基于BACnet 的制冷站冷卻塔智能化控制改進研究

孟慶華，田立鵬，褚學國，楊陽，張帥帥

（山東中煙工業有限責任公司青州卷煙廠，山東 濰坊 262500）

青州卷煙廠能源動力處制冷站內3 臺制冷機均為離心式冷水機組，由離心式壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流閥、主電動機等組成。制冷劑在蒸發器中蒸發，吸收熱量，產生符合工藝指標的冷凍水供生產使用；吸收了大量熱量的制冷劑被離心式壓縮機提升壓力后沸點升高，在冷凝器中液化將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水流經冷卻塔實現自身降溫。所以冷卻塔為制冷機在運行過程中提供唯一冷熱交換的冷源。

1 現狀

制冷機正常運行時，要求制冷機冷卻水出水溫度≤38℃?，F為人工根據制冷機主電機負載情況以及憑經驗手動啟停冷卻塔風機。以往經驗根據當天氣溫情況，觀察冷卻水出水溫度：低于30℃時，不開啟；30~32℃時，開啟3~6 臺；33~35℃時，開啟6~9 臺；超過35℃時，開啟9~12 臺；但開啟臺數無法精確預判，且水溫趨勢變化無法確定，一方面制冷機負荷容易過大，造成能源浪費，另一方面對制冷機的運行工況和制冷效率也有很大影響。

2 關鍵技術及技術路線

根據以往操作經驗，確定合理的冷卻水出水溫度設定值。根據現有冷卻塔配電盤，進行分析和改進畫出流程控制圖，并編寫自動化運行程序，將冷卻水溫預設值和偏差與實際值比較，使12 臺冷卻塔根據控制邏輯實現自動啟停，并將控制過程進行優化分組設計。BACnet 協議包含4個層次的簡化分層體系結構，協議定義了4 種服務原語：請求（request）、指示（indication）、響應（response）和證實（confirm）。Niagara 是一個基于Java 的基礎架構和基本框架，可將混雜的多種系統、協議、現場總線集成在一起并提供高度分布式、嵌入式的系統。利用BACnet 協議和Niagara workbench 平臺實現數據傳輸和邏輯控制及可視化界面，通過通信協議將冷卻塔的運行狀態、啟停狀態、電流值等數據上傳至能源管控中心。

3 項目實施

3.1 現場改造

12 臺冷卻塔全部為工頻模式運行，設計控制器輸出24V 信號到繼電器，繼電器動作，接觸器吸合，電機運行，實現控制器啟停冷卻塔。將信號線分別接入12 臺冷卻塔的熱繼電器，另一端連接繼電器輸出開關量狀態信號到控制器，實現冷卻塔運行狀態檢測。主控制器用Vykon IOS24P-Lab，2個擴展模塊用Vykon IO22D；1 臺冷卻塔包4 組變量，分別為：啟?？刂?、運行狀態、手自動狀態、故障報警。將2 臺冷卻塔組成1 組，減少數字量輸出控制點位和狀態檢測點位，可以減少擴展模塊的使用以節省經費。主控制器與擴展模塊之間應用BACnet 通訊，主控制器與能源控制中心NCU 網絡控制器之間為TCP/IP 協議。并且，現場控制器DDC31 可以與我廠空調機組K4 的現場控制器DDC01 合用一路光纖傳輸至能源控制中心，無需另外布線，節約成本。如圖1 所示。

圖1 制冷站現場直接數字控制器與其他空調機組控制器圖

3.2 基本邏輯實現

根據冷卻水進水溫度實際值、冷卻水進水溫度預設值及偏差3個關鍵變量確定冷卻塔開啟數量；設定冷卻水水溫變化保持時間來完善冷卻塔加減機過程控制，設定冷卻塔加減機間隔時間保證開啟精度，從而整體實現冷卻水水溫過程控制。溫度預設值s2，溫度偏差設定值為N，當冷凝器出水溫度大于s2+N 度時啟動一組冷卻塔風機，大于s2+2N 時開啟2 組冷卻塔風機，以此類推。邏輯圖如圖2 所示。

