太阳城BAS冷源群控方案
1群控介绍
作为一栋现代化建筑物，致力于创造一个高效节能、绿色环保、舒适、高性能价格比、温馨而安全的环境。广晟国际大厦项目对建筑物机电设备节能方面有很高的要求，建筑物分布着冷水机、电梯、高低压变配电柜、大量的空调风柜、给排水泵等机电设备，这种情况下，建筑物的所有机电设备如何进行统一管理，如何节能控制，如何收集报表进行数据分析，就显得尤为重要,该项目节能系统的关键。
2.1群控围
针对太阳城项目，主要冷源群控方案主要包括以下几个方面：
（1）监控的设备编号及点表
（2）冷源群控系统监控原理
（3）冷源群控系统整体节能控制
（4）冷源群控系统主要算法
（5）冷源群控系统功能
2冷源群控系统监控原理
太阳城项目项目采用了冷冻水泵变频、冷却水泵，如何保证各设备稳定协调
运行并做到节能控制是本系统节能管理的关键。
2.1 冷源群控功能
1）节能
-控制器实时检测系统的负荷情况，根据负荷大小和累计运行时间法，启停相应的冷水机组和相关设备，使冷水机组制冷能力和系统实际负荷匹配，冷源系统群控避免多开机，降低运行费用。
-根据系统负荷对冷却泵、冷冻泵变频及台数控制，节约能源。
-根据冷却水温度启停冷却塔风机台数。
-根据系统运行情况，对冷水机组出水温度设定，降低运行费用。
2）控制
-设备顺序启停并有连锁保护。
-根据实际需求设定冷却水回水温度。
-根据末端压差值、温度与压差设定值的比较，自动调整水泵频率与支管阀门的开度来控制每个支管的流量。
3）管理
-实现自动化控制，减少操作失误。
-延长机组寿命，提高设备利用率。
-降低操作人员劳动强度。
-实现计算机集中监控（在冷水机组机房可以独立监控），提高管理效率及反应速度。
2.2 冷源群控监控原理说明
本设计从冷站整体效率出发的控制策略，即当冷站系统中所需控制的目标有多个时，协调各自之间的逻辑关系，协调冷机控制、冷冻水泵控制、冷却水泵控制、冷却塔控制甚至是末端调节之间的关系。
本章节以地下一层机组群控系统作为依据叙述相关控制原理，其它系统与之类似。
2.2.1 冷水机组控制
冷水机组是整个中央空调系统的心脏，自控节能控制系统以冷水机组为中心，着眼于整个空调系统，根据冷水机组的运行可靠性要求，自动控制辅助设备，主要包括冷冻水泵，冷却塔风机，风柜风机的功率消耗。我们在谈具体的节能控制策略前，必须先了解冷水机组的运行特性曲线。任何不顾及冷水机组本身运行特性而进行的控制都是后患无穷的，引起冷水机组喘振、结冰等是目前一些控制系统造成的常见问题。
由于太阳城项目将采取一次泵变频控制方式，故对冷水机组要强制明确的。
针对冷水机组的选择：
1、蒸发器最小流量限制
冷水机组蒸发器最小水流量限值能否小于冷冻机设计流量值的50%。
2、流量变化率限制
冷水机组蒸发器每分钟流量能否达到50% 。
3、蒸发器额定水阻力限制
冷水机组蒸发器额定水阻力尽可能保持在相等的水平。
4、COP波动
变流量的围，冷水机组COP波动不大。
从以上要求可以看出：控制系统如何和冷水主机通讯是控制系统稳定运行的关键。
另外从太阳城项目设计分析：冷水机组能耗占整个机房系统60％左右比例，故如何利用好冷水机组是是否节能的关键。
1)开机控制
系统采集冷水主机各设备，如手自动状态、有无故障状态、水流开关等系统能开机数，并以时间、主机大小排序主机系统。开机子程序收到开机指令后，进入开机步骤。开启主机各蝶阀，启动冷却泵、冷冻泵，投入冷却塔，最后开主机。系统当收到个蝶阀、泵故障就关闭相关启动的设备，进入启动备用主机系统。
系统根据室外温湿度、数据库中的历史时间负荷表、现场负荷需求区域要求
