中央空調自動控製係統
中央空調自控係統為生產工房工藝性空調係統提供恒溫恒濕自動化控製和節能控製，或為辦公樓宇空調係統提供舒適性辦公環境和節能控製。中央空調設備的風量、冷熱量、加濕量等裝機容量一般按最不利季節工況進行選型和配置，當室外氣象參數發生變化或生產車間負荷發生變化，中央空調係統的風量、冷熱量、加濕量需要進行調節才能消除室內的冷熱負荷、濕負荷，維持工藝所需的恒溫恒濕室內環境或滿足人體舒適的建築環境。中央空調係統是建築物內的能耗大戶，通過自動化控製手段降低運行能耗已成為中央空調係統必配的重要措施。
中央空調自控係統基於成熟的自控技術和工業互聯網技術，為分散在建築物不同區域的空氣處理機組（AHU）、新風機組（PAU）、風機盤管（FCU）、VAV末端裝置等設備配置現場自控係統，並通過工業級自控網絡或樓宇級自控網絡實現數據通訊、係統集成和集中管理。根據不同的應用場合和用戶需求，空調自控係統現場控製站可選擇工業級PLC控製器和樓宇級DDC控製器。
中央空調自控係統可以作為企業能源管控係統的一個子係統，也可以作為獨立係統進行集中管理和分散控製。中央空調自控係統為空調係統提供自動化運行、節能控製、故障診斷和遠程集中管理。
空調自控係統現場電控櫃
空調自控係統網絡結構設計遵循“分散控製、集中管理、綜合監控”的設計原則，空調自控係統采用集散式網絡拓撲結構。分布在各單體建築物的空調末端機組、新風機組、製冷機組就地設計PLC控製站，獨立完成本地監控功能。分布在現場的各PLC控製站通過ProfiNet工業以太環網連接在一起，光纖環網由工業級環網交換機、光纖介質、冗餘電源等設備組成，PLC控製站就近接入光纖環網交換機，實現各PLC控製站之間點對點通訊（Peer to Peer）。
在中控室為空調自控係統配置上位機工作站，實現廠區空調製冷係統的集中管理，上位機工作站通過信息層管理交換機與光纖環網上的交換機建立冗餘鏈路連接。空調自控係統網絡將所有的現場PLC控製站通過高速網絡連接組成一個有機整體，環網上任何一節點故障均不致影響係統的正常運行和數據傳輸。
中央空調製冷係統網絡結構拓撲圖
空調自控係統網絡結構由信息管理層、集中控製層和末端設備層組成。
信息管理層主要由實時數據庫服務器、SCADA數采服務器（冗餘配置）、操作員站、信息層網絡交換機設備等組成。信息管理層基於鏈路冗餘100/1000M Bit/s自適應以太通訊網絡構架，信息管理層設備通過以太網交換數據信息。信息管理層的操作員工作站與服務器之間采用C/S與B/S相結合的模式。C/S模式下，通過空調自控係統的多台操作員站（上位機），由操作人員負責監控管理整個廠區空調製冷係統的設備運行。B/S模式下，空調自控係統對外提供WEB發布功能，允許授權用戶在全廠網絡連接到的任何地方查看空調製冷自控係統的過程參數、流程圖形和統計分析數據，
集中監控層由工業以太網交換機構成的ProfiNet工業以太環
網、PLC控製站、現場觸摸屏等設備組成。工業以太環網以光纖作為連接介質，配備冗餘電源，冗餘介質，保證主幹網絡穩定可靠的通訊。工業以太網采用千兆互連、百兆到設備，主幹網交換機互連光纖通訊速率達到1000Mbps，集中監控層環網交換機采用三層以上管理型交換機。
末端設備層主要由設備層交換機、動力啟動櫃、現場操作終端、分布式 I/O站、PLC控製從站、變頻器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量計、電動閥/電磁閥、調節閥以及獨立單機設備自控等組成。對數據采集類不參與控製的監測點，配置帶有DP/PA/FF或Modbus通訊協議的儀器儀表，各種網絡接線配置原廠網絡接頭、PA網絡T形轉接頭和終端電阻以及協議轉換模塊，保障數據通訊的穩定安全；對參與控製的檢測點，主要選用4～20mA DC輸出的傳感器和儀器儀表。
1. 監測功能及數據采集
車間（室內）溫濕度參數監測；
空調機組新風、回風、混風、送風溫濕度參數監測；
