0 引言

央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量是根據(jù)建筑物最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選定的，且留有（10-20）%的設(shè)計(jì)余量。在沒(méi)有使用調(diào)速的系統(tǒng)中，水泵一年四季在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，只好采用節(jié)流或回流的方式來(lái)調(diào)節(jié)流量，不僅造成了能量的極大浪費(fèi)，而且還造成中央空調(diào)最末端達(dá)不到合理效果的情況。

由于有四季、陰晴雨雪、白天與黑夜的變化，導(dǎo)致外界環(huán)境溫度相差很大，使得中央空調(diào)的熱負(fù)荷在絕大部分時(shí)間里遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)負(fù)荷低。也就是說(shuō)，中央空調(diào)大部分時(shí)間實(shí)際運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)下。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，67%的工程設(shè)計(jì)熱負(fù)荷值為（94~165）W/m²，而實(shí)際上83%的工程熱負(fù)荷只有58~93 W/m²，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間每年不超過(guò)10~20 h。

一般冷凍水設(shè)計(jì)溫差為5~7℃ ，冷卻水的設(shè)計(jì)溫差為4~5℃，系統(tǒng)在工頻運(yùn)行的情況下，全年絕大部分運(yùn)行時(shí)間溫差僅為1~3℃，即在低溫差、大流量下工作，從而增加了管路系統(tǒng)的能量損失，浪費(fèi)了水泵運(yùn)行的輸送能量。由于冷凍水、冷卻水帶走的J（熱量）=r（比熱）×Q（流量）×△T（溫差），而傳輸?shù)慕橘|(zhì)是水，其r是不變的。這樣，可以適當(dāng)提高△T，降低Q，也即降低轉(zhuǎn)速，使其乘積不變，使冷凍水、冷卻水帶走的熱量相同，即可達(dá)到節(jié)能的目的。

對(duì)于水泵來(lái)說(shuō)，流量Q 與轉(zhuǎn)速n 成正比，循環(huán)水溫差△T與轉(zhuǎn)速n成反比，揚(yáng)程H 與轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，而軸功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，即Q∝n，△T∝1/n，H∝n²，P∝n³。由此可看出，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行節(jié)能降耗具有巨大潛力。

從表1可以看出，當(dāng)流量稍有下降時(shí)，泵的功率便急劇下降，節(jié)能效果非常顯著。例如：100 kW的電機(jī)，當(dāng)流量下降為80%時(shí)，功率下降為51 kW，可節(jié)省49 kW的功率。因此，隨熱負(fù)荷而改變水量的變流量空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)顯示了巨大的優(yōu)越性，因而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用變頻器調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，可以方便地調(diào)節(jié)水的流量，用反映負(fù)荷變化的傳感器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使泵的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化，這樣就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其節(jié)能率通常都在30%以上。

1 雙閉環(huán)變頻調(diào)速控制方案的提出

1.1 冷凍水系統(tǒng)

冷凍泵夏天供冷水，冬天供熱水，以滿足冬夏對(duì)室內(nèi)溫度的要求，相應(yīng)控制模式稍有差別。

1)制冷模式下的冷凍水控制系統(tǒng)

此模式下的冷凍水出水溫度取決于蒸發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)（一般為7℃），控制冷凍水回水溫度即可控制溫差，但是如果僅以溫差為目標(biāo)值組成閉環(huán)控制系統(tǒng)是不行的，因?yàn)槔鋬鏊绻谥评錂C(jī)組中流量達(dá)不到一定值，會(huì)引起空調(diào)制冷機(jī)組停機(jī)；或者冷凍水循環(huán)不完全，使得高層樓的室內(nèi)無(wú)冷風(fēng)。

因此，我們采用壓力傳感器、溫度傳感器、PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)用溫度控制環(huán)維持溫差的恒定，應(yīng)用壓力流量控制環(huán)使水流量在預(yù)設(shè)定的流量高限和流量低限之間隨外界的環(huán)境溫度變化而變化，其控制原理框圖見(jiàn)圖1。外環(huán)為溫度控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為壓力流量控制環(huán)，回水溫度給定與實(shí)際回水溫度之差，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，作為內(nèi)環(huán)壓力給定；壓力給定與實(shí)際循環(huán)水壓力的偏差，經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，作為變頻器的頻率設(shè)定信號(hào)，當(dāng)變頻器的頻率達(dá)到電機(jī)的額定頻率實(shí)際循環(huán)水壓力仍達(dá)不到壓力給定時(shí)，變頻泵切入工頻電網(wǎng)，變頻器帶另一臺(tái)停止時(shí)間最長(zhǎng)的水泵運(yùn)行，直至消除偏差；在兩臺(tái)以上的水泵運(yùn)行，變頻器的頻率達(dá)到預(yù)設(shè)定的最低頻率實(shí)際循環(huán)水壓力仍高于壓力給定時(shí)，投運(yùn)時(shí)間最長(zhǎng)的水泵停止運(yùn)行，變頻泵速度上升，消除偏差。通過(guò)此系統(tǒng)，可把冷凍水回水溫度控制在T1 (例如12℃)，使冷凍水泵的轉(zhuǎn)速和投運(yùn)臺(tái)數(shù)相應(yīng)于熱負(fù)荷的變化而變化。

