力控在医院楼宇自控系统中的应用
文章来源：MM现代制造
发布时间：2010-08-05
一、工程概况及主要控制内容
大庆市人民医院建于2000年七月，总建筑面积六万五千七百五十平方米。共有大型中央空调机组十四台。冷水机组两台。空调系统包括6台万级空调机组、5台百级空调机组及3台新风机组。万级空调机组服务于万级及十万级手术室，百级空调服务于百级手术室及辅助区域，所有机组分布于大楼内各空调机房内。除对空调系统进行控制外，还要求对门诊大厅及工作区的日常照明进行统一管理和控制。
1．空调系统
空调系统的主要作用是维持室内的恒温、恒湿。对于洁净空调还要担负起区域内空气净化的重任。空调系统主要是控制对制冷、预热、加热、加湿阀门的开度来调节温度和湿度。因为空气的升温和降温过程缓慢，要注意不能出现超调。另外对温度、湿度、压力等数值要进行监视和记录，便于通过对长期曲线的分析，找到最佳运行方式。
另外，本系统服务于医院，具有工作性质上的特殊性。对空调机组的控制，主要实现如下的功能。
控制送风机的启停；
通过常开无源触点监测送风机电气部分运行状态及故障报警；
监测初效及中效过滤器淤塞报警状态，确保机组正常运行，节省日常巡检人力；
监测送风机压差，确定送风机机械部分运行状态；
监测换热器表面温度，过低温度报警并联动相关设备，确保换热器使用安全；
监测送/回风温/湿度；
根据回风温度控制预热盘管水阀的开度，将新回风混合后温度维持为一定值；
通过对加热盘管及表冷盘管二通电动调节阀的自动调整，实现对送风温度（设定点可调整）的控制
通过控制加湿蒸汽阀的开度，实现对送风湿度（设定点可调整）的控制；
监测手术室中的环境压力，当低于所要求正压值时向工作人员发出报警；
控制预处理新风风阀及回风风阀的开度；
冷水机组
冷水机组在夏季为空调系统提供冷水，在空调系统所消耗的冷量中，冷水机组所消耗的能量占有很大比重，因此，冷水机组是空调系统的耗能大户，控制系统设计的优劣将直接影响节能效果。冷水机组共有2台冷冻机组，2台冷却风扇，3台冷却泵，3台冷冻泵。冷水机组常规监控功能有：
控制冷冻机启停，监测运行状态及故障报警；
控制冷冻水泵启停，监测水泵的运行状态及故障报警；
控制冷却水泵启停，监测水泵运行状态及故障报警；
测量冷冻水管的总供/回水压力；
控制冷却塔风机启停，监测运行状态及故障报警；
控制补水泵启停，监测运行状态及故障报警；
监测膨胀水箱高/低液位；
监测冷冻/冷却水水流状态；
监测冷冻水、冷却水供/回水温度；
监测冷冻水回水流量；
冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵、补水泵、冷却塔运行时间累积；
通过计算冷冻水的总供／回水温度和回水流量，计算出空调系统的冷负荷；
根据实际冷负荷来决定冷冻机的启停组合及台数，以便达到最佳的节能效果；
根据冷却水供回水温度，控制冷却塔风机的启停及运行数量；
控制冷冻水旁通阀的开度，以维持要求的供回水压差。
3．照明系统
医院的照明系统分13个区域。要求对各区域的照明能够单独控制，并可在控制室内监视各区照明状态。按预定时间自动开启和关闭照明；按照日历上确定的程序，区分工作与非工作时间。
二、控制方案及实现方法
1.控制方案
目前空调控制系统主要有直接数字控制器（DDC）和现场总线两种控制方式。基于DDC控制的简便、灵活，结合本系统控制点数较少，而各空调系统及冷冻机组距中央控制室较远（最远为1100米）的实际情况，我们采用了DDC控制方式。虽然1个DDC的输入输出点数不能满足每个系统的要求，但是因为DDC具有较强的扩展能力，能够挂接不同类型的扩展模块，I/O点数量也能满足要求，完全可以满足DDC联网的要求。
DDC分配方案：
每个空调机组使用一台DDC来控制本机组的运行；冷水机组和照明系统各使用一台DDC进行控制。除照明系统外，在各机房内都安装了DDC控制柜。
特殊要求：
