CN104515271B - 中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统及其控制方法 - Google Patents

中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统，包括工业控制计算机、以及与其连接的PLC/BAS现场控制系统、优化控制仿真平台、能耗设备及控制模型库、远端能耗诊断跟踪平台和能耗关联数据库。本发明采用模块化架构的冷冻站系统模型，实时更新设备模型数据样本，矫正设备模型，以及全局优化的寻优方法，实现对中央空调冷冻站系统运行参数的采集和优化，提高中央空调冷冻站系统的整体运行能效，达到节能降耗的效果。

Description

中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及节能优化控制系统及方法领域，具体地说，特别涉及到一种中央空调冷冻站节能优化控制系统及其控制方法。
背景技术
随着能源价格的一路上涨，降低能耗已成为全社会的共识。中央空调系统在现在商业建筑中应用非常广泛，其能耗在整个建筑中的比例非常大，一般为40%～50%。如何降低中央空调系统的能源消耗成为一个重要的研究课题。
中央空调冷冻站系统中，一般由冷水机组、冷冻水系统、冷却水系统组成，冷水机组由多台相同或不同的制冷机构成，负责生产末端需要的冷冻水；冷冻水系统由冷冻水泵(一次泵/二次泵)、冷冻水管网构成，负责将冷机产生的冷冻水输送至末端，带走末端热量；冷却水系统由冷却水泵、冷却塔、冷却水管网构成，负责将冷机的冷凝热排放到环境大气中。
冷冻站系统涉及的设备众多，控制的输入输出变量众多，具有非线性、时变、耦合特点。传统中央空调冷冻站控制方法多为单点控制，例如，冷水机组的台数控制，根据冷机供水温度与设定值的偏差，作为依据；恒压差控制对谁系统供回水压差进行控制。典型单变量控制是PID控制，虽然控制算法简单、可靠性高，但容易发生振荡、稳定性较差。
针对冷冻站系统，近几年出现了一些新的控制方式，如模糊控制技术，其主要的问题是指针对中央空调冷冻站内某个单独设备或局部小系统的控制，没有对整个系统进行节能优化控制，节能效果受限。此外，最新出现一种叫全局优化控制实现方式，以中央空调冷冻站的整体消耗冷量最小为优化目标，对系统各个设备进行控制，但由于其控制模型的复杂性、控制方法的高耦合性，在项目具体应用中出现控制系统调试时间太长、控制方法所采用设备模型无辨识或辨识周期较长、控制方法的可复制性较差。
发明内容
本发明实际需要解决的技术问题是：提供一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统及其控制方法，采用模块化架构的冷冻站系统模型，实时更新设备模型数据样本，矫正设备模型，以及全局优化的寻优方法，实现对中央空调冷冻站系统运行参数的采集和优化，提高中央空调冷冻站系统的整体运行能效，达到节能降耗的效果。
一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统，包括工业控制计算机、以及与其连接的PLC/BAS现场控制系统、优化控制仿真平台、能耗设备及控制模型库、远端能耗诊断跟踪平台和能耗关联数据库；
所述能耗设备及控制模型库用于提供中央空调冷冻站系统中各个设备与控制方式的仿真模型，包括冷水机组模型、冷却塔及风机模型、水泵模型、管路模型、温度控制模型和流量控制模型；
所述优化控制仿真平台根据中央空调冷冻站系统的实际系统配置及运行原理，从能耗设备及控制模型库选取对应模型，并建立冷冻站系统模型，进行仿真控制测试与调试，将系统模型移植到工业控制计算机，供其执行优化控制；
所述工业控制计算机通过以太网与PLC/BAS现场控制系统连接，用于接收PLC/BAS现场控制系统定时发送的设备运行状态参数，并对能耗仿真数学模型进行实时矫正，同时还能进行全局节能优化控制运算，并将优化运行指令返回给PLC/BAS控制器；
所述远端能耗诊断跟踪平台用于接收工业控制计算机定期上传的中央空调冷冻站系统运行性能数据，进行各个设备的运行健康性评估并反馈评估结果，此外，将冷冻站系统运行数据保存在关联数据库；
所述能耗关联数据库用于接收工业控制计算机定期上传的中央空调冷冻站系统运行性能数据，进行筛选保存，供远端能耗诊断跟踪平台调用。
