劉春雷，劉劍

（1.沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110043；2.中國民用航空東北地區(qū)空中交通管理局，遼寧 沈陽 110011）

1 引言

在我國建筑業(yè)大力興建的環(huán)境下，自動(dòng)控制系統(tǒng)的市場需求隨之越來越大，而且吸引國內(nèi)外樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)廠商不斷的提升計(jì)算機(jī)控制管理的軟件，強(qiáng)調(diào)人性化使用接口，有條不紊地使建筑物機(jī)電與消防，空調(diào)，鍋爐，電梯等各種系統(tǒng)結(jié)合，達(dá)到更舒適的工作環(huán)境，不但能節(jié)省能源，也節(jié)省了維護(hù)管理的工作量和運(yùn)行費(fèi)用。與此同時(shí)，許多較早的建筑也將進(jìn)行更新改造，引進(jìn)先進(jìn)的自控系統(tǒng)已達(dá)到數(shù)字化、及節(jié)能等要求，下面以空調(diào)為例，對(duì)自控的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行解析。

2 系統(tǒng)概況

對(duì)兩個(gè)空調(diào)機(jī)房進(jìn)行節(jié)能改造，在現(xiàn)有空調(diào)控制柜附近重新安裝一臺(tái)風(fēng)機(jī)智能節(jié)電柜，同時(shí)在空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)口加裝溫度傳感器，供水系統(tǒng)加裝溫差控制裝置，并在總裝車間合適位置加裝空氣質(zhì)量傳感器。傳感器信號(hào)經(jīng)PLC 處理，通過變頻器控制調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)速。每個(gè)車間設(shè)置一個(gè)集中控制柜，監(jiān)控每臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并控制風(fēng)機(jī)停止。

3 系統(tǒng)方案論證

變頻器可以從四個(gè)方面節(jié)電。第一，軟啟動(dòng)。一般交流電機(jī)的啟動(dòng)電流為電機(jī)額定電流的6-7 倍。變頻調(diào)速后啟動(dòng)電流不超過電機(jī)的額定電流。第二，節(jié)省設(shè)計(jì)冗余。一般設(shè)計(jì)都按照使用時(shí)的極端條件，因而都留有設(shè)計(jì)冗余，有的冗余量很大，形成大馬拉小車，變頻調(diào)速可以把冗余節(jié)省下來。第三，是調(diào)速節(jié)電。按流體力學(xué)原理，軸功率正比速度的立方，轉(zhuǎn)速下降，軸功率變小。這是變頻調(diào)速的主要節(jié)電原理。第四，系統(tǒng)功率因數(shù)高。一般在0.95 以上，節(jié)省無功，減輕了變壓器的負(fù)擔(dān)。

風(fēng)機(jī)在工作過程中的基本參數(shù)

風(fēng)量Q表示單位時(shí)間內(nèi)流過風(fēng)機(jī)的空氣體積其單位為m3/sm3/min或m3/h

風(fēng)壓H表示當(dāng)空氣流過風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)給予空氣的總壓力它是由靜風(fēng)壓Hs和動(dòng)風(fēng)壓Hd組成其單位為Pa或Mpa總壓力的公式為H=Hs+Hd

軸功率Ps 為風(fēng)機(jī)工作時(shí)有效的總功率其單位為kw 計(jì)算公式Ps=QH/1000 如果風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓是以有效靜風(fēng)壓Hs表示時(shí)則軸功率為Ps=QHs/1000

效率D

風(fēng)機(jī)軸上的功率因有部分損失而不能全部傳遞給空氣，它是評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)工作優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一

電動(dòng)機(jī)功率Pm=QH/(1000?C?D)，其中C為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率直接傳動(dòng)時(shí)C=1.0

總效率=C?D

風(fēng)機(jī)的工作特性

風(fēng)機(jī)的工作特性可以由H-Q曲線來表述，H-Q曲線是表示轉(zhuǎn)速恒定時(shí)風(fēng)壓H與風(fēng)量Q之間的特性關(guān)系如圖所示

圖1 關(guān)系圖

圖中A點(diǎn)為風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)Ha和Qa分別為在A點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)壓和風(fēng)量