空調機組表冷出風、加熱出風溫濕度監測；
空調機組新風閥、排風閥、回風閥、表冷閥、加熱閥、加濕閥開度監測；
空調換熱盤管冷熱水供回水回路、蒸汽供汽管路的溫度、壓力監測；
空調係統新風量、送風量監測；
過濾器壓差、送回風機壓差監測；
2. 通訊集成
與每台冷水機組自帶控製器（ModBus-RTU等）通訊集成，讀取冷水機組內部運行參數，並實現冷凍供水溫度再設定功能。冷水機組內部運行參數包括：蒸發溫度和壓力、冷凝溫度和壓力、油槽溫度和油泵壓差、壓縮機馬達電流/電壓和電流百分比、機組運行時間和啟停次數、機組運行故障信息等；
與冷凍泵、冷卻泵變頻器通訊集成，讀取變頻器內部運行參數，並實現水泵變頻控製。變頻器內部運行參數包括：電流、電壓、頻率、功率、功率因數、累計消耗電能、單位時間能耗、累計運行時間、上電次數、散熱器溫度、轉矩、加減速時間、本地遠程狀態、故障信息等；
與製冷站流量計（ProfiBus-PA/DP、ModBus-RTU等）通訊集成，實時監測、顯示每台流量計的瞬時流量、累計流量等參數。
空調PLC控製櫃
空調變頻啟動櫃
3. 控製功能
車間（室內）恒溫恒濕自動控製：采用全年多工況分區控製策略，當室外氣象參數發生變化和車間生產負荷發生變化時，自控係統維持室內溫濕度參數在控製精度範圍內。
空調送回風機變頻節能控製：根據允許的最大送風溫差和最小空調換氣次數要求，對空調係統進行變風量節能控製；對於帶VAV變風量末端裝置的空調係統，根據送風靜壓對空調係統進行變風量節能控製。
空調係統與調節機構聯鎖控製：空調風機停止運行時，新風閥、排風閥全關、回風閥全開、表冷閥/加熱閥/加濕閥全關，高壓微霧加濕器停止運行。
發生火災報警時，空調機組禁止運行。
過濾器壓差、送回風機壓差監測；
送回風機、高壓微霧加濕器運行狀態及故障狀態監測；
送回風防火閥狀態、消防報警狀態監測；
4. 空調係統監控原理圖
工藝性空調係統（送/回風機型）監控原理圖
工藝性空調係統（單送風機型）監控原理圖
新風空調係統監控原理示意圖
1. 全年多工況分區恒溫恒濕節能控製策略
工藝性空調係統為滿足室內全年的恒溫恒濕控製精度指標，配備了眾多的空氣熱濕處理手段，如圖所示。常見的有表冷器（降溫除濕）、加熱器（升溫）、幹蒸汽加濕器、高壓噴霧（等焓、冷卻加濕）、新風/回風/排風閥、風機變頻等，這些調節機構為空調自控係統在不同季節提供了溫濕度控製手段。
空調自控係統的控製回路一般由溫度和濕度控製回路組成，根據PID調節回路控製邏輯，在某一特定時刻溫度和濕度控製回路的PID輸出信號應指向唯一的執行機構。因此，自控係統應根據室外季節氣候條件和車間熱濕負荷變化來優化各種熱濕處理手段的組合，找準各種室內外工況條件下的最佳溫濕度控製回路的執行機構，以保證車間溫濕度控製精度的目標實現，並最大限度的節省空調係統的運行能耗。
空調溫濕度PID控製回路
全年多工況分區焓濕圖分析
除濕與加濕分區邊界：
當新回風混合狀態點（C）的含濕量大於或等於送風狀態點（O）的含濕量，即dC≥dOS時，此季節工況應對空氣進行除濕處理，否則應對空氣進行加濕處理。
加熱與冷卻分區邊界：
當新回風混合狀態點（C）的溫度大於或等於送風狀態點（O）的溫度，即tC≥tOS時，此工況應對空氣進行冷卻處理，否則應對空氣進行加熱處理。
新回風比節能控製原則：
除濕季節工況，若室外空氣的焓值大於或等於回風空氣的焓值，即iW≥iR時，采用最小新風；若iW＜iR，采用最大新風。加濕季節工況，視情況采用最小新風或調節新回風比。
根據上述全年多工況分區原則，如含濕圖所示，針對某特定的工藝性空調係統根據空氣熱濕處理機理在焓濕圖（i-d）上將全年分成九個工況區域。舉例說明某些工況區域的溫濕度控製策略如下
2. 串級調節策略
