冷水机房自动控制系统的应用研究

摘要节能降耗是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措，同时也是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择，在首届（中国）高效机房系统建设运维研讨会上，住建部分享的数据中指出，占比建筑能耗50%的空调系统，可优化节能潜力在30%以上。选用节能产品实现节能降耗只是基础，主要适用于新建或新增项目，如果能够将老旧办公楼空调系统中的机房在通过小投入改造利用自动化手段实现远程自动控制，既能实现能耗下降的同时又能缩减机房运营的人工投入，将具有十分重要的推广意义。本文以某办公和商场共用，设置空调制冷机房自控系统的大厦为例。通过自动控制以解决运行人员手动调整不及时的问题，实现实时动态远程监控，提升自动化、智能化水平，减少劳动定员，减轻员工劳动强度，实现集中调度管理。本论文简单阐述了制冷机房自控系统设计，包括改造方案、自动化仪器仪表清单以及PLC控制器的选型以及控制策略，并把调试过程中发生典型问题及处理方法进行了阐述说明，同时详细的介绍了控制系统的主要功能以及该系统带来的经济效益。关键词：冷水机组无人值守运行管理模式空调系统前言中央空调系统制冷机房主要由冷水机组、冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔等设备组成。在首届(中国)高效机房系统建设运维研讨会上，住建部分享了一组数据：占比建筑50%能耗的空调系统，可优化节能潜力30%以上，为绿色高质量发展带来了新的发展机遇。产品节能只是基础，机房内设备接入自控系统统一管理，实现远程操控、无人值守为本文研究的重点。本项目由于是办公和商场一体的大厦，商场运行时间高于办公时间，制冷机房大小机组根据负荷切换由运行人员手动完成，存在调整时间不及时，冷水机组温度设定不及时，冷机切换不及时等问题，造成能耗浪费，且为确保24小时运行，运行保障人员需要多班次值守，人工成本逐年上升，进一步加大了设备运行成本。本项目通过采集和自动控制制冷机房设备状态，来解决调整不及时问题。将制冷机房改造为无人值守机房，运行人员仅需负责定时巡视和突发问题处置，人工成本至少下降50%，能耗有望下降10%以上。第1章设计要求1.1、系统现状制冷机房系统分为大机组系统和小机组系统，两路系统独立运行。目前主要靠人工手动调节，不具备自动调节功能，主要设备清单如下：名称设备名称数量说明大机组系统冷冻机组2大机组900T冷量，离心机组2台冷冻泵2大机组55KW的2台冷却泵2大机组45KW的2台小机组系统冷冻机组1小机组350T冷量，螺杆机组1台，冷冻泵2小机组22KW的2台冷却泵2小机组18.5KW的2台冷却塔系统冷却塔风扇6大小机组系统共用。冷冻补水系统补水泵2补水泵5.5KW的2台1.2、改造方法对于制冷机房设备，通过PLC控制柜对冷冻机组的运行电流、冷却水进出水温度、冷冻水进出水温度、蒸发温度、冷凝温度等数据进行采集，对冷却塔风扇、冷冻泵、冷却泵、冷水机组的运行状态进行监控，并在上位软件上对设备的启停进行控制。从而实现了制冷机房设备远端控制启停的功能。1.3、解决方案冷冻泵原有控制为工频直起，增加变频控制根据供回水压差调节泵的运行频率，从而根据系统压力变化而变化，最终实现冷冻泵组节能目的。冷却泵原有控制为工频直起，不做变频改造，所以不改变原有控制方式，只增加远程控制功能。冷却塔风扇原有控制为工频直起，考虑冷却塔风扇功率较小，不建议做变频改造，所以不改变原有控制方式，只增加远程控制功能。对于冷水机组，直接将通讯电缆引入PLC控制柜内。以通讯的方式采集机组内的运行参数并控制机组启停设定温度等功能。第2章设计过程2.1、设备清单为实现自动控制目标，根据冷水机房现有设备情况及带监测数据测量范围，拟选优仪表及设备清单见表1-1。