西安地鐵二號線空調(diào)水群控系統(tǒng)設(shè)計

吳毅哲，何軍紅，魏超

（1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072;2.西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

西安市城市快速軌道交通二號線規(guī)劃線路為北起北客站至韋曲南，沿西安市南北向主客流走廊布設(shè)，線路全長32.402 km，共設(shè)21座地下車站，其中每座車站外加控制中心與車輛段均設(shè)置了一套空調(diào)水群控系統(tǒng)，用來對車站冷水機房內(nèi)的冷卻水和冷凍水流量、壓力、溫度等工藝參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)進行采集，對主要設(shè)備進行控制，并實現(xiàn)與BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊。

1 空調(diào)水群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在每個車站，空調(diào)水群控系統(tǒng)均由PLC控制柜、冷凍水泵控制柜、冷卻水泵控制柜、冷卻水塔控制柜和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，用來對冷水機房內(nèi)的冷卻水和冷凍水流量、壓力、溫度等工藝參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)進行采集，對主要設(shè)備進行控制，并實現(xiàn)與BAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊。

對冷凍水泵及冷凍水閥門、冷卻水泵及冷卻水閥門、冷卻水塔風(fēng)機及水塔供水閥門分別設(shè)置電控柜，柜內(nèi)配置有斷路器、接觸器、熱繼電器、變頻器等電動機控制回路。在每臺電控柜上設(shè)置一塊斯菲爾多功能電量測量裝置，該裝置采用Profibus_DP通訊協(xié)議與實現(xiàn)與PLC通訊，實現(xiàn)對冷水機組、水泵、冷卻塔用電量的檢測。

PLC柜設(shè)置一套西門子S7－300 PLC，采用Profibus_DP總線組建群控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)群控PLC（S7－300）、群控人機界面、冷水機組PLC（S7－200）、電力儀表之間的通訊，并通過網(wǎng)關(guān)與車站BAS系統(tǒng)ControlNet總線進行通訊。

2 控制方式

空調(diào)冷水系統(tǒng)受中央級控制、車站級控制、就地級控制三級控制，就地級控制具有優(yōu)先權(quán)。

中央控制、車站控制:對群控系統(tǒng)來說屬于“遠方”（BAS）控制，群控系統(tǒng)接收BAS系統(tǒng)發(fā)來的啟停控制信號，完成冷水機組的啟停，完成冷卻泵、冷卻塔、冷凍泵的聯(lián)動連鎖。確保在不同運行工況時，對空調(diào)冷水系統(tǒng)的運行狀態(tài)作控制和顯示。正常工況下，顯示空調(diào)冷水系統(tǒng)運行狀態(tài)和工藝參數(shù);事故工況下，根據(jù)要求對冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、閥門等工藝設(shè)備進行開/關(guān)控制。

就地控制:在冷水機房群控系統(tǒng)控制柜處進行操作，供設(shè)備安裝、調(diào)試、檢修時在現(xiàn)場使用。就地控制分為:手動、自動兩種控制方式。手動控制由冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔控制柜實現(xiàn);自動控制由群控系統(tǒng)PLC實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)功能

3.1 系統(tǒng)控制范圍及受控對象

空調(diào)水群控系統(tǒng)控制范圍:必要參數(shù)狀態(tài)顯示、設(shè)備狀態(tài)及控制，整個制冷系統(tǒng)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟工作所需的全部功能。

主要受控設(shè)備為冷水機組（兩臺）、冷凍水泵、冷凍水閥、冷卻水泵、冷卻水閥、冷卻水塔、冷卻塔電動蝶閥，及其現(xiàn)場冷凍冷卻管路的各類傳感器和壓差旁通閥等。

3.2 控制功能實現(xiàn)

群控系統(tǒng)通過對冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、系統(tǒng)管路調(diào)節(jié)閥進行控制，使空調(diào)冷水系統(tǒng)在任何負荷情況下能達到設(shè)計參數(shù)并以最可靠的工況運行，保證空調(diào)的使用效果?？刂颇康氖窃跐M足末端空調(diào)系統(tǒng)要求的前提下，使整個系統(tǒng)達到最經(jīng)濟的運行狀態(tài)，使系統(tǒng)的運行費用最低，并提高系統(tǒng)的自動化水平、管理效率，從而降低管理人員勞動強度。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集功能

1）系統(tǒng)工藝設(shè)備啟動、正常運行、停止、故障狀態(tài)等開關(guān)量采集。溫度、壓力、流量等非電量工藝參數(shù)數(shù)據(jù)采集。

2）電壓、電流、電度等電氣量通訊量數(shù)據(jù)采集。3）冷水機組通訊量數(shù)據(jù)采集。

3.2.2 數(shù)據(jù)通訊

1）系統(tǒng)將冷水系統(tǒng)的狀態(tài)在ProfiBus主站中實時讀取。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:冷水機組狀態(tài)數(shù)據(jù)，冷卻水泵及閥的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，冷凍水泵及閥的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，冷卻塔風(fēng)機及閥的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)。

