压差温差流量控制

2.1控制方案的制定

图5内循环流量频率关系图

图6外循环流量频率关系图

内循环流量G 与频率N 关系：

F=a+bG（a=-0.805，b=0.17）（5）

外循环流量G 与频率N 关系：

F=a+bG+cG2(a=-0.0293,b=-0.76,c=0.0349)（6）

图7内循环频率与控制电流关系图

图8外循环频率与控制电流关系图

内循环频率N 与控制电流I 关系：

I=a+bF（a=3.75，b=0.326）（7）

外循环频率N 与控制电流I 关系：

I=a+bF（a=3.52,b=0.33）（8）

由（5）（6）（7）（8）得：

内循环泵控制电流I 与流量G 关系：

I=a+bG,(a=2.03,b=0.0649)（9）

外循环泵控制电流I 与流量G 关系：

I=a+bG+cG2(a=-4.95,b=0.29,c=-0.08419)（10）

2.3.1.2其它参数的选定

温差变流量控制，必须保证热泵机组正常工作。一般机组在非正常工作下会出现蒸发器水流故障，蒸发器结冰故障，蒸发器进水温度过高故障，蒸发器进水温度失效，蒸发器出水温度失效，压缩机高压故障和压缩机低压故障等故障。

土壤源热泵在冬季变流量运行时，应保证机组不出现蒸发器结冰故障，压缩机高压故障，压缩机低压故障。当机组蒸发器出口温度低于机组蒸发器最低出口温度时，就会出现蒸发器结冰故障；当冷凝器流量低于机组最小冷凝器流量时，就会出现压缩机高压故障；当蒸发器流量低于机组最小蒸发器

流量时，就会出现压缩机低压故障；因而在变流量运行时应对蒸发器出口最低温度，蒸发器最小流量

和冷凝器最小流量进行设置。

蒸发器出口最低温度的设置参照机组说明，热泵机组允许蒸发器出口最低温度为4℃。

蒸发器最小流量的设置可通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机低压故障。此时蒸发器的流量就是机组允许的蒸发器最小流量。通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机低压故障此时蒸发器流量为96.4M3/h.

冷凝器最小流量的设置可通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机高压故障。此时冷凝器的流量机组允许的冷凝器最小流量。通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机高压故障此时冷凝器流量为123.6M3/h.

土壤源热泵在夏季变流量运行时，应保证机组不出现蒸发器进水温度过高故障，压缩机高压故障，压缩机低压故障。当机组蒸发器进口温度低于机组蒸发器最低进口温度时，就会出现蒸发器进水温度过高故障；

热泵机组允许蒸发器进口最低温度为21℃。

通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机低压故障此时蒸发器流量为150.6M3/h.

通过调节变频器的频率直到机组出现压缩机高压故障此时冷凝器流量为124.5M3/h.

2.3.2软件编程

绘制系统流程图，利用FIX 自带的编程工具进行编辑控制程序。

上海临港新城综合服务楼中央空调控制系统

一、系统概述

本项目为上海临港新城综合服务楼中央空调控制系统，主机由2台热泵机组并联组成，系统采用一次泵水系统，地下室采用3台冷热水循环泵，地下室到5楼分布有4台组合式空调箱，12台新风机组。按照工艺设备要求，整个

系统可分成楼宇控制系统和空调水控制系统二部分。

1、楼宇控制系统：对4台组合式空调箱以及12台新风机组的一对一单独控制，品牌采用国际知名品牌，现场要求配备可以就地操作的操作面板。

2、空调水控制系统：对空调水系统进行调节和控制，可以根据回水温度（或者出回水温差）来实现热泵机组的起停功能，热泵机组的起停应该实现与水阀以及冷热水循环泵的连锁和延时启（停）功能。冷热水循环泵二用一备，采用一台工频一台变频自动调节运行。旁通阀根据压差信号进行补充调节。

3、中央控制室配有集控系统工作站，对上述两套系统进行集中化的操作和管理，集控系统留有通讯接口与整个大楼的BA 系统进行数据交换。

二、系统结构框图

整个综合服务楼中央空调系统的控制是在江森公司的METASYS 系统和西门子公司的SIMATIC 系统软硬件平台上，通过系统集成、自主开发，研制成一套适宜的、稳定的、先进的控制系统，使该综合服务楼的中央空调设备达到