表1-1设备清单如下：设备采集值/量程或单位信号类型安装位置T1#冷冻水出水温度计温度/0-160℃4-20mA1#机组冷冻水出水管道T1#冷冻水回水温度计温度/0-160℃4-20mA1#机组冷冻水回水管道T1#冷却水出水温度计温度/0-160℃4-20mA1#机组冷却水出水管道T1#冷却水回水温度计温度/0-160℃4-20mA1#机组冷却水回水管道T2#冷冻水出水温度计温度/0-160℃4-20mA2#机组冷冻水出水管道T2#冷冻水回水温度计温度/0-160℃4-20mA2#机组冷冻水回水管道T2#冷却水回水温度计温度/0-160℃4-20mA2#机组冷却水出水管道T2#冷却水回水温度计温度/0-160℃4-20mA2#机组冷却水回水管道T3#冷冻水出水温度计温度/0-160℃4-20mA3#机组冷冻水出水管道T3#冷冻水回水温度计温度/0-160℃4-20mA3#机组冷冻水回水管道T3#冷却水回水温度计温度/0-160℃4-20mA3#机组冷却水出水管道T3#冷却水回水温度计温度/0-160℃4-20mA3#机组冷却水回水管道T1#分水器温度温度/0-160℃4-20mA安装在冷冻水分水器上T1#集水器总回水温度计温度/0-160℃4-20mA安装在冷冻水集水器上集水器T1#商场温度计温度/0-160℃4-20mA安装在集水器支管，商场冷冻水回水管集水器T2#B座温度计温度/0-160℃4-20mA安装在集水器支管，B座冷冻回水管集水器T3#A座温度计温度/0-160℃4-20mA安装在集水器支管，A座冷冻回水管T4#内环回水温度计温度/0-160℃4-20mA内环冷冻水回水管P1#冷冻水出水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA1#机组冷冻水出水管道P1#冷冻水回水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA1#机组冷冻水回水管道P1#冷却水出水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA1#机组冷却水出水管道P1#冷却水回水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA1#机组冷却水回水管道P2#冷冻水出水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA2#机组冷冻水出水管道P2#冷冻水回水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA2#机组冷冻水回水管道P2#冷却水出水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA2#机组冷却水出水管道P2#冷却水回水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA2#机组冷却水回水管道P3#冷冻水出水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA3#机组冷冻水出水管道P3#冷冻水回水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA3#机组冷冻水回水管道P3#冷却水出水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA3#机组冷却水出水管道P3#冷却水回水压力计压力/0-1.6MPa4-20mA3#机组冷却水回水管道P1#集水器压力压力/0-1.6MPa4-20mA安装在冷冻水分水器上P2分水器压力压力/0-1.6MPa4-20