中央空調(diào)自動控制系統(tǒng)
中央空調(diào)自控系統(tǒng)為生產(chǎn)工房工藝性空調(diào)系統(tǒng)提供恒溫恒濕自動化控制和節(jié)能控制，或為辦公樓宇空調(diào)系統(tǒng)提供舒適性辦公環(huán)境和節(jié)能控制。中央空調(diào)設(shè)備的風量、冷熱量、加濕量等裝機容量一般按最不利季節(jié)工況進行選型和配置，當室外氣象參數(shù)發(fā)生變化或生產(chǎn)車間負荷發(fā)生變化，中央空調(diào)系統(tǒng)的風量、冷熱量、加濕量需要進行調(diào)節(jié)才能消除室內(nèi)的冷熱負荷、濕負荷，維持工藝所需的恒溫恒濕室內(nèi)環(huán)境或滿足人體舒適的建筑環(huán)境。中央空調(diào)系統(tǒng)是建筑物內(nèi)的能耗大戶，通過自動化控制手段降低運行能耗已成為中央空調(diào)系統(tǒng)必配的重要措施。
中央空調(diào)自控系統(tǒng)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(qū)域的空氣處理機組（AHU）、新風機組（PAU）、風機盤管（FCU）、VAV末端裝置等設(shè)備配置現(xiàn)場自控系統(tǒng)，并通過工業(yè)級自控網(wǎng)絡(luò)或樓宇級自控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、系統(tǒng)集成和集中管理。根據(jù)不同的應用場合和用戶需求，空調(diào)自控系統(tǒng)現(xiàn)場控制站可選擇工業(yè)級PLC控制器和樓宇級DDC控制器。
中央空調(diào)自控系統(tǒng)可以作為企業(yè)能源管控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，也可以作為獨立系統(tǒng)進行集中管理和分散控制。中央空調(diào)自控系統(tǒng)為空調(diào)系統(tǒng)提供自動化運行、節(jié)能控制、故障診斷和遠程集中管理。
空調(diào)自控系統(tǒng)現(xiàn)場電控柜
空調(diào)自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循“分散控制、集中管理、綜合監(jiān)控”的設(shè)計原則，空調(diào)自控系統(tǒng)采用集散式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。分布在各單體建筑物的空調(diào)末端機組、新風機組、制冷機組就地設(shè)計PLC控制站，獨立完成本地監(jiān)控功能。分布在現(xiàn)場的各PLC控制站通過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(shè)備組成，PLC控制站就近接入光纖環(huán)網(wǎng)交換機，實現(xiàn)各PLC控制站之間點對點通訊（Peer to Peer）。
在中控室為空調(diào)自控系統(tǒng)配置上位機工作站，實現(xiàn)廠區(qū)空調(diào)制冷系統(tǒng)的集中管理，上位機工作站通過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{(diào)自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將所有的現(xiàn)場PLC控制站通過高速網(wǎng)絡(luò)連接組成一個有機整體，環(huán)網(wǎng)上任何一節(jié)點故障均不致影響系統(tǒng)的正常運行和數(shù)據(jù)傳輸。
中央空調(diào)制冷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖
空調(diào)自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由信息管理層、集中控制層和末端設(shè)備層組成。
信息管理層主要由實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、SCADA數(shù)采服務(wù)器（冗余配置）、操作員站、信息層網(wǎng)絡(luò)交換機設(shè)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(gòu)架，信息管理層設(shè)備通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)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(jié)合的模式。C/S模式下，通過空調(diào)自控系統(tǒng)的多臺操作員站（上位機），由操作人員負責監(jiān)控管理整個廠區(qū)空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)備運行。B/S模式下，空調(diào)自控系統(tǒng)對外提供WEB發(fā)布功能，允許授權(quán)用戶在全廠網(wǎng)絡(luò)連接到的任何地方查看空調(diào)制冷自控系統(tǒng)的過程參數(shù)、流程圖形和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，