2）空調(diào)水群控控制器在讀取每套冷水系統(tǒng)（1臺冷水機組+1臺冷凍水泵+1臺冷卻水泵+1個冷凍水閥+1個冷卻水閥+1個冷卻塔風(fēng)機+1個冷卻塔水閥）的數(shù)據(jù)的同時，還要接受上一層通訊系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的請求，將讀得的冷水系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都傳給上一層的控制系統(tǒng)（BAS），采用的協(xié)議是ControlNet。

3）當群控器與任意一個ProfiBus子站（冷水機組）通訊故障或自身有一定故障時，通訊條件允許的情況下應(yīng)將通訊故障通知上一級的監(jiān)控系統(tǒng)。

一號機組監(jiān)視界面如圖1所示。

圖1 一號機組監(jiān)視界面

3.2.3 基本控制功能

1）冷水機組的自適應(yīng)控制功能

冷水機組開啟關(guān)閉按照以下工藝完成:

開冷卻水泵→開冷卻塔→開冷凍水泵→開冷水機組;

關(guān)冷水機組→關(guān)冷卻塔→關(guān)冷卻水泵→關(guān)（延時5分鐘）冷凍水泵。

為達到節(jié)能的目的，系統(tǒng)能適應(yīng)車站負荷的大小，開啟相應(yīng)的冷機，當車站負荷較大時，現(xiàn)在運行的冷機無法達到系統(tǒng)控制目標時，需要增加一臺冷機，反之，則減少一臺機組。以增加冷機為例，軟件實現(xiàn)如圖2所示。

2）水泵的選擇控制

在現(xiàn)場，冷凍水與冷卻水均配置三臺水泵，兩臺工作一臺備用。為有效并合理利用，采用如圖3所示控制策略，以冷卻水泵為例。

3）冷卻水塔的控制

對冷卻水控制的基本要求是保證經(jīng)過冷卻塔處理的冷卻水溫度符合冷凍機的要求。按冷卻水供水溫度決定是否開啟冷卻塔風(fēng)機，同時進行冷卻塔風(fēng)機運轉(zhuǎn)臺數(shù)的控制，當冷卻水供水水溫低于預(yù)設(shè)溫度值時，可以不必開啟冷卻塔，僅靠自然冷卻即可;高于預(yù)設(shè)值值時，冷卻塔開啟。如果當前開啟一臺冷卻塔風(fēng)機，冷卻水供水水溫仍然高于預(yù)設(shè)值時加大風(fēng)量（即增加冷卻塔風(fēng)機運行臺數(shù)），反之則減少風(fēng)量，以便降低能耗。

圖3 空調(diào)水冷卻水泵控制策略

圖2 空調(diào)水冷水機組開機工藝

因此，在系統(tǒng)中，群控控制器對冷卻塔控制包括對冷卻水供水溫度的監(jiān)測，對冷卻塔風(fēng)機及對應(yīng)電動蝶閥的控制。

在人機界面上，操作人員可以根據(jù)實際情況修改預(yù)設(shè)值。

4）冷凍水壓差的控制

群控PLC根據(jù)檢測到的冷凍水供回水壓差，自動調(diào)節(jié)旁通調(diào)節(jié)閥，維持供水壓差恒定。具體要求為:需在一定條件下（冷凍水總管路的壓差升高到一定數(shù)值），盡快調(diào)節(jié)壓差旁通閥的開度，以讓該壓差達到一個預(yù)先設(shè)定的數(shù)值。

調(diào)節(jié)原則為:如果壓差偏大，應(yīng)將閥門開大以減小壓差;反之應(yīng)將閥門關(guān)小增大壓差直至閥門全關(guān)。

在所有過程中應(yīng)將閥門開度的百分數(shù)實時寫入各冷水機組PLC控制器。并將壓差值實時寫入各冷水機組PLC控制器，用于機組控制水泵變頻器的參考變量。

3.2.4 報警復(fù)位及目標溫度設(shè)定

1）群控器接受到報警復(fù)位命令時，在機組處于遠程控制狀態(tài)下需將此命令發(fā)送到已經(jīng)處于報警狀態(tài)的機組，且報警命令的持續(xù)時間要大于3秒。