等预测需要开启的台数，同时根据输入的水温设定值判断是冬天还是夏天。夏天就按减机模式运行（开机时以最大计算负荷启机，再根据负荷逐渐减机）。冬天就按加机模式运行（开机时单台运行，再根据负荷逐减加机）；冬季夏季定义由室外环境（室外温湿度）决定。
2）停机控制
关机子程序分紧急关闭和正常关闭。紧急关闭流程为同时关闭主机、水泵、冷却塔再关闭蝶阀。正常关闭流程先是主机，接着冷却泵、冷却塔、冷却蝶阀，再根据冷冻水温度延时关闭冷冻泵和冷冻蝶阀。关闭主机一台后延时60秒再关闭下台主机，关闭步骤同上。
3）加减机控制
通过主机电流百分比计算主机负载情况，举例：主机加减运行是根据主机的电流百分比，为主要冷负荷参数进行加减主机，主机电流百分比是冷水机组里的参数，它直接反映了系统的负荷大小。当运行中的主机电流百分比在30分钟都大于95%时，程序根据冷水系统的负荷需求启动累计运行时间最短的主机系统。当电流百分比在30分钟都小于60%时，则关闭累计运行时间最长的主机系统。
为什么采用电流百分比作为加减机控制依据，而不采用负荷计算作为加减机控制依据。因为设计时冷水机组提供的仅仅是标准工况的制冷量，并不适合各地的环境环境，也就是说一台1000TR的冷水机组，在某种场合可能冲到1100TR。所以只有电流百分比才能正确反映一台冷水机组的运行情况。
举例：太阳城地下一层有700TR冷水机组2台，300TR冷水机组2台，若按现场负荷计算所得现在需要750TR冷量，那么按照传统方式需要开启1台700TR 和1台300TR的冷水机组。而按照电流百分比可以准确反映出700TR冷水机组在此刻工况下是否只需运行700TR冷水机组。
4)流量允许控制
不同的冷水机组配置，允许的冷冻水流量变化围不同，一次冷冻水泵允许的频率变化围不同，而且冷冻水流量改变过快，将引起冷水机组的运行工况变化过快，影响机组的运行安全性，引起整个系统运行波动或者频繁调节（尤其针对离心机组）。
冷水机组的安全可靠运行，须保证整个制冷系统具有合适的排气压力与进气
压力的压比和压差，在不同的运行外界环境条件下，不同的负荷需求情况下，冷水机组具有不同的最小水流量要求，这是冷水机组设计制造完成后所具有的固有特性。
故在每台冷水机组冷冻水进出口安装水管压力传感器，用于监测进出口的压差。保证冷水机组在流量允许的围运行。
5）通讯接口
为了获取电流百分比等冷水机组的实际数据，需要冷水机组提供接口提供给控制系统数据。
冷水机组提供给BAS系统的参数包括但不局限于以下容：
冷水主机电机参数，包括：电压、电流、输入/输出功率、有功电度、累计使用时间；
压缩机参数，包括：导叶开度、扩压器开度、膨胀阀开度、油箱油温、油压等主机控制数据；
冷凝器参数，包括：冷凝压力、冷凝液温度、冷却水入口温度、冷却水出口温度、冷却水温度差、冷却水进水压力、冷却水出水压力等；
蒸发器参数，包括：蒸发压力、蒸发温度、冷水入口温度、冷水出口温度、冷水温度差、冷水进水压力、冷水出水压力等。
4.2.2冷冻水泵控制
1）启停泵控制
系统采集冷冻水泵各状态如手自动状态、有无故障状态等系统能启泵数，并以时间排序主机系统。停泵子程序分紧急关闭和正常关闭。紧急关闭流程为同时关闭主机、水泵、冷却塔再关闭蝶阀。正常关闭流程先是主机，接着冷却泵、冷却塔、冷却蝶阀，再根据冷冻水温度关闭冷冻泵和冷冻蝶阀。
2）变频及加减泵控制
冷冻水泵为变频泵，冷冻水泵控制采用定压差控制同步变频法,在末端管路不利位置设置压差测点。冷冻水泵的频率由一个压差调节PID回路来控制，读取多个压差测点，低选其输出作为PID回路的PV值，目的保证系统中最不利环节
的流量需求。比较PV与PID回路的压差设定点SP值，当PV
3）变频预测控制
系统全面监测了现场空调机组风柜的运行状况和冷水机组的运行状态参数，根据现场负荷的变化趋势（比如空调机组末端阀门的开度综合情况、回水温度变化的幅度。室外环境的变化等），预测一次冷冻水泵须调频的围，快速调节系统的运行状态，使整个系统尽可能达到稳定运行状态，避免系统的波动过大和频繁调节，提高系统调试的可靠性和准确性。