方案设计时要考虑到医院工作的一些特殊性。
照明区域划分要适当，过大不利于控制，过小又会增加控制成本。合理的区域划分能有效地节约能源。对急诊等重要部位不要进行自动控制。
在东北地区，外界环境对空调系统的影响比较大。向阳面和背阳面有较大的温度差异，特别在较大区域面积使用同一空调机组时尤为明显，在设计时，要考虑到相同环境使用同一空调机组。另外，面积较大时温度变化缓慢，冷热空气混合不均，控制时速度要适当放慢。
在不得已出现手动控制的情况下，应及时屏蔽掉时间表控制方式，防止手术期间出现净化空调停运的情况。
在冬季运行时，可能会因发生防冻报警而停机，而在进行手术时又不能停止净化。所以采取了在新风入口处增加一个混合箱，将回风引入混合箱的措施，这样使新风和回风得到充分混合，再进入机组时，就不会因新风温度过低而引起报警。
2. 空调机组
以往的楼宇自控系统中，要使用通信控制器（NCU或NCM）来完成操作站与直接数字控制器（DDC）间的通讯，再由NCU接入计算机，NCU中储存有历史数据和部分程序。因为DDC的存储器容量较小，不能储存大量的数据和复杂的程序，因此用脚本程序替代NCU中的程序，利用力控®软件的人机界面和实时数据库保存数据，把DDC直接与计算机相连，直接将数据送入计算机操作站，取代通信控制器NCU。
DDC内要存储冬季和夏季两套程序，再相应季节进行手动转换。
空调系统控制还要对一些机组的故障进行报警提示，对于某些特殊的报警还要自动进行紧急处理。例如，冬季发生低温断路报警时要紧急停机，并将预热、加热阀门打开。并且报警不能自动复位，必须在现场进行复位。复位后风机恢复原运行状态。这主要针对北方冬季天气较冷，新风进入风机时并不是和回风均匀地混合，会发生换热器表面局部低温的现象，如果持续时间长，极易损坏换热器。
3. 冷水机组
冷水机组的控制比空调系统要复杂，控制程序较大，另外还有数据的运算处理。在本系统中，2台冷冻机具备单独的控制和保护功能，是通过西门子PLC来完成的，虽然提供了常开接点作为自动启停控制的接入点和两对220V~常开有源接点作为状态指示和故障报警，但DDC的接点是无源的，因此要使用220V~中间继电器转换。
冷水机组的控制重点是冷冻机的选择性启动、启停顺序控制和延时以及发生故障时的自动切换。为了延长设备的使用寿命，在启动的设备数量不是全部系统设备时，要进行选择启动，启动累计运行时间最短的设备。
冷冻机启动时要求水必须是流动的，否则会迅速结冰，损坏冷冻机。流入冷冻机的水还要有温度限制，一般控制在5℃－30℃之间。因此，冷水机组在启动时要遵循特定的顺序：冷却塔风扇－冷却泵－冷冻泵－冷冻机组；关闭顺序相反。冷冻机关闭后，冷冻泵和冷却泵还要继续运行一段时间，充分利用系统的冷量。另外，冷水机组的各设备功率都较大，不能同时启动，要有一定延时。冷冻机组在启动30秒内如果没有启动状态返回，则认为启动失败，在五分钟内不允许再次启动。
在冷水机组运行中有设备意外停机时，系统可自动启动备用设备。另外，对已确认的故障设备还可在操作站做出故障标记，这样系统在启动时会自动将此设备忽略。
在冷水机组的控制中，DDC只进行顺序启停控制和故障报警发生时的停机控制。而所需冷量的计算、决定启动机组台数、各设备运行时间累计等功能都由力控来完成。
4. 照明系统
一个DDC的DI及DO点数不足，但通过增加两组扩展模块，可使DI、DO点分别增加至16点。因此仍可采用DDC进行控制，将照明控制箱设在操作室内，该控制箱只输出220V~。在各照明分区的照明就地控制箱内增加220V交流接触器，避免强电进入控制箱。在就地控制箱还增加了自动/手动转换开关，这样在出现事故时，仍可正常供电。
三、主要功能实现方法
用力控软件代替NCU后，控制功能就通过脚本程序实现。
定时控制
