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摘要：通过上海市某商务楼的设计实践，提出了合理的控制方案。通过本项目的实施证明采用该种控制方式后，不仅使控制更加合理，而且达到了很好的节能效果，供同行业设计人员进行相关电气设计时借鉴。
关键词： 定风量空调系统PI调节节能
中图分类号： TE08 文献标识码： A 文章编号：
Air Conditioning Auto control System and its Engineering Application
Chen Yan ping
CHINA IPPR INTERNATIONAL ENGINEERING CORPORATION
Abstract: Through the design practice of a Shanghai business building, The reasonable scheme is put forward. As the project putting into practice, the control manner is more reasonable than others, and it can achieve the best effect of energy saving. This thesis will provide the electrical design experiences for electrical designers.
Key words: CAV Air Conditioning System, PI Control, energy-saving
智能建筑中的空调系统概述
智能建筑的特点之一是设备资源共享，从而提高设备的利用效率，这一特点表现在空调系统上就是大型集中空调的使用。据统计，集中空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60％以上，所以寻求其合理的节能控制，使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，具有明显的经济和社会效益。
集中式空调系统有多种类型，而舒适度等各方面指标相对最好的全空气式空调系统在智能建筑中得到了最广泛的应用。在空调负荷发生变化时，一般可以通过两种途径来维持室内所需要的温度和湿度。一种是定风量空调系统；一种是变风量空调系统。定风量空调系统是固定送风量不变，而改变送风温度。我国目前的集中空调系统大多采用全空气式的定风量方式。
2. 定风量空调系统运行控制方式
定风量空调系统在单位时间内送风量是一定的，其大小不可调，该系统对于室温的控制是通过调节冷/热水盘管中冷/热水流量的大小来实现的。其运行控制方式主要有四种：连续运行控制方式、固定循环周期方式、可变循环周期方式和反馈开停控制方式。
连续运行控制方式是指制冷系统和送风机组在系统正常工作时采取不间断的连续运行方式。空调系统在运行中其实际负荷通常都小于额定负荷，这样使得制冷和送风机组采用连续运行方式时，会造成一定的能量浪费。而且系统的连续运行会使室内外的温差过大，这对人体的健康不利。在末端加再热装置，通过再热或混风可以加以改善，其缺点是能耗较大。但由于其控制简单、效果好，因此在一些实际负荷较大且接近额定负荷的情况下用得较多，这种方式也是目前在我国应用最为广泛的一种。
本文采用PI（比例、积分）控制算法实现了一种改进的连续运行控制方式，即：空调机组采用连续运行方式，但制冷机组的运行方式是据实际负荷来决定的。这种方式控制精度较高、灵活性较大，而且具有相当的节能效果。
3. 空调系统自控工程实例
3.1概况
上海市某商务楼地上18层，地下1层，面积约4万平方米，其中1～4层为裙楼，5楼以上为商务办公楼，地下一层为车库。设大型中央空调机组19台，其中1～4層及地下一层每层均采用一空调机组，5～18层每层均采用一新风机组，对机组的集中供冷、供热采用4台大型风冷热泵机组。除风冷冷凝器处于四层裙楼顶外，其余所有的机组均分布于大楼内各楼层空调机房。
其空调自控系统采用了CAN总线分布式控制网络技术，利用PI（比例、积分）调节进行了合理的控制，在满足预设空气指标的前提条件下，兼顾节能，并实现了空调自控系统管理的自动化，起到集中管理、分散控制的作用。
3.2控制原理
在空调系统中，调节对象的特点是延迟大，容量系数大，时间常数大，且有较大的自平衡能力。在定风量空调系统中，若空调室以温度为调节参数（恒温室），则可将该恒温室看作是一个简单而又具有一定自衡能力的单容对象，可用一阶惯性环节加纯滞后的典型特性来加以描述，其传递函数可表示为G(S)＝。其中K为对象静态放大系数，为对象纯滞后时间，T为对象时间常数。
空调对象的特性参数K、T、对空调系统的自动调节是十分重要的，他们是自控系统设计时重要的输入条件，但在空调系统自控设计之前难以准确获得这些数据，所以只能依照某些对象的实际经验数据进行调节方案和参数的合理选择。如对于一般有恒温、恒湿要求的舒适性空调室（办公楼、写字楼及商务楼等）均有＜0.2。
以具有一次回风的空调系统为例，采用PI进行恒室温调节，其系统调节框图如下图所示：
其中：――恒温室传递函数； ――冷/热盘管传递函数；
――感温元件传递函数； ――PI调节传递函数；
――阀门电动执行机构传递函数．
PI调节的比例系数和积分时间都具有一定的经验调节范围，如：为1.6～5.0，为2S～5S。在系统设计时可在经验范围内进行初选，其最终的最佳取值要在系统进行运行调试时确定。
3.3控制方案的实施
1）控制系统组网连接设计
