CN110195927A - 一种分布式集中空调的冷水系统控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式集中空调的冷水系统控制方法与装置，控制方法基于对事物本质的基本判断，系统中所有末端支路FCU控制器是由智能DDC数字控制器或智能温控器组成，末端FCU独立实施分布式控制，该末端FCU控制器内置智能PID控制器，采用反馈闭环自动控制技术以减少不确定性，通过测量被控温度变量的实际值，与用户设定值相比较，计算两者的偏差来纠正系统的响应，采用对温控调节阀开度的调节控制，实现对流经冷盘管的冷水流量q实施控制的目的。本发明在满足用户空调服务质量的前提下，实现经济运行管理，获取节能运行收益，同时控制系统更为简单明朗，迅速可靠，具有显著的节能效果和实际应用意义。

Description

一种分布式集中空调的冷水系统控制方法与装置

技术领域

本发明涉及集中式空气调节系统中冷水系统的节能控制技术领域，具体为一种分布式集中空调的冷水系统控制方法与装置。

背景技术

现行国家标准GB50155-2015《供暖通风与空气调节术语标准》第5.3.2条将对工作介质进行集中处理、输送和分配的空气调节系统定义为集中式空调系统(central airconditioning system)，俗称中央空调系统，在现代文明社会中已得到广泛应用，成为现代建筑及工业化生产中能耗最大的设施之一，其节能运行控制技术及装置的开发研究和创新应用在全球范围内得到广泛重视。

集中式空气调节系统控制参量的确定包括两个方面：一是作为终极控制目标的被控对象使用参数，例如房间温湿度等；二是保证终极控制目标所需的中间过程及其控制参量，例如对运行设备的启停控制、电气与机械连锁以及投入台数控制等等均属中间过程，控制参量则包括例如压力、压差、温度、温差、流量以及阀门控制、电动机转速调节等等。

目前包括中央空调冷冻水系统模糊预期控制方法及装置、基于人工神经网络技术的中央空调节能控制装置等专利技术在内的节能控制技术，多采用温度传感器、压力传感器、水流压差传感器、流量计以及制冷机组负荷传感器等装置对集中式空调系统冷源侧系统的供回水温度、温差、压力、压差、供水流量、制冷机组负荷以及室外环境温湿度等运行过程参数进行采集，通过不同的计算机智能控制算法技术调节变频调速水泵的转速以改变冷水系统水泵的扬程和流量，从而获得一定的节能效果。即通过过程参量的采集实施过程参量控制，控制的是冷水的过程参量。

现有技术的实质是研究者试图使冷水系统的某些或者全部过程参量的物理量数值(温差或压差)在系统运行过程中尽可能地维持不变或者逼近恒定，从而忽视了冷水将冷源侧制冷机组产生的冷量不断输送至用冷侧末端用户，在系统中是一种载冷介质，仅起着承载冷量输配的作用。对应既有末端换热器而言，末端冷盘管换热器被处理空气与冷水之间的换热温差是保障空气调节的基本因素，可以说，没有换热温差就没有换热。其处理空气的能力取决于冷盘管的相对供冷量P与相对冷水流量q之间的函数关系P％＝f(q％)，即其换热特性，是末端冷负荷变化和冷水量调节的结果。

当冷水系统末端用户采用温控调节阀进行冷水量调节时，其调节的本质是通过增大流经末端冷盘管的冷水量来降低冷盘管水侧温度，增大被处理空气与冷水之间的换热温差，使得从载冷剂(冷水)传递到被处理介质(空气)侧的冷量增加；或者减少流经末端冷盘管的冷水量以提高冷盘管水侧温度，减少传至空气侧的冷量。若服务区内终极被控目标的温度偏离设定值，温控器则发出相应的阀门开度调节指令自动调节温控阀门开度，从而实现对末端冷盘管产冷量的自动控制。

部分负荷工况下出现冷水系统的流量变化就其根本原因在于末端冷负荷变化引起的用户末端温控调节阀的自动调节和系统冷水泵运行台数或者转速的控制。其中末端温控调节阀开度的自动调节则是系统管网特性曲线变化的主要因素；冷水泵运行台数和转速的调节则改变了系统水泵特性曲线。无论是系统管网特性曲线的变化还是系统水泵特性曲线的改变都直接导致系统水泵实际工作点的移动，造成系统循环水泵流量与扬程的变化。这种调节是主动性的、本质性的，且具有显著的非线性和互扰多变的系统属性。因此，建立在载冷介质系统冷水运行物理参数采集与控制基础之上的现有中央空调节能控制技术难以满足系统中所有末端用户对服务质量的技术要求，存在不断改进和完善的技术空间。

