节能型中央空调自动控制系统的制作方法

本发明属于空调自动控制技术领域，具体涉及中央空调自动控制系统。

背景技术：

中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、医院、现代化工业厂房等。相对于石油化工、电力、钢铁等过程工业领域，中央空调控制技术仍有大幅提升的空间。长期以来，中央空调系统大多仍在传统模式下运行，环境温度和空调实际使用面积发生变化时，电机都固定在工频状态下全速运行，造成很大的能源浪费。近年来，这一问题已引起国内外制冷工业界和学术界的广泛关注，采用通用变频器对中央空调系统中的水泵和风机等进行控制，可在一定程度上节约水泵和风机等电机的能耗。不过，由于种种原因，使用变频器的电机，很大一部分是开环、手动，仍然达不到应有的节电效果。

在石油化工、电力、钢铁等过程工业领域，控制计算机已经普遍采用了通用的dcs（分布式控制系统）、plc（可编程逻辑控制器）、fcs（现场总线控制系统）或专用成套控制装置；而空调、制冷设备系统控制，更多的是基于专用仪表机理如何实现控制功能。空调、制冷系统控制硬件上仍处于ddc（直接数字控制）仪表阶段，从控制方法上，国内外已经普遍采用了pid调节器，并且在大力推广先进控制与优化技术应用；而空调制冷设备控制仍处于pid调节都用得不多的阶段。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种运行耗电省、控制效果好的中央空调自动控制系统。

本发明中，中央空调系统，如图1所示，包括主机系统、冷冻水循环系统、末端温度系统以及冷却水循环系统等四个子系统。其中，主机系统由压缩机、蒸发器、澎胀阀和冷凝器依次连构成接；冷却水循环系统由水泵、冷却装置、冷凝器依次连接构成；冷冻水循环系统由冷冻水泵、蒸发器中的一系列盘管依次连接构成；末端温度系统包括一系列分别与各盘管连接的风机及对应的房间。

低温冷冻水经过盘管及风机，将冷风送入末端各房间，达到制冷降温的效果。同时，冷冻循环水温度有所升高。之后，循环水通过冷冻水泵被泵入主机系统的蒸发器盘管中，与制冷剂进行间接热交换，重新变成低温冷冻水。主机系统中的制冷剂在冷凝器中释放热量，其释放的热量被冷却循环水系统带走。冷冻水循环系统、冷却水循环系统均是主机系统的从动系统。当主机系统负荷发生变化时，对冷冻水、冷却水的需求量也会自动地发生变化。

本发明通过采用plc、变频器、蒸发与冷凝中一些专用仪表和常规仪表，加上带有pid调节功能和先进控制与优化功能的控制器，形成如下具有动态反馈功能的闭环控制回路：（1）冷冻水温度自动控制回路，（2）末端房间温度自动控制回路、（3）冷却水温度自动控制回路。每个自动控制回路包括参数检测装置、基于计算机的控制器、以及相应的执行装置等，保证系统平稳运行，在满足制冷需求的前提下，降低各环节中的能耗，其中：

（1）冷冻水温度自动控制回路，其控制框图如图2所示。该控制回路由冷冻水回水温度检测装置、温度控制器、冷冻水循环水泵变频器、冷冻水循环流量检测装置依次连接组成；把检测到的回水温度值与设定温度值进行比较，并把比较结果作为温度控制器的输入信号；温度控制器根据当前输入信号与历史输入信号，通过一定的控制算法，得到控制器的输出；该输出信号作为冷冻水循环水泵前端变频器的输入，自动调节水泵的转速，进而调节冷冻水的流量。流量的改变使得冷冻水与若干盘管进行热交换后的温度发生相应改变，从而达到回水温度自动控制的效果。在温度控制器设计的过程中，充分考虑盘管风机的状态与环境空气温度对回水温度的影响，确保回路系统的控制品质。控制器可采用常规pid控制策略，也可根据控制性能指标要求采用先进控制策略；

（2）末端房间温度自动控制回路，其控制框图如图3所示。该控制回路由房间温度检测装置、温度控制器、盘管风机转速调节执行机构、风机转速检测装置依次连接组成。把检测到的末端房间温度值与设定值进行比较，并把比较结果作为控制器的输入信号；控制器根据当前输入信号与历史输入信号，通过一定的控制算法，得到控制器的输出；控制器输出信号作为盘管风机转速调节执行机构的输入，自动调节风机的转速，从而调节末端房间的温度。在本回路中，控制器设计充分考虑冷冻循环水系统中的冷冻水温度与流量对末端房间温度的影响，确保本回路系统的动态与静态控制品质。控制器可采用常规pid控制策略，也可根据控制性能指标要求采用先进控制策略。pid控制或先进控制策略的参数确定可根据系统各环节的模型参数，通过理论分析计算，并在系统运行现场反复调试后得到；