2）當機組處于遠程控制狀態(tài)中，群控器有重新設(shè)置機組“出水溫度”的操作時，群控器要將最新的設(shè)定值寫人每臺冷水機組中。

3.2.5 空調(diào)水一次泵變流量控制

1）一次泵變流量控制方案特點

空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水一次泵，傳統(tǒng)上都采用固定轉(zhuǎn)速水泵，僅在負荷側(cè)作變流量控制。兩者之間的流量差值和系統(tǒng)壓力，靠壓差旁通控制來平衡，在正常運轉(zhuǎn)時旁通管內(nèi)不可避免會有旁通水流，就是說全速運轉(zhuǎn)的冷凍水泵有一部分作功消耗于旁通循環(huán)中，同時水泵揚程所產(chǎn)生的供回總管之間的較高壓力，使大量的水流動能消耗在克服管路阻力上。而空調(diào)水的變一次流量控制系統(tǒng)是近年才開始出現(xiàn)的先進控制方案。該方案控制系統(tǒng)冷凍水的供應(yīng)量（總流量）始終保持在剛好滿足系統(tǒng)負荷要求的水平，并確保系統(tǒng)供回總管之間最不利負荷處的壓力差穩(wěn)定于某個預(yù)設(shè)定值，這一點需要靠高品質(zhì)的變頻調(diào)速控制冷凍水泵來完成。

一次泵變流量控制，其特點是利用最新的測控技術(shù)和冷凍機在低水流量能力上的改進，在冷凍機的蒸發(fā)器管路配置變頻調(diào)速水泵，使得流過冷凍機的冷凍水量可以按負荷的需要調(diào)節(jié)，它比傳統(tǒng)的二級泵系統(tǒng)設(shè)備配置少，但有更好的節(jié)能效果。變一次流量控制系統(tǒng)能夠很好地跟蹤系統(tǒng)荷的動態(tài)變化，較好地滿足系統(tǒng)的負荷需求，把能源消耗控制在較低的水平。

2）控制方案的實現(xiàn)

本系統(tǒng)為實現(xiàn)變流量控制，采用一次泵變流量控制但同時也保留了傳統(tǒng)模式工作作為備用模式的方案，在設(shè)備全部正常時，變頻調(diào)速冷凍水泵閉環(huán)控制投運，系統(tǒng)作變一次流量控制;萬一變頻調(diào)速閉環(huán)控制不能投運時，系統(tǒng)也可非常方便地切換成傳統(tǒng)工作模式，即冷凍水泵恒定轉(zhuǎn)速，同時投入壓差旁通控制，系統(tǒng)仍能正常運行，只是后者的節(jié)能效果比前者差。為此，每一臺冷凍泵配置了一臺ABB的變頻器，型號為ABB的ACS510系列變頻器。一次泵變流量控制依然以系統(tǒng)供回水總管處的設(shè)計壓差（人機界面可設(shè)置）為壓差預(yù)設(shè)值，以變頻調(diào)速冷凍水泵作為執(zhí)行機構(gòu)，對冷凍水供水進行調(diào)節(jié)控制，控制目標是使過程變量趨近于預(yù)設(shè)定值，如圖4所示;當冷凍水的系統(tǒng)負荷流量大于一臺冷凍機蒸發(fā)器最低許可流量值時，流量旁通控制閥門是關(guān)閉的;當只有一臺機組在運行，且冷凍水的系統(tǒng)負荷流量低于一臺冷凍機蒸發(fā)器最低許可流量值時，需要啟動分、集水器之間的旁通流量控制，控制目標是使這臺正在運轉(zhuǎn)的冷凍機蒸發(fā)器的水流量大于等于最低許可流量值。

圖4 一次泵變流量控制方式

在此控制方案中，確保冷凍機蒸發(fā)器最低水流量是一項非常重要的措施，否則有可能破壞冷機的正常工作狀態(tài)，甚至損壞冷機。一次泵變流量控制的旁通閥控制實際上是專為這個保護而設(shè)置的。對系統(tǒng)工作模式來說，這個旁通閥不需要很大，它的流通能力只要保證大機組冷凍機蒸發(fā)器的最低水流量即可。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的空調(diào)水群控系統(tǒng)已成功運用于西安地鐵二號線，運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全滿足其設(shè)計要求，具有操作方便、可靠性強、數(shù)據(jù)完整、監(jiān)控及時等突出優(yōu)點。

而本文所述的一次泵變流量控制也試用于北苑站與會展中心站，經(jīng)現(xiàn)場實際檢驗，運行穩(wěn)定可靠，且能達到很好的節(jié)約能源的目的。

［1］崔堅.西門子S7可編程控制器STEP編程指南［M］，北京，機械工業(yè)出版社，2007.

［2］何軍紅.西門子 PLC編程及工程應(yīng)用［M］.北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］馬丁.西門子PLC200_300_400應(yīng)用程序設(shè)計實例精講［M］，北京，電子工業(yè)出版社，2008.

［4］趙明生.電氣工程師手冊［M］.北京，機械工業(yè)出版社，2000.

［5］胡壽松.自動控制原理［M］.北京，科學(xué)出版社，2007.

［6］楊寧，趙玉剛.集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線［M］.北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2003