基于末端冷量主动性调节的空调冷水系统控制方法及装置专利技术，提出由中央控制器对冷水系统内所有末端温控调节阀相对开度指令信号的变化实施在线采集，通过中央控制器内置的数学计算模型和控制算法，实现对冷水系统中冷水循环泵转速和台数实施集中控制的节能运行控制技术。

当今，包括工业自动控制、计算机智能控制、现代通讯技术和IT领域科研成果的技术应用正在不断地向传统空调领域渗透，有利地促进了不同领域的科技进步和革命。许多过去仅仅依靠集中空调技术难以解决的难题，如今则可以通过现代控制技术的进步得以迎刃而解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式集中空调的冷水系统控制方法与装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种分布式集中空调的冷水系统控制方法，基于对事物本质的基本判断，系统中所有末端支路FCU控制器是由智能DDC数字控制器或智能温控器组成，末端FCU独立实施分布式控制，该末端FCU控制器内置智能PID控制器，采用反馈闭环自动控制技术以减少不确定性，通过实时在线测量被控温度变量的实际值，与用户设定值相比较，计算两者的偏差来纠正系统的响应，采用对温控调节阀开度的调节控制，实现对流经冷盘管的冷水流量q实施控制的目的；所述控制方法利用DCS分布式控制系统，由分布控制级和集中监控级共同组成的以无线/有线通信网络为纽带的多级计算机系统装置实现，所述控制装置包括末端支路FCU控制器、智能主机、集中控制管理级中央控制器；

所述末端支路FCU控制器是由智能DDC数字控制器或智能温控器组成，末端FCU核心部分内置PLC智能可编程逻辑控制器，用于内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟量输入/输出控制末端温度控制调节阀的开度调节，末端冷盘管依据房间实测温度值与用户设定温度值之间的偏差实现变流量运行；

所述集中控制管理级中央控制器，由一台管理计算机作为OS操作站主机，并配有彩色显示器，键盘，打印机等，对空调系统用冷侧末端FCU和冷源侧变频调速冷水泵进行集中监测、管理和操作，其完成对过程控制级的集中监测和管理；

所述智能主机，作为Lora无线网络通信系统的核心主控单元，用于现场无线通信网络覆盖、网络管理和系统配置，其具有现场网关、管理服务器等功能，并提供Web配置页面；

所述控制方法包括调节型温控阀指令信号所对应的连续调节温控阀系统控制策略、ON/OFF型温控阀指令信号所对应的位式调节阀的系统控制策略与冷水系统节能控制的策略；

(1)采用连续调节阀系统控制策略：

当冷水系统的末端支路采用连续调节阀实施温度自动控制时，其本质是通过提高温控阀的相对开度，增加供冷水量，降低支路换热器冷水侧的平均温度，加大空气侧与冷水侧之间的换热温差，提高传至空气侧的冷量；反之则降低温控阀的相对开度，减少供冷水量，使得支路换热器水侧温度升高，空气侧与冷水侧之间的换热温差得以降低，减少传至空气侧的冷量；若末端服务区内被控温度偏离用户设定值，末端FCU则发出相应的阀门开度调节指令K。若开度指令K＝100％时，可视为该末端支路的资用压力没有冗余，且可能出现欠流量工况，需要提升该用户资用压力，增加末端流量；

若末端FCU发出的开度指令K＜90％，表明该末端支路的资用压力过大，具备节能空间，可降低冷水泵转速，因此可将末端FCU对调节阀发出的开度指令K视为该末端对系统冷水流量需求的被控信号；

若末端开度指令K＜90％时，FCU将流量需求信号Q置0；若末端开度指令K＝100％时，FCU令流量需求信号Q为1，且通过Lora无线通信向OS主动发出流量呼叫信号，请求提高末端支路的资用压力；

