CN106322694A - 一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统 - Google Patents

一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统 Download PDF

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Abstract

一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统，属于制冷空调技术领域；包括核心部件和各种辅助部件。利用温控器切换复合机组的不同工作模式，同时在每种工作模式下，利用变频器进行复合机组冷量的调整，并将温控器和变频器中的参数和读数显示在触摸屏上，以便进行整个复合机组工作情况的监测和报警。本发明以室内外温差为控制条件，能满足现有的大多数复合制冷机组的控制要求，普适性好。单输入单输出的比例积分微分控制策略，简单稳定，数据跟踪能力强。梯级切换与变频调节相结合，温控精度高，系统能耗低，机组可靠性高。

Description

一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统
技术领域
本发明设计了一种用于泵驱动两相复合制冷机组的监控系统，属于制冷空调技术领域。
背景技术
据估算，我国数据中心2015年耗电量已接近1000亿kWh，且其中大多数数据中心的PUE仍普遍大于2.2，与国际先进水平差距明显。想要降低PUE，就必须降低数据中心空调能耗，而采用回路热管技术对现有机房进行节能改造，能够有效利用室外自然冷源，从而大幅降低空调能耗，实现数据中心的节能减排。
目前，泵驱动回路热管/蒸气压缩复合制冷系统已初步实现在数据中心中的应用，一种一体化机房空调系统(CN200910235429.8)、一种简易的制冷系统热回收装置(CN201320561006.7)、一体化自然冷却机房空调系统(CN201510571894.4)三项专利分别介绍了三种不同的利用回路热管技术的数据机房用复合制冷系统。虽然系统形式各有不同，但三种系统的整体控制思路都是通过不同条件下热管回路与蒸气压缩回路的切换来实现系统不同工作模式的转换，从而实现系统节能。
复合型机房空调系统及其控制方法(CN201510091854.X)、机房空调系统及其控制方法(CN201510427788.9)、复合型机房空调系统及其控制方法(CN201510437751.4)三项专利特地提到了温控装置在系统运行模式切换过程中的作用，不过控制逻辑仍集中在泵回路和压缩机回路的转换，虽然专利中有意识的考虑到根据不同的室外温度进行压缩机变比工作以降低能耗量，但这仍然是对机组制冷量进行宏观的设计量调整，而对于机房内部热负荷的跟踪情况仍不够理想，控制逻辑相对粗糙，控制精度和节能效果有限。
为更高效地实现数据机房的节能减排，提高复合制冷系统在热负荷跟踪、温控精度与节能效果方面的问题，本发明针对一种含有复数台室外风机和室内风机，分别以工质泵和压缩机作为两种循环模式下的动力元件的泵驱动两相复合制冷机组，明确了系统控制的技术方向，并提出了相应的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于泵驱动复合制冷机组的运行监测与控制系统，在合理切换机组运行模式的同时，细化各模式下的控制策略，以提高复合机组的温控精度和节能效果。
数据中心机房一般是封闭的，机房内设备全年运转，机房内湿度变化小，温度一般要求保持全年一致。因此，以室内外温差作为数据机房空调的控制条件足以实现数据机房的环境控制要求。这一条件得到了众多学者和研发人员的肯定和认可，并广泛应用于当前的复合制冷系统。
本发明所采用的技术方案中，主要控制条件也是室内外温差。同时，由于室内温度要求全年恒定，因此以室外温度作为主要控制条件，室内温度作为次要控制条件。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案主要围绕室内温度和室外温度的测量和反馈展开，发明设计的泵驱动两相复合制冷机组监控系统包括触摸屏、控制器、变频器等核心部件，以及带灯自锁按钮、3P断路器、1P断路器、线槽、220V/DC245A开关电源、中间继电器、延时继电器、接线端子排、温度传感器、零排、热继电器、接触器等辅助部件。