运行平稳、高效节能的应用效果。

三、楼宇控制系统方案

（一）江森公司的METASYS 简介

1系统由以下主要部件组成：

通讯网络：局域网Ethernet ，支持BACNet 标准。λ

智能网络控制引擎NCE2510λ

数字式现场控制器：可扩展直接数字控制器FX15λ

操作员站λ

2主要部件

（1）网络结构

METASYS 的硬件系统是由操作站(OWS)、智能网络控制引擎NCE 、可扩展直接数字控制器FX15所构成的一种智能化控制网络。

（2）网络通讯

网络上各节点之间的数据交换采用点对点（peer to peer ）方式，各节点均具备动态数据访问（Dynamic Data Access ）功能，即无论网上任何操作站或任一智能控制引擎上，均可以对全部的数据实现检测或控制。同时满足用户对开放系统的需要。

（3）操作员站

操作员站为先进的个人电脑，提供视窗化的，高水平人机界面，用户可选择中文或英文操作。

它以Microsoft 公司的Windows XP 为运行环境，允许Windows 支持的其他软件同时运行。并可以与他们进行多种方式的数据交换。

它具有存储点的历史记录、趋势分析、操作员进入/退出记录、以及报警记录等功、可编程及产生数据库功能，并直接下传程序至各控制器。

（3）N2可扩展数字控制器FX15

FX15控制器是一个模块化，可扩展，在现场具有显示及操作能力的控制器。它的基本配置为6AI ，8DI ，4AO 及8DO ，共为26点，根据现场需要可增加各类型点的扩展模块，最多可扩展64个点。

FX15的软件功能十分齐全，可实现各种现场控制要求。其操作系统包括实时功能，可编程模块，及PLC 逻辑运算模块。由于它是由一个个功能模块所构成，其图形化的编程工具使得程序设计异常简单。用户只要简单地调用图块，填写参数，控制程序便自动生成。它除了完成各种运算及PID 回路控制功能外，还具备多级控制及统计功能；其PLC 逻辑运算模块，具备一般PLC 控制器的功能；其实时功能可同时设置多个时间控制程序，每个时间控制程序，可针对星期一至星期日及特定的一些公众假期，分别设定不同的启动/关闭时间。如此强大的软件功能，决定了DDC 具有独立运作的功能，当中央操作站故障，网络控制器故障或通讯线断线，都不会影响其操作。

(二) 中央空调楼宇控制系统

1系统组成

整个系统由三级组成。操作员站级，主要由带鼠标及彩色显示器的个人电脑组成，运行由江森公司开发的Metasys 中英文图形系统软件和上海南汇临港综合楼实时监控操作软件，是上海南汇临港综合楼管理整个系统及实施操作的主要人-机界面。管理人员和操作者，主要是通过观察显示器所显示的各种信息以及打印机所记录的各种信息来了解当前或以前整个楼宇各种机电设备的运行状况，也是通过键盘或鼠标的操作来改变现场各种机电设备的运行状况，从而达到管理者各种特定的控制要求。操作站级以高速通讯方式与智能网络控制引擎（NCE ）级进行信息交换，其通讯速率达10兆波特。因而其实时性更强，几无通信阻塞之忧。

智能网络控制引擎级，其功能主要是实现网络匹配和信息传递，具有总线控制，I/O控制功能。Metasys 系统其区域网络(N1)用的是符合国际工业标准的Ethernet 网络，该网络高速可靠因而应用广泛。而Metasys 系统的通讯网络则选用N2总线，N2总线是以RS-485为基础设计的，具有简单可靠的特点，适合于楼宇内各种机电设备现场控制器的通讯要求，而且特别易于施工。在这里网络控制器就承担了从N1至N2的总线匹配、通信管理的功能，是现场控制器与操作站通信联系的纽带。根据上海南汇临港综合楼的机电设备分布状况，我们建议使用1台操作站、1个智能网络控制器，来完成通信管理功能。各层区依据受控机电设备的多寡，设置相应数量的现场控制器(DDC)。现场控制器(DDC)构成系统的第三级。其主要功能是接收安装于各种机电设备内的传感器、检测器之信息，按DDC 内部预先设置的参数和执行程序自动实施对相应机电设备进行监控，或随时接收操作站发来的指令信息，调整参数或有关执行程序，改变对相应机电设备的监控要求。

Metasys 系统还具有可扩展性强的特点，不仅可随意增设DDC 以扩充楼宇内监控设备之要求，亦可增设NCE ，与楼宇内外所需" 进网" 系统的连接。因而深受业主以及物业管理者的欢迎。