2) 制熱模式下的冷凍水控制系統(tǒng)

此模式是中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行（即中央空調(diào)冬天制熱）時(shí)冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案，它與制冷模式相比，只是在回水溫度給定與實(shí)際回水溫度有偏差時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器運(yùn)算后的壓力給定調(diào)節(jié)方向發(fā)生了變化，所以對(duì)制冷模式下的溫度調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)中的比例系數(shù)取反，即成為制熱模式下的冷凍水控制系統(tǒng)。

1.2 冷卻水系統(tǒng)

與冷凍水系統(tǒng)類似，取冷卻塔冷凝器兩測(cè)水的溫差作為控制參數(shù)，采用壓力傳感器、溫度傳感器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)用溫度控制環(huán)維持溫差的恒定，應(yīng)用壓力流量控制環(huán)使水流量在予設(shè)定的流量高限和流量低限之間隨制冷機(jī)組的換熱量的變化而變化，其控制原理框圖同圖1，只是把外環(huán)的溫度反饋改為溫差反饋，溫度給定改為溫差給定，冷凍水泵改為冷卻水泵。

外環(huán)為溫差控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為壓力流量控制環(huán)，溫差給定與實(shí)際溫差的偏差，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，作為內(nèi)環(huán)壓力給定；壓力給定與實(shí)際循環(huán)水壓力的偏差，經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，作為變頻器的頻率設(shè)定信號(hào)，當(dāng)變頻器的頻率達(dá)到電機(jī)的額定頻率而實(shí)際循環(huán)水壓力仍達(dá)不到壓力給定時(shí)，變頻泵切入工頻電網(wǎng)，變頻器帶另一臺(tái)停止時(shí)間最長(zhǎng)的水泵運(yùn)行，直至消除偏差；在兩臺(tái)以上的水泵運(yùn)行，變頻器的頻率達(dá)到預(yù)設(shè)定的最低頻率實(shí)際循環(huán)水壓力仍高于壓力給定時(shí)，投運(yùn)時(shí)間最長(zhǎng)的水泵停止運(yùn)行，變頻泵速度上升，消除偏差。通過(guò)此系統(tǒng)，可把冷卻水溫差控制在△T2 (例如5°C)，使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于空調(diào)制冷機(jī)組熱負(fù)荷的變化而變化，使系統(tǒng)在滿足空調(diào)主機(jī)工況不變

條件下，冷卻水系統(tǒng)節(jié)能最大。

2 雙閉環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的電氣實(shí)現(xiàn)

冷卻水控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，與冷凍水控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)類似，故只舉例冷凍水控制系統(tǒng)。

2.1 電氣設(shè)備的配置

1) SIEMENS S7-200 PLC (帶模擬量輸入輸出模塊EM235 1臺(tái)) 1臺(tái);

2) SIEMENS TD200中文文本顯示器1臺(tái)

3)日立L300P-550HFE 變頻器1臺(tái);

4)監(jiān)頻監(jiān)相器1臺(tái);

5)電阻遠(yuǎn)傳壓力表1;

6) PT100溫度傳感器（帶變送器）2臺(tái);

7) 控制柜柜體及電控元件若干。

2.2 控制系統(tǒng)的電氣原理

原啟動(dòng)設(shè)備作為變頻設(shè)備的后備裝置，互鎖后繼續(xù)留用。壓力傳感器與溫度傳感器的信號(hào)，經(jīng)PLC模擬量輸入輸出模塊EM235，送入PLC進(jìn)行雙閉環(huán)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)EM235送入變頻器，作為變頻器的頻率設(shè)定信號(hào)，水泵調(diào)度指令也由PLC完成。

在中文文本顯示器TD200上，可設(shè)定和顯示回水溫度設(shè)定、溫度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Pw和積分時(shí)間IW、壓力調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Py和積分時(shí)間Iy、循環(huán)水壓力上限值Ph和壓力下限值Pl、變頻器最高運(yùn)行頻率fh和最低運(yùn)行頻率fl；可顯示實(shí)際回水溫度值、實(shí)際泵出口壓力值、變頻器轉(zhuǎn)速等模擬量信息；也可顯示各水泵運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)故障時(shí)的故障提示等開(kāi)關(guān)量信息。

監(jiān)頻監(jiān)相器是一種二次儀表，它監(jiān)測(cè)變頻器輸出和工頻電網(wǎng)的頻率和相位，當(dāng)二者均相同時(shí)，給出可以切換信號(hào)送PLC，做到變頻泵到工頻泵的無(wú)擾動(dòng)切換?？刂葡到y(tǒng)的電氣原理圖見(jiàn)圖2。

3 雙閉環(huán)數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)應(yīng)用及調(diào)試注意事項(xiàng)

