自动控制系统在建筑工程中的应用和实践

刘春雷，刘剑

（1.沈阳建筑大学信息与控制工程学院，辽宁 沈阳 110043；2.中国民用航空东北地区空中交通管理局，辽宁 沈阳 110011）

1 引言

在我国建筑业大力兴建的环境下，自动控制系统的市场需求随之越来越大，而且吸引国内外楼宇自动化系统厂商不断的提升计算机控制管理的软件，强调人性化使用接口，有条不紊地使建筑物机电与消防，空调，锅炉，电梯等各种系统结合，达到更舒适的工作环境，不但能节省能源，也节省了维护管理的工作量和运行费用。与此同时，许多较早的建筑也将进行更新改造，引进先进的自控系统已达到数字化、及节能等要求，下面以空调为例，对自控的实现进行解析。

2 系统概况

对两个空调机房进行节能改造，在现有空调控制柜附近重新安装一台风机智能节电柜，同时在空调机组的回风口加装温度传感器，供水系统加装温差控制装置，并在总装车间合适位置加装空气质量传感器。传感器信号经PLC 处理，通过变频器控制调整风机风速。每个车间设置一个集中控制柜，监控每台风机运行状态，并控制风机停止。

3 系统方案论证

变频器可以从四个方面节电。第一，软启动。一般交流电机的启动电流为电机额定电流的6-7 倍。变频调速后启动电流不超过电机的额定电流。第二，节省设计冗余。一般设计都按照使用时的极端条件，因而都留有设计冗余，有的冗余量很大，形成大马拉小车，变频调速可以把冗余节省下来。第三，是调速节电。按流体力学原理，轴功率正比速度的立方，转速下降，轴功率变小。这是变频调速的主要节电原理。第四，系统功率因数高。一般在0.95 以上，节省无功，减轻了变压器的负担。

风机在工作过程中的基本参数

风量Q表示单位时间内流过风机的空气体积其单位为m3/sm3/min或m3/h

风压H表示当空气流过风机时，风机给予空气的总压力它是由静风压Hs和动风压Hd组成其单位为Pa或Mpa总压力的公式为H=Hs+Hd

轴功率Ps 为风机工作时有效的总功率其单位为kw 计算公式Ps=QH/1000 如果风机的风压是以有效静风压Hs表示时则轴功率为Ps=QHs/1000

效率D

风机轴上的功率因有部分损失而不能全部传递给空气，它是评价风机工作优劣的主要指标之一

电动机功率Pm=QH/(1000∗C∗D)，其中C为传动机构的效率直接传动时C=1.0

总效率=C∗D

风机的工作特性

风机的工作特性可以由H-Q曲线来表述，H-Q曲线是表示转速恒定时风压H与风量Q之间的特性关系如图所示

图1 关系图

图中A点为风机的运行工作点Ha和Qa分别为在A点运行时的风压和风量

风机调速节能的原理

与传统的采用调节风门的方式调节风量相比，调节转速来控制风量的方法有着明显的节能效果。

其原理可由下图来说明

图2 原理图

(Ps-Q)特性曲线曲线3为管网的风阻特性(风门全开)

图中曲线1为风机在恒速n1下的风压-风量(H-Q)特性曲线，曲线2为恒速n2下的功率-风量(Ps-Q)特性曲线曲线3为管网的风阻特性(风门全开)。

假设风机在设计时工作在A点效率最高，此时输出风量Q为100%轴功率为Ps1与Q1和H1的乘积成正比，即Ps1与A-H1-O-Q1-A所包围的面积成正比。

当需要调节风量时，例如所需风量从100%减小到额定风量的50%，即从Q1 减少到Q2 时，如果采用调节风门的方法来调节风量使管网的风阻曲线由曲线3变为曲线4，

即减少风门开度增加了管网阻力，此时系统的工作点由原来的A 点移至B 点，可以看出，风量虽然降低了但风压增加了，轴功率 Ps2与B-H2-O-Q2-B成正比，它与Ps1相比减少不多。

如果采用调节转速来调节风量的方法，风机转速由原来的n1 降到n2，根据风机参数的比例定律，可以画出在恒速n2下的风压-风量(H-Q)特性曲线5风机工作在C点。

由图可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压将大幅度降低到H3，轴功率Ps2也明显降低，所节约的功率与面积A-H1-O-Q1-A和C-H3-O-Q2-C之差成正比，由此可见用调速的方法来减少风量的经济效益是十分显著的。