温度传感器(11)接在控制器(2)的信号输入点上，用于感测温度信号；控制器(2)报警信号输出点接中间继电器(8)输入端和室外风机的接触器(14)，控制器(2)控制信号输出点接变频器(15)控制信号接收点，控制器(2)通讯信号点和变频器(15)通讯信号点接触摸屏(1)通讯信号点；中间继电器(8)输出端接变频器(15)得电启动信号点、工质泵回路电磁阀、压缩机回路电磁阀的延时继电器(9)、工质泵和压缩机的延时继电器(9)；压缩机回路电磁阀的延时继电器(9)输出端接压缩机回路电磁阀，工质泵和压缩机的延时继电器(9)输出端分别接工质泵和压缩机的接触器(14)；
变频器(15)有两台，室内风机的变频器(15.1)的功率输出端接室内风机，工质泵和压缩机的变频器(15.2)的功率输出端接工质泵和压缩机的接触器(14)，工质泵和压缩机的接触器(14)互锁，输出端分别接有工质泵和压缩机的同时，共同接有接室外风机的接触器(14)，室外风机的接触器(14)的输出端接室外风机；
带灯自锁按钮(3)是监控系统的总开关，负责整个系统的开停；3P断路器(4)共有六个，分别是总断路器、压缩机断路器、工质泵断路器、室内风机断路器、1#室外风机断路器、2#室外风机断路器；而1P断路器(5)共有两个，分别是220V/DC24V 5A开关电源断路器和二次回路断路器；
各部件按照上述连接次序构成整个控制系统，温度传感器(11)分别感测室外温度t1、室内温度t2和冷凝器出口温度台温度t3，并将这些温度信号传递给控制器(2)，控制器(2)分为室内温度控制器(2.1)、室外温度控制器(2.2)和冷凝器出口温度控制器(2.3)，对应上述两台变频器(15)，室内温度控制器(2.1)台数亦为两台，以分别实现对两台变频器(15)的控制；控制器(2)针对各温度信号的大小发出不同报警信号，对复合机组执行不同的操作：t1＜a℃时，开启工质泵循环；t1≥a℃时，开启压缩机循环；t3≤d℃时，关闭一台室外风机，t3≤e℃时，a、d和e是不同室外温度的数值，且a＞d＞e，关闭两台室外风机；t2≤b℃时，关闭压缩机、工质泵和室外风机；t2≥c℃时，b和c是不同室内温度数值，且c＞b，强行关闭工质泵循环，开启压缩机循环；接收室内温度信号的控制器(2)上设置目标温度tp，b＜tp＜c，根据t2相对于目标温度tp的偏离程度发出控制信号，控制变频器(15)的输出频率；
触摸屏(1)与变频器(15)，触摸屏(1)与控制器(2)之间通过通讯线连接并进行通讯，并将二者的实时数据与参数反映在触摸屏(1)上；
当变频器(15)的数量发生变化的时候，控制器(2)的数量亦随之发生变化，变频器(15)与控制器(2)的数量存在对应关系。
所述的复合机组是指泵驱动/蒸气压缩式复合制冷机组，复合机组包括工质泵和压缩机两种动力元件，每种动力元件能够多台并联运行，其中一至多台采用变频调节，其余各台采用开停调节，变频调节由变频器(15)实现，开停调节由控制器(2)上的报警点实现；两种动力元件之间存在一至多个转换条件，达成转换条件，动力元件执行相应的开停；动力元件的循环回路形式不限，共用一组室内外风机。
所述的控制器(2)是能够接收温度信号并输出控制信号的温度控制器或PLC器件。
所述的温度传感器(11)为T型热电偶、Pt100热电阻或Cu100热电阻。
所述的触摸屏(1)与控制器(2)，触摸屏(1)与变频器(15)之间的通讯使用ModbusRTU通讯协议，三个部件上都设有RS485接口。
所述的报警信号是由控制器(2)上的报警点发出，响应方式分为上限报警和下限报警。
所述的互锁由两台接触器(14)的常闭触点实现，接收室外温度信号的控制器(2)发出启停相应部件的信号时，对应压缩机与工质泵的两台接触器(14)会接收信号吸合，而两台中任一接触器(14)吸合后，回路中对应的常闭触点断开，保证另一台无法吸合，从而使压缩机和工质泵只有一台能够得电。