2空调系统监控

（1）新风机：通过操作员站，可以对12套新风机组实现下列功能：

A ）监视状态点:

-风机运行状态

-风机故障报警

-风机滤网压差报警

-手/自动状态

-送风温度遥测

-送风湿度遥测

B ）控制功能

按内部预先编写之时间程序或通过管理中心操作员启动风机后，控制程序投入工作。

根据送风温度与设定值之偏差，用比例积分控制来调节冷（热）水电动二通阀之开度，使温度达到设定值，以致达到最佳工作状态。

根据送风湿度与设定值之偏差，用比例积分控制来调节加湿器的开度，使湿度达到设定值，以致达到最佳工作状态。

（2）空调机：通过操作员站，可以对4套空调机组实现下列功能：

A ）监视状态点:

-风机运行状态

-风机故障报警

-风机滤网压差报警

-手/自动状态

-回风温度遥测

-回风湿度遥测

B ）控制功能

按内部预先编写之时间程序或通过管理中心操作员启动风机后，控制程序投入工作。

根据回风温度与设定值之偏差，用比例积分控制来调节冷（热）水电动二通阀之开度，使温度达到设定值，以致达到最佳工作状态。

根据回风湿度与设定值之偏差，用比例积分控制来调节加湿器的开度，使湿度达到设定值，以致达到最佳工作状态。

四、空调水系统控制方案

（一）PLC 控制系统简介

本方案采用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列的PLC 为控制器，运用SIMATIC 先进的控制技术、高速的现场总线网络和基于InterNet 的工业以太网技术，实现对运行设备的实时控制和远程监控。

PLC 控制系统的分级网络结构如下：

a) 现场设备级：传感器、执行机构，仪表等电气设备。

b) 过程控制级：采用西门子S7-300系列PLC ，通过PROFIBUS 现场总线的分布式I/O直接采集、检测和驱动现场设备级的传感器和执行机构，在过程控制级集中控制。可根据需要在现场设手动按扭操作箱。

c) 监控级：操作员工作站（集控中心）。采用工控机和西门子工控软件WinCC ，通过S7-300的CPU 主站和PROFIBUS 现场总线，对系统所以地检测点和控制设备（包括空调机、新风机组和水系统）实现集中操作、实时监控、故障报警、数据保存和打印输出等，组成集控中心的彩色图文监控系统。同时该系统可以通过以太网或其它通讯接口与整个大楼的BA 系统进行数据交换。

d) 管理及远程服务（选件）：基于InterNet 的工业以太网技术，实现对运行设备的进行远程监控、数据管理及备份、程序维护等。

（二）功能描述

（1）现场设备级

A 开关量输入信号：现场传感器等传输给PLC 的开关量输入信号均采用光电隔离，DC24V ，ＰＮＰ或无源触点。Ｂ开关量输出信号：给现场设备的PLC 开关量输出均通过中间继电器与现场设备电气隔离，提供标准DC24V ，AC220V 电源。

C 模拟量输入信号：通过现场变送器，PLC 模拟量输入模块进行数据采集，光电隔离，现场变送器应输入符合工业标准的信号（如4-20mA 电流，0-10V 电压，PT100热电阻，各种热电偶）。

D 模拟量输出信号：PLC 模拟输出符合工业标准的电压，电流信号，光电隔离，现场设备的执行器接收应是标准工业信号，能与PLC 模块输出相匹配。

（2）过程控制级

过程控制ＰＬＣ具有连续的和离散的控制功能，连续控制包含各种流量，压力，温度等ＰＩＤ调节，满足一般调节要求，各种常用的数学运算，采样运算等。离散控制包含各种逻辑，循环控制，计时，计数等等。控制器可以在不中断正在运行的程序或将控制转换到后备处理器的情况下，具有在线编程和修改能力，新的控制功能块可以插入正在运行程序中的任何位置。

控制由集中PLC 控制和就地电气控制两部分组成。控制柜上设“自动/手动”切换开关。正常“自动”状态下，系统设备由PLC 自动控制完成，仅当设备维护、调试或自控系统发生故障时，可采用就地控制柜的按钮手动启动和停止设备的运行，并且传感控制设备不能在手动模式下对设备起控制作用。因此当切换至“手动”状态时，自动控制系统将不能对该设备进行控制。