風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的原理

與傳統(tǒng)的采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量相比，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量的方法有著明顯的節(jié)能效果。

其原理可由下圖來說明

圖2 原理圖

(Ps-Q)特性曲線曲線3為管網(wǎng)的風(fēng)阻特性(風(fēng)門全開)

圖中曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速n1下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性曲線，曲線2為恒速n2下的功率-風(fēng)量(Ps-Q)特性曲線曲線3為管網(wǎng)的風(fēng)阻特性(風(fēng)門全開)。

假設(shè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn)效率最高，此時(shí)輸出風(fēng)量Q為100%軸功率為Ps1與Q1和H1的乘積成正比，即Ps1與A-H1-O-Q1-A所包圍的面積成正比。

當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，例如所需風(fēng)量從100%減小到額定風(fēng)量的50%，即從Q1 減少到Q2 時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法來調(diào)節(jié)風(fēng)量使管網(wǎng)的風(fēng)阻曲線由曲線3變?yōu)榍€4，

即減少風(fēng)門開度增加了管網(wǎng)阻力，此時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)由原來的A 點(diǎn)移至B 點(diǎn)，可以看出，風(fēng)量雖然降低了但風(fēng)壓增加了，軸功率 Ps2與B-H2-O-Q2-B成正比，它與Ps1相比減少不多。

如果采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由原來的n1 降到n2，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，可以畫出在恒速n2下的風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性曲線5風(fēng)機(jī)工作在C點(diǎn)。

由圖可見，在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓將大幅度降低到H3，軸功率Ps2也明顯降低，所節(jié)約的功率與面積A-H1-O-Q1-A和C-H3-O-Q2-C之差成正比，由此可見用調(diào)速的方法來減少風(fēng)量的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。

由流體力學(xué)可知風(fēng)量Q 與轉(zhuǎn)速n 的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率Ps與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即：Q∞n，H∞n2，Ps∞n3

當(dāng)所需要的風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其軸功率按轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需風(fēng)量為額定風(fēng)量80%，則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速80%，那么風(fēng)機(jī)的軸功率將下降為額定功率的51.2%，當(dāng)所需要風(fēng)量為額定風(fēng)量的50%時(shí)，風(fēng)機(jī)的軸功率將下降為其額定功率的12.5%，當(dāng)然轉(zhuǎn)速降低時(shí)效率也會(huì)有所降低，同時(shí)還應(yīng)考慮控制裝置的附加損耗等影響。

4 系統(tǒng)總體方案

4.1 總體方案：

圖3 方案圖

空調(diào)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的模式，是建立在專用數(shù)據(jù)網(wǎng)上，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC集中控制柜與風(fēng)機(jī)智能控制柜的通訊、現(xiàn)場廠站相關(guān)設(shè)備及其它監(jiān)控點(diǎn)的遠(yuǎn)程站系統(tǒng)（PLC）遠(yuǎn)程連接，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集及集中監(jiān)控，完成空調(diào)節(jié)能監(jiān)控的遙控、遙測、遙信、遙脈功能。

風(fēng)機(jī)智能節(jié)電柜，通過PLC對(duì)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集，如溫度、空氣質(zhì)量、開關(guān)狀態(tài)，經(jīng)過變頻器的控制，完成對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制和各種記錄，溫差控制器來完成供水系統(tǒng)閥門的開度，并將數(shù)據(jù)送給HMI觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)控。

該系統(tǒng)有手動(dòng)與自動(dòng)兩種運(yùn)行方式，手動(dòng)方式時(shí)，可以通過本地控制柜上的啟動(dòng)和停止按鈕控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。自動(dòng)方式時(shí)通過集中控制柜上的觸摸屏自動(dòng)控制。

在沒有變頻器的情況下，風(fēng)機(jī)只能以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行。所以在對(duì)風(fēng)量需求不大的情況下是對(duì)能源的一種浪費(fèi)，本系統(tǒng)計(jì)方案是通過二種PID 調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能改造。

由溫度傳感器、溫差控制裝置組成的溫差閉環(huán)控制供水系統(tǒng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)流量的PID調(diào)節(jié)。

