空调制冷主机房智能化控制系统设计
1 引言
随着我国国民经济的不断向前发展，城市建设日新月异，越来越多的大型公共建筑出现在城市的建设中。建筑行业的发展状况，从某种意义来说，是国民经济发展的晴雨表和温度计。
一座大型的现代化建筑的成功建成，首先是离不开优秀的设计，而优秀的设计必定是各种先进科学技术应用的集成。作为现代建筑设计的一个重要组成部分¬—暖通空调工程设计的质量优劣，在很大程度上取决于对一系列技术问题的科学决策，比如系统方案的选择，设备的选择等。在进行决策时，不仅要对系统的先进性、实用性、经济性进行分析比较，同时也需要对系统建成后投入使用时的营运管理和经济效益进行分析比较。随着暖通空调学科的发展和社会对人工环境要求的提高，使得对原本就显得复杂、繁重的大型建筑工程项目设计决策更加重要。当前大型现代化建筑暖通空调工程设计要突出的重点是什么？要解决什么难点？需要采用哪些新的技术？这些都是非常值得暖通空调设计人员认真思考的。
2 项目空调制冷系统概况
广州国际会议展览中心一期工程占地面积约70万平方米，建筑面积近40万平方米，共有16个大型的展览厅，以及洽谈室、办公室、会议室、餐厅等配套功能用房。工程建成后，作为中国出口商品交易会新场馆使用。
广州国际会议展览中心空调系统共有双级压缩离心式冷水机组11台，总冷量共64641KW，其中7034KW8台，3517KW2台，1136KW1台，冷冻、冷却水泵38台，冷却塔11组55台，空调冷风柜机310 台，风机盘管720台，风机457台，诱导风机1250台，空调系统总装机电容量约25680KW。空调设备中，冷冻二级泵、冷却塔风机及冷风柜风机等均采用了先进的变频控制技术控制其运行。如此庞大单体建筑空调系统，其规模在国内甚至世界来说，都是不多见的，如果完全由人工来控制运行，不但需要投入大量的人力资源，而且由于难以做到精确控制设备的运行而产生大量的电力浪费，从而增加了运行成本。因此，只有采用先进的智能化控制技术，才能从根本上解决问题。
3 冷冻机房智能控制系统设计原理
3.1 智能化控制系统的构成
冷冻机房智能化控制系统由冷水机组自动控制系统及两个相对独立的分控（中心）组合构成，即：二级冷冻泵变频控制系统、冷却塔变频控制系统。并分别通过MODBUS-RTU及PROFIBUS-DP标准通讯方式与冷冻机房控制系统连接集成为群控系统，机房群控系统仅对两分控（中心）进行监视和读取数据但不进行具体的控制。
机房群控系统所控制设备：冷水机组、一级冷冻泵、二级冷冻泵、冷却泵及与设备相关的电动阀门。冷水机组群控系统监控网络结构图参见图1。
图1 系统监控网络结构图
3.2 冷水机组群控系统的控制原理
（1）系统的启动控制程序参见图2。
图2 系统的启动控制程序图
（2）系统的关闭控制程序参见图3。
图3 系统的关闭控制程序
3.3 制冷主机房设备智能运化行管理控制程序
会展中心空调区域按二级冷冻水系统划分为六个（区域）环路，根据展览馆非二十四小时运行的状况，对相关的设备分为三个控制阶段：
（1）系统的起始控制阶段 根据建筑楼宇自动化控制系统（BAS）提供的所设定需要使用的空调（区域）环路：
环路一：展馆 6 、 7 、 14、 15；
环路二：展馆 1、 2 、 9 、 10；
环路三：展馆 3 、 8 、11 、 16；
环路四：展馆 4、 5、 12 、 13；
环路五：餐厅；
环路六：办公室；
群控系统根据BAS控制系统确定使用的空调区域指令，打开分水器上相关的供水支管电动阀门并输出电信号，电脑确认阀门开启后，群控系统通过通讯方式（MODBUS）指令二级变频冷冻泵控制系统开启相应的二级冷冻泵组合及相关电动阀门。各区域二级冷冻泵开启的数量及电机频率的调整，由二级冷冻泵控制系统自动控制，群控系统监视其水泵的运行状态及读取数据。群控系统在指令二级冷冻泵系统起动五分钟（待管网水流相对平稳，可根据需要调整）后，群控系统将根据BAS系统选择的供水区域的冷量（由设计确定）Q（KW），计算出所要开启的机组类型及数量，通过通讯方式（BROFIBUS)指令冷却塔变频控制统开启与之相对应冷却塔。冷却风扇电机的频率调整，由冷却塔系统自动控制，群控系统监视其冷却风机的运行状态及读取数据。群控系统确认冷却风机运转后，开启相关的冷却水泵、一级冷冻水泵（包括与之联锁的电动阀门），并指令开启相应的冷水机组，设备运行正常三十分钟（根据冷水机组安全运需要，可调整)后，群控系统将结束初始阶段控制，继而转而进入中间（即正常化）控制阶段。
（2）中间（正常化）控制阶段 冷水机群控系统将根据远程传感器采集的数据，通过 电脑计算系统冷量需求大小，确定所需相应运行冷水机组的类型及数量，决定开启及关闭相应的冷水机组、一级冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等设备，使设备在高效率状态中运行。