比如此时现场10台空调机组在运行，10分钟后变成12台空调机组在运行。那么冷冻水泵将根据算法粗调频率，再根据不利点压差进行细调。
4）允许变频围控制
变频围控制除了保证变频器在允许围变频之外，还需充分考虑冷水机组允许的流量变化围。
5）支管电动阀调节控制
每个支管都应计算，单个支管的温度流量和压力参数，用温度流量开控制支管阀门的开度，用压力来保证支管在最小压力下运行。
4.2.3冷却水泵控制
1）启停泵控制
系统采集冷却水泵各状态如手自动状态、有无故障状态等系统能启泵数，并以时间排序主机系统。停泵子程序分紧急关闭和正常关闭。紧急关闭流程为同时关闭主机、水泵、冷却塔再关闭蝶阀。正常关闭流程先是主机，接着冷却泵、冷却塔、冷却蝶阀，再根据冷冻水温度关闭冷冻泵和冷冻蝶阀。
4.2.5其它常规控制
1)开/关机顺序控制
冷源设备的开机顺序：冷却水泵→冷冻水泵→冷却塔→冷水机组；冷源设备的关机顺序：冷水机组→冷却水泵→冷却塔→冷冻水泵。
2）连锁控制
系统通过硬件节点保证上述的开/关机顺序正确执行，同时软件上也做连锁控制。
3）时间优先控制
系统对设备的运行时间有记录和积算功能，启动设备时为确保设备平均使用,系统判断使用时间数较低之设备会优先使用,防止固定使用同一台设备,使设备使用寿命短,相反若是停机时也会优先关闭使用时数较高之设备，所有具备备用功能的设备都需要考虑。
举例：若此时有两台水泵在待用状态，其中一台使用时间为200小时，另外一台使用时间为220小时，那么若需要增加水泵，先启动时间短的水泵（前提是此台水泵不是在手动或有故障的状况下）。而经过25小时的运行后，这台水泵已经超过另外一台水泵的运行时间，此时不会停止目前运行的水泵，系统将按照预设程序比如一周时间再做切换控制。
4）故障和报警处理
阀门的故障
设备能代替的场合,则发出警告信息，同时自动转移到能代替的机器 (如冷水机组、冷却塔) 。设备不存在代替的场合，则发出警告信息停机。
泵的故障
冷冻水泵和冷却水泵：存在备用水泵，则使用备用水泵，不存在备用水泵，则启动备用冷水机组回路。
冷水机组的故障
运转当中的冷水机组发生故障而停机的场合, 使下位备用的启动优先度高的冷水机组自动启动。
故障警报
若一套设备在启动／运行中，某一设备在系统发生开启信号后，无法在一定时间反馈正确运行状态，系统将产生该设备开启失败警报，并同时反向关闭该套设备，并且改为手动状态。
若一套设备在关闭中，某一设备在系统发出关闭信号后，无法在一定时间反应正确停止状态，系统将产生该设备关闭失败警报，停止关闭该套设备中的后续设备。
水泵备用控制
某一冷却水泵或一级冷水水泵因故障无法使用、导致与之相关的整套设备无法使用，则发出警报，下次启动时自动地切换为备用的泵启动。
5冷源群控系统整体节能控制
在以上节中描述了冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等主要设备的监控原理。按照以上所有设备的控制都是孤立的各个“局部效率”的控制。
如何协调各自之间的逻辑关系，如何协调冷机控制、冷冻水泵控制、冷却水泵控制、冷却塔控制甚至是末端调节之间的关系，因此需以冷站整体效率（Chiller Plant Efficiency ）为目标来制定控制策略。
Chiller Plant Efficiency 的定义为：
cooling Chiller Chilledpump Coolingpump CoolingTower Q ChillerPlantEfficiency W W W W =
+++