若第j支路Q_j＝1，则说明该末端冷负荷对冷盘管供冷量的需求增加，相应的供水流量不足，要求提高末端供水的资用压力，保障该末端支路实际冷水流量需求，为避免控制系统出现振荡，当90％≤K＜100％之间时维持水泵当前转速，保持当前冷水系统压力；若K＜90％，则视其资用压力冗余，逐步降低水泵转速，减少系统输送能耗，即当K从90％开始升高时，Q_j继续维持为0，直至K＝100％时，Q_j方取值为1；当K从100％向90％降低时，Q_j持续维持为1，直至K＜90％时，Q_j方取值为0；

充分考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，OS中央控制器对系统所有末端FCU有效呼叫信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算；通过OS中央控制器内置数学模型编制程序，计算出设定周期内有效呼叫信号值之和∑Q_n且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较，当两者偏差值＞0时，由OS中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的调节控制，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当两者偏差值＜0时，由中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，当两者偏差值＝0时，OS中央控制器输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行；

(2)采用位式调节温控阀的系统控制策略：

位式调节的温控阀通过对阀体过流截面流体流通时间的on/off式脉冲调节，实现供冷水量调节，流体在设定时间周期内的平均体积流量可以表示为时间的函数：

式中V为采样周期内流体平均体积流量，m³/s；τ为采样时间周期，s；V_n为流体瞬时流量，m³/s；t为时间变量，s；

以夏季空调工况为例，当空调房间的温度高于设定值时，末端FCU向温控阀发出开阀指令信号N＝1；反之，当空调房间的温度低于设定值时，温控器则发出关阀指令信号N＝0；

在设定的采样时间周期τ内，末端FCU对输出的开阀指令N采集i次(i为预设的任意整数)进行累加计算得出该支路τ时间内的∑N_n；例如令i＝10，当获得的编号为j支路的FCU开关指令统计值∑N_j＝10，说明此时刻这台空调末端所在支路资用压力没有冗余，且难以排除系统欠流量的可能，故应增加系统水泵的运行转速，提高末端支路的资用压力，以保障该支路设计流量的要求；当∑N_j＝10时则令该支路流量需求信号Q_j置1，且通过Lora无线通信向智能主机发出呼叫信号，请求提高末端支路的资用压力；同理，若当j支路∑N_j＜9时则说明该末端支路尚有冗余压差，存在节能运行的空间，可令流量需求信号Q_j＝0；为避免控制系统的频繁振荡，当9≤∑N_j＜10区间，该支路流量需求信号Q_j则维持当前状态；

考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，OS中央控制器对系统所有末端FCU有效呼叫信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算；通过OS中央控制器内置数学模型编制程序，计算出设定周期内有效呼叫信号值之和∑Q_n且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较，当两者偏差值＞0时，由OS中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的调节控制，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当两者偏差值＜0时，由中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，可将降频运行的偏差值设为＜0，即当∑Q_n－Q_s＝0时，OS中央控制器输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行，既不增也不减，实际工程应用数据显示：运行管理对系统中可容忍的不保障末端数量越多，系统服务质量就越差，客户满意度则越低，可获取的节能收益率越高；满足系统中所有末端服务质量工况下的经济运行指标相对要低一些。其控制指标取决于现场运行管理工程师对允许值Q_s设定值的取舍；

(3)采用冷水系统节能控制的策略：

考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，中央控制计算机对冷水系统中所有末端现场控制单元输出的有效信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算，Q_n值与末端调节阀的规格型号、流量特性无关；中央控制计算机通过内置数学模型控制程序，计算出设定周期内有效信号Q_n值之和Q_t＝∑Q_n，且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较求得两者偏差值e＝Q_t－Q_s，当e＞0时，由中央控制计算机输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的调节控制，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当偏差值e＜0时，由中央控制计算机输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，当偏差值e＝0时，中央控制计算机输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行；实际工程应用数据显示，运行管理对系统中可容忍的不保障末端数量越多，系统服务质量就越差，客户满意度则越低，可获取的节能收益率越高；满足系统中所有末端服务质量工况下的经济运行指标相对要低许多，其控制指标取决于现场运行管理工程师对允许值Q_s设定值的取舍。