由流体力学可知风量Q 与转速n 的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的立方成正比，即：Q∞n，H∞n2，Ps∞n3

当所需要的风量减少，风机转速降低时，其轴功率按转速的三次方下降。如所需风量为额定风量80%，则转速也下降为额定转速80%，那么风机的轴功率将下降为额定功率的51.2%，当所需要风量为额定风量的50%时，风机的轴功率将下降为其额定功率的12.5%，当然转速降低时效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。

4 系统总体方案

4.1 总体方案：

图3 方案图

空调节能监控系统采集数据的模式，是建立在专用数据网上，通过网络实现PLC集中控制柜与风机智能控制柜的通讯、现场厂站相关设备及其它监控点的远程站系统（PLC）远程连接，建立统一的数据采集及集中监控，完成空调节能监控的遥控、遥测、遥信、遥脉功能。

风机智能节电柜，通过PLC对现场设备运行参数的采集，如温度、空气质量、开关状态，经过变频器的控制，完成对每台风机的实时控制和各种记录，温差控制器来完成供水系统阀门的开度，并将数据送给HMI触摸屏实时监控。

该系统有手动与自动两种运行方式，手动方式时，可以通过本地控制柜上的启动和停止按钮控制风机运行。自动方式时通过集中控制柜上的触摸屏自动控制。

在没有变频器的情况下，风机只能以最大转速运行。所以在对风量需求不大的情况下是对能源的一种浪费，本系统计方案是通过二种PID 调节实现空调节能改造。

由温度传感器、温差控制装置组成的温差闭环控制供水系统的电动调节阀的开度，实现供水系统流量的PID调节。

温差控制器通过供水系统安装的进水与回水温度传感器获得进水温度与回水温度，二者进行比较，并计算出温差值；然后根据温差值来控制供水系统的电动阀门的开启度，调节供水的流量，控制热交换的速度。温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高高温水流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，系统负荷小，可降低高温水流量，降低热交换的速度以节约电能。

由回风温度传感器+空气质量传感器+室内外温度+PLC+变频器+风机组成，通过变频器控制风机转速，实现空调系统风量的PID调节。

温度传感器将采集到的温度信号转化为模拟量信号输出至PLC，PLC 根据给定的温度设定值与温度实测值进行比较运算，将最终运算结果转化为模拟量输出给风机变频器，通过变频器调节风机电机的供电电压及频率，即改变风机转速、动态调节风量，从而实现对空调的节能。

空气质量传感器可以采集室内温度及其有毒气体、粉尘等含量。空气质量传感器把空气当中的气体分成不同的报警级别进行检测，当空气质量没有达到标准时会对PLC 输出一路信号，开启空气循环系统，PLC对空气质量传感器发出的信号等级对变频器进行调节，从而实现对空调的节能。

室内外温差控制，首设定好室内温度，如果非采暖期，室内温度高于室外温度，启动风机延时运行空气循环系统，为厂房内降温和换新风；如果采暖期间，室外温度高于设定温度，关闭电动调节阀，利用室外空气为厂房内提升温度和替换新风。

4.2 系统主要功能：

数据采集和处理；

工艺流程的动态显示；

报警显示及事件的查询。发生设备异常时、测量值的上下限发生越限时，显示与监视画面不同的警报一览并用颜色区分开，配带名称、标签、发生时间及恢复时间。现有的异常与此异常监视人员是否确认完成。实时数据的采集、归档、管理以及趋势图显示；

实时趋势图显示；

监控系统画面，动态分析；在监控画面中显示各设备的运转/停止/异常状态（颜色变化）、测量值、计量值；

下达操作命令；

安全保护，事故处理；

自控设备、仪表的故障诊断和分析；

为其他系统提供数据接口；

5 结论

改造完成后，节电指标达到30%以上。自动控制系统在建筑工程中的应用有效的节约了能源、人力资源等，对于提高工作效率，数字化管理起到了积极的作用。

［1］曾德胜，制冷空调系统的安全运行、维护管理及节能环保［M］，北京：中国电力出版社.2003

［2］尉迟斌 主编 实用制冷与空调工程手册［M］，2003年

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