mA安装在冷冻水集水器上Q1#流量计1.2-2.5ft/s（0.37-7.62m/s）4-20mA安装在1#、2#冷机冷冻水出水管道Q2#流量计1.2-2.5ft/s（0.37-7.62m/s）4-20mA安装在3#冷机冷冻水出水管道T1#室外温湿度传感器温度/-40-70℃湿度/0-100%4-20mA写字楼首层北侧墙面T2#室内温湿度传感器温度/-15-50℃湿度/0-95%4-20mA写字楼10层客户区域内VVF1#变频4-20mA补水泵控制柜VVF2#变频4-20mA补水泵控制柜2.2、自控测点I/O表表1-2自控测点I/O表如下：序号类别名称数量AIAODIDO通讯1冷源系统冷水机组机组通讯协议模块332流量计/冷水冷量表113流量计/冷水冷量表114温度传感器12125压力传感器12126电磁阀337冷冻水系统冷冻水泵水泵远程控制4848水泵变频控制222429集水器集水器温度传感器5510集水器压力传感器1111电动蝶阀6121212分水器分水器温度传感器1113分水器压力传感器1114冷却水系统冷却水泵水泵远程控制48415冷却塔却塔控制柜远程控制改造66616自动加药装置11117仪器、仪表室外温湿度传感器1218室内温湿度传感器1219合计63384353432.3、PLC等主要器件选型表1-3设备选型如下：名称型号数量柜体2200*800*6001国产空开C65NC16A2P1施耐德S7-1500安装导轨,160mm6ES7590-1AB60-0AA01西门子负载电源PM70W，120/230VAC，24VDC、3A6EP1332-4BA001西门子CPU1511-1PN6ES7511-1AK02-0AB01西门子存储卡4MB6ES7954-8LC03-0AA01西门子IM155-6PN高性能，带服务器模块，6ES7155-6AU01-0CN01西门子总线适配器2xRJ456ES7193-6AR00-0AA01西门子DI16x24VDCST6ES7131-6BH01-0BA04西门子DQ16x24VDC/0.5AST6ES7132-6BH01-0BA03西门子AI8xI2/4线制BA6ES7134-6GF00-0AA15西门子AQ4xU/IST6ES7135-6HD00-0BA11西门子底座（带馈电能力）6ES7193-6BP00-0DA04西门子底座（无馈电能力）6ES7193-6BP00-0BA09西门子触摸屏10寸多串口TPC1162Hi1昆仑通态直流电源DC24V5A1明伟熔断器RT18-32A20国产三相插座三孔1国产变压器AC220V/24V500VA1国产232/485研华2研华中间继电器DC24V36施耐德地排1国产端子UK6N2菲尼克斯端子UK2.5N400菲尼克斯第3章控制策略3.1、手动控制策略手动控制时：设备运行模式调成本地模式，由人为现场设定开启机组、水泵、冷塔、阀门等设备。3.2、自动控制策略自动控制时：1）室外温度为≥24℃且室内温度到达27℃时，首先启动一台离心机组；2）根据现场实际情况，中午12：00以后，在极度桑拿天的日期里，需要实行加减机的运行程序：首台冷水机组运行12:00后开始，每隔30min，根据检测的冷冻水回水温度计算冷负荷，并与设定值相比较以确定是否需要启动另一台冷水机组，其步骤如下：（1）开机条件满足室外温度≥24℃，室内温度≥27℃时。（2）开启1#离心式冷水机组为主要运行机组，2#机备份。（3）12:00后开始，每隔30min，检测一次的冷冻水回水温度，≥15℃，冷水机组冷负荷百分比≥95%，隔10min后，再次确认不变，增加开启小螺杆机运行。（4）检测准备启动的冷水机组是否处于自动且正常状态，如果检测到准备启动的冷水机组处于手动状态或者有故障报警，则马上撤销此启动命令，人工现场消除故障，并复位，打到自动状态重新启动。