本发明还提供了用于实现上述方法的分布式集中空调的冷水系统控制装置，包括末端支路FCU控制器、智能主机、集中控制管理级中央控制器，末端支路FCU控制器配置有APP软件，兼容IOS和Android两种系统；末端支路FCU控制器具有Lora无线网络通信功能，基于Lora远距离无线通信技术与智能主机的Lora网关之间实现无线通信连接，完成数据互交通讯；智能主机的Lora网关与OS之间可通过光纤路由器实现通信连接，以实现信息交互，智能主机集成Lora无线网关和服务器，既可单机独立运行，亦能通过以太网将多台智能主机连接成网并满足大规模应用，以及构成云端控制，其通信接口支持RJ45以太网络接口、RS485、Wi-Fi、2G/3G/4G版和光纤通讯实现与OS之间的通信连接；集中控制管理级中央控制器的OS操作站主机通过光纤与智能主机构成通信，采用Modbus通讯协议工业现场控制总线RS485通信与冷源侧冷水循环泵配置的交流变频器完成信息互交；OS中央控制器对分布式控制系统末端FCU主动输出的呼叫信号Q_n有效值进行简单统计和分析，实现空调系统高效经济运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用了末端支路FCU控制器分布式控制和冷水循环泵调速集中管理的计算机控制系统，系统中各末端FCU通过其所对应支路温控阀开度的调节实现冷盘管产冷量的控制，满足末端用户对空调服务质量的需求；当该支路冷水流量不足时，通过流量需求信号Q_n置1的输出，向集中管理的OS中央控制系统提出主动性有效呼叫。OS中央控制器通过内置数学模型编制程序，依据对系统所有末端FCU输出的有效呼叫信号值实施统计分析，与容忍允许值Q_s相比较之后同步优化调节水系统中冷水循环泵的运行频率，在满足用户空调服务质量的前提下，实现经济运行管理，获取节能运行收益。

2、本发明避免了集中控制系统对空调系统中所有末端支路DDC和温度控制器开度指令信号变化的被动式采样分析和统计计算，仅需对分布式控制系统末端FCU主动输出的呼叫信号进行简单统计和分析，即可实现空调系统高效经济运行的目的。由分布控制级和集中监控级组成的以无线/有线通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信(无线、有线)、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活，组态方便。在拥有数以百计末端支路的集中式空调系统中，不仅可有效地降低对数百甚至数千台末端换热器实施采样时间，还从机理上有效地减少了分布控制级和集中监控级之间的传输数据量，使得控制系统更为简单明朗，迅速可靠，具有显著的节能效果和实际应用意义。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种分布式集中空调的冷水系统控制方法，控制方法基于对事物本质的基本判断，系统中所有末端支路FCU控制器是由智能DDC数字控制器或智能温控器组成，末端FCU独立实施分布式控制，该末端FCU控制器内置智能PID控制器，采用反馈闭环自动控制技术以减少不确定性，通过测量被控温度变量的实际值，与用户设定值相比较，计算两者的偏差来纠正系统的响应，采用对温控调节阀的开度的调节控制，实现对流经冷盘管的冷水流量q实施控制的目的；所述控制方法利用DCS分布式控制系统，由分布控制级和集中监控级共同组成的以无线/有线通信网络为纽带的多级计算机系统装置实现，所述控制装置包括末端支路FCU控制器、智能主机、集中控制管理级中央控制器；

所述末端支路FCU控制器是由智能DDC数字控制器或智能温控器组成，末端FCU核心部分内置PLC智能可编程逻辑控制器，用于内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制末端温度控制调节阀的开度调节，末端冷盘管依据房间实测温度值与用户设定温度值之间的偏差实现变流量运行；

所述集中控制管理级中央控制器，由一台管理计算机作为OS操作站主机，并配有彩色显示器，键盘，打印机等，对空调系统用冷侧末端FCU和冷源侧变频调速冷水泵进行集中监视、管理和操作，其完成对过程控制级的集中监视和管理；

