空调水系统全变频控制系统详细说明

1、全变频嵌入式主动前馈关联控制系统 简介北京卫星制造厂北京星美电子设备有限公司 2009年 7月 25日目 录1全变频嵌入式主动前馈关联控制系统产品定义及工作原理 . . 2 1.1全变频嵌入式主动前馈关联控制系统定义 . 21.2全变频嵌入式主动前馈关联控制系统工作原理 . 22全变频嵌入式主动前馈关联控制系统特点 . . 6 3全变频嵌入式主动前馈关联控制系统硬件组成 . . 7 3.1人机界面 . . 7 3.2控制箱 . 7 3.3PLC . . 8 3.4变频器 . 9 3.5流量传感器 . 9 3.6压差传感器 . 103.7温度传感器 . 104全变频嵌入式主动前馈关联控制系统技术

2、说明 . . 11 4.1系统控制程序执行 . . 11 4.2控制界面 . . 12 4.3控制信号 . . 214.4控制软件其他能力 . . 22全变频嵌入式主动前馈关联控制系统 简介1全变频嵌入式主动前馈关联控制系统产品定义及工作原 理全变频嵌入式主动前馈关联控制系统定义全变频嵌入式主动前馈关联控制系统 IPC11550利用各设备的 “最佳效率曲线” 来控制各设备的启停, 使得冷水机组在运行过程中 尽量接近其本身的 “自然曲线” 。 同时根据相等边际效能原则 , 找到冷 冻机、 冷冻水泵、 冷却水泵和冷却塔在不同冷负荷需求时, 设备之间 的实时最佳功率关系, 从而在不减损制冷量的情况下

3、, 令冷冻站整体 功耗大幅降低。 全变频嵌入式主动前馈关联控制系统应主动控制系统 各设备之间的功率关系,使用相等边际效能原则对冷冻站进行操控。 全变频嵌入式主动前馈关联控制系统工作原理IPC11550嵌入式控制系统包括三个系统:IPC11550主控制系统、 IPC3500控制系统和 ITC3600控制系统。 IPC11550主控制系统是整个 控制系统的中央处理器, 它实时从 IPC3500控制系统和 ITC3600控制 系统接收冷冻水系统设备、 冷却水系统设备运行信息, 并通过与内部 设置曲线比较后, 把新的能耗匹配重新反馈到各个设备, 使整个冷冻 站保持能耗最优化。IPC3500控制箱控制冷

4、水机组、冷冻水泵、传感器搭建的冷冻水 系统, 主要收集反馈冷冻循环水以及设备能耗状况信息, 传送给主控 箱。再从主控箱得到最新运行能耗匹配后,直接控制到冷冻水系统。 ITC3600控制箱与 IPC3500控制箱功能相似,控制冷却水系统, 包括冷却塔、冷却水泵、传感器等。收集反馈冷却循环水以及设备能 耗状况信息,传送给主控箱。再从主控箱得到最新运行能耗匹配后, 直接控制到冷却水系统。全变频嵌入式主动前馈关联控制系统 的核心控制原理是节能 控制算法,该算法获得三项美国专利。专利一:自然曲线(Nature Curve冷水机组、 水泵和冷却塔风机都存在本身固有的 “最佳效率运行 曲线” ,我们把它称为

5、“自然曲线” 。控制软件先把冷水机组最佳效率 运行曲线输入到电脑芯片中, 当系统负荷开始变化时, 控制系统能够 实时监测冷水机组的实际运行效率并与“自然曲线”对比,然后利用 “自然曲线” 来控制各设备的启停, 使得冷水机组在运行过程中尽量 接近其本身的“最佳效率运行曲线” 。专利二:相等边际效能原则传统冷冻站控制系统都采用 PID 反馈控制, 整个冷冻站系统存在 三个独立的 PID 回路,它们是冷冻机 -冷冻水输送温度 PID 回路,冷 却塔 -冷却水温度 PID 回路, 冷冻泵 -压差 PID 回路。 这三个 PID 回路 之间相互独立运行,冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔不能够协 同运行

