中央空调自动控制系统
中央空调自控系统为生产工房工艺性空调系统提供恒温恒湿自动化控制和节能控制，或为办公楼宇空调系统提供舒适性办公环境和节能控制。中央空调设备的风量、冷热量、加湿量等装机容量一般按最不利季节工况进行选型和配置，当室外气象参数发生变化或生产车间负荷发生变化，中央空调系统的风量、冷热量、加湿量需要进行调节才能消除室内的冷热负荷、湿负荷，维持工艺所需的恒温恒湿室内环境或满足人体舒适的建筑环境。中央空调系统是建筑物内的能耗大户，通过自动化控制手段降低运行能耗已成为中央空调系统必配的重要措施。
中央空调自控系统基于成熟的自控技术和工业互联网技术，为分散在建筑物不同区域的空气处理机组（AHU）、新风机组（PAU）、风机盘管（FCU）、VAV末端装置等设备配置现场自控系统，并通过工业级自控网络或楼宇级自控网络实现数据通讯、系统集成和集中管理。根据不同的应用场合和用户需求，空调自控系统现场控制站可选择工业级PLC控制器和楼宇级DDC控制器。
中央空调自控系统可以作为企业能源管控系统的一个子系统，也可以作为独立系统进行集中管理和分散控制。中央空调自控系统为空调系统提供自动化运行、节能控制、故障诊断和远程集中管理。
空调自控系统现场电控柜
空调自控系统网络结构设计遵循“分散控制、集中管理、综合监控”的设计原则，空调自控系统采用集散式网络拓扑结构。分布在各单体建筑物的空调末端机组、新风机组、制冷机组就地设计PLC控制站，独立完成本地监控功能。分布在现场的各PLC控制站通过ProfiNet工业以太环网连接在一起，光纤环网由工业级环网交换机、光纤介质、冗余电源等设备组成，PLC控制站就近接入光纤环网交换机，实现各PLC控制站之间点对点通讯（Peer to Peer）。
在中控室为空调自控系统配置上位机工作站，实现厂区空调制冷系统的集中管理，上位机工作站通过信息层管理交换机与光纤环网上的交换机建立冗余链路连接。空调自控系统网络将所有的现场PLC控制站通过高速网络连接组成一个有机整体，环网上任何一节点故障均不致影响系统的正常运行和数据传输。
中央空调制冷系统网络结构拓扑图
空调自控系统网络结构由信息管理层、集中控制层和末端设备层组成。
信息管理层主要由实时数据库服务器、SCADA数采服务器（冗余配置）、操作员站、信息层网络交换机设备等组成。信息管理层基于链路冗余100/1000M Bit/s自适应以太通讯网络构架，信息管理层设备通过以太网交换数据信息。信息管理层的操作员工作站与服务器之间采用C/S与B/S相结合的模式。C/S模式下，通过空调自控系统的多台操作员站（上位机），由操作人员负责监控管理整个厂区空调制冷系统的设备运行。B/S模式下，空调自控系统对外提供WEB发布功能，允许授权用户在全厂网络连接到的任何地方查看空调制冷自控系统的过程参数、流程图形和统计分析数据，
集中监控层由工业以太网交换机构成的ProfiNet工业以太环
网、PLC控制站、现场触摸屏等设备组成。工业以太环网以光纤作为连接介质，配备冗余电源，冗余介质，保证主干网络稳定可靠的通讯。工业以太网采用千兆互连、百兆到设备，主干网交换机互连光纤通讯速率达到1000Mbps，集中监控层环网交换机采用三层以上管理型交换机。
末端设备层主要由设备层交换机、动力启动柜、现场操作终端、分布式 I/O站、PLC控制从站、变频器、温湿度传感器、压力传感器、液位传感器、流量计、电动阀/电磁阀、调节阀以及独立单机设备自控等组成。对数据采集类不参与控制的监测点，配置带有DP/PA/FF或Modbus通讯协议的仪器仪表，各种网络接线配置原厂网络接头、PA网络T形转接头和终端电阻以及协议转换模块，保障数据通讯的稳定安全；对参与控制的检测点，主要选用4～20mA DC输出的传感器和仪器仪表。
1. 监测功能及数据采集
车间（室内）温湿度参数监测；
空调机组新风、回风、混风、送风温湿度参数监测；