所述智能主机，作为Lora无线网络通信系统的核心主控单元，用于现场无线通信网络覆盖、网络管理和系统配置，其具有现场网关、管理服务器等功能，并提供Web配置页面；

所述控制方法包括调节型温控阀指令信号所对应的连续调节温控阀系统控制策略、位式调节温控阀的系统控制策略与冷水系统节能控制的策略；

(1)采用连续调节温控阀系统控制策略：

当冷水系统的末端支路采用连续调节温控阀实施温度自动控制时，其本质是通过提高温控阀的相对开度，增加供冷水量，降低支路换热器冷水侧的平均温度，加大空气侧与冷水侧之间的换热温差，提高传至空气侧的冷量；反之则降低温控阀的相对开度，减少供冷水量，使得支路换热器水侧平均温度升高，空气侧与冷水侧之间的换热温差得以降低，减少传至空气侧的冷量；若末端服务区内被控温度偏离用户设定值，末端FCU则发出相应的阀门开度调节指令K，若开度指令K＝100％时，可视为该末端支路的资用压力没有冗余，且可能出现欠流量工况，需要提升该用户资用压力，增加末端流量；

若末端FCU发出的开度指令K＜90％，表明该末端支路的资用压力过大，具备节能空间，可降低冷水泵转速，因此可将末端FCU对调节阀发出的开度指令K视为该末端对系统冷水流量需求的被控信号；

若末端开度指令K＜90％时，FCU将流量需求信号Q置0；若末端开度指令K＝100％时，FCU令流量需求信号Q为1，且通过Lora无线通信向OS主动发出流量呼叫信号，请求提高末端支路的资用压力；

若第j支路Q_j＝1，则说明该末端冷负荷对冷盘管供冷量的需求增加，相应的供水流量不足，要求提高末端供水的资用压力，保障该末端支路实际流量需求，为避免控制系统出现振荡，当90％＜K＜100％之间时维持水泵当前转速，保持当前冷水系统压力；若K≤90％，则视其资用压力冗余，逐步降低水泵转速，减少系统输送能耗，即当K从90％向＞90％升高时，Q_j继续维持为0，直至K＝100％时，Q_j方取值为1；当K从100％向90％降低时，Q_j持续维持为1，直至K＝90％时，Q_j方取值为0；

充分考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，OS中央控制器对系统所有末端FCU有效呼叫信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算；通过OS中央控制器内置数学模型编制程序，计算出设定周期内有效呼叫信号值之和∑Q_n且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较，当两者偏差值＞0时，由OS中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的调节控制，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当两者偏差值＜0时，由中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，当两者偏差值＝0时，OS中央控制器输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行；

(2)采用位式调节温控阀的系统控制策略：

位式调节的温控阀通过对阀体过流截面流体流通时间的通断式脉冲调节，实现供冷水量调节，流体在设定时间周期内的平均体积流量可以表示为时间的函数：

式中V为采样周期内流体平均体积流量，m³/s；τ为采样时间周期，s；V_n为流体瞬时流量，m³/s；t为时间变量，单位：s；

以夏季空调工况为例，当空调房间的温度高于设定值时，末端FCU向温控阀发出开阀指令信号N＝1；反之，当空调房间的温度低于设定值时，温控器则发出关阀指令信号N＝0；

在设定的采样时间周期τ内，末端FCU对输出的开阀指令N采集i次(i为预设的任意整数)进行累加计算得出该支路τ时间内的∑N_n；例如令i＝10，当获得的编号为j支路的FCU开关指令统计值∑N_j＝10，说明此时刻这台空调末端所在支路资用压力没有冗余，且难以排除系统欠流量的可能，故应增加系统水泵的运行转速，提高末端支路的资用压力，以保障该支路设计流量的要求；当∑N_j＝10时则令该支路流量需求信号Q_j置1，且通过Lora无线通信向智能主机发出呼叫信号，请求提高末端支路的资用压力；同理，若当j支路∑N_j≤9时则说明该末端支路尚有冗余压差，存在节能运行的空间，可令流量需求信号Q_j＝0；为避免控制系统的频繁振荡，当9＜∑N_j＜10区间，该支路流量需求信号Q_j则维持当前状态；

考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，OS中央控制器对系统所有末端FCU有效呼叫信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算；通过OS中央控制器内置数学模型编制程序，计算出设定周期内有效呼叫信号值之和∑Q_n且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较，当两者偏差值＞0时，由OS中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的调节控制，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当两者偏差值＜0时，由中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，可将降频运行的偏差值设为＜0，即当∑Q_n－Q_s＝0时，OS中央控制器输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行，既不增也不减；