集中監(jiān)控層由工業(yè)以太網(wǎng)交換機構(gòu)成的ProfiNet工業(yè)以太環(huán)
網(wǎng)、PLC控制站、現(xiàn)場觸摸屏等設(shè)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(wěn)定可靠的通訊。工業(yè)以太網(wǎng)采用千兆互連、百兆到設(shè)備，主干網(wǎng)交換機互連光纖通訊速率達到1000Mbps，集中監(jiān)控層環(huán)網(wǎng)交換機采用三層以上管理型交換機。
末端設(shè)備層主要由設(shè)備層交換機、動力啟動柜、現(xiàn)場操作終端、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、電動閥/電磁閥、調(diào)節(jié)閥以及獨立單機設(shè)備自控等組成。對數(shù)據(jù)采集類不參與控制的監(jiān)測點，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)接線配置原廠網(wǎng)絡(luò)接頭、PA網(wǎng)絡(luò)T形轉(zhuǎn)接頭和終端電阻以及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，保障數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定安全；對參與控制的檢測點，主要選用4～20mA DC輸出的傳感器和儀器儀表。
1. 監(jiān)測功能及數(shù)據(jù)采集
車間（室內(nèi)）溫濕度參數(shù)監(jiān)測；
空調(diào)機組新風、回風、混風、送風溫濕度參數(shù)監(jiān)測；
空調(diào)機組表冷出風、加熱出風溫濕度監(jiān)測；
空調(diào)機組新風閥、排風閥、回風閥、表冷閥、加熱閥、加濕閥開度監(jiān)測；
空調(diào)換熱盤管冷熱水供回水回路、蒸汽供汽管路的溫度、壓力監(jiān)測；
空調(diào)系統(tǒng)新風量、送風量監(jiān)測；
過濾器壓差、送回風機壓差監(jiān)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(nèi)部運行參數(shù)，并實現(xiàn)冷凍供水溫度再設(shè)定功能。冷水機組內(nèi)部運行參數(shù)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、機組運行時間和啟停次數(shù)、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(nèi)部運行參數(shù)，并實現(xiàn)水泵變頻控制。變頻器內(nèi)部運行參數(shù)包括：電流、電壓、頻率、功率、功率因數(shù)、累計消耗電能、單位時間能耗、累計運行時間、上電次數(shù)、散熱器溫度、轉(zhuǎn)矩、加減速時間、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，實時監(jiān)測、顯示每臺流量計的瞬時流量、累計流量等參數(shù)。
空調(diào)PLC控制柜
空調(diào)變頻啟動柜
3. 控制功能
車間（室內(nèi)）恒溫恒濕自動控制：采用全年多工況分區(qū)控制策略，當室外氣象參數(shù)發(fā)生變化和車間生產(chǎn)負荷發(fā)生變化時，自控系統(tǒng)維持室內(nèi)溫濕度參數(shù)在控制精度范圍內(nèi)。
空調(diào)送回風機變頻節(jié)能控制：根據(jù)允許的最大送風溫差和最小空調(diào)換氣次數(shù)要求，對空調(diào)系統(tǒng)進行變風量節(jié)能控制；對于帶VAV變風量末端裝置的空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)送風靜壓對空調(diào)系統(tǒng)進行變風量節(jié)能控制。
空調(diào)系統(tǒng)與調(diào)節(jié)機構(gòu)聯(lián)鎖控制：空調(diào)風機停止運行時，新風閥、排風閥全關(guān)、回風閥全開、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，空調(diào)機組禁止運行。
過濾器壓差、送回風機壓差監(jiān)測；
送回風機、高壓微霧加濕器運行狀態(tài)及故障狀態(tài)監(jiān)測；
送回風防火閥狀態(tài)、消防報警狀態(tài)監(jiān)測；