（3）监控级

操作员站画面为操作员了解生产过程状态提供了显示窗口，包含以下画面：

i. 主画面

显示系统各设备、装置、区域的运行状态以及全部过程参数变量的状态、测量值、设定值、控制方式（手/自）、高低限报警等信息，操作员可以在总画面上一目了然地了解整个生产过程和数据，并可从从主画面调出其它画面和窗口画面。

ii. 分组画面

以模拟仪表或实物的形式显示各个工艺回路的信息：如过程参数变量的测量值，调节器的设定值、输出值、控制方式等。变量值每秒更新一次，分组可按相同性质的变量组合。操作员可从分组画面调出任一变量的详细信息。iii. 窗口画面

点击某个对象，可以弹出一个窗口画面，显示一个参数、控制点的信息及实时趋势和历史趋势。从窗口画面上可以直接对模拟回路进行设定、调整操作。

系统具有显示总线上任何数据点趋势的能力，并在同一坐标轴上显示至少四个变量的趋势记录曲线，有可供用户自由选择的参数变量，不同颜色和不同的时间间隔，也可以对数轴进行任意放大显示。

v. 报警画面

显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，未经确认的报警处于闪烁状态。

报警内容包括：

—报警时间

—过程变量名

—过程变量说明

—过程变量的当前值

—报警设定值

—过程变量的工程单位

—报警优先级别

—严重(一级) 报警启动柜顶声光警报器.

vi. 图形画面

生产装置的图片、工艺流程图、设备简图等都可以在操作员面板、操作站上显示出来。每个画面都包括字母数字字符和图形符号，通常采用可变化的颜色、图形、闪烁表示过程变量的不同状态，所有过程变量的数值和状态每秒动态刷新，操作员在此画面对有关过程变量实施操作和调整。

vii. 棒图

通过棒图可以显示过程变量的变化，如棒图表示液面。要求棒图能以水平或垂直方式显示。

viii. 报表功能

系统能按照预先定义的格式打印报表，报表数据的收集和打印是按照用户定义的时间间隔自动进行。打印报表通常采用事件驱动方式或操作员命令方式，报表软件将自动产生所有的标题和表头。

报表类型如下：

a 格式报表

b 事故报表

c 无格式报表

d 诊断报告

e 设备操作报告

ix. 历史数据存储功能

PLC 能对报警、联锁、操作指令的变化等事件及其日期、时间作为历史数据加以储存。如存储周期为10秒，系统磁介质足够记录半年以上历史数据。

（三）中央空调水系统控制初步设计和配置说明

（1）初步设计方案

根据水系统设备的工艺要求和分布特点，初步设计考虑采用SIMATIC_ET200分布式I/O。无论控制系统多么复杂，SIMATIC_ET200分布式I/O永远是正确的选择，基于开放式PROFIBUS 总线可实现从现场信号到集控室的数据通讯。ET200可以给用户带来许多好处：降低接线成本，提高数据安全性，增加系统灵活性。

在集控室内配置一个PLC 主站，下设两个从站，一个放置在地下室，控制三个循环泵和旁通阀的运行，另一个放置在五楼，控制两套热泵的运行。两个从站通过PROFIBUS 总线连接到主站。这样的设计，大量减少了现场布线的人力和财力，连接通讯线路清晰，减少了故障点，方便维护，而且日后需要在其他楼层增加设备只需要在这根PROFIBUS 总线上增加一个从站即可，需要时也可以在总线上任何位置加入HMI （人机界面）。

（2）主站PLC

配置：CPU 315-2PN/DP

CPU 315-2PN/DP是一款带有中／大规模程序量和PROFIBUS DP 主／从接口、以太网接口的CPU 。它除了可以组成集中式I/O结构，还可以组成分布式自动化结构。它经常在SIMATIC S7-300系统中作为ROFIBUS DP 主站使用。同时也可以作为分布式智能DP 从站使用，也可以直接接入以太网。

（3）循环水泵从站和热泵从站PLC

配置：ET200M

ET200M 是高密度配置的模块化I/O站，保护等级为IP20。它可用S7-300可编程序控制器的信号、功能和通讯模块扩展。由于模块的种类众多，ET200M 尤其适用于复杂的自动化任务。可插入模拟量HART 的输入和输出模块意味着ET200M 适用于过程工程。它也适宜于与冗余系统一起使用。ET200M 是在PROFIBUS-DP 上的被动站(从站). 最大数据传输速率为12M 位/S。ET200M 也可以在运行过程中, 在有电源情况下配置S7-300I/O模块的有源总线模块，其余模块仍继续运行。

