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【摘 要】：针对国内冰场制冷工艺特点，研究冰场制冷系统的现场数据采集技术和实时控制技术。搭建国内冰场制冷自动控制及监控系统的软硬件平台。
【Abstract】According to the characteristics of refrigeration technology of ice rink， field data collection technology of refrigeration system and real-time control technology， design the ice rink of China refrigeration monitoring system， build the hardware and software platform.
【关键词】国内冰场；冰场制冷原理；自动控制系统；监控系统
一.国内冰场现状及研究背景：
随着北京申办奥林匹克冬季运动会，我国冰上体育事业得到了快速发展。国际冰上体育比赛也不断在我国举行，而冰场作为现代化多功能体育建筑的重要组成部分，很难满足将来赛事的需求。拥有国际化高标准的人工冰场，能够提升我国的国际影响力。引进和开发先进的自动化控制技术，应用于国内冰场控制系统，接入整个建筑设备自控系统，将成为未来冰场制冷监控系统发展的必然趋势。
冰场的全自动控制及制冷监控系统，作为智能体育建筑空调控制子系统，负责向建筑管理者实时反映冰场制冷系统的运行信息，根据不同冰上运动对冰面硬度的特殊要求，合理控制冰面温度，制造符合国际化标准的优质冰面，创造可观的经济效益；优化冰场制冷系统的控制策略，可以极大降低冰场的运营成本，不仅适用于大型比赛场馆，也适用于综合性娱乐场馆。因此，开展该方面的研究，具有重要的理论意义和应用价值。
研究表明，冰场的冰面质量主要取决于冰面温度，随着冰面温度的波动，冰面硬度也随之发生变化。所有的冰上运动，都有其最适宜的冰面温度。当冰面温度维持在-4℃时，滑冰刀和冰面的摩擦系数达到最小值，最利于冰上运动。目前我国兴建的大部分人工冰场制冷系统采用传统的控制方式，即手动控制或PLC自动控制，根据冰场混凝土冷冻层温度或循环盐水总管温度间接反映出的冰面温度，由操作人员调整其设定值，控制制冷系统的运行，期望获得符合理想水平的冰面温度。考虑到影响冰面温度的众多因素，例如观众、灯光、空气的相对湿度和冰层厚度等，就不难想象为什么大多数冰场不能运行在最理想的工作状态，并且无法保证冰面质量，而且存在巨大的能源浪费问题。
冰场现场效果如下图（1）：
图1：速滑比赛冰场现场照片
二.冰场制冷原理
冰场制冷系统包括冰场大流量冷冻排管系统、底板沙层热回收加热系统、融冰加热系统。
冰场制冷系统原理图，REF1、REF2为螺杆制冰盐水主机；CGLYP1、CGLYP2为冷冻泵；CWP1、CWP2为冷却泵；HWP1、HWP2为冰场底板防冻沙层加热泵；CTW1、CTW2、CTW3为冷水塔；RHS1、RHS2为主机热回收装置；HE1为壳管式换热器；MV1、MV4为主机油冷却器冷却水出水电动阀；MV2、MV5为主机冷凝器冷却水出水电动阀；MV3、MV6为主机蒸发器乙二醇出水电动阀；MV7、MV8、MV9为冷水塔进水电动阀；MV10、MV11、MV12为冷水塔出水电动阀；MV13、MV14为主机热回收装置乙二醇出水电动阀；MV15为壳管式换热器熱水进水电动阀；MV16为壳管式换热器乙二醇出水电动阀；PMV1为高低温冷却水比例调节阀；PMV2为壳管式换热器乙二醇出水比例调节阀；YG1为冰场冷冻排管箱乙二醇进水管；YG2为冰场冷冻排管箱乙二醇回水管；S1为主机低温冷却水供水管；S2为主机高温冷却水出水管；S3为冰场底板防冻沙层排管箱回水管；S4为冰场底板防冻沙层排管箱供水管；S5为壳管式换热器热水进水管；S6为壳管式换热器热水回水管。
三.自动控制系统
a.自动控制系统硬件：由配电柜、DDC控制柜、冰场测温装置、传感器、执行器、操作员工作站计算机等组成。配电柜安装于制冷控制室，为系统中的制冷设备提供配电。DDC控制柜，安装于制冷机房控制室，实现对设备较为集中的制冷系统进行自动控制和手动控制。冰场测温装置安装于冰场现场，由DDC控制器、测温模块ITC、红外温度传感器、PT100温度传感器、云台及电动执行机构、变压器、开关电源等组成，主要负责冰场冰面温度扫描、冰层内温度和防冻沙层温度的监测。操作员工作站计算机设置于集中监控室，负责监视整个制冷系统的运行状况。