6、而降低整个冷冻站的能耗。 相等边际效能原则能够帮助我们找到冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔在不同冷负荷需求时,设备 之间的实时最佳功率关系, 从而在不减损制冷量的情况下, 令冷冻站 整体功耗大幅降低。专利三:按需主动控制(Demand Based Control按需主动控制是依托网络, 使用相等边际效能原则对冷冻站进行 操控。 当控制系统感知到系统的冷负荷需求时, 能够按照电脑芯片中 预设的冷冻机、 冷却塔和冷却泵对应的最佳功率关系, 主动调节冷却 塔和冷却泵运行在某一固定功率值上, 并保持一段时间, 直至新的最 佳功率关系出现, 然后再调节冷却塔和冷却泵运行在下一个固定功率 值上。 这样,

7、 整个冷冻站的设备运行十分稳定而且系统整体持续高效。 进一步说, 按需主动控制是把冷冻站作为一个整体, 实施简单而有效 的功率型、数字量型前馈控制。其内部固有原理是“关联控制 (Relational Control ” ,它和低效、欠稳定的 PID (比例、积分、 微分模拟量型反馈控制相比,在控制模式有本质的不同。系统控制原理如图 1所示:图 1 控制系统工作原理图 - 5 -2全变频嵌入式主动前馈关联控制系统特点1整个冷冻站大幅度节能地铁轨道交通二号线各站运用全变频嵌入式主动前馈关联控制 系统后,各地铁站冷冻站系统的年平均运行效率将达到 0.6千瓦 /冷 吨。2冷冻站稳定运行并保证运行效率突

8、破了目前自控系统中采用 PID 被动控制, 而采用最先进的功率 关系进行前馈关联控制和主动控制, 加强了系统的稳定性。 关联控制 比传统的 PID 反馈控制在反应时间间隔上长一个数量级, 令系统运行 十分稳定。另外运行效率高,本身也反映了系统的运行稳定。3延长设备使用寿命系统各子设备的变频特性降低启动电流, 减少对电网的冲击, 低 速运行减小机械部件的磨损, 延长了设备使用寿命。 系统各子设备的 变频特性提高了电源功率的因素, 优化机组启动性能, 降低启动转矩, 延长了设备使用寿命。避免冷冻机“喘振”现象的发生,延长了设备 使用寿命。4优化管理冷冻站所有设备的效率和能耗从此有了直观的定量依据,

9、 任何历 史及实时数据可从机房电脑和网络在线电脑中轻易调出,便于监测、 调控。 操作界面简单, 一个有经验的操作人员仅需通过 1个小时的培训即可成为合格的初级操作者。 系统真正自动化, 任何系统预警和警 报都自动发送到远端监控系统,令问题及早发现,预先解决。3全变频嵌入式主动前馈关联控制系统硬件组成控制系统主要硬件包括:IPC11550、 IPC3500、 ITC3600、冷水机 组变频器、冷却塔变频器、必须的连接管路、电缆及附件、上述设备 的共同底座槽钢架及必要的支撑。 控制系统主要匹配设备:电动调节 阀、温度传感器、压差传感器、流量传感器、旁通阀。人机界面IPC11550前端主控制屏内部设

10、有短路保护器, 配备了高亮度 LCD 显示屏 (LCD-液晶显示 和阻力触摸屏, 主要用于菜单显示操作界面, 子菜单采用生动的简图显示状态报告,界面上数据和菜单可选项控 制。控制箱IPC3500、 ITC3600控制箱是带锁匙的 NEMA1级主电箱,壁挂式 钢机壳由工厂预制。 设有电池组 /电容器, 在暂时供电中断的情况下, 维持控制板储存,系统能够正常运行。同时,整个数据库分部分 /一 次性可存进硬盘。具有 UL (美国保险商实验室和 CSA (加拿大标准 协会论证,并贴有 UL 和 CSA 标记。PLCPLC 的选型应充分考虑其可靠性、先进性、可扩充性,应能满足 中高控制性能的要求, 能承

11、受工业环境的严格要求。 平均故障间隔时 间(MTBF 大于 10年。应采用模块式结构, 所有可编程控制器 PLC 应适应在工业环境和 电气干扰的环境条件下工作。PLC 内部采用至少 16位的高性能工业级微处理器,主频速率 300MHz ,支持实时的多任务操作系统;内存 1G ;内存分布为程序区 和用户数据区, 采用完全的自动内存分配机制, 开发人员无需人工分 配系统内存,缩短开发时间并保证程序的可维护性。每种模块应配置测试点、状态的 LED 指示,包括输入 /输出状态 和诊断设备故障的 LED 指示。 在 CPU 或通讯出现故障时, 所有输出模 块均应可预先设置为保持原有状态,以确保设备的安全