按预设定好的时间表执行启停命令。使用力控软件的定时器函数（Reachtime）可以很容易地实现定时功能。该函数语法ReachTime(hour，minute)，当时间到达后返回值为真，否则为假。其中hour为小时值，取值为0～23，－1则表示任何一小时；minute是分钟值，取值为0～59。具体方法是：
IF
Timer==1&&Reachtime(k3_on_h,k3_on_m) THEN KS=1 ENDIF;
IF
Timer==1&&Reachtime(k3_of_h,k3_of_m) THEN KT=1 ENDIF;
Timer：值为“0”时，系统时间表不生效,“1”时生效；
k3_on_h、k3_on_m；
k3_of_h、k3_of_m均定义为中间变量，分别代表K3空调机组的启、停时间。
KS、KT为系统的启动和停止输出。
冷水机组的选择启动
要实现选择启动就要先累计各设备运行时间，再根据室温及外界环境温度算出冷量，再根据计算结果和设备的功率得出需要的设备数。每立方米的空气升高1度所需要的能量换算为功率值大约为3.3千瓦。
在运行过程中，随时根据供回水的温度和水流量计算出系统消耗的冷量，当空调系统消耗的冷量小于目前运行冷冻机所提供的冷量，并符合减少设备的条件时，自动关闭累计运行时间长的冷冻机组。
冷水机组压差旁路系统
为使冷水机组的供、回水压差保持在设定处，要采用PID控制的方式。我们使用DB的控制点来完成。
首先进入数据库组态，创建新点时，点类型选择“控制点”，在点组态中可输入相应参数。对于其他的PID控制过程也采用这种方式。
设备无响
在冷水机组控制中，系统每发出一个设备启、停命令都会对其计时，如果在规定时间内，设备状态回讯没有改变则认为该设备无响应。系统会中止启动或停止过程。
在编写脚本程序时，我们使用IF语句进行条件判断。例如启动1台冷冻机组的脚本程序：
IF （(PUMP1==1 ||
PUMP==1 PUMP3==1)&&COOLER1S==1）
THEN COOLER1N=1；
ENDIF;有冷冻泵运行且有启动命令，则发出启动输出
IF
COOLER1==1&&COOLER1H==0&&CL1TM<=90
THEN
CL1TM=CL1TM+1；
ENDIF;无状态回讯，一直计时
IF CL1TM>90 &&
COOLER1==1
THEN COOLER1F=1
CL1TM=1；
Display("启动失败")；
BEEP(0)；
ENDIF;超过计时时间，1#冷冻机停机
IF
COOLER1H==1&&CL1TM<=90
ENDIF；正常启动，计时复位
以上是1#冷冻机启动的部分程序，其中
COOLER1S：启动命令；COOLER1N：启动输出；PUMP：冷冻泵的状态回讯
COOLER1H：1#冷冻机的状态回讯;
COOLER1F：停机输出。
脚本程序是控制的核心，画面的组态则建立了人机界面。图3所示的是其中一幅新风处理机控制画面。
历史数据和趋势
对于空调系统历史数据及趋势至关重要，通过长期的趋势曲线，可以很好地反映机组的工作状况。使用力控®的标准趋图形对象和实时数据库可以实现历史数据的保存和趋势检索。
四、系统运行效果及发展前景
本系统自2000年7月投入使用以来，系统运行稳定，实现了所有预期功能，并与本建筑项目共同获得国家建筑鲁班奖。在手术室等要求长期恒温部位实测温度，与设定温度点偏差小于1.5
度；冷冻机组自动运行比手动控制节能约30%；照明进行自动统一管理后，杜绝了长明灯等浪费现象。
力控软件在楼宇系统中的应用，充分体现了实时多任务、高开放性、高稳定性的特点。
该系统所具有的可扩展性，可以将大厦的停车场系统、电梯系统、安保监控系统、自动门禁系统等全部接入到控制中心的操作站上，利用DB的实时性和开放性，可以使大厦的管理者得到大厦的所有数据。还可以以本系统作为基础，将各操作站通过以太网或Internet连在一起，构成更大的网络系统。如果在同一地区有多个使用力控®软件管理的楼宇，还可利用力控的网络功能，将数据统一管理，并能根据对历史趋势的分析，更有效地调配能源和节约能源。