系统的开启次序：冷却水泵 - 冷却塔 - 一级冷冻泵 - 冷水机组。
系统的关闭次序：冷水机组- 一级冷冻水泵 - 冷却塔 - 冷却水泵。
系统冷量计算公式：Q = 4.19 x (t2 - t1)x V
t2 –冷冻回水总管温度 ℃； Q - 冷负荷 KW；
t1 –冷冻供水总管温度 ℃； V –冷冻回水总管水流量 m3，/h
中间控制阶段与BAS控制系统选择空调区域的使用（即冷冻二级泵供水区域）无关，而是根据系统的冷量需求大小进行控制。
（3）结束控制阶段 当BAS控制系统指令关闭所有的空调使用区域，系统将按关闭次序停止全部冷水机组运行，确认后，群控系统将通过通讯方式（MODBUS）通知二级变频冷冻泵系统停止所有水泵的运行，再确认后，群控系统将关闭供水支管的阀门。
4 群控系统对设备安全运行保护控制程序
4.1保护控制
安全可靠的运行是控制系统必不可少的组成部分，群控系统在下列情况实行保护控制程序；
(1)当一套设备在运行中，某一设备因故障或需维修停止运行，在系统确认后，将立即关闭整套设备，并锁住该套设备。同时开启同组中的另一套设备，被锁住的设备在维修后，必须由操作人员解锁方可恢复自动状态。
(2)当系统某一设备（例如一级水泵）处手动状态时，系统将自动锁住与该设备相关的整套机组，包括冷却塔、冷却水泵、一级冷冻水泵、冷水机组。设备恢复自动状态时，系统将自动解锁。
(3) 为避免因冷量的计算值出现震荡值时（即流量呈现不平滑变动）而引起的冷水机组频繁开停，计算值持续超过或低于设定值五分钟（可调整），系统才会开/关（或切换）冷水机。
(4) 为避免冷水机组的频繁开、停，保确冷水机组的安全运行，在中间控制阶段，当某一组冷水机组正常启动或停止，三十分钟内（可调整）将暫停系统冷量需求的控制，直至三十分钟后自动恢复。
4.2 故障报警
若其中一套设备在启动或运行中，某一设备在系统发出开启指令后，无法在一定时间内反馈正确的运行状态，系统将发出该设备开启失败的警报，同时关闭该套设备，并锁定该套设备。若其中一套设备在关闭过程中，某一设备在系统发出关闭信号后，无法在一定时间内反锁确认停止状态，系统将会发出该设备关闭失败的警报，停止关闭该套设备中的后续设备。
4.3 备用水泵的控制
当某一冷却水泵或一级冷冻水泵因故障无法使用,导致与之相关的整套设备无法使用,此时,操作人员可以人为的选择备用泵,但备用泵不可同时为两套设备所选用。
5 系统的连接方式与系统集成
群控系统-BAS系统的连接采用基于以太网络，提供TCP/IP的微软(MICROSOFT)系统标准OPC通讯方式（协议），光纤电缆连接。
群控系统—冷却塔控制系统的连接采用RS-485（EIA）卡双绞屏蔽线，通讯方式：PROFIBUS-DP。
群控系统—二级冷冻泵变频控制系统连接方式采用RS-485（EIA）卡双绞屏蔽线。通讯方式采用MODBUS-RTU。
6 系统硬件信号选择的类型
群控系统所选用的直接数字式控制器（DDC）接受的硬件信号点类型：
(1)模拟输入、模拟输出（AI）：温度：10K热敏电阻；其它：0 — 5 VDC、1 — 5 VDC、4 — 20mA 。
(2)模拟输入、模拟输出（AO）：0—10VDC。
(3)数字输入（DI）：无电压干触点。
(4)数字输出（DO）：24VDC。
7 结束语
经过三年多来的系统运行，证明了冷冻机房智能化控制系统的设计是成功的，目前系统运行状况良好。广州国际会议展览中心作为中国出口商品交易会的新场馆，其主要特点是展览馆单体面积大，空调运行冷负荷变化大，非二十四小时运行且无固定规律。若采取人工控制，需投入大量的管理人员，也难以准确根据负荷的变化控制设备的启动与停止数量，容易造成能源浪费。启用冷冻机房智能化系统后，通过中央控制室BAS控制系统远程指令，实现了冷冻机房无人值班管理（由BAS系统监控），不但减少大量的管理人员，也节省了大量的能源。冷冻机房设计总冷量共64641KW，启用冷冻机房智能化控制系统后，由于能较准确的采集数据，精确地控制设备在高效率下运行，即使满负荷运行时开机冷量仍保持在42203K左右，其节能经济效益是显而易见的。而冷冻机房智能化群控系统所投入的费用仅占冷冻机房设备（不含安装费）费用的百分之六左右，在整个空调系统设备总费用中，更是只占很小的比例（一般来说系统越大，设备总造价越高， 其所占的投资比例就应越少）。更重要的是节省了大量的人力资源，这是智能化群控系统的成功意义所在。它的设计成功，更印正了科学的决策对设计工作指导的重要性。
暖通空调工程是一项复杂的系统工程，其设计技术的提升离不开科学技术发展的平台，展望暖通空调设计工作的明天，将是新技术、新设备以及复合科学技术应用不断发展的明天，暖通空调智能化控制技术特别是在大型公共建筑的设计与应用，必将迎来一个崭新的发展阶段。