b.自动控制系统的自动开机工作原理：当系统满足自动开机条件时，即在自动制冷模式下，当实际冰面温度或冰层温度任一点高于设定上限，冰场测温模块的冰场温度高继电器输出点闭合时，系统执行按序自动开机程序，优先启动运行时间较短的设备组，每个设备组的开机顺序依次为：电动阀组、冷水塔、冷却泵、冷冻泵、主机，电动阀组未全部开启，不允许启动冷水塔、冷却泵、冷冻泵及主机。当第1组设备全部启动完毕，先行启动的主机发出满载信号后，延时启动第2个设备组。当两个设备组均已全部启动完毕，由于冰场温度的不断降低，制冷系统的热负荷不断减少，而导致某台主机自动减载停机时，是否停止附属设备组的运行，需根据现场主机PLC设定的主机运行模式，来确定是以单机模式运行还是以均载模式（均载模式：判断机组能级，当能级总和小于1台设备时，停止一台机组达到节能目的）运行。
c.自动控制系统的自动停机工作原理：（图2所示）
当系统满足自动停机条件时，即在自动制冷控制模式下，当实际冰面或冰层温度均低于设定下限，即冰场测温装置的温低继电器输出点均闭合时，系统执行自动按序停机程序，优先停止运行时间较长的设备组，每个设备组的停机顺序依次为：主机、冷冻泵、冷却泵、冷水塔、电动阀组。当满足停机条件时，如果系统中的两个设备组均处于运行状态，则先按顺序停止运行时间较长的第1组设备，当第1组设备全部停机完毕，判断实际冰面或冰层温度仍低于设定下限，延时后再按顺序停止第2个设备组。
图2冰场制冷系统停机原理图
四.监控系统
1）监控系统组成：工控机；组态软件；通讯卡。
※工控机国内多选用：台湾研华，研祥。
※组态软件选用：亚控，WINCC，ORCAview。
※通讯卡选用：台湾研华的磨莎卡，西门子的5621卡。
2）监控软件功能：包括系统设定、状态监控、数据管理和日程表，监控软件功能结构图如图3所示
3）监控软件作用：监控系统能够及时而全面地反映冰场制冷系统的各种运行信息，使冰场自动系统运行稳定可靠，冰面温度控制合理，实现冰场全自动系统的高效控制和节能运行。监控系统效果图如图3所示。
图3监控软件功能结构图
图4监控软件效果图
五.参考文献：
[1]CimcoRefrigerationCorporation.CIMCOIceRinkControllers[EB/CD].http：//www.cimcorefrigeration.com/lit_form.asp？f=pdf/CIMCO%20Ice%2Rink%20Controllers.pdf，November10，2010.
[2]罗启军，刘庆利.LonWorks，BACnet技术在楼宇自动化系统中的应用比较[J].智能建筑和城市信息.2003，（4）：41-43.
[3]李冬辉，邹宝兰.楼宇自动化系统DDC控制器模块化组态设计[J].仪器仪表学报.2002，（6）：347-358.
【Abstract】According to the characteristics of refrigeration technology of ice rink， field data collection technology of refrigeration system and real-time control technology， design the ice rink of China refrigeration monitoring system， build the hardware and software platform.
【关键词】国内冰场；冰场制冷原理；自动控制系统；监控系统
一.国内冰场现状及研究背景：
随着北京申办奥林匹克冬季运动会，我国冰上体育事业得到了快速发展。国际冰上体育比赛也不断在我国举行，而冰场作为现代化多功能体育建筑的重要组成部分，很难满足将来赛事的需求。拥有国际化高标准的人工冰场，能够提升我国的国际影响力。引进和开发先进的自动化控制技术，应用于国内冰场控制系统，接入整个建筑设备自控系统，将成为未来冰场制冷监控系统发展的必然趋势。
冰场的全自动控制及制冷监控系统，作为智能体育建筑空调控制子系统，负责向建筑管理者实时反映冰场制冷系统的运行信息，根据不同冰上运动对冰面硬度的特殊要求，合理控制冰面温度，制造符合国际化标准的优质冰面，创造可观的经济效益；优化冰场制冷系统的控制策略，可以极大降低冰场的运营成本，不仅适用于大型比赛场馆，也适用于综合性娱乐场馆。因此，开展该方面的研究，具有重要的理论意义和应用价值。
研究表明，冰场的冰面质量主要取决于冰面温度，随着冰面温度的波动，冰面硬度也随之发生变化。所有的冰上运动，都有其最适宜的冰面温度。当冰面温度维持在-4℃时，滑冰刀和冰面的摩擦系数达到最小值，最利于冰上运动。目前我国兴建的大部分人工冰场制冷系统采用传统的控制方式，即手动控制或PLC自动控制，根据冰场混凝土冷冻层温度或循环盐水总管温度间接反映出的冰面温度，由操作人员调整其设定值，控制制冷系统的运行，期望获得符合理想水平的冰面温度。考虑到影响冰面温度的众多因素，例如观众、灯光、空气的相对湿度和冰层厚度等，就不难想象为什么大多数冰场不能运行在最理想的工作状态，并且无法保证冰面质量，而且存在巨大的能源浪费问题。