所述的接收冷凝器出口温度信号的控制器(2)要启停室外风机，需要由两台接触器(14)实现，接收到控制器(2)给出的启停室外风机的信号时，相应的接触器(14)吸合，室外风机上电运转；同时，室外风机的接触器(14)受压缩机和工质泵的接触器(14)限制，只有压缩机和工质泵的接触器(14)中任意一台吸合时，室外风机的接触器(14)才能够接收控制器(2)给出的信号。
所述的通讯线采用屏蔽双绞线通信电缆。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本系统以室内外温差为控制条件，能满足现有的大多数复合制冷机组的控制要求，只需稍作调整就能满足不同机组的控制需求，普适性好。
2、系统采用单输入单输出的比例积分微分控制策略，简单稳定，实时反馈室内热负荷变化情况，数据跟踪能力强。
3、梯级切换与变频调节相结合，用控制器的输出电流来控制部件的启停和运转频率，既保证了温控精度，降低了系统能耗，又避免了频繁启停对机组部件的损坏，提高了机组可靠性。
附图说明
图1是一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统内部连线图；
图2是一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统外观示意图；
图3是一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统外部主视图；
图4是具体实施例复合制冷机组监控系统内部布置图。
图中：1-触摸屏，2-控制器，3-带灯自锁按钮，4-3P断路器，5-1P断路器，6-线槽，7-220V/DC245A开关电源，8-中间继电器，9-延时继电器，10-接线端子排，11-温度传感器，12-零排，13-热继电器，14-接触器，15-变频器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1-图4所示，本发明实施例提供了一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统，该系统用于对数据机房复合型空调系统的监测和控制。该监控系统包括触摸屏1、控制器2和变频器15，；它们的作用分别是：监测系统运行情况，控制复合机组运行模式，和对压缩机、工质泵和风机的运转频率进行调节。系统中的其余部件则为实现上述作用而服务。
3P断路器4的作用是为整个复合制冷机组供电，本系统共含有六个3P断路器4，分别是总断路器、压缩机断路器、工质泵断路器、室内风机断路器、1#室外风机断路器、2#室外风机断路器。而1P断路器5的作用是为控制系统二次回路供电，本系统共含有两个1P断路器5，分别是220V/DC24V5A开关电源断路器和二次回路断路器。总断路器相当于整个机组的总电源开关，开启总断路器后，机组通电，开启压缩机、工质泵等其余5个3P断路器后，相应部件通电，各部件可以根据系统的控制逻辑进行运转。开启二次回路断路器后，系统二次回路通电，控制器2通电运行，中间继电器8、延时继电器9、接触器14等通电，可以接收信号执行通断。开启220V/DC24V5A开关电源断路器后，220V/DC24V 5A开关电源7通电，开关电源7通电后，触摸屏1通电运行。
系统通电运行后，温度传感器11接收到室外温度信号、室内温度信号和冷凝器出口温度信号后，将此信号传递给控制器2，控制器2共有4台，分别是室外温度控制器、2台室内温度控制器和冷凝器出口温度控制器。
控制器2接收到温度信号后，室外温度控制器根据室外温度是否低于15℃决定运行何种工作模式，低于15℃时，开启工质泵循环模式，否则开启压缩机循环模式；2台室内温度控制器根据室内温度偏离室内目标温度值的程度来输出4～20mA的电流信号，分别控制两台变频器15的频率，另外，当室内温度低于22℃时，室内低温报警，室内温度控制器给出报警信号，当室内温度高于28℃时，室内高温报警，室内温度控制器给出报警信号；冷凝器出口温度控制器根据冷凝器出口温度的不同，来决定室外风机的开启台数。