空调机组表冷出风、加热出风温湿度监测；
空调机组新风阀、排风阀、回风阀、表冷阀、加热阀、加湿阀开度监测；
空调换热盘管冷热水供回水回路、蒸汽供汽管路的温度、压力监测；
空调系统新风量、送风量监测；
过滤器压差、送回风机压差监测；
2. 通讯集成
与每台冷水机组自带控制器（ModBus-RTU等）通讯集成，读取冷水机组内部运行参数，并实现冷冻供水温度再设定功能。冷水机组内部运行参数包括：蒸发温度和压力、冷凝温度和压力、油槽温度和油泵压差、压缩机马达电流/电压和电流百分比、机组运行时间和启停次数、机组运行故障信息等；
与冷冻泵、冷却泵变频器通讯集成，读取变频器内部运行参数，并实现水泵变频控制。变频器内部运行参数包括：电流、电压、频率、功率、功率因数、累计消耗电能、单位时间能耗、累计运行时间、上电次数、散热器温度、转矩、加减速时间、本地远程状态、故障信息等；
与制冷站流量计（ProfiBus-PA/DP、ModBus-RTU等）通讯集成，实时监测、显示每台流量计的瞬时流量、累计流量等参数。
空调PLC控制柜
空调变频启动柜
3. 控制功能
车间（室内）恒温恒湿自动控制：采用全年多工况分区控制策略，当室外气象参数发生变化和车间生产负荷发生变化时，自控系统维持室内温湿度参数在控制精度范围内。
空调送回风机变频节能控制：根据允许的最大送风温差和最小空调换气次数要求，对空调系统进行变风量节能控制；对于带VAV变风量末端装置的空调系统，根据送风静压对空调系统进行变风量节能控制。
空调系统与调节机构联锁控制：空调风机停止运行时，新风阀、排风阀全关、回风阀全开、表冷阀/加热阀/加湿阀全关，高压微雾加湿器停止运行。
发生火灾报警时，空调机组禁止运行。
过滤器压差、送回风机压差监测；
送回风机、高压微雾加湿器运行状态及故障状态监测；
送回风防火阀状态、消防报警状态监测；
4. 空调系统监控原理图
工艺性空调系统（送/回风机型）监控原理图
工艺性空调系统（单送风机型）监控原理图
新风空调系统监控原理示意图
1. 全年多工况分区恒温恒湿节能控制策略
工艺性空调系统为满足室内全年的恒温恒湿控制精度指标，配备了众多的空气热湿处理手段，如图所示。常见的有表冷器（降温除湿）、加热器（升温）、干蒸汽加湿器、高压喷雾（等焓、冷却加湿）、新风/回风/排风阀、风机变频等，这些调节机构为空调自控系统在不同季节提供了温湿度控制手段。
空调自控系统的控制回路一般由温度和湿度控制回路组成，根据PID调节回路控制逻辑，在某一特定时刻温度和湿度控制回路的PID输出信号应指向唯一的执行机构。因此，自控系统应根据室外季节气候条件和车间热湿负荷变化来优化各种热湿处理手段的组合，找准各种室内外工况条件下的最佳温湿度控制回路的执行机构，以保证车间温湿度控制精度的目标实现，并最大限度的节省空调系统的运行能耗。
空调温湿度PID控制回路
全年多工况分区焓湿图分析
除湿与加湿分区边界：
当新回风混合状态点（C）的含湿量大于或等于送风状态点（O）的含湿量，即dC≥dOS时，此季节工况应对空气进行除湿处理，否则应对空气进行加湿处理。
加热与冷却分区边界：
当新回风混合状态点（C）的温度大于或等于送风状态点（O）的温度，即tC≥tOS时，此工况应对空气进行冷却处理，否则应对空气进行加热处理。
新回风比节能控制原则：
除湿季节工况，若室外空气的焓值大于或等于回风空气的焓值，即iW≥iR时，采用最小新风；若iW＜iR，采用最大新风。加湿季节工况，视情况采用最小新风或调节新回风比。
根据上述全年多工况分区原则，如含湿图所示，针对某特定的工艺性空调系统根据空气热湿处理机理在焓湿图（i-d）上将全年分成九个工况区域。举例说明某些工况区域的温湿度控制策略如下
2. 串级调节策略