进一步的，所述工业控制计算机具有远程账号登录模块，用于定期将中央空调冷冻站系统运行参数上传给远端能耗诊断跟踪平台。
一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，包括如下步骤：
1）建立控制模型，根据中央空调冷冻站系统的实际设备组合情况和控制策略，建立系统的能耗仿真数学模型，结合设备的出厂运行样本数据和设备历史运行数据，建立设备运行参数与能耗的初步数学模型，同时建立模型矫正算法；
2）配置控制执行文件，根据步骤1）建立的控制模型，配置出能耗矫正配置文件、优化控制配置文件；
3）实时采集数据，将中央空调冷冻站系统的能耗仿真数学模型和模型矫正算法移植至工业控制计算机，同时按照步骤2）配置的控制执行文件，实时采集模型矫正数据和优化控制数据；
4）设备模型实时矫正，根据步骤3）所采集的模型矫正数据，调用模型矫正算法，对步骤1）中建立的能耗仿真数学模型进行实时矫正；
5）优化计算，以步骤3）采集的模型矫正数据和优化控制数据为约束条件，制定冷站系统各设备运行状态组合，计算各种组合下的系统总能耗，记录能耗最小的组合；
6）反馈，将最优化的运行状态组合发送给PLC/BAS现场控制系统，供其向各个设备进行发送具体指令；
7）在一定的时间间隔，重复执行步骤3）和步骤4）；
8）在一定的时间间隔，重复执行步骤3）、步骤5）和步骤6）。
进一步的，所述步骤1）中的控制模型中的各个设备都可采用独立设计，各设备之间或设备与控制信号的关联通过Inputs和Outputs接口完成。
进一步的，所述步骤2）中配置的控制执行文件由版本标记、头说明信息、内核信息、n个部件信息、结束标记组成。
进一步的，所述能耗矫正配置文件包含的信息为上传的数据保存形式、保存位置、保存频率、设备部件的性能描述数据。
进一步的，所述优化控制配置文件包含的信息为当前负荷需求量、环境干球温度、环境湿球温度，以及设备数学模型需要采集的其他参数。
进一步的，所述步骤7）设备实时矫正重复的时间间隔最小值为2分钟，以便可以采集更多的数据。
进一步的，所述步骤8）优化计算重复的时间间隔为5～15分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
控制算法简单、可靠性高，能对整个系统进行节能优化控制，节能效果明显。同时，在项目具体应用中，控制系统调试时间和控制方法所采用设备模型周期短、控制方法的可复制性较好。
附图说明
图1为本发明所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统的示意图。
图2为本发明所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明所述的一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统，包括工业控制计算机、以及与其连接的PLC/BAS现场控制系统、优化控制仿真平台、能耗设备及控制模型库、远端能耗诊断跟踪平台和能耗关联数据库。
其中，所述能耗设备及控制模型库用于提供中央空调冷冻站系统中各个设备与控制方式的仿真模型，包括冷水机组模型、冷却塔及风机模型、水泵模型、管路模型、温度控制模型和流量控制模型；
所述优化控制仿真平台根据中央空调冷冻站系统的实际系统配置及运行原理，从能耗设备及控制模型库选取对应模型，并建立冷冻站系统模型，进行仿真控制测试与调试，将系统模型移植到工业控制计算机，供其执行优化控制；
所述工业控制计算机通过以太网与PLC/BAS现场控制系统连接，用于接收PLC/BAS现场控制系统定时发送的设备运行状态参数，并对能耗仿真数学模型进行实时矫正，同时还能进行全局节能优化控制运算，并将优化运行指令返回给PLC/BAS控制器；
所述远端能耗诊断跟踪平台用于接收工业控制计算机定期上传的中央空调冷冻站系统运行性能数据，进行各个设备的运行健康性评估并反馈评估结果，此外，将冷冻站系统运行数据保存在关联数据库；
所述能耗关联数据库用于接收工业控制计算机定期上传的中央空调冷冻站系统运行性能数据，进行筛选保存，供远端能耗诊断跟踪平台调用。
另外，需要指出的是，所述工业控制计算机具有远程账号登录模块，通过该模块定期将中央空调冷冻站系统运行参数上传给远端能耗诊断跟踪平台。