大庆市人民医院建于2000年七月，总建筑面积六万五千七百五十平方米。共有大型中央空调机组十四台。冷水机组两台。空调系统包括6台万级空调机组、5台百级空调机组及3台新风机组。万级空调机组服务于万级及十万级手术室，百级空调服务于百级手术室及辅助区域，所有机组分布于大楼内各空调机房内。除对空调系统进行控制外，还要求对门诊大厅及工作区的日常照明进行统一管理和控制。
1．空调系统
空调系统的主要作用是维持室内的恒温、恒湿。对于洁净空调还要担负起区域内空气净化的重任。空调系统主要是控制对制冷、预热、加热、加湿阀门的开度来调节温度和湿度。因为空气的升温和降温过程缓慢，要注意不能出现超调。另外对温度、湿度、压力等数值要进行监视和记录，便于通过对长期曲线的分析，找到最佳运行方式。
另外，本系统服务于医院，具有工作性质上的特殊性。对空调机组的控制，主要实现如下的功能。
控制送风机的启停；
通过常开无源触点监测送风机电气部分运行状态及故障报警；
监测初效及中效过滤器淤塞报警状态，确保机组正常运行，节省日常巡检人力；
监测送风机压差，确定送风机机械部分运行状态；
监测换热器表面温度，过低温度报警并联动相关设备，确保换热器使用安全；
监测送/回风温/湿度；
根据回风温度控制预热盘管水阀的开度，将新回风混合后温度维持为一定值；
通过对加热盘管及表冷盘管二通电动调节阀的自动调整，实现对送风温度（设定点可调整）的控制
通过控制加湿蒸汽阀的开度，实现对送风湿度（设定点可调整）的控制；
监测手术室中的环境压力，当低于所要求正压值时向工作人员发出报警；
控制预处理新风风阀及回风风阀的开度；
冷水机组
冷水机组在夏季为空调系统提供冷水，在空调系统所消耗的冷量中，冷水机组所消耗的能量占有很大比重，因此，冷水机组是空调系统的耗能大户，控制系统设计的优劣将直接影响节能效果。冷水机组共有2台冷冻机组，2台冷却风扇，3台冷却泵，3台冷冻泵。冷水机组常规监控功能有：
控制冷冻机启停，监测运行状态及故障报警；
控制冷冻水泵启停，监测水泵的运行状态及故障报警；
控制冷却水泵启停，监测水泵运行状态及故障报警；
测量冷冻水管的总供/回水压力；
控制冷却塔风机启停，监测运行状态及故障报警；
控制补水泵启停，监测运行状态及故障报警；
监测膨胀水箱高/低液位；
监测冷冻/冷却水水流状态；
监测冷冻水、冷却水供/回水温度；
监测冷冻水回水流量；
冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵、补水泵、冷却塔运行时间累积；
通过计算冷冻水的总供／回水温度和回水流量，计算出空调系统的冷负荷；
根据实际冷负荷来决定冷冻机的启停组合及台数，以便达到最佳的节能效果；
根据冷却水供回水温度，控制冷却塔风机的启停及运行数量；
控制冷冻水旁通阀的开度，以维持要求的供回水压差。
3．照明系统
医院的照明系统分13个区域。要求对各区域的照明能够单独控制，并可在控制室内监视各区照明状态。按预定时间自动开启和关闭照明；按照日历上确定的程序，区分工作与非工作时间。
二、控制方案及实现方法
1.控制方案
目前空调控制系统主要有直接数字控制器（DDC）和现场总线两种控制方式。基于DDC控制的简便、灵活，结合本系统控制点数较少，而各空调系统及冷冻机组距中央控制室较远（最远为1100米）的实际情况，我们采用了DDC控制方式。虽然1个DDC的输入输出点数不能满足每个系统的要求，但是因为DDC具有较强的扩展能力，能够挂接不同类型的扩展模块，I/O点数量也能满足要求，完全可以满足DDC联网的要求。
DDC分配方案：
每个空调机组使用一台DDC来控制本机组的运行；冷水机组和照明系统各使用一台DDC进行控制。除照明系统外，在各机房内都安装了DDC控制柜。
特殊要求：
方案设计时要考虑到医院工作的一些特殊性。