12、。PLC 应采用独立的电源模块供电,小于 20 ms的断电, PLC 不受 影响,超过 20 ms的断电, PLC 系统将重新启动。应可支持电源模块 冗余。PLC 处理器必须是经过特殊的涂覆处理,能抗酸性和腐蚀性,能 符合工业环境中使用标准; 在背板电源和用户端电源不断开的情况下 CPU 、 I/O模块、通讯模块及可拆卸端子排等必须能够支持带电插拨。 应具有完整的自诊断功能, 可以在运行中自动诊断出系统的任何 一个部件的故障,并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、 故障地点及相关信息。 在系统或工艺设备发生故障后, I/O状态应返回到工艺要求预设置的安全状态上。所有的 I/O模

13、块的配置及编制通过软件实现, 无跳线及 DIP 开关; PLC 支持多处理器结构,能在机架内根据需要随意布置处理器模块、 输入输出模块和通信模块,而没有任何的数量和类型限制。PLC 必须能够提供包括梯形图、功能图块、结构化文本在内的符 合 IEC61131-3标 准 的灵 活的 编程语 言支 持, 数据格 式应 符 合 IEC61131标准。变频器工作环境温度范围为 -10 +50 ,相对湿度为 95%以上。 所有选配的变频器应为国际著名品牌的成熟产品,采用 ABB 、丹 佛斯、施奈德的进口产品中的暖通空调专用系列。变频器的额定输出电流应大于电动机额定电流。变频器要求具有良好的电磁兼容性, 变

14、频器所有的部件必须置于 壳内。流量传感器采用双滚轮式流量计精度 0.5%工作压力 1.6MPa电源电压 AC 24V输出信号:420mA DC防护等级 IP65配套仪表:阀组带 RS485通讯接口,可送出瞬时流量值及累计流量值无需经常维护,拆下检修时,不影响系统运行采用一、二次仪表分体安装型。压差传感器精度 0.3%量程 00.2MPa工作压力 1.6MPa电源电压:AC 220V,由控制柜供电输出信号:420mA DC防护等级 IP65单边受力不损坏配套仪表:阀组温度传感器本身要包含 RTD 型温度传感元件温度范围:0 -50之间的空调水系统温度探针为铂制、 绕线并以 316SS 为外套的传

15、感元件, 探针装有 弹簧并插入一个 ¾” NPT(标准锥管不锈钢温度计套管。精度 0.25%输出信号:420mA DC每个传感器头部需要进行防爆保护。稳定性:±0.001%冷却水泵、冷却塔、冷冻水泵的马达上都加装变频器,通过降低 电机启动时造成的冲击载荷,达到软启动的目的,同时通过对冷机、 冷却塔、 循环水泵进行变流量控制实现电动机的效率, 达到节能的目 的。通过采用流量传感器来监测系统各位置的流量, 并将流量数据反 馈到控制系统中。 通过采用压差传感器来测冷冻水、 冷却水供回水干 道上的压差及末端压差, 作为泵的变频控制依据。 通过在不同部位设 定温度传感器,实时测定系统

16、的温差。4全变频嵌入式主动前馈关联控制系统技术说明系统控制程序执行1离心冷冻机的顺序。2冷却泵和冷却塔风扇的变速控制。3 响应负荷 (压差信号传感器, 流量计, 阀位和 (或 功率计 , 控制变频一次 和(或二次 冷冻水输送水泵。4并行或运行加备用泵组合的控制。5提供隔离阀的控制并调节旁通阀。6提供系统报警警报。7通过协议将行冷冻站运行、报警等数据与建筑自控系统和可 能的控制进行通信。控制界面控制系统创造了空调系统通讯的新标准,它可以通过网页界面 (Web-Based Interface实现完全远程控制。可以在世界的任何地 方通过网络进入冷冻站,排除故障,调整设备的工作状态,关闭有问 题的设备

