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0 引言

央空調系統中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量是根據建筑物最大設計熱負荷選定的，且留有（10-20）%的設計余量。在沒有使用調速的系統中，水泵一年四季在工頻狀態下全速運行，只好采用節流或回流的方式來調節流量，不僅造成了能量的極大浪費，而且還造成中央空調最末端達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，導致外界環境溫度相差很大，使得中央空調的熱負荷在絕大部分時間里遠比設計負荷低。也就是說，中央空調大部分時間實際運行在低負荷狀態下。

據統計，67%的工程設計熱負荷值為（94~165）W/m²，而實際上83%的工程熱負荷只有58~93 W/m²，滿負荷運行時間每年不超過10~20 h。

一般冷凍水設計溫差為5~7℃ ，冷卻水的設計溫差為4~5℃，系統在工頻運行的情況下，全年絕大部分運行時間溫差僅為1~3℃，即在低溫差、大流量下工作，從而增加了管路系統的能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。由于冷凍水、冷卻水帶走的J（熱量）=r（比熱）×Q（流量）×△T（溫差），而傳輸的介質是水，其r是不變的。這樣，可以適當提高△T，降低Q，也即降低轉速，使其乘積不變，使冷凍水、冷卻水帶走的熱量相同，即可達到節能的目的。

對于水泵來說，流量Q 與轉速n 成正比，循環水溫差△T與轉速n成反比，揚程H 與轉速n的二次方成正比，而軸功率P與轉速n的三次方成正比，即Q∝n，△T∝1/n，H∝n²，P∝n³。由此可看出，調整水泵轉速進行節能降耗具有巨大潛力。

從表1可以看出，當流量稍有下降時，泵的功率便急劇下降，節能效果非常顯著。例如：100 kW的電機，當流量下降為80%時，功率下降為51 kW，可節省49 kW的功率。因此，隨熱負荷而改變水量的變流量空調循環水系統顯示了巨大的優越性，因而得到越來越廣泛的應用。采用變頻器調節泵的轉速，可以方便地調節水的流量，用反映負荷變化的傳感器、PID調節器和變頻器組成閉環控制系統，使泵的轉速隨負荷變化，這樣就可以實現節能，其節能率通常都在30%以上。

1 雙閉環變頻調速控制方案的提出

1.1 冷凍水系統

冷凍泵夏天供冷水，冬天供熱水，以滿足冬夏對室內溫度的要求，相應控制模式稍有差別。

1)制冷模式下的冷凍水控制系統

此模式下的冷凍水出水溫度取決于蒸發器的運行參數（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值組成閉環控制系統是不行的，因為冷凍水如果在制冷機組中流量達不到一定值，會引起空調制冷機組停機；或者冷凍水循環不完全，使得高層樓的室內無冷風。

因此，我們采用壓力傳感器、溫度傳感器、PID 調節器和變頻器組成雙閉環控制系統，應用溫度控制環維持溫差的恒定，應用壓力流量控制環使水流量在預設定的流量高限和流量低限之間隨外界的環境溫度變化而變化，其控制原理框圖見圖1。外環為溫度控制環，內環為壓力流量控制環，回水溫度給定與實際回水溫度之差，經溫度調節器運算后，作為內環壓力給定；壓力給定與實際循環水壓力的偏差，經壓力調節器運算后，作為變頻器的頻率設定信號，當變頻器的頻率達到電機的額定頻率實際循環水壓力仍達不到壓力給定時，變頻泵切入工頻電網，變頻器帶另一臺停止時間最長的水泵運行，直至消除偏差；在兩臺以上的水泵運行，變頻器的頻率達到預設定的最低頻率實際循環水壓力仍高于壓力給定時，投運時間最長的水泵停止運行，變頻泵速度上升，消除偏差。通過此系統，可把冷凍水回水溫度控制在T1 (例如12℃)，使冷凍水泵的轉速和投運臺數相應于熱負荷的變化而變化。

2) 制熱模式下的冷凍水控制系統

此模式是中央空調中熱泵運行（即中央空調冬天制熱）時冷凍水泵系統的控制方案，它與制冷模式相比，只是在回水溫度給定與實際回水溫度有偏差時，溫度調節器運算后的壓力給定調節方向發生了變化，所以對制冷模式下的溫度調節器的比例環節中的比例系數取反，即成為制熱模式下的冷凍水控制系統。