圖2 冷卻塔自控邏輯及加減機邏輯圖

邏輯公式：最終開啟臺數X=|進水溫度s1-預設溫度s2|/偏差N。

加機過程：X ≥1 時，啟動1 組；X ≥2 時，啟動2 組；以此類推……X ≥6，全部啟動。

減機過程：5 ≤X ≤6，開啟5 組；4 ≤X ≤5，開啟4 組；以此類推……X ≤1，全部停止。

同時，在冷卻塔自動控制邏輯里增加加減機的保持時間Y 變量和加減機間隔時間Z 變量。只有當加減機保持時間Y 和加減機間隔時間Z 2個條件都滿足時，才會加減1 組冷卻塔風機，只有一個條件滿足時不會加減冷卻塔風機。Y 變量和Z 變量參與邏輯控制全過程并且會影響最終加減機的數量。當第一臺冷卻塔開啟后，即使溫度達到了加第二臺的溫度，也需要間隔此設定時間Z 再開第二臺，當需要關掉1 臺冷卻塔時，也需要間隔此設定時間Z 后才會關閉。在控制邏輯中設定加減機保持時間Y 變量和加減機間隔時間Z 變量可以有效防止因溫度變化過快導致冷卻塔頻繁啟停問題的出現，從而有效保證了設備的使用周期及運行穩定性。

加機舉例說明：冷卻水預設溫度s2 為29℃，偏差N 設定值為1℃，加減機保持時間Y 設定為3min，加減機間隔時間Z 設定為1min，冷卻塔開啟1 臺。冷卻水進水溫度s1 上升達到30℃時，需要保持3min 內一直高于30℃，才會開啟第二臺冷卻塔。當開啟第二臺冷卻塔時，進水溫度s1 升高至31℃，由于加減機間隔時間Z 為1min，則需要等待1min 后再開啟第三臺冷卻塔。

減機舉例說明：冷卻水預設溫度s2 為29℃，偏差N設定值為1℃，加減機保持時間設定Y 為3min，加減機間隔時間Z 設定為1min?，F冷卻水進水溫度s1 為33℃，冷卻塔開啟4 臺。當冷卻水進水溫度s1 開始下降小于32℃時，此狀態需要保持3min，才會停止其中一臺。當停止1 臺冷卻塔時，進水溫度降低至31℃，由于加減機間隔時間Z 為1min，則需要等待1min 后再停止第二臺冷卻塔。

3.3 程序實現

3.3.1 自控程序實現

Niagara 采用一種以面向組件開發為中心的結構，在workbench 中可以用組件組裝需要的應用邏輯。在Niagara workbench 中設定冷卻塔的6個點位：手動模式、自動模式、啟動、停止、報警、運行狀態指示；同時對制冷機點位、冷卻水泵點位、冷媒水泵點位、集水器及管道壓力流量裝置和制冷機的變量進行采集和設定。設定冷卻塔啟動前強制監測變量，冷卻水泵運行狀態及冷卻水管道壓力，避免冷卻塔無意義自啟；冷卻水水溫≤16℃時，冷卻塔必須全關；冷卻水水溫≥40℃時，冷卻塔必須全開。當冷卻回水溫度高于全開溫度時冷卻塔全部打開，水溫降低后再按照溫度自動加減。當冷卻回水溫度低于全關溫度時冷卻塔全停，當溫度上升時再按照溫度自動加減。進水溫度設定值和偏差值根據需要設定，全關溫度設定小于進水溫度設定值。

在主控制器Vykon IOS24P-Lab 中設置服務處理主要單元站點（station），建立守護進程（daemon）管理運行平臺的各種配置，設置Platform 的 TCP/IP，其中WebService 組件負責在 Station 運行中提供 HTTP和 HTTPS 服務。在用戶服務中定義BACnet 驅動程序，驅動程序的服務器端功能通過使用導出描述符來將Niagara 對象映射為BACnet 對象來實現。在站點中channel 里通過模塊（module）部署baja 里的組件編寫冷卻塔自動控制程序，如圖3 所示。