参见图2，本发明所述的一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，首先，根据中央空调冷冻站系统的实际设备组合情况和控制策略，建立系统能耗仿真数学模型，结合设备的出厂运行样本数据和设备历史运行数据，建立设备运行参数与能耗的初步数学模型，同时建立模型矫正算法。本实施例中，建立的仿真模型是冷水机组能耗模型、冷冻水泵能耗模型、冷却水泵能耗模型、冷却塔及风机能耗模型、末端负荷模型、冷冻水温度控制模型、冷却水温度控制模型、开关量控制模型；
其次，配置控制执行文件，根据第一步建立的控制模型，配置出能耗矫正配置文件、优化控制配置文件；
接下来，将中央空调冷冻站系统能耗仿真模型和模型矫正算法移植至工业控制计算机，将能耗矫正配置文件和优化控制配置文件配置在工业控制计算机，每隔一段时间间隔向PLC/BAS索取相应数据；
然后，工业控制计算机，一方面通过采集的能耗矫正数据，对设备模型实时矫正，另一方面以第三步采集的优化所需数据为约束条件，进行冷冻站系统最优化运行计算，得到最优控制策略；
最后，工业控制计算机将最优化的运行策略发送给PLC/BAS控制系统，供其向各个设备进行发送具体指令；
另外，工业控制计算机定期将采集的能耗数据打包发送给远端能耗诊断平台，做长期跟踪评估分析。
本实施例中，中央空调冷冻站系统的节能优化控制仿真数学模型如下：
(1)冷水机组——能耗设备模型
(2)冷却塔及风机——能耗设备模型
(3)变频水泵——能耗设备模型
(4)末端负荷——能耗设备模型
以上模型中，Parameters参数为设备的结构参数，建立系统仿真模型时由设备厂家提供或设备铭牌读取。Inputs与Outputs参数需要建立不同设备之间的“相等”关系，如冷机冷冻水出水流量等于冷冻水泵进口流量，即Type4的Inputs参数Min等于Type1的Outputs参数Mw,o。各个设备的Inputs参数列表中备注为“Control”标记的参数，由相应的控制器模型输出决定。设备模型中用于拟合能耗模型的Num_Datas个样本数据，由实时矫正模块更新。
利用以上模型架构方式，可实现实际系统模拟的模块化，每个设备模型与其它模型的关系只通过接口的数据相等建立联系，降低模型部件之间的耦合关系，方便实际应用中的建模难度。
利用以上模型建立控制仿真系统之后，将其移植至工业控制计算机上，通过以太网与中央空调冷冻站系统的PLC/BAS控制器通讯，接收PLC/BAS控制器定时发送的设备运行状态参数，一方面进行设备能耗模型的实时矫正，另一方面进行全局节能优化控制运算，控制仿真系统通过采集的当前负荷需求量，遍历所有可能满足负荷需求的设备模型Inputs参数量，计算出系统总能耗最低的变量组合情况，并将优化结果返回给PLC/BAS控制器，实现实时优化冷冻机房运行控制。
中间过程某一工况为例：
例如，某个实际冷冻水机房，由1台冷机、1台变频冷冻水泵、1台定频冷却水泵、1台变频风机冷却塔组成。设备的可变的运行控制为冷冻水供水设定温度Te，变化范围为5℃～9℃，冷却水设定温度Tk变化范围为25℃～40℃。若当前末端负荷为额定负荷50%，室外环境湿球温度25℃。
优化控制模型将遍历冷冻水设定温度变化范围，冷却水设定温度变化范围，求出每种情况下冷机、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔风机总功率消耗。若寻优结果为7℃冷冻水供水温度、28℃冷却水供水温度时，系统能耗最低。
优化控制模型将最优化的冷机冷冻水设定温度、冷冻水频率、冷却塔风机频率作为输出结果返回，工业控制计算机将其发送给PLC/BAS控制系统。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统，其特征在于：包括工业控制计算机、以及与其连接的PLC/BAS现场控制系统、优化控制仿真平台、能耗设备及控制模型库、远端能耗诊断跟踪平台和能耗关联数据库；
所述能耗设备及控制模型库用于提供中央空调冷冻站系统中各个设备与控制方式的仿真模型，包括冷水机组模型、冷却塔及风机模型、水泵模型、管路模型、温度控制模型和流量控制模型；
所述优化控制仿真平台根据中央空调冷冻站系统的实际系统配置及运行原理，从能耗设备及控制模型库选取对应模型，并建立冷冻站系统模型，进行仿真控制测试与调试，将系统模型移植到工业控制计算机，供其执行优化控制；