溫差控制器通過供水系統(tǒng)安裝的進(jìn)水與回水溫度傳感器獲得進(jìn)水溫度與回水溫度，二者進(jìn)行比較，并計(jì)算出溫差值；然后根據(jù)溫差值來控制供水系統(tǒng)的電動(dòng)閥門的開啟度，調(diào)節(jié)供水的流量，控制熱交換的速度。溫差大，說明室內(nèi)溫度高系統(tǒng)負(fù)荷大，應(yīng)提高高溫水流量，加快熱交換的速度；反之溫差小，則說明室內(nèi)溫度低，系統(tǒng)負(fù)荷小，可降低高溫水流量，降低熱交換的速度以節(jié)約電能。

由回風(fēng)溫度傳感器+空氣質(zhì)量傳感器+室內(nèi)外溫度+PLC+變頻器+風(fēng)機(jī)組成，通過變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的PID調(diào)節(jié)。

溫度傳感器將采集到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)輸出至PLC，PLC 根據(jù)給定的溫度設(shè)定值與溫度實(shí)測值進(jìn)行比較運(yùn)算，將最終運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為模擬量輸出給風(fēng)機(jī)變頻器，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的供電電壓及頻率，即改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的節(jié)能。

空氣質(zhì)量傳感器可以采集室內(nèi)溫度及其有毒氣體、粉塵等含量。空氣質(zhì)量傳感器把空氣當(dāng)中的氣體分成不同的報(bào)警級(jí)別進(jìn)行檢測，當(dāng)空氣質(zhì)量沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會(huì)對(duì)PLC 輸出一路信號(hào)，開啟空氣循環(huán)系統(tǒng)，PLC對(duì)空氣質(zhì)量傳感器發(fā)出的信號(hào)等級(jí)對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的節(jié)能。

室內(nèi)外溫差控制，首設(shè)定好室內(nèi)溫度，如果非采暖期，室內(nèi)溫度高于室外溫度，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)延時(shí)運(yùn)行空氣循環(huán)系統(tǒng)，為廠房內(nèi)降溫和換新風(fēng)；如果采暖期間，室外溫度高于設(shè)定溫度，關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，利用室外空氣為廠房內(nèi)提升溫度和替換新風(fēng)。

4.2 系統(tǒng)主要功能：

數(shù)據(jù)采集和處理；

工藝流程的動(dòng)態(tài)顯示；

報(bào)警顯示及事件的查詢。發(fā)生設(shè)備異常時(shí)、測量值的上下限發(fā)生越限時(shí)，顯示與監(jiān)視畫面不同的警報(bào)一覽并用顏色區(qū)分開，配帶名稱、標(biāo)簽、發(fā)生時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間?，F(xiàn)有的異常與此異常監(jiān)視人員是否確認(rèn)完成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、歸檔、管理以及趨勢圖顯示；

實(shí)時(shí)趨勢圖顯示；

監(jiān)控系統(tǒng)畫面，動(dòng)態(tài)分析；在監(jiān)控畫面中顯示各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)/停止/異常狀態(tài)（顏色變化）、測量值、計(jì)量值；

下達(dá)操作命令；

安全保護(hù)，事故處理；

自控設(shè)備、儀表的故障診斷和分析；

為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口；

5 結(jié)論

改造完成后，節(jié)電指標(biāo)達(dá)到30%以上。自動(dòng)控制系統(tǒng)在建筑工程中的應(yīng)用有效的節(jié)約了能源、人力資源等，對(duì)于提高工作效率，數(shù)字化管理起到了積極的作用。

［1］曾德勝，制冷空調(diào)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、維護(hù)管理及節(jié)能環(huán)保［M］，北京：中國電力出版社.2003

［2］尉遲斌 主編 實(shí)用制冷與空調(diào)工程手冊(cè)［M］，2003年

［3］胡興邦、朱華、葉水泵、馮踏君 儲(chǔ)冷空調(diào)系統(tǒng)原理、工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社1997年

［4］劉軍，單片機(jī)原理與接口技術(shù)［M］，華東理工大學(xué)出版社，2006

［5］賴壽宏，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］，機(jī)械工業(yè)出版社，2009

［6］趙榮義，簡明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］，北京：中國建筑工業(yè)出版社 2003

［7］何青，中央空調(diào)常用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005