五、临港新城综合服务楼中央空调监控系统初步设计

中央空调监控系统设在中央控制室，实现对包括楼宇系统的4台组合式空调箱、12台新风机组和水系统的2台热泵机组、3台冷热水循环泵集中监控。

监控系统是基于工业PC 和以太网络技术、在SIMATIC WinCC 的软件平台上开发的彩色图文监控系统。该系统通过太网交换机，与江森公司的METASYS 楼宇系统和西门子的SIMATIC PLC 主站交换数据，采用1-2台42英

寸彩色液晶显示器。彩色直观的图文画面、友好的用户操作界面、及时可靠的信息报警系统和完善的数据归档功能是本监控系统设计的主要亮点。

（一）监控系统配置

配置：SIMATIC WinCC 、工控机（研华）、42英寸彩色液晶显示器、工业以太网交换机、打印机、智能电力仪表等。

（二）监控软件

SIMATIC WinCC 是西门子一个功能强大、高效实用的视窗监控组态软件。在WinCC 的平台上，监控软件具有了以下SCADA 功能：

①使用WinCC 用户管理器，可以分配和控制组态和运行时的访问权限。

②WinCC 的图形系统可处理运行时在屏幕上的所有输入和输出。不管是少而简单的操作和监视任务，还是复杂的管理任务，利用WinCC 标准，通过二次开发，可为任何应用生成个性化组态的用户界面，以期实现安全的过程控制和整个生产过程的优化。

③通过锁定未经授权的访问，可保护过程、归档和WinCC 避免未经授权的操作员输入。

④组态工程师能够动态控制画面部分的最终外观，当需要针对过程生成引人入胜的用户界面时，SIMATIC WinCC 能为你提供你需要的一切，系统可为此提供各种对象：从图形对象，按钮、柱状图和控件，直到每个用户对象。除了这种功能外，WinCC 还支持最多4096x4096象素的图形显示，包括平移、缩放和画面整理等，在进行操作和监视时给你全新的感觉。

⑤借助SIMATIC WinCC 的消息系统，不仅可以获取过程消息和本地事件，而且还能将这些信息存储在循环归档系统中，以便在需要时，通过过滤或分类加以利用。消息可从某个位导出，亦可以直接来自自动化系统的一个报警消息帧，或者是超出极限条件时的模拟量报警。你还可对消息进行组态，以便使用户对它作出响应。

⑥用Microsoft SQL 服务器来归档消息。系统在出现消息事件时，例如，当出现消息时和在改变消息状态时，可对消息进行归档。在消息序列记录中，可根据时间顺序归档消息(有选择地) 。就此而论，系统可打印出当前队列中消息的所有状态变化(到达、离开和确认) 。在消息归档记录中，可有选择地生成归档消息的特殊视图。

⑦SIMATIC WinCC 有一个集成的记录系统，可用它打印来自WinCC 或其它应用程序的数据。该系统还可打印运行时获得的数据，这些数据的布局可以组态。可使用不同的记录类型：从消息序列记录、系统消息记录和操作员记录，直至用户报表。在打印报表之前，可将它们作为文件保存，并可在显视器上进行预览。

⑧SIMATIC WinCC 支持OPC ，可以接收来自数据库的数据和CSV 格式的外部数据(可以是表格数据或曲线数据) ，为了以表格或图形方式显示从其它应用程序来的数据，你也可开发自己的“ReportPro-vider”。

WinCC 典型画面

（三）其它应用软件

①在SIMATIC STEP 7平台上开发的PLC 控制程序。根据生产工艺要求，在自动运行时，PLC 控制程序根据回水温度（或者出回水温差）对热泵机组的起停控制，并且与水阀以及冷热水循环泵（二用一备、变频自动调节）进行连锁和延时启（停）控制，使之满足对空调水系统的调节要求。旁通阀根据压差信号进行补充调节。所有的调节参数、控制变量都可以在人机界面中设定。

②在Microsoft VB 的平台上开发的中央空调能耗数据测试分析软件。该软件根据安装在热泵和循环泵进线端的智能电力仪表，检测出系统工作时的电能数据，结合系统同时采集到的温度、差压和时间等数据，进行能耗和效率的综合分析，找出最佳的能效点，反馈给PLC 控制系统进行优化调节和控制。