基于 PLC 的智能環(huán)控節(jié)能控制系統(tǒng) 研究與應(yīng)用

　　1 引言

　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)各地軌道交通的規(guī)模逐步變大，與傳統(tǒng)公 共交通工具相比，雖然城市軌道交通運(yùn)輸?shù)膯挝蝗藛T能源 消耗是傳統(tǒng)公共交通的1/9，但其運(yùn)營(yíng)總能耗卻非常驚人， 按照350萬KWh電/km估算，軌道交通電耗占全國(guó)總用電的 2.6‰，為了提高能效利用率，統(tǒng)計(jì)軌道交通各系統(tǒng)的能耗 將極大地降低能耗損失。本文通過能源管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)各系 統(tǒng)能耗情況，運(yùn)用人工智能算法和建模仿真技術(shù)，改善設(shè) 備運(yùn)行工況，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行壽命，大幅提升了地鐵的智能 化運(yùn)營(yíng)水平，降低了地鐵運(yùn)營(yíng)成本。

　　2 系統(tǒng)介紹

　　智能環(huán)控節(jié)能子系統(tǒng)運(yùn)行于智能環(huán)控控制柜中，基于 人工智能算法和建模仿真技術(shù)，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來時(shí) 間段內(nèi)(如兩小時(shí))的冷負(fù)荷需求，實(shí)時(shí)調(diào)整通風(fēng)空調(diào)系 統(tǒng)的運(yùn)行模式，在滿足車站環(huán)境舒適度的前提下，可實(shí)現(xiàn) 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)效率優(yōu)化，降低運(yùn)行能耗30%以上，改善設(shè)備 運(yùn)行工況，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行壽命，大幅提升地鐵的智能化運(yùn) 營(yíng)水平，降低地鐵運(yùn)營(yíng)成本。

　　監(jiān)控對(duì)象為：空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)，主要包括：新風(fēng)風(fēng)機(jī)、回 排風(fēng)機(jī)、組合式空調(diào)機(jī)組;空調(diào)水系統(tǒng)，主要包括：冷水 機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔。

　　監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)圖如圖1所示。

　　3 系統(tǒng)模型

　　系統(tǒng)基于人工智能算法和建模仿真技術(shù)，通過模型構(gòu) 建、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、負(fù)荷預(yù)測(cè)、提前調(diào)整和持續(xù)優(yōu)化五個(gè) 步驟的循環(huán)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)真正的基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的風(fēng)水聯(lián)調(diào)。

　　· 模型構(gòu)建：結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn) 練，找到實(shí)際負(fù)荷影響因素的強(qiáng)相關(guān)的變化規(guī)律;

　　· 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：獲取地鐵空調(diào)負(fù)荷與人流量、氣候、 時(shí)期等影響因素的內(nèi)在耦合關(guān)系;

　　· 負(fù)荷預(yù)測(cè)：將實(shí)時(shí)采集的環(huán)境變量輸入已訓(xùn)練好的神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè);

　　· 風(fēng)水聯(lián)調(diào)：根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)荷，提前調(diào)整地鐵通風(fēng)空調(diào) 系統(tǒng)，使地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)提前運(yùn)行在滿足負(fù)荷需求的狀 態(tài)下，并且實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效率最高;

　　· 持續(xù)優(yōu)化：結(jié)合地鐵負(fù)荷變化的反饋，進(jìn)一步使地鐵 空調(diào)系統(tǒng)在某一時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)即能滿足負(fù)荷需求又能保 持最高效率。

　　4 風(fēng)水聯(lián)調(diào)

　　地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng) 之間相互影響，且二者都與地鐵負(fù)荷變化密切相關(guān)，因此考慮 將負(fù)荷預(yù)測(cè)，風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化。在保障地鐵環(huán)境 質(zhì)量的同時(shí)，有效的降低地鐵車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

　　風(fēng)水聯(lián)調(diào)主要是針對(duì)地鐵的空調(diào)大系統(tǒng)、冷水群控系 統(tǒng)展開的，車站的大系統(tǒng)指的是車站公共區(qū)系統(tǒng)，包括大 系統(tǒng)回排風(fēng)機(jī)、大系統(tǒng)空調(diào)器、相關(guān)風(fēng)閥等，車站大系統(tǒng) 的監(jiān)控以車站級(jí)為主，對(duì)站廳、站臺(tái)公共區(qū)的通風(fēng)空調(diào)、 防排煙系統(tǒng)監(jiān)控，末端負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反 饋至變風(fēng)量?jī)?yōu)化運(yùn)行模塊，優(yōu)化程序根據(jù)站廳、站臺(tái)實(shí)際 溫度值和設(shè)定值之間的偏差，計(jì)算出新的負(fù)荷值，并由此 計(jì)算新的系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)量數(shù)據(jù)。