圖3 冷卻塔自控在niagara workbench 中程序實現圖

3.3.2 冷卻塔運行時間計數及選擇性啟停程序實現

在控制程序中運用Niagara 基本定時器框架，使用Clock 類下的schedulePeriodically 函數建立，回調Action 類的接口。對12 臺冷卻塔運行時間進行記錄，主控制程序優先選擇運行時間短的冷卻塔啟動。冷卻塔風機的啟停順序通過記錄每組冷卻塔的運行時間進行比較，首先啟動運行時間最短的一組冷卻塔，加機時從運行時間短的開始加起，減機時從運行時間長的開始減起。通過長時間運行，保障每組冷卻塔風機運行時間相當，不會出現過多偏差。如圖4 所示。

圖4 冷卻塔運行時間記錄及比較程序圖

3.3.3 冷卻塔故障報警程序實現

控制邏輯選擇啟動一組風機，如果此組2個風機在2min 內沒有運行狀態，則認為此組冷卻塔有故障，在界面顯示故障圖標，然后啟動下一組冷卻塔。當程序沒有啟動某組風機的命令下發時，不檢測此組冷卻塔風機狀態，不判斷風機是否故障。當一個風機報未啟動故障后，如果過后能啟動、有運行狀態，故障報警將自動消除。當冷卻塔風機有故障報警（接觸器報警）或者給啟動命令后冷卻塔沒有啟動會顯示冷卻塔未啟動故障，在下次自動控制停止再啟動前不會再選擇這一組冷卻塔。

3.4 自控程序界面實現

利用Niagara workbench 平臺自帶的GX 圖形工具包，模塊定義用于渲染到顯示設備的圖形基元。GX API 使用基于x 和y 的向量坐標系表示雙精度并形成用戶空間。用bajaui 模塊中的Widget 工具包構建人機界面，將制冷機、水泵及冷卻塔的各種變量與設定圖形點位進行數據綁定，在能源控制中心已有的空調操作系統上重新設計制冷站界面，方便查看各項工藝參數及手自動操作。如圖5 所示。

圖5 冷卻塔及制冷機界面圖

4 結語

此次改進實現了空調系統和制冷自控系統的集成，一方面實現了冷卻塔根據制冷機運行的自動控制；另一方面還方便了空調操作人員觀察制冷機的各項數據及冷媒水冷卻水出水口溫度，防止異常情況的發生。只需設置3個參數即可科學高效的保證冷卻水溫度控制在工藝指標之內，極大減少人力資源的浪費，避免操作不合理性。冷卻塔自控系統完全不需要人為干預，只需定期巡檢時觀察開關狀態和運行電流值即可。每臺冷卻塔可以設置手/自動模式，來確認是否參與到自控系統中去，以適應多種條件多種工況的運行。

冷卻塔自控改造完畢后經2020 年夏季為期5個月試運行，崗位人員定期查看并記錄制冷機運行數據。分析數據得出，冷卻水進水口溫度基本可以保持在設定值附近，主電機負載無巨大波動及過載現象。12 臺冷卻塔運行時長基本一致，制冷機及冷卻塔設備運行效率提升。系統投入運行后，冷卻水溫調控過程花費時間由原來的的57.5min 減少到12.7min，減幅為77.9%，水溫調控效率提升364.7%。原冷卻塔維保后設備運行時長為90 天，自控系統應用后設備運行周期變為150 天，冷卻塔工作運行效率提升66.7%，每年減少一次集中維保。3#制冷機電機功率708kW，制冷量1300 冷噸，1#、2#制冷機電機功率433kW，制冷量650 冷噸，全年日平均運行功率618.4kW。制冷機日均負荷量由88.4%降為72.1%。

3 臺制冷機運行用電同比2018 年和2019 年減少357419 kW·h 和368335kW·h，同時減少運行期間不合理的保養及檢修。