4. 空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控原理圖
工藝性空調(diào)系統(tǒng)（送/回風機型）監(jiān)控原理圖
工藝性空調(diào)系統(tǒng)（單送風機型）監(jiān)控原理圖
新風空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控原理示意圖
1. 全年多工況分區(qū)恒溫恒濕節(jié)能控制策略
工藝性空調(diào)系統(tǒng)為滿足室內(nèi)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/回風/排風閥、風機變頻等，這些調(diào)節(jié)機構(gòu)為空調(diào)自控系統(tǒng)在不同季節(jié)提供了溫濕度控制手段。
空調(diào)自控系統(tǒng)的控制回路一般由溫度和濕度控制回路組成，根據(jù)PID調(diào)節(jié)回路控制邏輯，在某一特定時刻溫度和濕度控制回路的PID輸出信號應指向唯一的執(zhí)行機構(gòu)。因此，自控系統(tǒng)應根據(jù)室外季節(jié)氣候條件和車間熱濕負荷變化來優(yōu)化各種熱濕處理手段的組合，找準各種室內(nèi)外工況條件下的最佳溫濕度控制回路的執(zhí)行機構(gòu)，以保證車間溫濕度控制精度的目標實現(xiàn)，并最大限度的節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗。
空調(diào)溫濕度PID控制回路
全年多工況分區(qū)焓濕圖分析
除濕與加濕分區(qū)邊界：
當新回風混合狀態(tài)點（C）的含濕量大于或等于送風狀態(tài)點（O）的含濕量，即dC≥dOS時，此季節(jié)工況應對空氣進行除濕處理，否則應對空氣進行加濕處理。
加熱與冷卻分區(qū)邊界：
當新回風混合狀態(tài)點（C）的溫度大于或等于送風狀態(tài)點（O）的溫度，即tC≥tOS時，此工況應對空氣進行冷卻處理，否則應對空氣進行加熱處理。
新回風比節(jié)能控制原則：
除濕季節(jié)工況，若室外空氣的焓值大于或等于回風空氣的焓值，即iW≥iR時，采用最小新風；若iW＜iR，采用最大新風。加濕季節(jié)工況，視情況采用最小新風或調(diào)節(jié)新回風比。
根據(jù)上述全年多工況分區(qū)原則，如含濕圖所示，針對某特定的工藝性空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)空氣熱濕處理機理在焓濕圖（i-d）上將全年分成九個工況區(qū)域。舉例說明某些工況區(qū)域的溫濕度控制策略如下
2. 串級調(diào)節(jié)策略
工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)車間內(nèi)工藝設(shè)備產(chǎn)熱量大，車間溫濕度場在水平和垂直方向上均存在不均勻性，空調(diào)系統(tǒng)的回風溫濕度不能代表車間內(nèi)部溫濕度參數(shù)，因此常在車間內(nèi)部布置室內(nèi)溫濕度傳感器。由于空調(diào)送風達到車間溫濕度傳感器位置需要一定的時間延遲，為防止因滯后時間導致的溫濕度超調(diào)現(xiàn)象，因此將送風溫濕度參數(shù)作為中間變量進行串級控制，可以提高空調(diào)自控系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。
如下圖所示，車間（室內(nèi)）相對濕度控制回路為串級控制的主回路，送風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(shè)定值，由副回路的PID運算直接控制相對濕度控制回路的執(zhí)行機構(gòu)（如表冷除濕閥、干蒸汽加濕閥等）。
相對濕度串級調(diào)節(jié)原理圖
3. 空調(diào)變風量節(jié)能控制策略
空調(diào)系統(tǒng)送風量一般是按夏季設(shè)計工況的室內(nèi)冷負荷進行選型的。當室外氣象條件偏離夏季設(shè)計工況或車間生產(chǎn)負荷變小時，如果空調(diào)系統(tǒng)采用定風量運行，一方面浪費風機電耗，另一方面在除濕季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)會出現(xiàn)再熱現(xiàn)象，造成冷熱抵消，浪費能源。根據(jù)風機性能公式，風機功率消耗與轉(zhuǎn)速近似三次方的正比關(guān)系，當風量減少到原設(shè)計風量80%時，風機功率消耗減少到原設(shè)計功率51.2%。
空調(diào)系統(tǒng)送風量（L）可用下述公式表示：
對于室內(nèi)空調(diào)負荷QX一定的情況下，送風溫差△t=︱tN－tO︱越大，空調(diào)系統(tǒng)所需要的風量L越小。因此，自控系統(tǒng)采用“最大送風溫差”控制策略顯然能將空調(diào)系統(tǒng)送風量維持在最小狀態(tài)，并在策略下制定各季節(jié)工況下的最優(yōu)送風溫濕度設(shè)定值。