　　冷水群控系統(tǒng)聯(lián)鎖控制設(shè)備包括冷水機(jī)組、冷凍水 泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、電動(dòng)水閥、冷卻塔自動(dòng)補(bǔ)水 閥及相關(guān)傳感器、執(zhí)行器等。風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整后，送風(fēng)量 改變。將改變后實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋至水系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模塊，能 夠得到水系統(tǒng)所需提供的冷負(fù)荷，將多組水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行 參數(shù)輸入能耗模型，輸出總能耗最低的優(yōu)化參數(shù)輸出。

　　風(fēng)水聯(lián)調(diào)模型圖如圖3所示。

　　風(fēng)水聯(lián)調(diào)主要的流程包括：輸入?yún)?shù)-節(jié)能模型-輸出指 令，智能環(huán)控節(jié)能控制柜采用一體化整體設(shè)計(jì)方案，將人 機(jī)交互裝置、智能控制工控機(jī)和智能控制單元進(jìn)行整體集成安裝，有效地利用了控制柜內(nèi)空間，減少了控制柜在現(xiàn) 場(chǎng)的占地空間?？刂乒駜?nèi)安裝了通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，可以 直接通過Modbus或RS485通訊協(xié)議同其他系統(tǒng)進(jìn)行接口對(duì) 接，易于現(xiàn)場(chǎng)安裝和實(shí)施，通過智能控制柜的PLC將控制設(shè) 備的數(shù)據(jù)全部采集，然后使用設(shè)備的額定參數(shù)結(jié)合系統(tǒng)實(shí) 時(shí)參數(shù)反饋，進(jìn)行智能運(yùn)算，控制設(shè)備啟停，保證工藝“過 程最佳”，選擇冷水機(jī)組，保證COP“效率最優(yōu)”，配置設(shè) 備運(yùn)行數(shù)量，保證系統(tǒng)“能耗最低”。

　　5 性能優(yōu)化

　　基于數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，優(yōu)化模型能夠準(zhǔn)確的分析 出各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行特性和運(yùn)行規(guī)律。隨著數(shù)據(jù)的不斷積 累，優(yōu)化模型能夠進(jìn)行不斷的自我完善，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行 調(diào)整，在控制系統(tǒng)用進(jìn)行節(jié)能控制的應(yīng)用，檢測(cè)節(jié)能的效 率，基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確地分析出各設(shè)備的實(shí)際 運(yùn)行特性和運(yùn)行規(guī)律，不斷地對(duì)數(shù)據(jù)的精確度進(jìn)行自我完善。

　　6 效果驗(yàn)證

　　通過運(yùn)行節(jié)能控制系統(tǒng)，使節(jié)能優(yōu)化控制程序輸出各 設(shè)備最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，通過設(shè)備運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出能耗，與實(shí) 際能耗相比節(jié)約 33.51%(見圖4) 。

　　· 數(shù)據(jù)收集：1、制冷季四個(gè)典型工況的氣象參數(shù)、客 流信息;2、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的配置和性能參數(shù);3、制 冷季四個(gè)典型工況的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際能耗;

　　· 節(jié)能優(yōu)化控制： 1、完成四個(gè)典型工況的冷負(fù)荷計(jì) 算;2、完成節(jié)能優(yōu)化控制程序運(yùn)行;

　　· 系統(tǒng)輸出：1、合理分配冷水機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)及負(fù)荷; 2、保證滿足系統(tǒng)流量前提下水泵能耗最小;3、優(yōu)化大系 統(tǒng)運(yùn)行模式及風(fēng)機(jī)能耗。

　　7 總結(jié)

　　應(yīng)用智能節(jié)能控制系統(tǒng)，更大程度地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、減排的預(yù)期效果。通過 先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，定量的 能耗分布和主要能耗指標(biāo)的精確計(jì)量， 挖掘節(jié)能空間和潛力，促進(jìn)節(jié)能增效、 減排環(huán)保，為軌道交通可持續(xù)發(fā)展和經(jīng) 濟(jì)社會(huì)效益提供技術(shù)支持。