冰场现场效果如下图（1）：
图1：速滑比赛冰场现场照片
二.冰场制冷原理
冰场制冷系统包括冰场大流量冷冻排管系统、底板沙层热回收加热系统、融冰加热系统。
冰场制冷系统原理图，REF1、REF2为螺杆制冰盐水主机；CGLYP1、CGLYP2为冷冻泵；CWP1、CWP2为冷却泵；HWP1、HWP2为冰场底板防冻沙层加热泵；CTW1、CTW2、CTW3为冷水塔；RHS1、RHS2为主机热回收装置；HE1为壳管式换热器；MV1、MV4为主机油冷却器冷却水出水电动阀；MV2、MV5为主机冷凝器冷却水出水电动阀；MV3、MV6为主机蒸发器乙二醇出水电动阀；MV7、MV8、MV9为冷水塔进水电动阀；MV10、MV11、MV12为冷水塔出水电动阀；MV13、MV14为主机热回收装置乙二醇出水电动阀；MV15为壳管式换热器熱水进水电动阀；MV16为壳管式换热器乙二醇出水电动阀；PMV1为高低温冷却水比例调节阀；PMV2为壳管式换热器乙二醇出水比例调节阀；YG1为冰场冷冻排管箱乙二醇进水管；YG2为冰场冷冻排管箱乙二醇回水管；S1为主机低温冷却水供水管；S2为主机高温冷却水出水管；S3为冰场底板防冻沙层排管箱回水管；S4为冰场底板防冻沙层排管箱供水管；S5为壳管式换热器热水进水管；S6为壳管式换热器热水回水管。
三.自动控制系统
a.自动控制系统硬件：由配电柜、DDC控制柜、冰场测温装置、传感器、执行器、操作员工作站计算机等组成。配电柜安装于制冷控制室，为系统中的制冷设备提供配电。DDC控制柜，安装于制冷机房控制室，实现对设备较为集中的制冷系统进行自动控制和手动控制。冰场测温装置安装于冰场现场，由DDC控制器、测温模块ITC、红外温度传感器、PT100温度传感器、云台及电动执行机构、变压器、开关电源等组成，主要负责冰场冰面温度扫描、冰层内温度和防冻沙层温度的监测。操作员工作站计算机设置于集中监控室，负责监视整个制冷系统的运行状况。
b.自动控制系统的自动开机工作原理：当系统满足自动开机条件时，即在自动制冷模式下，当实际冰面温度或冰层温度任一点高于设定上限，冰场测温模块的冰场温度高继电器输出点闭合时，系统执行按序自动开机程序，优先启动运行时间较短的设备组，每个设备组的开机顺序依次为：电动阀组、冷水塔、冷却泵、冷冻泵、主机，电动阀组未全部开启，不允许启动冷水塔、冷却泵、冷冻泵及主机。当第1组设备全部启动完毕，先行启动的主机发出满载信号后，延时启动第2个设备组。当两个设备组均已全部启动完毕，由于冰场温度的不断降低，制冷系统的热负荷不断减少，而导致某台主机自动减载停机时，是否停止附属设备组的运行，需根据现场主机PLC设定的主机运行模式，来确定是以单机模式运行还是以均载模式（均载模式：判断机组能级，当能级总和小于1台设备时，停止一台机组达到节能目的）运行。
c.自动控制系统的自动停机工作原理：（图2所示）
当系统满足自动停机条件时，即在自动制冷控制模式下，当实际冰面或冰层温度均低于设定下限，即冰场测温装置的温低继电器输出点均闭合时，系统执行自动按序停机程序，优先停止运行时间较长的设备组，每个设备组的停机顺序依次为：主机、冷冻泵、冷却泵、冷水塔、电动阀组。当满足停机条件时，如果系统中的两个设备组均处于运行状态，则先按顺序停止运行时间较长的第1组设备，当第1组设备全部停机完毕，判断实际冰面或冰层温度仍低于设定下限，延时后再按顺序停止第2个设备组。
图2冰场制冷系统停机原理图
四.监控系统
1）监控系统组成：工控机；组态软件；通讯卡。
※工控机国内多选用：台湾研华，研祥。
※组态软件选用：亚控，WINCC，ORCAview。
※通讯卡选用：台湾研华的磨莎卡，西门子的5621卡。
2）监控软件功能：包括系统设定、状态监控、数据管理和日程表，监控软件功能结构图如图3所示
3）监控软件作用：监控系统能够及时而全面地反映冰场制冷系统的各种运行信息，使冰场自动系统运行稳定可靠，冰面温度控制合理，实现冰场全自动系统的高效控制和节能运行。监控系统效果图如图3所示。
图3监控软件功能结构图
图4监控软件效果图
五.参考文献：
[1]CimcoRefrigerationCorporation.CIMCOIceRinkControllers[EB/CD].http：//www.cimcorefrigeration.com/lit_form.asp？f=pdf/CIMCO%20Ice%2Rink%20Controllers.pdf，November10，2010.
[2]罗启军，刘庆利.LonWorks，BACnet技术在楼宇自动化系统中的应用比较[J].智能建筑和城市信息.2003，（4）：41-43.
[3]李冬辉，邹宝兰.楼宇自动化系统DDC控制器模块化组态设计[J].仪器仪表学报.2002，（6）：347-358.