本空调自控系统测控的点数多，且分散在楼宇的各个部分，所以采用了集中管理和分散控制相结合的CAN现场总线控制系统。该系统采用了二级网络结构：现场控制级和集中管理级。集中管理级的PC机对分布在楼内的机电设备进行集中监控、管理。大楼内的机电设备由分布在各楼层设备机房的智能控制器（DCU）进行现场分散控制，现场DCU之间的各种数据信息交换、DCU与集中管理级的各种数据信息交换均由CAN通讯网络系统完成。其控制网络结构示意图设计如下：
2）现场控制级
现场控制级由控制通信网和现场智能控制器组成。
控制通信网以CAN总线为基础来组建。其网络结构采取总线型，总线上数据通信速率为50Kbps。由于在此速率下，总线长度最长可达1300m，所以系统采用一条通信总线。现场智能控制器以差动并联方式连接到CAN总线上，并通过CAN总线与集中管理级以串行方式进行无主从点对点对等通信，通信介质选取价廉的Bdlden 8471双绞线。
控制系统在该CAN总线型通信网络的连接下有两种运行模式：
在监控主机的控制下自动运行，即联机网络运行模式；
各智能控制器作为一相对独立的前端区域控制子系统，根据预置参数自动运行，即单智能节点运行模式。但此时不能记录设备运行数据及历史运行状态。
可见，各智能控制器之间通过CAN网络直接通信，并且任何一个控制器出现故障，只影响其本身而不会危及整个系统。另外，监控主机的故障也不会影响到整个监控网络中各个节点的正常工作。
现场智能控制器
本CAN总线控制系统采用RH-2000系列现场智能控制器。它由若干不同智能模块拼装而成，实时采集现场数据信号和通过CAN总线接收上位机的各种控制命令及设定参数，并据预定程序负责处理，再根据处理结果实现预定的控制功能，其编程语言为RH-Basic。
本系统所用到的主要智能模块为： 四电机控制模块（MCA）；通用控制模块（GCA）四模拟输出阀门控制模块（VAA）；数字量输出模块（DOA）；通信模块（COM-CAN）； 温湿度测量模块（TIB）；主控模块（CAL）；键盘显示模块（KDHUBA）等。
根据系统的总控制点数选用模块54个，组成6个DCU，采用RH-Basic编程语言，分别编制下位机程序，通过PI控制方式，使空调机组、新风机组和冷/热源系统实现预定控制功能。
4）集中管理级
集中管理级实现与现场控制级交互数据，完成对现场控制级的集中管理与控制，并提供人机界面。
本控制系统集中管理级的软件体系是以硬件为基础，分为：CAN网络的組网配置软件RHSYS和提供良好人机界面的组态软件iDCS。
集中管理级的具体配置为：
PC机 2台（带串行口，带网卡）
PC-CAN适配器 1个
RHSYS软件1套
iDCS软件 2套
CAN网络的网络管理工具RHSYS实现对整个控制系统的配置和管理。它与下位机通讯，并与用户交互完成对下位机的设置，也可以在系统运行时从下位机取得数据，以分析系统的运行情况。利用RHSYS进行CAN网络的组网开发步骤为：
发起所有的DCU入网；
上载查看并修改所有DCU的数据；
按所控不同设备分别编制控制程序，调试成功后下传至各DCU的主控模块中。
在运行过程中，可依据设计权限进行在线修改或调整控制算法及控制参数。
组态软件iDCS是控制工程中与下位机或上位机之间通讯的上位机图形软件。进入iDCS应用程序的集成开发环境，据工程的具体要求进行二次开发，包括：系统组态、显示组态、控制组态、报表组态、通讯组态和报警组态，以实现对整个大楼的集中空调系统、中央冷/热源系统等各子系统进行信号采集、实时控制、历史记录、报表生成及打印和报警等。
本系统中，一台网管机和一台监控机（图形工作站）组成了现场控制级。网管机由装配了PC-CAN适配卡的高档商用PC机来组成。通过PC-CAN适配卡，网管机被连接到CAN总线上，它运行RHSYS和iDCS，在网络中处于Server的地位。监控机亦称图形工作站，仅运行iDCS，主要实现对系统运行的监视和查看作用。
4.小结
以室内温度为调节对象，利用比例、积分调节算法，并采用改进的连续运行控制方式，避免了当空调房间实际负荷低于最大负荷时，为了维持室温设计水平，通过再热或混合的方式来减小送风温差，从而造成的热量和冷量损失。可见，这种控制方式灵活性较大，且在满足空气预定温度指标的前提下，具有相当的节能效果。
参 考 文 献
钱以明．高层建筑空调与节能．上海：同济大学出版社，1990
胡寿松．自动控制原理．北京：国防工业出版社，2001
智能系统应用入门与调试指南． 清华同方股份有限公司，2003
关键词： 定风量空调系统PI调节节能
中图分类号： TE08 文献标识码： A 文章编号：
Air Conditioning Auto control System and its Engineering Application
Chen Yan ping
CHINA IPPR INTERNATIONAL ENGINEERING CORPORATION
Abstract: Through the design practice of a Shanghai business building, The reasonable scheme is put forward. As the project putting into practice, the control manner is more reasonable than others, and it can achieve the best effect of energy saving. This thesis will provide the electrical design experiences for electrical designers.