（5）开启对应的冷动泵、冷却泵。（6）检测冷冻泵、冷却泵是否处于自动且正常状态，如果检测到准备启动的冷冻泵、冷却泵处于手动状态或者有故障报警，则马上撤销此设备的启动命令，人工现场消除故障，并复位，打到自动状态重新启动。（7）检测冷却水回水温度>30℃，检测冷却塔风机是否处于自动且正常状态，如果检测到准备启动的冷却塔风机处于手动状态或者有故障报警，则马上撤销此设备的启动命令，同时排除问题至正常的条件，若符合则延迟2min，冷却塔风机开。（8）检测冷冻/冷却水压差状态，延迟10min，小螺杆机开。3.3、系统控制流程3.3.1、开机流程系统采集冷水机组相对应各设备在自动状态、无故障状态信息后方可开机。当对应设备出现故障时：对于冷水机组，在任一蝶阀、泵故障报警时，关闭相关启动设备，人工现场核实解除故障，复位后，再重新启动设备。由于现场设备老旧冷水机组和水泵需要不定期维护，故自动时的前提条件是提前手动选择好此次需要启动的设备。如所选设备近期不进行维护则下次自动启动时默认已经勾选的设备。开机条件为：在设定的开机时间内满足室外温度大于24℃（可设定）并且室内温度大于26℃（可设定）时启动自动程序，自动开启对应机组阀门、冷冻泵、冷却泵、冷却塔风扇、冷水机组。3.3.2、关机流程关机条件为：在设定关机时间内关机程序启动，以此关闭冷水机、冷却水泵、冷却塔风扇，根据冷冻水温度达到15℃时或者延时停止时间到达后，关闭冷冻泵及电动蝶阀。3.3.3、加机流程中午12:00后开始，当运行中的冷水机组负载率在30min内都大于95%时，运行程序将增加一台螺杆机组参与运行。启动螺杆机组对应的阀门水泵等设备。3.3.4、减机流程当负载率≤60%，冷冻水供回水温差＜3℃（可设定），运行中持续30min无改变，则关闭后启动的螺杆机组及相应的水泵等设备。3.3.5、间歇运行流程当离心机组负载率低于48%（可设定）时，且持续30分钟无变化，则机组进入间歇停机状态。设置条件为停机30分钟并且室内温度＞28℃（可设定）方可再次启机。制冷系统间歇运行时冷冻泵、冷却泵则保持运行状态。3.4、触摸屏设定3.4.1、时钟更新可以设定时间，如果系统运行时间与实际时间有差错，在设定框内写入新的时间后，点击设置时钟按钮后，系统显示时间就为实际时间。3.4.2、报警如果发现报警界面有报警状态产生，首先确认状态是否真实发生，解决报警后，点击故障复位按钮复位故障以后，系统自动控制才能正常运行，否则自动不会运行。图3-1系统故障复位界面3.4.3、冷冻泵、补水泵、冷却塔控制冷冻泵手动启停水泵，自动时根据自动程序下发指令启停水泵。补水泵手动设定频率定频运行，自动根据设定的定压值与实际测量值作对比PID调节运行频率控制水泵启停。图3-2补水泵控制界面选择手动时手动点击启停按钮启停冷塔，选择自动时根据温度自动启停冷塔，温度高于启动温度时开启冷塔低于停止温度时停止冷塔，设定温度时要注意启动温度高于停止温度。（注：温度可调）自动条件下只要有一个冷却泵运行就启动冷塔，冷却泵全部停止冷塔才停止。图3-3冷却塔控制界面3.4.4、阀门控制机组阀门自动时根据机组自动开关，手动时需要先取消自动状态才可以手动控制阀门开关。取消自动在机组全自动控制界面取消自动按钮。商场阀门自动时根据设定时间自动启停。点击下方运行时段设定按钮进入商场阀门运行时间设定界面，分为两个时间段，周一至周五一个运行时间，周六日另一个时间。点击返回按钮进入阀门设定界面。A座、B座、内环阀门自动时间前提条件根据大机组星期时间联动，例如大机组勾选周一则办公区阀门周一才会根据设定时间开关，如果大机组没有勾选周一，则办公阀门周一默认的是阀门上次开或关的状态。3.4.5、全自动设定时间设定室内温度开机设定值：设定值要低于室温实际值时才会开机。室外温度开机设定值：设定值要低于室外实际值时才会开机。