保障數據通訊的穩定安全；對參與控制的檢測點(diǎn)，主要選用4～20mA DC輸出的傳感器和儀器儀表。
1. 監測功能及數據采集
車(chē)間（室內）溫濕度參數監測；
空調機組新風(fēng)、回風(fēng)、混風(fēng)、送風(fēng)溫濕度參數監測；
空調機組表冷出風(fēng)、加熱出風(fēng)溫濕度監測；
空調機組新風(fēng)閥、排風(fēng)閥、回風(fēng)閥、表冷閥、加熱閥、加濕閥開(kāi)度監測；
空調換熱盤(pán)管冷熱水供回水回路、蒸汽供汽管路的溫度、壓力監測；
空調系統新風(fēng)量、送風(fēng)量監測；
過(guò)濾器壓差、送回風(fēng)機壓差監測；
2. 通訊集成
與每臺冷水機組自帶控制器（ModBus-RTU等）通訊集成，讀取冷水機組內部運行參數，并實(shí)現冷凍供水溫度再設定功能。冷水機組內部運行參數包括：蒸發(fā)溫度和壓力、冷凝溫度和壓力、油槽溫度和油泵壓差、壓縮機馬達電流/電壓和電流百分比、機組運行時(shí)間和啟停次數、機組運行故障信息等；
與冷凍泵、冷卻泵變頻器通訊集成，讀取變頻器內部運行參數，并實(shí)現水泵變頻控制。變頻器內部運行參數包括：電流、電壓、頻率、功率、功率因數、累計消耗電能、單位時(shí)間能耗、累計運行時(shí)間、上電次數、散熱器溫度、轉矩、加減速時(shí)間、本地遠程狀態(tài)、故障信息等；
與制冷站流量計（ProfiBus-PA/DP、ModBus-RTU等）通訊集成，實(shí)時(shí)監測、顯示每臺流量計的瞬時(shí)流量、累計流量等參數。
空調PLC控制柜
空調變頻啟動(dòng)柜
3. 控制功能
車(chē)間（室內）恒溫恒濕自動(dòng)控制：采用全年多工況分區控制策略，當室外氣象參數發(fā)生變化和車(chē)間生產(chǎn)負荷發(fā)生變化時(shí)，自控系統維持室內溫濕度參數在控制精度范圍內。
空調送回風(fēng)機變頻節能控制：根據允許的最大送風(fēng)溫差和最小空調換氣次數要求，對空調系統進(jìn)行變風(fēng)量節能控制；對于帶VAV變風(fēng)量末端裝置的空調系統，根據送風(fēng)靜壓對空調系統進(jìn)行變風(fēng)量節能控制。
空調系統與調節機構聯(lián)鎖控制：空調風(fēng)機停止運行時(shí)，新風(fēng)閥、排風(fēng)閥全關(guān)、回風(fēng)閥全開(kāi)、表冷閥/加熱閥/加濕閥全關(guān)，高壓微霧加濕器停止運行。
發(fā)生火災報警時(shí)，空調機組禁止運行。
過(guò)濾器壓差、送回風(fēng)機壓差監測；
送回風(fēng)機、高壓微霧加濕器運行狀態(tài)及故障狀態(tài)監測；
送回風(fēng)防火閥狀態(tài)、消防報警狀態(tài)監測；
4. 空調系統監控原理圖
工藝性空調系統（送/回風(fēng)機型）監控原理圖
工藝性空調系統（單送風(fēng)機型）監控原理圖
新風(fēng)空調系統監控原理示意圖
1. 全年多工況分區恒溫恒濕節能控制策略
工藝性空調系統為滿(mǎn)足室內全年的恒溫恒濕控制精度指標，配備了眾多的空氣熱濕處理手段，如圖所示。常見(jiàn)的有表冷器（降溫除濕）、加熱器（升溫）、干蒸汽加濕器、高壓噴霧（等焓、冷卻加濕）、新風(fēng)/回風(fēng)/排風(fēng)閥、風(fēng)機變頻等，這些調節機構為空調自控系統在不同季節提供了溫濕度控制手段。