变频器15包括室内风机变频器和压缩机&工质泵变频器，2台变频器15分别接收2台室内温度控制器给出的电流信号，并据此调整频率大小，室内风机变频器用以控制室内风机的转速，压缩机&工质泵变频器用以控制压缩机和工质泵的转速，压缩机和工质泵运行条件不同，因此在压缩机&工质泵变频器的输出端，设计有压缩机和工质泵的互锁，以保证二者不会同时运行。
中间继电器8能够根据控制器2给出的报警信号进行通电或断开。本系统共含有8个中间继电器8，分别是压缩机&工质泵变频器继电器、室内风机变频器继电器、室内低温继电器、室内高温继电器、工质泵继电器、压缩机继电器、工质泵回路电磁阀继电器和压缩机回路电磁阀继电器。两个变频器继电器通电后，变频器得电启动信号点接通，变频器得电后可以运转；两个电磁阀继电器通电后，复合机组压缩机和工质泵的电磁阀通电运行；工质泵继电器和压缩机继电器通电后，将电流信号输送至接触器14，使接触器14动作——此处中间继电器8的作用主要是保护控制器2，避免控制器2直接向接触器14传输电流信号时可能造成的过流损坏；室内低温继电器通电后，相应开关动作，压缩机、工质泵和室外风机停止运转；室内高温继电器通电后，相应开关动作，无视室外温度高低，工质泵停转，压缩机开启，复合机组强行切换至压缩机循环模式。
接触器14共有4台，分别是压缩机接触器、工质泵接触器、1#室外风机接触器和2#室外风机接触器，接触器14接收到电流信号后，可据此信号执行通断：压缩机接触器和工质泵接触器接收到中间继电器8的电流信号后，相应的互锁开关动作，保证压缩机和工质泵不会同时运行；2台室外风机接触器接通后，相应的室外风机就会通电运转。
热继电器13共有2台，分别对应2台室外风机接触器，其作用是为了保护复合机组部件(在此特指室外风机)不会因过流损坏。压缩机和工质泵由变频器15驱动，变频器15本身就含有过流保护功能，故压缩机接触器和工质泵接触器后不需接热继电器13。
延时继电器9共有3个，分别是工质泵延时继电器、压缩机延时继电器和压缩机回路电磁阀延时继电器，作用是在复合机组工作模式切换时延时相应部件的开启，保证系统的安全与稳定。
上述所有的控制逻辑，最终要落实到复合制冷机组上，都需要在控制系统与复合机组之间进行连线，接线端子排10的作用就是为二者之间的连接提供了一个接口。接线端子排10上包含许多接线端子，从左至右依次为压缩机&工质泵变频器接线端子、室内风机接线端子、1#室外风机接线端子、2#室外风机接线端子、室外温度传感器接线端子、2个室内温度传感器接线端子、冷凝器出口温度传感器接线端子、3个工质泵回路电磁阀接线端子、3个压缩机回路电磁阀接线端子和带灯自锁按钮端子。
触摸屏1与控制器2、变频器15之间建立了通讯关系，系统通电运行后，触摸屏1可以读取控制器2和变频器15中的各项参数和数值并将其显示在屏幕上，其作用是监测系统运行情况，并对系统运行中出现的异常情况进行报警。
以上所述，仅是本发明较佳可行的实施例，不能因此即局限本发明的权利范围，对熟悉本领域的普通技术人员来说，举凡运用本发明的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形都应属在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：
温度传感器(11)接在控制器(2)的信号输入点上，用于感测温度信号；控制器(2)报警信号输出点接中间继电器(8)输入端和室外风机的接触器(14)，控制器(2)控制信号输出点接变频器(15)控制信号接收点，控制器(2)通讯信号点和变频器(15)通讯信号点接触摸屏(1)通讯信号点；中间继电器(8)输出端接变频器(15)得电启动信号点、工质泵回路电磁阀、压缩机回路电磁阀的延时继电器(9)、工质泵和压缩机的延时继电器(9)；压缩机回路电磁阀的延时继电器(9)输出端接压缩机回路电磁阀，工质泵和压缩机的延时继电器(9)输出端分别接工质泵和压缩机的接触器(14)；
变频器(15)有两台，室内风机的变频器(15.1)的功率输出端接室内风机，工质泵和压缩机的变频器(15.2)的功率输出端接工质泵和压缩机的接触器(14)，工质泵和压缩机的接触器(14)互锁，输出端分别接有工质泵和压缩机的同时，共同接有接室外风机的接触器(14)，室外风机的接触器(14)的输出端接室外风机；