大机组时间设定：选好星期后（默认周一至周五），设定大机组白天运行时间（默认8：30---17：00），后在设定小机组夜间运行时间（默认17：30---19：30），大机组会按照设定时间运行，关机后小机组按照设定中时间继续运行，大机组停止时间要早于小机组启动时间。小机组时间设定：选好星期后（默认周六和周日），设定小机组全天运行时间（默认8：30---19：30）。图3-4阀门控制界面图3-5运行时间设置界面自动设定a、选择需要参与自动运行的水泵和机组b、设定好冷冻泵停机运行时间c、喘振停机设定：喘振停机条件，设定喘振停机电流百分比设定值，当冷机运行电流百分比低于该设定值时延时30分钟后停止冷机，不停水泵。喘振启机条件，设定冷机喘振室温恢复启机设定值，该值高于室内温度实际值后冷机恢复自动运行，或者在冷机停机后延时30分钟后冷机自动恢复启动。d、启停小冷机设定：启动小冷机条件，在12点以后开始执行当大冷机电流百分比高于95%后延时30分钟后启动小冷机。停止小冷机条件，冷冻水供回水温差停止小冷机设定值，该设定值低于冷冻水供回水温差实际值后并且当大冷机电流百分比低于60%后延时30分钟后停止小冷机。e、当所有设定值设定完毕以后，选择/取消全自动模式的选择自动模式后，之前选择启动对应的水泵冷机默认为自动状态，指示灯显示绿色表示该设备默认到自动中，点击全自动启动/停止的启动模式后，冷机开始自动运行。自动运行时全自动开、阀开、冷却泵开、冷冻泵开、冷机开对应指示灯以次亮灯。如果有指示灯没有亮则查看故障页面是否有故障出现，复位故障自动继续运行。自动运行时全自动关、冷机关、冷却泵关、冷冻泵关、阀关对应指示灯以次亮灯。图3-6自动控制设置界面3.5、应急事件控制策略当冷冻水水管出现跑水后，机组冷冻水水管流量低于60%时，系统报警并对机组停机保护，关机顺序为关闭冷水机组----冷却泵——冷却塔——延迟10min，关闭冷冻泵——对应冷冻、冷却电动阀。当冷却水水管出现跑水后，应根据系统水势大小、区域、可控程度决定是否关闭冷水机组和循环水泵，当冷却水压差＜0.15MPa时，应关闭机组，执行停机操作。第4章系统调试中遇到的问题4.1、问题出现的现象自动时，当系统实际压力值低于设定值时，水泵启动，运行频率快速涨到50HZ时系统压力会迅速达到设定值并且会超出设定值后达到超压限值报警停机，泄压阀启动泄水，补水系统运行不稳定。偶尔变频器会出现电机过流报警。4.2、问题产生的原因当运行频率达到50HZ并且系统压力趋近于设定值时，PID输出频率下降速度缓慢，水泵在50HZ运行时间较长容易超压。并且现场发现水泵扬程高于计算扬程，也就是在50HZ停留过程中系统压力会快速上涨上去并且高于设定值继续上涨，当PID输出频率下降速度低于压力上升速度后就会产生超压停机报警。当系统失压较慢时，实际压力慢慢低于设定压力后水泵会启动运行，水泵会在较低的频率下一段时间后慢慢上升到50HZ，由于频率上升过程时间较长，水泵低频运行时扬程较低，无法把水补近系统中，导致水泵低频空转。时间稍长后水泵积气，产生了“气蚀”，热量无法传导出去，最终导致电机过热进而变频过流报警。4.3、问题解决的办法首先把水泵出口截门稍微关闭一些，以降低水泵扬程。然后水泵放水使实际压力低于设定压力后，手动给变频频率观察水泵入口处水表是否有转动，只要水表有转动表明水泵已经将水补进系统，这个值做为补水泵运行得最低频率。最低频率固定在39HZ。外部改变后重新调试程序，当PID输出低于水泵运行的最低频率39HZ时，程序内不做输出，不给水泵启动信号，当PID输出频率高于39HZ时程序输出频率控制的水泵运行。为防止水泵频繁启停，我们在程序里做了启动限值。直接启动压力：当系统失水较多系统压力下降较快时，低于直接启动压力水泵立刻启动运行。延时启动压力：当系统失水较少系统压力下降较慢时，系统压力低于延时启动压力后，满足设定的延时