工业企业生产车间内工艺设备产热量大，车间温湿度场在水平和垂直方向上均存在不均匀性，空调系统的回风温湿度不能代表车间内部温湿度参数，因此常在车间内部布置室内温湿度传感器。由于空调送风达到车间温湿度传感器位置需要一定的时间延迟，为防止因滞后时间导致的温湿度超调现象，因此将送风温湿度参数作为中间变量进行串级控制，可以提高空调自控系统的动态调节品质。
如下图所示，车间（室内）相对湿度控制回路为串级控制的主回路，送风相对湿度控制回路为串级控制的副回路。主回路PID运算的输出值作为副回路的设定值，由副回路的PID运算直接控制相对湿度控制回路的执行机构（如表冷除湿阀、干蒸汽加湿阀等）。
相对湿度串级调节原理图
3. 空调变风量节能控制策略
空调系统送风量一般是按夏季设计工况的室内冷负荷进行选型的。当室外气象条件偏离夏季设计工况或车间生产负荷变小时，如果空调系统采用定风量运行，一方面浪费风机电耗，另一方面在除湿季节空调系统会出现再热现象，造成冷热抵消，浪费能源。根据风机性能公式，风机功率消耗与转速近似三次方的正比关系，当风量减少到原设计风量80%时，风机功率消耗减少到原设计功率51.2%。
空调系统送风量（L）可用下述公式表示：
对于室内空调负荷QX一定的情况下，送风温差△t=︱tN－tO︱越大，空调系统所需要的风量L越小。因此，自控系统采用“最大送风温差”控制策略显然能将空调系统送风量维持在最小状态，并在策略下制定各季节工况下的最优送风温湿度设定值。
4. 空调系统与冷冻站联合运行节能控制策略
空调末端系统与制冷站联合运行综合节能控制由5大环节组成，最终为车间提供恒温恒湿空调环境，每个环节均对应各自的节能控制策略。制冷站将冷冻水提供给空调机组表冷器，两者之间进行变流量（量调节）、变水温（质调节）节能调节过程。
空调制冷系统联合运行综合节能控制路线图
长期以来，空调自控系统一致沿用经典的PID闭环控制技术，由于空调系统具有大惯性、大滞后固有特征，空调系统温湿度参数对于干扰变化的响应比较迟钝，即系统的时间常数很大。PID闭环控制技术作为反馈型、事后纠偏控制方法在用于空调系统控制时存在先天性不足。近几年随着数字化技术、人工智能技术、工业互联网技术的发展，空调自控系统的智能化升级迎来了新的发展机会。
1. 空调自控系统数字孪生仿真预测模型
空调自控系统仿真预测模型通过对被控车间、空调机组（表冷器、加热器、干蒸汽加湿器和高压微雾加湿器）、控制环节（传感器、PID控制器、执行机构）的机理建模、大数据建模，在满足车间温湿度控制精度的前提下，对表冷、加热、加湿（干蒸汽、高压微雾）的调节范围进行预测、对最优冷冻供水温度、空调最优启停时间、最优空调能源消耗进行预测，实现空调系统仿真数据与实际运行的数据孪生，实现执行机构调节范围预测控制与PID闭环控制相融合的智能化控制，提高空调温湿度控制的稳定性和控制精度，节省空调系统的运行能耗。
空调自控系统仿真预测模型的输入输出参数与下图中空调自控系统的IO监控点相匹配。
恒温恒湿房间的温湿度仿真模型：
空调机组仿真模型（以表冷换热盘管为例）：
表冷盘管空气侧的换热微分方程：
表冷盘管水侧的换热微分方程：
自控系统PID控制器的仿真模型如下：
将恒温恒湿房间、空调机组与自控环节的仿真模型连接在一起，进行联合求解，便可实现空调系统仿真运行与实际运行的数字孪生。联合求解时，同样需要全年多工况分区控制策略，将PID仿真模型的输出值与对应的执行对象（表冷、加热、加湿）的仿真模型连接上。
自控环节与被控空调机组仿真模型联合求解方块图
2. 仿真模型与自控系统融合应用
空调系统仿真模型的基础参数（室外温湿度参数、车间工艺设备的用电量等）基于底层空调控制系统的实时监控数据，仿真模型的输出参数直接参与底层的控制过程，并实现与传统PID控制技术的容错和融合。通过仿真模型的数字化孪生，提供空调系统的负荷预测和能耗预测；实现电动执行机构（如调节阀、变频器）调节范围预测前馈控制与PID反馈控制融合的智能化精准控制；通过预测数据与系统实际运行数据的比对，分析系统的能效状态和潜在的故障征兆，为空调设备的预防性维护提供技术手段。