(3)采用冷水系统节能控制的策略：

考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，中央控制计算机对冷水系统中所有末端现场控制单元输出的有效信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算，Q_n值与末端调节阀的规格型号、流量特性无关；中央控制计算机通过内置数学模型控制程序，计算出设定周期内有效信号Q_n值之和Q_t＝∑Q_n，且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较求得两者偏差值e＝Q_t－Q_s，当e＞0时，由中央控制计算机输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的调节控制，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当偏差值e＜0时，由中央控制计算机输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，当偏差值e＝0时，中央控制计算机输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行。

本发明还提供了用于实现上述方法的分布式集中空调的冷水系统控制装置，包括末端支路FCU控制器、智能主机、集中控制管理级中央控制器，末端支路FCU控制器配置有APP软件，兼容IOS和Android两种系统，用户可通过自备的智能手机扫描FCU机身上的二维码下载润风公司的APP手机软件，通过WIFI网络实现与FCU之间的人机对话，完成诸如温度设定，风速调节以及启动或关闭空调机组的控制，为用户提供更丰富的使用体验；末端支路FCU控制器具有Lora无线网络通信功能，基于Lora远距离无线通信技术与智能主机的Lora网关之间实现无线通信连接，完成数据互交通讯。

智能主机最大发射功率50mW，接收灵敏度达-120dBm，典型可视传输距离＞500米，建筑内可覆盖三个楼层。特点是在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍，比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的集合，智能主机的Lora网关与OS之间可通过光纤路由器实现通信连接，以实现信息交互，Lora报文分为上行和下行，上行从各FCU到智能主机Lora网关，下行从智能主机Lora网关到各末端支路的FCU，仅作为应答，智能主机集成Lora无线网关和服务器，既可单机独立运行，亦能通过以太网将多台智能主机连接成网并满足大规模应用，以及构成云端控制，其通信接口支持RJ45以太网络接口、RS485、Wi-Fi、2G/3G/4G版和光纤通讯实现与OS之间的通信连接。

集中控制管理级中央控制器的OS操作站主机通过光纤与智能主机构成通信，采用Modbus通讯协议工业现场控制总线RS485通信与冷源侧冷水循环泵配置的交流变频器完成信息互交；OS中央控制器对分布式控制系统末端FCU主动输出的呼叫信号Q_n有效值进行简单统计和分析，实现空调系统高效经济运行，从机理上有效地减少了分布控制级和集中监控级之间的传输数据量，使得控制系统更为简单明朗，迅速可靠，具有显著的节能效果和实际应用意义。

本发明采用了末端支路FCU控制器分布式控制和冷水循环泵调速集中管理的计算机控制系统，系统中各末端FCU通过其所对应支路的温控阀开度的调节实现冷盘管产冷量的控制，满足末端用户对空调服务质量的需求；当该支路冷水流量不足时，通过流量需求信号Q_n置1的输出，向集中管理的OS中央控制系统提出主动性有效呼叫。OS中央控制器通过内置数学模型编制程序，依据对系统所有末端FCU输出的有效呼叫信号值实施统计分析，与容忍允许值Q_s相比较之后同步优化调节水系统中冷水循环泵的运行频率，在满足用户空调服务质量的前提下，实现经济运行管理，获取节能运行收益。避免了集中控制系统对空调系统中所有末端支路DDC和温度控制器开度指令信号变化的被动式采样分析和统计计算，仅需对分布式控制系统末端FCU主动输出的呼叫信号进行简单统计和分析，即可实现空调系统高效经济运行的目的。由分布控制级和集中监控级组成的以无线/有线通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信(无线、有线)、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活，组态方便。在拥有数以百计末端支路的集中式空调系统中，不仅可有效地降低对数百甚至数千台末端换热器实施采样时间，还从机理上有效地减少了分布控制级和集中监控级之间的传输数据量，使得控制系统更为简单明朗，迅速可靠，具有显著的节能效果和实际应用意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种分布式集中空调的冷水系统控制方法，其特征在于，基于对事物本质的基本判断，系统中所有末端支路FCU控制器是由智能DDC数字控制器或智能温控器组成，末端FCU独立实施分布式控制，该末端FCU控制器内置智能PID控制器，采用反馈闭环自动控制技术以减少不确定性，通过测量被控温度变量的实际值，与用户设定值相比较，计算两者的偏差来纠正系统的响应，采用对温控调节阀开度的调节控制，实现对流经冷盘管的冷水流量q实施控制的目的；所述控制方法利用FCU分布式控制系统，由分布控制级和集中监控级共同组成的以无线/有线通信网络为纽带的多级计算机系统装置实现，所述控制装置包括末端支路FCU控制器、智能主机、集中控制管理级中央控制器；