給定值SP和過(guò)程變量PV輸入PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差e（e= SP- PV）為零，使所調(diào)節(jié)的系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。PID調(diào)節(jié)器的原理基于式（1）。

M（t）=Kc×e + Kc∫edt+Minitial + Kc×de/dt （1）

式中：M（t）為PID 回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)；

Kc 為PID回路的增益；

e為PID回路的偏差（給定值與過(guò)程變量之差）；

Minitial 為PID 回路輸出的初始值。

為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來(lái)計(jì)算輸出值。數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：

Mn=Kcen +KI(e1 +e2…+en )+ Minitial+ KD(en -en-1 ) （2）

式中：Mn為在第n次采樣時(shí)刻，PID回路輸出的計(jì)算值；

Kc為PID回路的增益；

e1為在第1次采樣時(shí)刻的偏差值；

en為在第n次采樣時(shí)刻的偏差值；

KI為積分項(xiàng)的比例常數(shù)；

Minitial為PID回路輸出的初始值；

KD為微分項(xiàng)的比例常數(shù)。

由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開(kāi)始，每有一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，只需要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。利用計(jì)算機(jī)處理的重復(fù)性，可以化簡(jiǎn)以上算式為

Mn=Kc×en+ KI×en+ MX+KD×(en-en -1) （3）

式中:MX 為積分項(xiàng)前值。

計(jì)算機(jī)實(shí)際使用式（3）的改進(jìn)形式計(jì)算PID輸出，這個(gè)改進(jìn)算式是

Mn= Kc×（SPn-PVn）+ Kc×TS /TI×(SPn-PVn) + MX+ Kc×TD/ TS×（SPn-PVn-SPn-1+PVn-1） （4）

式中：SPn為第n采樣時(shí)刻給定值；

PVn為第n采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值；

TS為采樣時(shí)間間隔；

TI為積分時(shí)間；

TD為微分時(shí)間；

SPn-1為第n-1采樣時(shí)刻給定值；

PVn-1為第n-1采樣時(shí)刻的過(guò)程變量值。

在許多控制系統(tǒng)中，只需要PID調(diào)節(jié)器的一種或二種回路控制類型，例如，只需要比例回路或者比例積分回路。通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)，可以選中想要的回路控制類型。如果不想要積分回路，可以把積分時(shí)間設(shè)為無(wú)窮大，如果不想要微分，可以把微分時(shí)間置為零。

為了避免出現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)調(diào)整速度慢的問(wèn)題，在本PLC 程序中，溫度調(diào)節(jié)器輸出的0.0~1.0信號(hào)，一定要線性對(duì)應(yīng)于循環(huán)水壓力下限值和壓力上限值；壓力調(diào)節(jié)器輸出的0.0~1.0信號(hào)，一定要線性對(duì)應(yīng)變頻器最低運(yùn)行頻率和最高運(yùn)行頻率。

針對(duì)已往改造的方案中首次運(yùn)行時(shí)溫度交換不充分的缺陷，在PLC 程序中加入首次起動(dòng)全速運(yùn)行功能，使循環(huán)水系統(tǒng)充分交換一段時(shí)間，再轉(zhuǎn)入正常雙閉環(huán)運(yùn)算，即可避免剛起動(dòng)運(yùn)行時(shí)，熱交換不充分而引起的系統(tǒng)水流量過(guò)小的缺陷，也可加快系統(tǒng)對(duì)冷熱的反應(yīng)速度。

因?yàn)檠h(huán)水系統(tǒng)的溫度滯后時(shí)間長(zhǎng)，壓力反應(yīng)快，相應(yīng)的調(diào)節(jié)器PI參數(shù)值要與之相適應(yīng)。一般可設(shè)溫度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Pw= - 0.25 (只在冷凍水制熱模式下才為正值)，積分時(shí)間IW = 30，壓力調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Py=2.5，積分時(shí)間Iy=3。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)用PLC 作雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器，TD200作人機(jī)界面（HMI），組態(tài)簡(jiǎn)單、控制靈活、操作方便、使用可靠且成本低廉。PLC 參與控制設(shè)備運(yùn)行，控制投運(yùn)泵的臺(tái)數(shù)和變頻泵到工頻泵的切換，同時(shí)又作為調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度，使得開(kāi)關(guān)量設(shè)備與模擬量設(shè)備可以很容易地協(xié)同動(dòng)作，例如，可以很容易地實(shí)現(xiàn)首次起動(dòng)全速運(yùn)行，變頻泵到工頻泵的無(wú)擾動(dòng)切換等功能。同只有溫度調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)變頻控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)反應(yīng)迅速，調(diào)整方便，節(jié)能效果更加顯著。

作者簡(jiǎn)介：

安軍強(qiáng)（1972-），男，高級(jí)程序員，工程師，研究方向?yàn)?FONT face="Times New Roman">PLC、變頻器及工業(yè)控制。

張剛（1972-），男，講師，研究方向?yàn)?FONT face="Times New Roman">FCS，自動(dòng)測(cè)控技術(shù)等。

參考文獻(xiàn)：