空調自控系統的控制回路一般由溫度和濕度控制回路組成，根據PID調節回路控制邏輯，在某一特定時(shí)刻溫度和濕度控制回路的PID輸出信號應指向唯一的執行機構。因此，自控系統應根據室外季節氣候條件和車(chē)間熱濕負荷變化來(lái)優(yōu)化各種熱濕處理手段的組合，找準各種室內外工況條件下的最佳溫濕度控制回路的執行機構，以保證車(chē)間溫濕度控制精度的目標實(shí)現，并最大限度的節省空調系統的運行能耗。
空調溫濕度PID控制回路
全年多工況分區焓濕圖分析
除濕與加濕分區邊界：
當新回風(fēng)混合狀態(tài)點(diǎn)（C）的含濕量大于或等于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（O）的含濕量，即dC≥dOS時(shí)，此季節工況應對空氣進(jìn)行除濕處理，否則應對空氣進(jìn)行加濕處理。
加熱與冷卻分區邊界：
當新回風(fēng)混合狀態(tài)點(diǎn)（C）的溫度大于或等于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)（O）的溫度，即tC≥tOS時(shí)，此工況應對空氣進(jìn)行冷卻處理，否則應對空氣進(jìn)行加熱處理。
新回風(fēng)比節能控制原則：
除濕季節工況，若室外空氣的焓值大于或等于回風(fēng)空氣的焓值，即iW≥iR時(shí)，采用最小新風(fēng)；若iW＜iR，采用最大新風(fēng)。加濕季節工況，視情況采用最小新風(fēng)或調節新回風(fēng)比。
根據上述全年多工況分區原則，如含濕圖所示，針對某特定的工藝性空調系統根據空氣熱濕處理機理在焓濕圖（i-d）上將全年分成九個(gè)工況區域。舉例說(shuō)明某些工況區域的溫濕度控制策略如下
2. 串級調節策略
工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)車(chē)間內工藝設備產(chǎn)熱量大，車(chē)間溫濕度場(chǎng)在水平和垂直方向上均存在不均勻性，空調系統的回風(fēng)溫濕度不能代表車(chē)間內部溫濕度參數，因此常在車(chē)間內部布置室內溫濕度傳感器。由于空調送風(fēng)達到車(chē)間溫濕度傳感器位置需要一定的時(shí)間延遲，為防止因滯后時(shí)間導致的溫濕度超調現象，因此將送風(fēng)溫濕度參數作為中間變量進(jìn)行串級控制，可以提高空調自控系統的動(dòng)態(tài)調節品質(zhì)。
如下圖所示，車(chē)間（室內）相對濕度控制回路為串級控制的主回路，送風(fēng)相對濕度控制回路為串級控制的副回路。主回路PID運算的輸出值作為副回路的設定值，由副回路的PID運算直接控制相對濕度控制回路的執行機構（如表冷除濕閥、干蒸汽加濕閥等）。
相對濕度串級調節原理圖
3. 空調變風(fēng)量節能控制策略
空調系統送風(fēng)量一般是按夏季設計工況的室內冷負荷進(jìn)行選型的。當室外氣象條件偏離夏季設計工況或車(chē)間生產(chǎn)負荷變小時(shí)，如果空調系統采用定風(fēng)量運行，一方面浪費風(fēng)機電耗，另一方面在除濕季節空調系統會(huì )出現再熱現象，造成冷熱抵消，浪費能源。根據風(fēng)機性能公式，風(fēng)機功率消耗與轉速近似三次方的正比關(guān)系，當風(fēng)量減少到原設計風(fēng)量80%時(shí)，風(fēng)機功率消耗減少到原設計功率51.2%。
空調系統送風(fēng)量（L）可用下述公式表示：
對于室內空調負荷QX一定的情況下，送風(fēng)溫差△t=︱tN－tO︱越大，空調系統所需要的風(fēng)量L越小。因此，自控系統采用“最大送風(fēng)溫差”控制策略顯然能將空調系統送風(fēng)量維持在最小狀態(tài)，并在策略下制定各季節工況下的最優(yōu)送風(fēng)溫濕度設定值。
