采用集散控制系统　实现中央空调节能降耗:中央空调如何节能降耗

　　引言 　　在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，中央空调系统是不可缺少的，它虽然能给人们提供一个舒适的环境，但是耗电量也相当大。因此，对中央空调系统进行节能改造，可以大幅度地节约用电，带来可观的经济效益。
　　空调主机、冷冻泵、冷却泵是大厦中央空调的主要组成部分，国内对空调水泵的设计选配，大多以能耗为代价采用节流调节流量，水泵的调节方法还处于比较落后的状况，造成电能找浪费。从管理角度看，目前大楼中央空调大都采用分散管理就地控制，整个系统不能统一协调，不能很好发挥整个系统协同工作的效果。
　　本文介绍采用变频调速技术与PLC自动控制技术为核心、基于“分散控制、集中管理”思想的中央空调集散控制系统。
　　
　　一、集散控制系统的体系结构
　　集散控制系统的“集”是对信息管理而言，“散”是对控制功能而言，DCS系统（Distributed Control System-DCS）既可实现分散控制，又可实现集中管理，目前层次化己成为DCS系统的特点，使之体现集中操作管理、分散控制的思想。DCS系统的层次可分成四级。
　　1.直接控制级(过程控制级)。在这一级上，过程控制级计算机直接与现场各类装置相连(如检测仪表、执行机构等)，对控制对象实施监测、连续控制和批量控制。同时它向上与第二层的计算机相连、接收上层的控制和管理信息，并向上传递控制装置的特性信息和采集到的实时数据。过程控制级是DCS系统的基础，其主要功能包括:过程数据采集、直接数字的过程控制、设备监测与系统的测试诊断和实施安全性的措施。
　　2.过程管理级。此级过程管理计算机能实现综合监视生产过程主要信息、模拟化集中显示、控制回路组态和参数修改、生产过程优化处理、运行报告、趋势图显示等。还能实现单元内的整体优化，并对下层产生命令，在这一层主要的功能有优化过程控制、自适应回路控制、实时数据进行模拟画面集中监视。
　　3.生产管理级。此级管理计算机根据产品各部件的特点、协调各单元级的参数设定，是产品的总体的协调员。
　　4.经营管理级。经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广。把这些功能集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，综合多种多样的材料和能量调配，以达到最优解决这些问题。
　　
　　二、中央空调系统采用集散控制的必要性
　　集散型计算机控制系统，实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新的控制技术，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯技术和人机接口技术相互渗透、相互发展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，也不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，并在其基础上发展起来的一门新的系统工程技术。目前，集散型计算机控制系统已在工业各领域得到成功运用。
　　目前，大楼中央空调大都采用分散管理就地控制，整个系统不能统一协调，不能很好发挥整个系统协同工作的效果。如果采用集中控制，由于被控设备分散在大厦各个地方，中央主机到被控设备的连线较长，信号容易受到干扰产生故障，同时由于中央主机集中处理信号，如果中央主机产生故障则整个系统停止工作，可靠性较差。随着计算机技术的高速发展，采用集散型控制系统成为趋势。计算机集散控制系统就是中央主机主要进行报表处理，集中管理，被控对象由带计算机处理功能的现场控制器（主要是直接数字控制器，简称DDC）根据有关参数进行控制。各DDC和中央主机以及各DDC之间实现点对点通讯，传输数据和控制信号。集散控制系统可靠性高，当中央主机发生故障，把控制功能分散在DDC上而数据资料由中央主机集中管理的方法，加强了子系统的独立性、可靠性，并减少了中央主机的工作量，整个系统的性能得到了提高。
　　
　　三、中央空调系统采用集散控制的可行性分析
　　由于电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展，20世纪90年代变频器技术有了飞跃进步。在我国市场占有量较多的富士通、西门子、三菱、ABB等公司生产的高性能变频器大多有微机接口卡选件，可以用它将微机与变频器连接在一起，通过计算机通讯，实现上位微机程序自动驱动变频器，监视其运行状态和设定/复位其功能参数。这样就可以方便的实现计算机对多台变频器集中控制，使其按照预先的工作流程，准确有序的工作。