工業企業生產車間內工藝設備產熱量大，車間溫濕度場在水平和垂直方向上均存在不均勻性，空調係統的回風溫濕度不能代表車間內部溫濕度參數，因此常在車間內部布置室內溫濕度傳感器。由於空調送風達到車間溫濕度傳感器位置需要一定的時間延遲，為防止因滯後時間導致的溫濕度超調現象，因此將送風溫濕度參數作為中間變量進行串級控製，可以提高空調自控係統的動態調節品質。
如下圖所示，車間（室內）相對濕度控製回路為串級控製的主回路，送風相對濕度控製回路為串級控製的副回路。主回路PID運算的輸出值作為副回路的設定值，由副回路的PID運算直接控製相對濕度控製回路的執行機構（如表冷除濕閥、幹蒸汽加濕閥等）。
相對濕度串級調節原理圖
3. 空調變風量節能控製策略
空調係統送風量一般是按夏季設計工況的室內冷負荷進行選型的。當室外氣象條件偏離夏季設計工況或車間生產負荷變小時，如果空調係統采用定風量運行，一方麵浪費風機電耗，另一方麵在除濕季節空調係統會出現再熱現象，造成冷熱抵消，浪費能源。根據風機性能公式，風機功率消耗與轉速近似三次方的正比關係，當風量減少到原設計風量80%時，風機功率消耗減少到原設計功率51.2%。
空調係統送風量（L）可用下述公式表示：
對於室內空調負荷QX一定的情況下，送風溫差△t=︱tN－tO︱越大，空調係統所需要的風量L越小。因此，自控係統采用“最大送風溫差”控製策略顯然能將空調係統送風量維持在最小狀態，並在策略下製定各季節工況下的最優送風溫濕度設定值。
4. 空調係統與冷凍站聯合運行節能控製策略
空調末端係統與製冷站聯合運行綜合節能控製由5大環節組成，最終為車間提供恒溫恒濕空調環境，每個環節均對應各自的節能控製策略。製冷站將冷凍水提供給空調機組表冷器，兩者之間進行變流量（量調節）、變水溫（質調節）節能調節過程。
空調製冷係統聯合運行綜合節能控製路線圖
長期以來，空調自控係統一致沿用經典的PID閉環控製技術，由於空調係統具有大慣性、大滯後固有特征，空調係統溫濕度參數對於幹擾變化的響應比較遲鈍，即係統的時間常數很大。PID閉環控製技術作為反饋型、事後糾偏控製方法在用於空調係統控製時存在先天性不足。近幾年隨著數字化技術、人工智能技術、工業互聯網技術的發展，空調自控係統的智能化升級迎來了新的發展機會。
1. 空調自控係統數字孿生仿真預測模型
空調自控係統仿真預測模型通過對被控車間、空調機組（表冷器、加熱器、幹蒸汽加濕器和高壓微霧加濕器）、控製環節（傳感器、PID控製器、執行機構）的機理建模、大數據建模，在滿足車間溫濕度控製精度的前提下，對表冷、加熱、加濕（幹蒸汽、高壓微霧）的調節範圍進行預測、對最優冷凍供水溫度、空調最優啟停時間、最優空調能源消耗進行預測，實現空調係統仿真數據與實際運行的數據孿生，實現執行機構調節範圍預測控製與PID閉環控製相融合的智能化控製，提高空調溫濕度控製的穩定性和控製精度，節省空調係統的運行能耗。
空調自控係統仿真預測模型的輸入輸出參數與下圖中空調自控係統的IO監控點相匹配。
恒溫恒濕房間的溫濕度仿真模型：
空調機組仿真模型（以表冷換熱盤管為例）：
表冷盤管空氣側的換熱微分方程：
表冷盤管水側的換熱微分方程：
自控係統PID控製器的仿真模型如下：
將恒溫恒濕房間、空調機組與自控環節的仿真模型連接在一起，進行聯合求解，便可實現空調係統仿真運行與實際運行的數字孿生。聯合求解時，同樣需要全年多工況分區控製策略，將PID仿真模型的輸出值與對應的執行對象（表冷、加熱、加濕）的仿真模型連接上。
自控環節與被控空調機組仿真模型聯合求解方塊圖
2. 仿真模型與自控係統融合應用
空調係統仿真模型的基礎參數（室外溫濕度參數、車間工藝設備的用電量等）基於底層空調控製係統的實時監控數據，仿真模型的輸出參數直接參與底層的控製過程，並實現與傳統PID控製技術的容錯和融合。通過仿真模型的數字化孿生，提供空調係統的負荷預測和能耗預測；實現電動執行機構（如調節閥、變頻器）調節範圍預測前饋控製與PID反饋控製融合的智能化精準控製；通過預測數據與係統實際運行數據的比對，分析係統的能效狀態和潛在的故障征兆，為空調設備的預防性維護提供技術手段。