4. 空調(diào)系統(tǒng)與冷凍站聯(lián)合運行節(jié)能控制策略
空調(diào)末端系統(tǒng)與制冷站聯(lián)合運行綜合節(jié)能控制由5大環(huán)節(jié)組成，最終為車間提供恒溫恒濕空調(diào)環(huán)境，每個環(huán)節(jié)均對應各自的節(jié)能控制策略。制冷站將冷凍水提供給空調(diào)機組表冷器，兩者之間進行變流量（量調(diào)節(jié)）、變水溫（質(zhì)調(diào)節(jié)）節(jié)能調(diào)節(jié)過程。
空調(diào)制冷系統(tǒng)聯(lián)合運行綜合節(jié)能控制路線圖
長期以來，空調(diào)自控系統(tǒng)一致沿用經(jīng)典的PID閉環(huán)控制技術(shù)，由于空調(diào)系統(tǒng)具有大慣性、大滯后固有特征，空調(diào)系統(tǒng)溫濕度參數(shù)對于干擾變化的響應比較遲鈍，即系統(tǒng)的時間常數(shù)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(diào)系統(tǒng)控制時存在先天性不足。近幾年隨著數(shù)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(diào)自控系統(tǒng)的智能化升級迎來了新的發(fā)展機會。
1. 空調(diào)自控系統(tǒng)數(shù)字孿生仿真預測模型
空調(diào)自控系統(tǒng)仿真預測模型通過對被控車間、空調(diào)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(jié)（傳感器、PID控制器、執(zhí)行機構(gòu)）的機理建模、大數(shù)據(jù)建模，在滿足車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(diào)節(jié)范圍進行預測、對最優(yōu)冷凍供水溫度、空調(diào)最優(yōu)啟停時間、最優(yōu)空調(diào)能源消耗進行預測，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)與實際運行的數(shù)據(jù)孿生，實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)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(diào)溫濕度控制的穩(wěn)定性和控制精度，節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗。
空調(diào)自控系統(tǒng)仿真預測模型的輸入輸出參數(shù)與下圖中空調(diào)自控系統(tǒng)的IO監(jiān)控點相匹配。
恒溫恒濕房間的溫濕度仿真模型：
空調(diào)機組仿真模型（以表冷換熱盤管為例）：
表冷盤管空氣側(cè)的換熱微分方程：
表冷盤管水側(cè)的換熱微分方程：
自控系統(tǒng)PID控制器的仿真模型如下：
將恒溫恒濕房間、空調(diào)機組與自控環(huán)節(jié)的仿真模型連接在一起，進行聯(lián)合求解，便可實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)仿真運行與實際運行的數(shù)字孿生。聯(lián)合求解時，同樣需要全年多工況分區(qū)控制策略，將PID仿真模型的輸出值與對應的執(zhí)行對象（表冷、加熱、加濕）的仿真模型連接上。
自控環(huán)節(jié)與被控空調(diào)機組仿真模型聯(lián)合求解方塊圖
2. 仿真模型與自控系統(tǒng)融合應用
空調(diào)系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)參數(shù)（室外溫濕度參數(shù)、車間工藝設(shè)備的用電量等）基于底層空調(diào)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，仿真模型的輸出參數(shù)直接參與底層的控制過程，并實現(xiàn)與傳統(tǒng)PID控制技術(shù)的容錯和融合。通過仿真模型的數(shù)字化孿生，提供空調(diào)系統(tǒng)的負荷預測和能耗預測；實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥、變頻器）調(diào)節(jié)范圍預測前饋控制與PID反饋控制融合的智能化精準控制；通過預測數(shù)據(jù)與系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)的比對，分析系統(tǒng)的能效狀態(tài)和潛在的故障征兆，為空調(diào)設(shè)備的預防性維護提供技術(shù)手段。