17、。而且当 IPC11550操控冷冻站运行时,能帮助预测设备失 灵,降低设备出故障的概率,同时设备低速运行,延长了设备使用寿 命,大幅降低了设备运行噪音。- 13 - 图 2 系统界面- 14 - 图 3 能效监控- 15 -图 4 系统监控 图 5 设备监控 - 16 -图 6 设备监控- 17 - 图 7设备监控- 18 - - 19 -图 8 报警记录图 9中控通讯 - 20 -控制信号冷冻站节能控制系统接受并处理下列数据点的相应信号:1从区域压差传感器发出的模拟 4-20 mA信号输入。2从一次泵上压差开关发出的水泵错误数字信号输入。3用于远程启停水泵的数字信号输入。4一次泵进行远程启停

18、的数字输入。5警鸣器的数字输入。6报警消音开关的数字输入。7一次泵的运转信号的数字输出。8泵、马达和变频器的警报,压差传感器失灵警报,一次泵严 重报警和系统统摄报警的数字输出。9使用 NTC 或 PT1000传感器探测一次泵马达温度的模拟输入。 10一次泵马达运行反馈信号的数字输入。11测定一次环路的流量计,功率计,供水和回水环路上温度传 感器的模拟输出。12测定所有电动阀门的模拟和数字输入和输出。13和 BAS 进行通信的串行口。14和 VFD(变频器 进行通信的串行口。15和冷水机组进行通信的串行口。控制软件其他能力除了上述的转速、台数顺序、启停、监测、时间扫描和累计、各 设备控制方式外,

19、冷冻站节能控制软件还具有:1自动设定冷冻机出水温度控制2冷冻站最大需求控制3自动计算某个点的控制4图形屏幕报告5历史日志6记录综合7环球通信8完整列表输出9警报和事件记录能力10 适用多个通信协议和通讯方式:Lonworks 、 Modbus 、 Fieldbus 、 BACnet 、 TCP/IP等11多层密码进入5全变频嵌入式主动前馈关联控制系统安装冷却水泵变频器冷却塔变频器 冷冻水泵变频器主开关柜IPC3500 ITC3600 IPC11550控制系统结构如图所示,整体尺寸约为 4000x2000x2000mm 。通 过工厂预制,整体组装完成后进现场。在现场完成接线(变频器到各 受控设备

20、、控制箱到变频器等工作、调试等工作。- 24 - 控制系统配电原理图 图 10 武汉地铁控制系统配电原理图控制系统与相关系统技术接口 上位 BAS 控制系统要求 1 冷冻站节能控制系统作为 BAS 控制系统的一部分， 可将所有控 制数据开放给上位 BAS 控制中心,使远端中央监控中心软件进 行远程监视并启停冷冻站的运行。 2 考虑到系统的安全性， 冷冻站节能控制系统可向远端中央监控 中心软件报告故障、报警并及时请求处理。 3 BAS 系统承包商应提供弱电信号线缆及附件，并完成敷设弱电 信号线缆至冷冻站节能控制系统的端口。 4 冷冻站节能控制系统与 BAS 控制系统的通讯协议为 Modbus。

21、5 BAS 控制系统应给冷冻站节能控制系统提供互联网端口，分配 一个独立的互联网 TCP/IP 地址，此地址具有远程读写功能， 这个端口要容许相关人员从远程站点查看实况和历史数据。 冷水机组要求 1 冷冻机要包括他们自身的控制系统来对给定的冷冻水设定值 和预设的 15到 32冷却塔供水温度来优化他们的速度。 2 冷冻机一定要满足 ASHRAE（美国采暖制冷和空调工程师学会） 90.1 标准，对部分荷载工作效率等级评定要根据 ARI 标准。 3 冷冻机投标方案中一定要向冷冻站节能控制系统准确提供冷 冻机在 25%,50%,75%和 100%负荷运行下的操作数据。 - 25 - 4 冷冻机控制器一定要能够通过 Modbus 协议与冷冻站节能控制 系统进行通讯。 5 冷冻机供应商应在工地现场完成各台冷冻机之间的通讯线缆 串行连接，并提供 RS485 通讯接口给冷冻站节能控制系统。 6 冷冻机控制器能够通过串行通信信号以 M