　　可编程控制器（PLC）是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于工业各个领域。由于采用PLC的控制系统的设备具有可靠性高，控制易于实现，系统设计灵活多样（修改方便），能在实验室内进行现场模拟调试，编程简单，易于安装，性能价格比高，有良好的抗干扰能力等特点，受到用户的欢迎。但是，PLC又无法单独构成完整的控制/管理系统，无法进行复杂的运算，无法显示各种实时图表/曲线（趋势线）和汉字，无良好的用户界面，不便于监控等缺陷，需用上位机或个人计算机（PC），分布式/分级型控制系统或PLC网络中的PC、工控机、工作站执行相应的软件来弥补。随着PLC的通信技术的发展，各PLC制造厂家纷纷开发了适合本公司的各种型号PLC与PC机通信的接口模块，PLC与PC机之间实现通信，就弥补了二者功能上的不足，从而增强了控制系统的功能。
　　变频器和可编程控制器PLC通信功能的增强，使得中央空调变频调速的集散控制的实现成为可能。实践证明，在中央空调系统中应用变频调速技术和计算机集散控制技术，可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等特点。
　　
　　四、采用集散控制的实现方法
　　在中央空调变频调速集散控制系统的总体框图（如图1）中，第一级为中央监控工作站(即PC机)，是集中监控、远程控制、数据处理和中央管理的中心;第二级为直接数字控制器(DDC)变频器和可编程控制器PLC，能独立完成对现场机电设备的数据采集和控制;第三级为现场传感探测元件(如热电阻或者热电偶)及控制执行元件(继电器等)。
　　系统原理（如图2）的构成:将计算机与控制系统中的PLC、变频器连接起来，计算机作为上位机，PLC、变频器作为下位机进行通信，就构成了PLC、变频器网络的上位连接系统。上位连接系统主要由计算机、上位连接模块、PLC、变频器和电缆组成。上位机可选用IBMPC/XT, Intel 80386以上的计算机及工业控制计算机。PLC、变频器与计算机之间采用串行通信，而PLC、变频器与计算机的资料信息为并行传送，因此要实现PLC、变频器与计算机的通讯就必须要进行并行信号与串行信号间的转换以及要求相应的传送协议，能起这样作用的在计算机方面为RS-232串口，在PLC、变频器方面就是PLC、变频器的上位连接模块。上位连接模块与上位计算机可以用RS-232型电缆连接。
　　
　　由于此方案中要求上位机与多台PLC和变频器进行通信，因此上位机与PLC和变频器之间采用RS-485连接，一台计算机最多可控制32台PLC或者变频器。RS-485接口采用差动输入和差动输出，具有较强的抗干扰能力，非常适合于环境恶劣的现场工作，而且传输的距离比较远。对于一般计算机，机上只配有RS-232C接口，因此为与PLC或者变频器相连，必须配置有485适配卡，或者RS-232C/RS-485转换器，连接线采用双绞线或屏蔽双绞线。
　　
　　五、采用集散控制系统后的节电措施及原理
　　1.节电措施
　　交流异步电动机的节电措施，就是采用不同方式的调速节能，传统的调速方法大致有两种，一是机械调节，主要是调节风机入出口风门挡板和水泵出口阀门，二是电气调节，如磁力传动、变极电动机传动和直流电动机传动等。这两种调速方法存在的主要问题是能源浪费严重，设备维护困难。交流变频调速技术以改变交流电动机的电源频率来改变交流电动机的速度，是一项较为成熟的高科技成果。这项调速技术所采用的变频器是一种较理想的高效调速装置，目前，变频器的可靠性不断提高，而价格在降低，对于三相异步电动机加装变频器无需改变电路结构。作为变频器本身来讲，它还具有体积小、重量轻、安装操作方便、调速范围平滑、节电效果好、稳定可靠等优点，正逐步取代原有的机械调速、电气调速。
　　2.节电原理
　　风机、水泵类负载属于平方转矩负载，即转矩T与转速n的平方成正比，而电机轴的输出功率W，即电机轴上的输出功率与转速的三次方成正比.由此可见，当电机的转速稍有下降时，电机功率损耗就会大幅度的下降，耗电量也就大为减少。过去由于电机转速不可调，电机只能工作在开或停两种状态，即当冷负荷很小的时候，也必须开，电机的功耗远大于实际负荷的需要，从而造成不必要的能耗。通过降低风机、水泵转速的方法来达到节电的效果，可用一个节电率的指标来定量的描述。由于转速n与频率f成正比，即n＝60f (1-S) /P，若将电机的运行频率由原来的50Hz下调到40Hz时，则电机的实际转速n，降为额定转速n0的80%，即n1=0.8n0，由于电机的额定功率为W0=Kn03，因此，电机运行在40Hz时的实际功率为:
　　W1=Kn1=K(0.8n0)3=0.512Kn03 =0.512W0
　　节电率=(W0W1)/W0=(Wo-0.512W0)/W0=48.8%
　　由此可见，若风机和水泵的电机运行在40Hz时，理论上，电机实际消耗的功率只有额定功率的一半左右。此时，理论上的节电率为48.8%，交流变频调速的节电效果相当显著，经济效益十分可观。
　　
　　六、结论
　　综上所述，该系统集成了先进的数字控制和变频技术，具有硬件成本低、硬件结构简单、运行可靠等特点，使得中央空调集散控制系统安装、调试、维护、管理容易简便。该系统的使用可以大大地节约电能，还为中央空调系统的管理提供了高效简便的手段。