各部件按照上述连接次序构成整个控制系统，温度传感器(11)分别感测室外温度t1、室内温度t2和冷凝器出口温度台温度t3，并将这些温度信号传递给控制器(2)，控制器(2)分为室内温度控制器(2.1)、室外温度控制器(2.2)和冷凝器出口温度控制器(2.3)，对应上述两台变频器(15)，室内温度控制器(2.1)台数亦为两台，以分别实现对两台变频器(15)的控制；控制器(2)针对各温度信号的大小发出不同报警信号，对复合机组执行不同的操作：t1＜a℃时，开启工质泵循环；t1≥a℃时，开启压缩机循环；t3≤d℃时，关闭一台室外风机，t3≤e℃时，关闭两台室外风机，上述a、d和e是不同室外温度的数值，且a＞d＞e；t2≤b℃时，关闭压缩机、工质泵和室外风机；t2≥c℃时，强行关闭工质泵循环，开启压缩机循环，上述b和c是不同室内温度数值，且c＞b；接收室内温度信号的控制器(2)上设置目标温度tp，b＜tp＜c，根据t2相对于目标温度tp的偏离程度发出控制信号，控制变频器(15)的输出频率；
触摸屏(1)与变频器(15)，触摸屏(1)与控制器(2)之间通过通讯线连接并进行通讯，并将二者的实时数据与参数反映在触摸屏(1)上；
当变频器(15)的数量发生变化的时候，控制器(2)的数量亦随之发生变化，变频器(15)与控制器(2)的数量存在对应关系。
2.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的复合机组是指泵驱动/蒸气压缩式复合制冷机组，复合机组包括工质泵和压缩机两种动力元件，每种动力元件能够多台并联运行，其中一至多台采用变频调节，其余各台采用开停调节，变频调节由变频器(15)实现，开停调节由控制器(2)上的报警点实现；两种动力元件之间存在一至多个转换条件，达成转换条件，动力元件执行相应的开停；动力元件的循环回路形式不限，共用一组室内外风机。
3.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的控制器(2)是能够接收温度信号并输出控制信号的温度控制器或PLC器件。
4.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的温度传感器(11)为T型热电偶、Pt100热电阻或Cu100热电阻。
5.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的触摸屏(1)与控制器(2)，触摸屏(1)与变频器(15)之间的通讯使用Modbus RTU通讯协议，三个部件上都设有RS485接口。
6.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的报警信号是由控制器(2)上的报警点发出，响应方式分为上限报警和下限报警。
7.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的互锁由两台接触器(14)的常闭触点实现，接收室外温度信号的控制器(2)发出启停相应部件的信号时，对应压缩机与工质泵的两台接触器(14)会接收信号吸合，而两台中任一接触器(14)吸合后，回路中对应的常闭触点断开，保证另一台无法吸合，从而使压缩机和工质泵只有一台能够得电。
8.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的接收冷凝器出口温度信号的控制器(2)要启停室外风机，需要由两台接触器(14)实现，接收到控制器(2)给出的启停室外风机的信号时，相应的接触器(14)吸合，室外风机上电运转；同时，室外风机的接触器(14)受压缩机和工质泵的接触器(14)限制，只有压缩机和工质泵的接触器(14)中任意一台吸合时，室外风机的接触器(14)才能够接收控制器(2)给出的信号。
9.根据权利要求1所述的泵驱动两相复合制冷机组监控系统，其特征在于：所述的通讯线采用屏蔽双绞线通信电缆。
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