所述末端支路FCU控制器是由智能DDC数字控制器或智能温控器组成，末端FCU核心部分内置PLC智能可编程逻辑控制器，用于内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟量输入/输出控制末端温度控制调节阀的开度调节，末端冷盘管依据房间实测温度值与用户设定温度值之间的偏差实现变流量运行；

所述集中控制管理级中央控制器，由一台管理计算机作为OS操作站主机，并配有彩色显示器，键盘，打印机等，对空调系统用冷侧末端FCU和冷源侧变频调速冷水泵进行集中监测、管理和操作，其完成对过程控制级的集中监测和管理；

所述智能主机，作为Lora无线网络通信系统的核心主控单元，用于现场无线通信网络覆盖、网络管理和系统配置，其具有现场网关、管理服务器等功能，并提供Web配置页面；

所述控制方法包括调节型温控阀指令信号所对应的连续调节温控阀系统控制策略、位式调节温控阀的系统控制策略与冷水系统节能控制的策略；

(1)采用连续调节温控阀系统控制策略：

当冷水系统的末端支路采用连续调节温控阀实施温度自动控制时，其本质是通过提高温控阀的相对开度，增加供冷水量，降低支路换热器冷水侧的平均温度，加大空气侧与冷水侧之间的换热温差，提高传至空气侧的冷量；反之则降低温控阀的相对开度，减少供冷水量，使得支路换热器水侧平均温度升高，空气侧与冷水侧之间的换热温差得以降低，减少传至空气侧的冷量；若末端服务区内被控温度偏离用户设定值，末端FCU则发出相应的阀门开度调节指令K，若开度指令K＝100％时，可视为该末端支路的资用压力没有冗余，且可能出现欠流量工况，需要提升该用户资用压力，增加末端流量；

若末端FCU发出的开度指令K＜90％，表明该末端支路的资用压力过大，具备节能空间，可降低冷水泵转速，因此可将末端FCU对调节阀发出的开度指令K视为该末端对系统冷水流量需求的被控信号；

若末端开度指令K＜90％时，FCU将流量需求信号Q置0；若末端开度指令K＝100％时，FCU令流量需求信号Q为1，且通过Lora无线通信向OS主动发出流量呼叫信号，请求提高末端支路的资用压力；

若第j支路Q_j＝1，则说明该末端冷负荷对冷盘管供冷量的需求增加，相应的供水流量不足，要求提高末端供水的资用压力，保障该末端支路实际流量需求；为避免控制系统出现振荡，当90％＜K＜100％之间时维持水泵当前转速，保持当前冷水系统压力；若K≤90％，则视其资用压力冗余，逐步降低水泵转速，减少系统输送能耗，即当K从90％开始升高时，Q_j继续维持为0，直至K＝100％时，Q_j方取值为1；当K从100％向90％降低时，Q_j持续维持为1，直至K＝90％时，Q_j方取值为0；

充分考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，OS中央控制器对系统所有末端FCU有效呼叫信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算；通过OS中央控制器内置数学模型编制程序，计算出设定周期内有效呼叫信号值之和∑Q_n且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较，当两者偏差值＞0时，由OS中央控制器输出优化后的控制信号，控制水泵变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的增量调节，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当两者偏差值＜0时，由中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，当两者偏差值＝0时，OS中央控制器输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行；