所述工业控制计算机通过以太网与PLC/BAS现场控制系统连接，用于接收PLC/BAS现场控制系统定时发送的设备运行状态参数，并对能耗仿真数学模型进行实时矫正，同时还能进行全局节能优化控制运算，并将优化运行指令返回给PLC/BAS控制器；
所述远端能耗诊断跟踪平台用于接收工业控制计算机定期上传的中央空调冷冻站系统运行性能数据，进行各个设备的运行健康性评估并反馈评估结果，此外，将冷冻站系统运行数据保存在关联数据库；
所述能耗关联数据库用于接收工业控制计算机定期上传的中央空调冷冻站系统运行性能数据，进行筛选保存，供远端能耗诊断跟踪平台调用。
2.根据权利要求1所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制系统，其特征在于：所述工业控制计算机具有远程账号登录模块，用于定期将中央空调冷冻站系统运行参数上传给远端能耗诊断跟踪平台。
3.一种中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)建立控制模型，根据中央空调冷冻站系统的实际设备组合情况和控制策略，建立系统的能耗仿真数学模型，所述能耗仿真数学模型包含：冷水机组能耗模型、冷冻水泵能耗模型、冷却水泵能耗模型、冷却塔及风机能耗模型、末端负荷模型、冷冻水温度控制模型、冷却水温度控制模型、开关量控制模型，结合设备的出厂运行样本数据和设备历史运行数据，建立设备运行参数与能耗的初步数学模型，同时建立模型矫正算法；
2)配置控制执行文件，根据步骤1)建立的控制模型，配置出能耗矫正配置文件、优化控制配置文件；
3)实时采集数据，将中央空调冷冻站系统的能耗仿真数学模型和模型矫正算法移植至工业控制计算机，同时按照步骤2)配置的控制执行文件，实时采集模型矫正数据和优化控制数据；
4)设备模型实时矫正，根据步骤3)所采集的模型矫正数据，调用模型矫正算法，对步骤1)中建立的能耗仿真数学模型进行实时矫正；
5)优化计算，以步骤3)采集的模型矫正数据和优化控制数据为约束条件，制定冷站系统各设备运行状态组合，计算各种组合下的系统总能耗，记录能耗最小的组合；
6)反馈，将最优化的运行状态组合发送给PLC/BAS现场控制系统，供其向各个设备进行发送具体指令；
7)在一定的时间间隔，重复执行步骤3)和步骤4)；
8)在一定的时间间隔，重复执行步骤3)、步骤5)和步骤6)。
4.根据权利要求3所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述步骤1)中的控制模型中的各个设备都可采用独立设计，各设备之间或设备与控制信号的关联通过Inputs和Outputs接口完成。
5.根据权利要求3所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述步骤2)中配置的控制执行文件由版本标记、头说明信息、内核信息、n个部件信息、结束标记组成。
6.根据权利要求3所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述能耗矫正配置文件包含的信息为上传的数据保存形式、保存位置、保存频率、设备部件的性能描述数据。
7.根据权利要求3所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述优化控制配置文件包含的信息为当前负荷需求量、环境干球温度、环境湿球温度，以及设备数学模型需要采集的其他参数。
8.根据权利要求3所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述步骤7)设备实时矫正重复的时间间隔最小值为2分钟，以便可以采集更多的数据。
9.根据权利要求3所述的中央空调冷冻站系统的节能优化控制方法，其特征在于：所述步骤8)优化计算重复的时间间隔为5～15分钟。
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Denomination of invention: Energy saving optimization control system and its control method for central air conditioning refrigeration station system

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