照明区域划分要适当，过大不利于控制，过小又会增加控制成本。合理的区域划分能有效地节约能源。对急诊等重要部位不要进行自动控制。
在东北地区，外界环境对空调系统的影响比较大。向阳面和背阳面有较大的温度差异，特别在较大区域面积使用同一空调机组时尤为明显，在设计时，要考虑到相同环境使用同一空调机组。另外，面积较大时温度变化缓慢，冷热空气混合不均，控制时速度要适当放慢。
在不得已出现手动控制的情况下，应及时屏蔽掉时间表控制方式，防止手术期间出现净化空调停运的情况。
在冬季运行时，可能会因发生防冻报警而停机，而在进行手术时又不能停止净化。所以采取了在新风入口处增加一个混合箱，将回风引入混合箱的措施，这样使新风和回风得到充分混合，再进入机组时，就不会因新风温度过低而引起报警。
2. 空调机组
以往的楼宇自控系统中，要使用通信控制器（NCU或NCM）来完成操作站与直接数字控制器（DDC）间的通讯，再由NCU接入计算机，NCU中储存有历史数据和部分程序。因为DDC的存储器容量较小，不能储存大量的数据和复杂的程序，因此用脚本程序替代NCU中的程序，利用力控®软件的人机界面和实时数据库保存数据，把DDC直接与计算机相连，直接将数据送入计算机操作站，取代通信控制器NCU。
DDC内要存储冬季和夏季两套程序，再相应季节进行手动转换。
空调系统控制还要对一些机组的故障进行报警提示，对于某些特殊的报警还要自动进行紧急处理。例如，冬季发生低温断路报警时要紧急停机，并将预热、加热阀门打开。并且报警不能自动复位，必须在现场进行复位。复位后风机恢复原运行状态。这主要针对北方冬季天气较冷，新风进入风机时并不是和回风均匀地混合，会发生换热器表面局部低温的现象，如果持续时间长，极易损坏换热器。
3. 冷水机组
冷水机组的控制比空调系统要复杂，控制程序较大，另外还有数据的运算处理。在本系统中，2台冷冻机具备单独的控制和保护功能，是通过西门子PLC来完成的，虽然提供了常开接点作为自动启停控制的接入点和两对220V~常开有源接点作为状态指示和故障报警，但DDC的接点是无源的，因此要使用220V~中间继电器转换。
冷水机组的控制重点是冷冻机的选择性启动、启停顺序控制和延时以及发生故障时的自动切换。为了延长设备的使用寿命，在启动的设备数量不是全部系统设备时，要进行选择启动，启动累计运行时间最短的设备。
冷冻机启动时要求水必须是流动的，否则会迅速结冰，损坏冷冻机。流入冷冻机的水还要有温度限制，一般控制在5℃－30℃之间。因此，冷水机组在启动时要遵循特定的顺序：冷却塔风扇－冷却泵－冷冻泵－冷冻机组；关闭顺序相反。冷冻机关闭后，冷冻泵和冷却泵还要继续运行一段时间，充分利用系统的冷量。另外，冷水机组的各设备功率都较大，不能同时启动，要有一定延时。冷冻机组在启动30秒内如果没有启动状态返回，则认为启动失败，在五分钟内不允许再次启动。
在冷水机组运行中有设备意外停机时，系统可自动启动备用设备。另外，对已确认的故障设备还可在操作站做出故障标记，这样系统在启动时会自动将此设备忽略。
在冷水机组的控制中，DDC只进行顺序启停控制和故障报警发生时的停机控制。而所需冷量的计算、决定启动机组台数、各设备运行时间累计等功能都由力控来完成。
4. 照明系统
一个DDC的DI及DO点数不足，但通过增加两组扩展模块，可使DI、DO点分别增加至16点。因此仍可采用DDC进行控制，将照明控制箱设在操作室内，该控制箱只输出220V~。在各照明分区的照明就地控制箱内增加220V交流接触器，避免强电进入控制箱。在就地控制箱还增加了自动/手动转换开关，这样在出现事故时，仍可正常供电。
三、主要功能实现方法
用力控软件代替NCU后，控制功能就通过脚本程序实现。
定时控制
按预设定好的时间表执行启停命令。使用力控软件的定时器函数（Reachtime）可以很容易地实现定时功能。该函数语法ReachTime(hour，minute)，当时间到达后返回值为真，否则为假。其中hour为小时值，取值为0～23，－1则表示任何一小时；minute是分钟值，取值为0～59。具体方法是：