Key words: CAV Air Conditioning System, PI Control, energy-saving
智能建筑中的空调系统概述
智能建筑的特点之一是设备资源共享，从而提高设备的利用效率，这一特点表现在空调系统上就是大型集中空调的使用。据统计，集中空调系统的能耗通常占楼宇能耗的60％以上，所以寻求其合理的节能控制，使空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，具有明显的经济和社会效益。
集中式空调系统有多种类型，而舒适度等各方面指标相对最好的全空气式空调系统在智能建筑中得到了最广泛的应用。在空调负荷发生变化时，一般可以通过两种途径来维持室内所需要的温度和湿度。一种是定风量空调系统；一种是变风量空调系统。定风量空调系统是固定送风量不变，而改变送风温度。我国目前的集中空调系统大多采用全空气式的定风量方式。
2. 定风量空调系统运行控制方式
定风量空调系统在单位时间内送风量是一定的，其大小不可调，该系统对于室温的控制是通过调节冷/热水盘管中冷/热水流量的大小来实现的。其运行控制方式主要有四种：连续运行控制方式、固定循环周期方式、可变循环周期方式和反馈开停控制方式。
连续运行控制方式是指制冷系统和送风机组在系统正常工作时采取不间断的连续运行方式。空调系统在运行中其实际负荷通常都小于额定负荷，这样使得制冷和送风机组采用连续运行方式时，会造成一定的能量浪费。而且系统的连续运行会使室内外的温差过大，这对人体的健康不利。在末端加再热装置，通过再热或混风可以加以改善，其缺点是能耗较大。但由于其控制简单、效果好，因此在一些实际负荷较大且接近额定负荷的情况下用得较多，这种方式也是目前在我国应用最为广泛的一种。
本文采用PI（比例、积分）控制算法实现了一种改进的连续运行控制方式，即：空调机组采用连续运行方式，但制冷机组的运行方式是据实际负荷来决定的。这种方式控制精度较高、灵活性较大，而且具有相当的节能效果。
3. 空调系统自控工程实例
3.1概况
上海市某商务楼地上18层，地下1层，面积约4万平方米，其中1～4层为裙楼，5楼以上为商务办公楼，地下一层为车库。设大型中央空调机组19台，其中1～4層及地下一层每层均采用一空调机组，5～18层每层均采用一新风机组，对机组的集中供冷、供热采用4台大型风冷热泵机组。除风冷冷凝器处于四层裙楼顶外，其余所有的机组均分布于大楼内各楼层空调机房。
其空调自控系统采用了CAN总线分布式控制网络技术，利用PI（比例、积分）调节进行了合理的控制，在满足预设空气指标的前提条件下，兼顾节能，并实现了空调自控系统管理的自动化，起到集中管理、分散控制的作用。
3.2控制原理
在空调系统中，调节对象的特点是延迟大，容量系数大，时间常数大，且有较大的自平衡能力。在定风量空调系统中，若空调室以温度为调节参数（恒温室），则可将该恒温室看作是一个简单而又具有一定自衡能力的单容对象，可用一阶惯性环节加纯滞后的典型特性来加以描述，其传递函数可表示为G(S)＝。其中K为对象静态放大系数，为对象纯滞后时间，T为对象时间常数。
空调对象的特性参数K、T、对空调系统的自动调节是十分重要的，他们是自控系统设计时重要的输入条件，但在空调系统自控设计之前难以准确获得这些数据，所以只能依照某些对象的实际经验数据进行调节方案和参数的合理选择。如对于一般有恒温、恒湿要求的舒适性空调室（办公楼、写字楼及商务楼等）均有＜0.2。
以具有一次回风的空调系统为例，采用PI进行恒室温调节，其系统调节框图如下图所示：
其中：――恒温室传递函数； ――冷/热盘管传递函数；
――感温元件传递函数； ――PI调节传递函数；
――阀门电动执行机构传递函数．
PI调节的比例系数和积分时间都具有一定的经验调节范围，如：为1.6～5.0，为2S～5S。在系统设计时可在经验范围内进行初选，其最终的最佳取值要在系统进行运行调试时确定。
3.3控制方案的实施
1）控制系统组网连接设计
本空调自控系统测控的点数多，且分散在楼宇的各个部分，所以采用了集中管理和分散控制相结合的CAN现场总线控制系统。该系统采用了二级网络结构：现场控制级和集中管理级。集中管理级的PC机对分布在楼内的机电设备进行集中监控、管理。大楼内的机电设备由分布在各楼层设备机房的智能控制器（DCU）进行现场分散控制，现场DCU之间的各种数据信息交换、DCU与集中管理级的各种数据信息交换均由CAN通讯网络系统完成。其控制网络结构示意图设计如下：