（3）冷却水温度自动控制回路，其控制框图如图4所示。该控制回路由出冷凝器冷却水温度检测装置、进冷凝器冷却水温度检测装置、控制器、冷却水循环水泵变频器、冷却水循环流量检测装置、冷却塔风机转速检测、冷却塔环境大气温度检测（对于地源热泵中央空调系统，冷却装置无需冷却塔，相应的风机转速和环境大气温度无需检测）等依次连接组成。把检测到的出冷凝器冷却水温度值与设定值做比较，将比较结果作为控制器的输入信号；控制器根据当前输入信号与历史输入信号，通过一定的控制算法，得到控制器的输出；控制器输出信号作为冷却水循环水泵变频器的输入，自动调节水泵的转速，从而调节出冷凝器冷却水的温度。在本控制回路中，控制器设计需要充分考虑冷却循环水系统中的进冷凝器冷却水温度对系统的影响，确保控制回路系统的动态与静态控制品质。控制器可采用常规pid控制策略，也可根据控制性能指标要求采用先进控制策略。pid控制或先进控制策略的参数确定可根据系统各环节的模型参数，通过理论分析计算，并在系统运行现场反复调试后得到。

在中央空调系统负荷发生变化时，通过以上具有动态反馈功能的闭环控制回路，可以在满足末端房间制冷温度需求的前提下，通过自动调节设备的工作状态，实现节能。具体而言：

对于冷冻水温度自动控制回路，当系统负荷发生变化时，为保证末端房间室温，需要自动调节低温空气流量，从而影响到冷冻循环水的回水温度。为保持室温不变，控制回路会通过自动控制冷冻水泵的转速，因而自动控制冷冻水的流量，使冷冻水泵电机自动适应负荷变化而保持冷冻回水温度不变，不必将水泵电机一直处于满负荷状态，从而节电。

对于末端房间温度自动控制回路，根据末端房间的制冷需求，当外界环境发生变化时，控制回路会自动调节盘管风机的转速，不必一直处于满负荷工作状态，从而节电。

对于冷却水温度自动控制回路，当中央空调系统负荷发生变化时，控制回路会通过自动调节出冷凝器的冷却水温度，自动改变冷却水流量，使冷却水循环水泵不必一直处于满负荷工作状态，从而节电。

附图说明

图1为中央空调系统组成结构示意图。

图2为冷冻水温度控制回路方框图。

图3为末端房间温度控制回路方框图。

图4为冷却水温度控制回路方框图。

具体实施方式

本发明提出的中央空调控制系统，涉及的控制回路仪表包括：冷冻水温度传感器、末端房间温度传感器、冷却水温度传感器、冷冻水流量传感器、冷却水流量传感器、控制器（基于plc实现的pid控制器或基于工控机的先进算法控制器）、电机变频器等。具体实施方式为：在（1）冷冻水温度自动控制回路中，回水温度检测值与设定值（该值可通过优化算法给出）比较后，送入控制器。在控制回路投入自动运行之前，根据系统辨识得到的模型，设计pid控制器的参数。在控制回路调试运行阶段，根据实际控制性能再对控制器参数作相应修正调整。也可以不对系统进行模型辨识，直接在调试运行阶段，采用工程整定方法，如临界比例度法、衰减曲线法等得到控制器的参数。控制回路投入自动运行后，控制器根据当前及历史输入，得到控制器输出，通过变频器自动调节冷冻循环水泵的转速，进而调节冷冻水的流量，从而达到自动控制回水温度的效果，实现冷冻水循环系统的节能。在pid控制器实现回路自动控制的基础上，还可以采用先进控制如预测控制策略，实现控制系统的性能进一步提高。

与冷冻水温度自动控制回路的实施过程相类似，在（2）末端房间温度自动控制回路中，末端房间温度检测值与设定值比较后，送入本回路控制器。在控制回路投入自动运行之前，根据系统辨识得到的模型，通过理论设计得到pid控制器的参数。在调试运行阶段，根据实际控制性能再对控制器参数进行相应修正调整。也可直接在调试运行阶段，采用工程整定方法，如临界比例度法、衰减曲线法等得到控制器参数。在控制回路投入自动运行后，控制器根据当前及历史输入，得到控制器输出，通过变频器自动调节盘管风机的转速，进而调节冷冻水与末端房间的冷量交换，达到自动调节末端房间温度的效果，实现末端温度系统的节能。在pid控制器实现回路自动控制的基础上，还可以采用先进控制如预测控制策略等，实现控制系统的性能进一步提高。

在（3）冷却水温度自动控制回路中，出冷凝器冷却水温度检测值与设定值比较后，送入回路控制器。对于采用地源水介质的冷却水循环系统，控制器通过变频器自动调节潜水泵转速，进而调节地源水与主机系统冷凝器的热量交换，实现回水温度的自动调节。对于采用冷却塔装置的冷却循环系统，增加冷却塔风机转速检测装置、环境大气温度检测装置、冷却塔风机控制装置，作为本控制回路的前馈扰动量加以考虑，以提高回路的控制品质。在控制回路投入自动运行之前，根据系统辨识模型，通过理论设计得到pid控制器的参数。在调试运行阶段，根据实际控制性能再对控制器参数进行相应修正调整。也可直接在调试运行阶段，采用工程整定方法，如临界比例度法、衰减曲线法等确定控制器参数。在控制回路投入自动运行后，控制器根据当前及历史输入，得到控制器输出，通过变频器自动调节冷却水泵的转速，进而调节冷却水的流量，达到自动调节出冷凝器冷却水温度的效果，实现冷却水循环系统的节能。在pid控制器实现回路自动控制的基础上，还可以采用先进控制如预测控制策略等，实现本回路控制系统的性能进一步提高。