其中，Qcooling 为系统的制冷量，Wchiller 为冷机耗电量，WChilledpump 为冷冻水泵的耗电量，WCoolingpump 为冷却水泵的耗电量，WCoolingTower 为冷却塔的耗电量。
5.1 整体节能控制策略
冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔是一个整体的系统，任何一部分的工作状态变化都会影响到其他设备的效率。比如冷冻水泵的频率变化将影响到冷水机组的水流量，从而影响到冷水机组的运行效率变化。下图表给了某720TR 冷水机组在不同冷却水温度下的制冷量：
冷水机组的制冷量与冷却水温度的关系曲线
冷却水温度（C）
从图上看出，随着温度的冷却水温度的下降，冷水机组的制冷量是可以变化的。
所以要看一个机房控制系统是否节能，要从整体的角度去分析。而这个整体就是系统的能耗比（机房效率）。
模糊节能控制策略根据冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的性能曲线，自行调整控制参数，寻找在各种工况下的最优点。
具体可参阅第七章节的案例数据分析。
5.2 自适应PID控制
针对系统中的各PID控制环节，系统都采用自适应PID控制方式，以减少调整时间及精度，保证系统的稳定及细节方面的节能，下面两图体现了自适应PID 控制比常规PID控制的优势：
常规PID控制器自适应PID控制
广晟大厦共有8个冷冻水系统，其中G1、G2、G5、G6为大厦的1~26层低区部分；G3、G4、G7、G8为大厦的高区部分。其中低区供冷主机共有4台，其中有3台700冷吨的大机，4台变频冷冻泵（G=430CMH，N=55KW，H=32M），三用一备，4台变频冷却泵（G=510CMH，N=55KW，H=28M），三用一备；一台300冷吨的小机，2台变频冷冻泵G=195CMH，N=30KW，H=32M），一用一备，2台变频冷却泵（G=235CMH，N=30KW，H=28M），一用一备；共有冷却塔3台（G=640CMH，N=22KWX3，T=28°C），1台（G=300CMH，N=11KW，T=28°C）。高区供冷主共有5台，其中有5台400冷吨的大机，6台变频冷冻泵（G=260CMH，N=37KW，H=32M），五用一备，6台变频冷却泵（G=310CMH，N=37KW，H=28M），五用备， 5台冷却塔（G=400CMH，N=11KWX3，T=28°C）。
6.1系统启动过程
系统启动时，系统先计算每个冷冻水系统的设计负荷，当系统收到任何一个冷冻水系统（G1-G8）的使用请求时（该请求由BAS通过检测风柜末端设备的运行情况提给群控子系统），根据使用的冷冷吨水系统负荷情况，选择与之负荷相近及优先启动运转时数短的制冷机机组，进而调用主机启动子程序。主程序察看子程序反馈信号，当反馈信号为‘主机启动失败’，就调用关机子程序，告警并结束；反馈信号为‘主机启动成功’，就进入变频泵运行子程序。主程序延时30秒察看子程序反馈泵‘有无启动成功’，如‘无’就调用关机子程序，告警并结束；‘启动成功’就时30分进入系统节能模块（主机加减机等模块）。到此系统启动完成。
6.2计算负荷启停冷水机组
根据冷冻水总管回水温度T回、冷冻水总管出水温度T出以及回水总管流量F（据现场情况，在集水器上的3个冷冻水回水总管上分别安装一个流量计，通过计算流量计测量值之和得到冷冻水回水的总流量），计算实际负荷Q=K*（T 回-T出*F。根据计算出来的负荷,首先启动相附冷量的一台冷水机组。第一台冷水机组运30分钟以后，再根据负荷计算，逐步启动相应的冷水机组，直到满足负荷要求。
7冷源群控系统功能