2）现场控制级
现场控制级由控制通信网和现场智能控制器组成。
控制通信网以CAN总线为基础来组建。其网络结构采取总线型，总线上数据通信速率为50Kbps。由于在此速率下，总线长度最长可达1300m，所以系统采用一条通信总线。现场智能控制器以差动并联方式连接到CAN总线上，并通过CAN总线与集中管理级以串行方式进行无主从点对点对等通信，通信介质选取价廉的Bdlden 8471双绞线。
控制系统在该CAN总线型通信网络的连接下有两种运行模式：
在监控主机的控制下自动运行，即联机网络运行模式；
各智能控制器作为一相对独立的前端区域控制子系统，根据预置参数自动运行，即单智能节点运行模式。但此时不能记录设备运行数据及历史运行状态。
可见，各智能控制器之间通过CAN网络直接通信，并且任何一个控制器出现故障，只影响其本身而不会危及整个系统。另外，监控主机的故障也不会影响到整个监控网络中各个节点的正常工作。
现场智能控制器
本CAN总线控制系统采用RH-2000系列现场智能控制器。它由若干不同智能模块拼装而成，实时采集现场数据信号和通过CAN总线接收上位机的各种控制命令及设定参数，并据预定程序负责处理，再根据处理结果实现预定的控制功能，其编程语言为RH-Basic。
本系统所用到的主要智能模块为： 四电机控制模块（MCA）；通用控制模块（GCA）四模拟输出阀门控制模块（VAA）；数字量输出模块（DOA）；通信模块（COM-CAN）； 温湿度测量模块（TIB）；主控模块（CAL）；键盘显示模块（KDHUBA）等。
根据系统的总控制点数选用模块54个，组成6个DCU，采用RH-Basic编程语言，分别编制下位机程序，通过PI控制方式，使空调机组、新风机组和冷/热源系统实现预定控制功能。
4）集中管理级
集中管理级实现与现场控制级交互数据，完成对现场控制级的集中管理与控制，并提供人机界面。
本控制系统集中管理级的软件体系是以硬件为基础，分为：CAN网络的組网配置软件RHSYS和提供良好人机界面的组态软件iDCS。
集中管理级的具体配置为：
PC机 2台（带串行口，带网卡）
PC-CAN适配器 1个
RHSYS软件1套
iDCS软件 2套
CAN网络的网络管理工具RHSYS实现对整个控制系统的配置和管理。它与下位机通讯，并与用户交互完成对下位机的设置，也可以在系统运行时从下位机取得数据，以分析系统的运行情况。利用RHSYS进行CAN网络的组网开发步骤为：
发起所有的DCU入网；
上载查看并修改所有DCU的数据；
按所控不同设备分别编制控制程序，调试成功后下传至各DCU的主控模块中。
在运行过程中，可依据设计权限进行在线修改或调整控制算法及控制参数。
组态软件iDCS是控制工程中与下位机或上位机之间通讯的上位机图形软件。进入iDCS应用程序的集成开发环境，据工程的具体要求进行二次开发，包括：系统组态、显示组态、控制组态、报表组态、通讯组态和报警组态，以实现对整个大楼的集中空调系统、中央冷/热源系统等各子系统进行信号采集、实时控制、历史记录、报表生成及打印和报警等。
本系统中，一台网管机和一台监控机（图形工作站）组成了现场控制级。网管机由装配了PC-CAN适配卡的高档商用PC机来组成。通过PC-CAN适配卡，网管机被连接到CAN总线上，它运行RHSYS和iDCS，在网络中处于Server的地位。监控机亦称图形工作站，仅运行iDCS，主要实现对系统运行的监视和查看作用。
4.小结
以室内温度为调节对象，利用比例、积分调节算法，并采用改进的连续运行控制方式，避免了当空调房间实际负荷低于最大负荷时，为了维持室温设计水平，通过再热或混合的方式来减小送风温差，从而造成的热量和冷量损失。可见，这种控制方式灵活性较大，且在满足空气预定温度指标的前提下，具有相当的节能效果。
参 考 文 献
钱以明．高层建筑空调与节能．上海：同济大学出版社，1990
胡寿松．自动控制原理．北京：国防工业出版社，2001
智能系统应用入门与调试指南． 清华同方股份有限公司，2003