(2)采用位式调节温控阀的系统控制策略：

位式调节的温控阀通过对阀体过流截面流体流通时间的通断式脉冲调节，实现供冷水量调节，流体在设定时间周期内的平均体积流量可以表示为时间的函数：

式中V为采样周期内流体平均体积流量，m³/s；τ为采样时间周期，s；V_n为流体瞬时流量，m³/s；t为时间变量，s；

以夏季空调工况为例，当空调房间的温度高于设定值时，末端FCU向温控阀发出开阀指令信号N＝1；反之，当空调房间的温度低于设定值时，温控器则发出关阀指令信号N＝0；

在设定的采样时间周期τ内，末端FCU对输出的开阀指令N采集i次(i为预设的任意整数)进行累加计算得出该支路τ时间内的∑N_n；例如令i＝10，当获得的编号为j支路的FCU开关指令统计值∑N_j＝10，说明此时刻这台空调末端所在支路资用压力没有冗余，且难以排除系统欠流量的可能，故应增加系统水泵的运行转速，提高末端支路的资用压力，以保障该支路设计流量的要求；当∑N_j＝10时则令该支路流量需求信号Q_j置1，且通过Lora无线通信向智能主机发出呼叫信号，请求提高末端支路的资用压力；同理，若当j支路∑N_j≤9时则说明该末端支路尚有冗余压差，存在节能运行的空间，可令流量需求信号Q_j＝0；为避免控制系统的频繁振荡，当9＜∑N_j＜10区间，该支路流量需求信号Q_j则维持当前状态；

考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，OS中央控制器对系统所有末端FCU有效呼叫信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算；通过OS中央控制器内置数学模型编制程序，计算出设定周期内有效呼叫信号值之和∑Q_n且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较，当两者偏差值＞0时，由OS中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的增量调节，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当两者偏差值＜0时，由中央控制器输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，可将降频运行的偏差值设为＜0，即当∑Q_n－Q_s＝0时，OS中央控制器输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行，既不增也不减；实际工程应用数据显示：运行管理对系统中可容忍的不保障末端数量越多，系统服务质量就越差，客户满意度则越低，可获取的节能收益率越高；满足系统中所有末端服务质量工况下的经济运行指标相对要低一些；其控制指标取决于现场运行管理工程师对允许值Q_s设定值的取舍；

(3)采用冷水系统节能控制的策略：

考虑到同时满足系统中所有末端用户对冷水流量的要求，控制策略为：在设定的采样时间周期内，中央控制计算机对冷水系统中所有末端现场控制单元输出的有效信号Q_n值(1为有效，0为无效)进行统计计算，Q_n值与末端冷盘管和调节阀的规格型号、流量特性无关；中央控制计算机通过内置数学模型控制程序，计算出设定周期内有效信号Q_n值之和Q_t＝∑Q_n，且实施统计分析，并与运行管理工程师设定的允许值Q_s相比较求得两者偏差值e＝Q_t－Q_s，当e＞0时，由中央控制计算机输出优化后的控制信号，控制变频器同步提高水系统中在役冷水循环泵的转速，进而实现对冷水系统供水压力与流量的增量调节，保障系统中末端冷负荷的服务质量；当偏差值e＜0时，由中央控制计算机输出优化后的控制信号，控制变频器同步降低水系统中在役冷水循环泵的转速，实现节能经济运行的目的；为了有效控制系统供水压力的频繁振荡，当偏差值e＝0时，中央控制计算机输出的控制信号维持当前值不变，变频器继续以当前频率稳定运行。

2.用于实现权利要求1方法的分布式集中空调的冷水系统的控制装置，其特征在于，包括末端支路FCU控制器、智能主机、集中控制管理级中央控制器，末端支路FCU控制器配置有APP软件，兼容IOS和Android两种系统；

所述末端支路FCU控制器具有Lora无线网络通信功能，基于Lora远距离无线通信技术与智能主机的Lora网关之间实现无线通信连接，完成数据互交通讯；

所述智能主机的Lora网关与OS之间可通过光纤路由器实现通信连接，以实现信息交互，智能主机集成Lora无线网关和服务器，既可单机独立运行，亦能通过以太网将多台智能主机连接成网并满足大规模应用，以及构成云端控制，其通信接口支持RJ45以太网络接口、RS485、Wi-Fi、2G/3G/4G版和光纤通讯实现与OS之间的通信连接；

所述集中控制管理级中央控制器的OS操作站主机通过光纤与智能主机构成通信，采用Modbus通讯协议工业现场控制总线RS485通信与冷源侧冷水循环泵配置的交流变频器完成信息互交；OS中央控制器对分布式控制系统末端FCU主动输出的呼叫信号Q_n有效值进行简单统计和分析，实现空调系统高效经济运行。