自控数据管理软件用于管理系统的数据收集和显示；还管理趋势数据、事件消息、管理员记录和系统设置数据的长期储存；为网络控制引擎和网络集成引擎所在的网络提供安全的通讯。
数据管理软件的用户界面具有灵活的系统浏览、用户图形、综合报警管理、趋势分析和总结报告功能。用户可以通过网络浏览器有效地管理舒适度和能源使用、对危急事件作出快速反应、并且使控制策略达到最佳。多用户可以访问设备监控系统的信息，该系统使用因特网协议和信息技术（IT）标准，并且与企业级别的通信网络兼容。
数据管理软件具有如下特点：
?支持IT标准和因特网技术
可以安装在楼宇或企业现有的IT设施上，与工业标准防火墙兼容。
?标准网络浏览器用户界面
从任何安装网络浏览器软件的电脑访问你的设备监控系统。
?安全的用户访问
鉴别用户及授权访问，保护系统安全。
?灵活的系统浏览和动态用户图形
允许不同用户订制系统显示，促进信息访问，便于系统操作。
?报警和事件管理
向楼宇操作者发送事件消息（包括打印、EMAIL、寻呼等方式）以便快速诊断和反应，建立审计跟踪供以后详细分析。
?站点管理员功能
协调多个网路设备信息的显示，便于整个站点的浏览。
?趋势数据长期存储
能够进行楼宇系统性能分析，识别提高效率和开发预定战略的机会。
7.1图形显示
软件用户界面具有高分辨率的彩色图像，允许操作者在建筑、楼层和区域间移动，观看建筑设备监控系统控制过程。图像显示给出了被监视系统的视觉显示，允许用户迅速检查状态并识别异常情况。这些图像也许包括动画效果，例如表现风扇和泵的状态的旋转符号，模拟计量表以及表示模拟点数值的条形符号。
彩色图形中的动态元素和符号进一步帮助操作者评价楼宇系统的情况。操作者发出命令来回应警报，并且恢复最佳运行，还可以更改显示在屏幕上的参数来持续改进楼宇设施的运行性能。
软件用户界面上的彩色显示在设计中采用因特网标准，例如用于显示图形元素和动态符号的可伸缩矢量图形（SVG），以及用来定义图像模仿能力的可扩展标记语言（XML）。另外，基于普通JPEG（联合图像专家组）格式的任何类型的图像都可以容易地集成为图形。这些标准的使用允许把用户屏幕设计成为网页，可以通过企业部网和因特网环境一致并透明地显示。
在图形中生成动态元素并将它们到数据点数据所使用的工具是数据管理服务器的组成部分。通过使用拖放、点击和下拉菜单可以使设置过程变得非常容易。
图1：图形显示
7.2管理警报和事件消息
一个有效的警报管理系统会区分信息显示的优先次序，以便操作者能够迅速有效地对楼宇中最危急的情况作出反应，而推迟对不那么重要的事件的注意。
软件用户界面有一个弹出式窗口，显示系统发现的最重要的警报信息。用户在这个窗口可以看到有关警报消息的所有重要数据。
为在整个系统围查看警报和事件，用户界面提供了一个事件观察程序，按时间顺序显示事件。这就允许操作者识别楼宇中最新的情况，确定事件之间可能存在的关系，并且找出错误源头的位置。事件观察程序还允许操作者确认并为现实的所有事件消息作出注释。
由网络控制引擎或网络集成引擎装置发现的所有事件消息被发送到数据管理服务器并在ODBC兼容数据库中归档。可以设置数据管理服务器将事件和交易消息发送到打印机、寻呼机、电子或其它数据管理服务器服务器。
为显示管理员记录，用户界面提供了审计观察程序。审计观察程序允许操作者建立一个过滤器，这样只有那些操作者特别感兴趣的消息才被显示出来。
图2：管理警报和事件消息
7.3趋势分析
为达到最佳性能并调节楼宇控制系统，当前和历史数据是非常有用的分析信息。软件用户界面具有综合趋势记录和趋势显示功能。
从现场点中收集趋势数据并暂时保存在网络控制引擎和网络集成引擎设备中。趋势数据可以自动并定期上载到数据管理服务器并在ODBC兼容数据库中存档。