4. 空調系統與冷凍站聯(lián)合運行節能控制策略
空調末端系統與制冷站聯(lián)合運行綜合節能控制由5大環(huán)節組成，最終為車(chē)間提供恒溫恒濕空調環(huán)境，每個(gè)環(huán)節均對應各自的節能控制策略。制冷站將冷凍水提供給空調機組表冷器，兩者之間進(jìn)行變流量（量調節）、變水溫（質(zhì)調節）節能調節過(guò)程。
空調制冷系統聯(lián)合運行綜合節能控制路線(xiàn)圖
長(cháng)期以來(lái)，空調自控系統一致沿用經(jīng)典的PID閉環(huán)控制技術(shù)，由于空調系統具有大慣性、大滯后固有特征，空調系統溫濕度參數對于干擾變化的響應比較遲鈍，即系統的時(shí)間常數很大。PID閉環(huán)控制技術(shù)作為反饋型、事后糾偏控制方法在用于空調系統控制時(shí)存在先天性不足。近幾年隨著(zhù)數字化技術(shù)、人工智能技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，空調自控系統的智能化升級迎來(lái)了新的發(fā)展機會(huì )。
1. 空調自控系統數字孿生仿真預測模型
空調自控系統仿真預測模型通過(guò)對被控車(chē)間、空調機組（表冷器、加熱器、干蒸汽加濕器和高壓微霧加濕器）、控制環(huán)節（傳感器、PID控制器、執行機構）的機理建模、大數據建模，在滿(mǎn)足車(chē)間溫濕度控制精度的前提下，對表冷、加熱、加濕（干蒸汽、高壓微霧）的調節范圍進(jìn)行預測、對最優(yōu)冷凍供水溫度、空調最優(yōu)啟停時(shí)間、最優(yōu)空調能源消耗進(jìn)行預測，實(shí)現空調系統仿真數據與實(shí)際運行的數據孿生，實(shí)現執行機構調節范圍預測控制與PID閉環(huán)控制相融合的智能化控制，提高空調溫濕度控制的穩定性和控制精度，節省空調系統的運行能耗。
空調自控系統仿真預測模型的輸入輸出參數與下圖中空調自控系統的IO監控點(diǎn)相匹配。
恒溫恒濕房間的溫濕度仿真模型：
空調機組仿真模型（以表冷換熱盤(pán)管為例）：
表冷盤(pán)管空氣側的換熱微分方程：
表冷盤(pán)管水側的換熱微分方程：
自控系統PID控制器的仿真模型如下：
將恒溫恒濕房間、空調機組與自控環(huán)節的仿真模型連接在一起，進(jìn)行聯(lián)合求解，便可實(shí)現空調系統仿真運行與實(shí)際運行的數字孿生。聯(lián)合求解時(shí)，同樣需要全年多工況分區控制策略，將PID仿真模型的輸出值與對應的執行對象（表冷、加熱、加濕）的仿真模型連接上。
自控環(huán)節與被控空調機組仿真模型聯(lián)合求解方塊圖
2. 仿真模型與自控系統融合應用
空調系統仿真模型的基礎參數（室外溫濕度參數、車(chē)間工藝設備的用電量等）基于底層空調控制系統的實(shí)時(shí)監控數據，仿真模型的輸出參數直接參與底層的控制過(guò)程，并實(shí)現與傳統PID控制技術(shù)的容錯和融合。通過(guò)仿真模型的數字化孿生，提供空調系統的負荷預測和能耗預測；實(shí)現電動(dòng)執行機構（如調節閥、變頻器）調節范圍預測前饋控制與PID反饋控制融合的智能化精準控制；通過(guò)預測數據與系統實(shí)際運行數據的比對，分析系統的能效狀態(tài)和潛在的故障征兆，為空調設備的預防性維護提供技術(shù)手段。