IF
Timer==1&&Reachtime(k3_on_h,k3_on_m) THEN KS=1 ENDIF;
IF
Timer==1&&Reachtime(k3_of_h,k3_of_m) THEN KT=1 ENDIF;
Timer：值为“0”时，系统时间表不生效,“1”时生效；
k3_on_h、k3_on_m；
k3_of_h、k3_of_m均定义为中间变量，分别代表K3空调机组的启、停时间。
KS、KT为系统的启动和停止输出。
冷水机组的选择启动
要实现选择启动就要先累计各设备运行时间，再根据室温及外界环境温度算出冷量，再根据计算结果和设备的功率得出需要的设备数。每立方米的空气升高1度所需要的能量换算为功率值大约为3.3千瓦。
在运行过程中，随时根据供回水的温度和水流量计算出系统消耗的冷量，当空调系统消耗的冷量小于目前运行冷冻机所提供的冷量，并符合减少设备的条件时，自动关闭累计运行时间长的冷冻机组。
冷水机组压差旁路系统
为使冷水机组的供、回水压差保持在设定处，要采用PID控制的方式。我们使用DB的控制点来完成。
首先进入数据库组态，创建新点时，点类型选择“控制点”，在点组态中可输入相应参数。对于其他的PID控制过程也采用这种方式。
设备无响
在冷水机组控制中，系统每发出一个设备启、停命令都会对其计时，如果在规定时间内，设备状态回讯没有改变则认为该设备无响应。系统会中止启动或停止过程。
在编写脚本程序时，我们使用IF语句进行条件判断。例如启动1台冷冻机组的脚本程序：
IF （(PUMP1==1 ||
PUMP==1 PUMP3==1)&&COOLER1S==1）
THEN COOLER1N=1；
ENDIF;有冷冻泵运行且有启动命令，则发出启动输出
IF
COOLER1==1&&COOLER1H==0&&CL1TM<=90
THEN
CL1TM=CL1TM+1；
ENDIF;无状态回讯，一直计时
IF CL1TM>90 &&
COOLER1==1
THEN COOLER1F=1
CL1TM=1；
Display("启动失败")；
BEEP(0)；
ENDIF;超过计时时间，1#冷冻机停机
IF
COOLER1H==1&&CL1TM<=90
ENDIF；正常启动，计时复位
以上是1#冷冻机启动的部分程序，其中
COOLER1S：启动命令；COOLER1N：启动输出；PUMP：冷冻泵的状态回讯
COOLER1H：1#冷冻机的状态回讯;
COOLER1F：停机输出。
脚本程序是控制的核心，画面的组态则建立了人机界面。图3所示的是其中一幅新风处理机控制画面。
历史数据和趋势
对于空调系统历史数据及趋势至关重要，通过长期的趋势曲线，可以很好地反映机组的工作状况。使用力控®的标准趋图形对象和实时数据库可以实现历史数据的保存和趋势检索。
四、系统运行效果及发展前景
本系统自2000年7月投入使用以来，系统运行稳定，实现了所有预期功能，并与本建筑项目共同获得国家建筑鲁班奖。在手术室等要求长期恒温部位实测温度，与设定温度点偏差小于1.5
度；冷冻机组自动运行比手动控制节能约30%；照明进行自动统一管理后，杜绝了长明灯等浪费现象。
力控软件在楼宇系统中的应用，充分体现了实时多任务、高开放性、高稳定性的特点。
该系统所具有的可扩展性，可以将大厦的停车场系统、电梯系统、安保监控系统、自动门禁系统等全部接入到控制中心的操作站上，利用DB的实时性和开放性，可以使大厦的管理者得到大厦的所有数据。还可以以本系统作为基础，将各操作站通过以太网或Internet连在一起，构成更大的网络系统。如果在同一地区有多个使用力控®软件管理的楼宇，还可利用力控的网络功能，将数据统一管理，并能根据对历史趋势的分析，更有效地调配能源和节约能源。
获取更多评论