用户可以查看并分析在软件用户界面中以图形或表格方式显示的趋势数据。趋势数值可以表现系统性能，用户可以识别提高效率的机会并开发预定的维护策略。
为在整个系统基础上进行运行性能的详细分析，用户可以建立一个趋势研究工具。来自多达八个现场点在选定时间段的数据可以表格或图形的形式在趋势分析工具的视图中显示出来。数据可以从数据管理服务器的档案中，或网络控制引擎或网络集成引擎设备的缓存区中获得。
趋势研究工具提供了一个分析比较目前和历史运行数据的强大管理工具。会帮助用户在出现以前识别潜在性的问题、诊断目前和过去的报警情况、使能源消耗达到最佳并且减少维护成本。
图3：趋势分析
7.4汇总和报告
汇总帮助操作者从一个系统或组的角度观察数据和情况。数据管理服务器具有在浏览树中显示任何设备的汇总数据的功能。
报告使得用户从简单的角度观察整个项目或楼宇选定区域目前的意外情况，并允许操作者确定值得注意的点的位置。操作者定义想要看到的报告，数据管理服务器在软件用户界面的报告观察程序中显示得到的数据。用户可以运行如下报告：
报警报告–处于报警状态的点
离线报告–没有反应的设备
禁用报告–被禁用的警报
超越报告–人工终止的点
报告将列出给定条件下的所有点：警报、离线、禁用或超越，它们位于浏览树的选定的区域或组。完成后的报告可以更新，确定报告运行后新情况的位置，在任何时候都可以取消进行中的报告查询。
图4：警报报告
7.5设置时间表
时间表功能允许用户定义设备运行的日期和时间，例如设备的启动和停止，
并改变设置点。用户可以为一周的一天或几天的活动、假日或特定的日历日安排时间表。
软件用户界面为每周时间表提供了图形显示，并为创建和编辑时间表提供日历。时间表实际上是在网络上的网络控制引擎或网络集成引擎里运行的，但是可以设置来向整个楼宇或站点的设备发送命令。
图5：时间表的设置
7.6系统安全
系统的扩展体系结构包含综合系统安全程序，防止对系统的无授权访问。系统安全通过要求输入用户名和密码来鉴别试图连入系统的用户。一旦发现了有授权效的用户，即可在访问授权的基础上访问系统，这是由系统管理员在用户中定义的。
访问授权是通过系统分类和动作设定来向个人用户和具有相同作用的团组用户分配的。系统分类定义了楼宇系统的种类并且指出用户在操作系统时可以进行访问。动作设定定义了授权操作的级别。用户也许会被授权仅仅察看一些项，或者也允许其确认报警并发出命令。在最高级别，用户被授权更改系统的参数设置。
在访问授权的基础上，用户可以通过数据管理服务器从任何网络浏览器上连接到系统。诸如报警确认、发放命令和点变更等用户活动均被记录在数据管理
服务器的审计跟踪程序中。
除了用户授权以外，应用包括防火墙程序和编码协议等标准IT安全技术来防止对你的设备监控系统和网络的无授权访问。
图6：系统安全性设置
7.7系统设置工具
数据管理服务器软件包包括系统设置工具（SCT）。SCT使得用户能够以离线模式完成系统编程过程，并仿真编程的控制逻辑。SCT提供了建立自动化系统所需的所有设置特性，包括：
定义所有的数据管理服务器、网络控制引擎和网络集成引擎工具
定义现场控制器
设置现场点和操作参数
建立浏览树型结构，包括用户浏览树
设置系统特性，例如用户图形、编程逻辑控制次序、报警、趋势和事件消息的发送方式
下载、上载及存档网络控制引擎和网络集成引擎工具设置数据库
SCT的用户界面与数据管理服务器的用户界面一样，具有相同的外观和感受。
图7：系统设置工具
7.8模拟值轮廓
模拟轮廓显示用来比较相似的有关模拟值，显示包括一层楼或建筑物的某一区域的温度。举个例子，如下图表，可以看出大厦空调系统某区域的设定温度与实际温度的偏离比较，以及风阀开度的百分比。从这些直观的图表中，操作者不仅可以知道现场控制设备的工作情况，而且能更好地分析任何一点温度变化的快慢。