1.2 冷卻水系統

與冷凍水系統類似，取冷卻塔冷凝器兩測水的溫差作為控制參數，采用壓力傳感器、溫度傳感器、PID調節器和變頻器組成雙閉環控制系統，應用溫度控制環維持溫差的恒定，應用壓力流量控制環使水流量在予設定的流量高限和流量低限之間隨制冷機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。

外環為溫差控制環，內環為壓力流量控制環，溫差給定與實際溫差的偏差，經溫度調節器運算后，作為內環壓力給定；壓力給定與實際循環水壓力的偏差，經壓力調節器運算后，作為變頻器的頻率設定信號，當變頻器的頻率達到電機的額定頻率而實際循環水壓力仍達不到壓力給定時，變頻泵切入工頻電網，變頻器帶另一臺停止時間最長的水泵運行，直至消除偏差；在兩臺以上的水泵運行，變頻器的頻率達到預設定的最低頻率實際循環水壓力仍高于壓力給定時，投運時間最長的水泵停止運行，變頻泵速度上升，消除偏差。通過此系統，可把冷卻水溫差控制在△T2 (例如5°C)，使冷卻水泵的轉速相應于空調制冷機組熱負荷的變化而變化，使系統在滿足空調主機工況不變

條件下，冷卻水系統節能最大。

2 雙閉環變頻調速控制系統的電氣實現

冷卻水控制系統的實現，與冷凍水控制系統的實現類似，故只舉例冷凍水控制系統。

2.1 電氣設備的配置

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

2) SIEMENS TD200中文文本顯示器1臺

3)日立L300P-550HFE 變頻器1臺;

4)監頻監相器1臺;

5)電阻遠傳壓力表1;

6) PT100溫度傳感器（帶變送器）2臺;

7) 控制柜柜體及電控元件若干。

2.2 控制系統的電氣原理

原啟動設備作為變頻設備的后備裝置，互鎖后繼續留用。壓力傳感器與溫度傳感器的信號，經PLC模擬量輸入輸出模塊EM235，送入PLC進行雙閉環運算，運算結果經EM235送入變頻器，作為變頻器的頻率設定信號，水泵調度指令也由PLC完成。

在中文文本顯示器TD200上，可設定和顯示回水溫度設定、溫度調節器的比例系數Pw和積分時間IW、壓力調節器的比例系數Py和積分時間Iy、循環水壓力上限值Ph和壓力下限值Pl、變頻器最高運行頻率fh和最低運行頻率fl；可顯示實際回水溫度值、實際泵出口壓力值、變頻器轉速等模擬量信息；也可顯示各水泵運行狀態、系統故障時的故障提示等開關量信息。

監頻監相器是一種二次儀表，它監測變頻器輸出和工頻電網的頻率和相位，當二者均相同時，給出可以切換信號送PLC，做到變頻泵到工頻泵的無擾動切換。控制系統的電氣原理圖見圖2。

3 雙閉環數字PID調節器的設計應用及調試注意事項

給定值SP和過程變量PV輸入PID調節器，調節器調節輸出，保證偏差e（e= SP- PV）為零，使所調節的系統達到穩定狀態。PID調節器的原理基于式（1）。

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

式中：M（t）為PID 回路的輸出，是時間的函數；

Kc 為PID回路的增益；

e為PID回路的偏差（給定值與過程變量之差）；

Minitial 為PID 回路輸出的初始值。

為了能讓數字計算機處理這個控制算式，連續算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。數字計算機處理的算式如下：

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

式中：Mn為在第n次采樣時刻，PID回路輸出的計算值；

Kc為PID回路的增益；

e1為在第1次采樣時刻的偏差值；

en為在第n次采樣時刻的偏差值；

KI為積分項的比例常數；

Minitial為PID回路輸出的初始值；

KD為微分項的比例常數。

由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只需要保存偏差前值和積分項前值。利用計算機處理的重復性，可以化簡以上算式為

Mn=Kc×en+ KI×en+ MX+KD×(en-en -1) （3）

式中:MX 為積分項前值。

計算機實際使用式（3）的改進形式計算PID輸出，這個改進算式是

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采樣時刻給定值；

PVn為第n采樣時刻的過程變量值；

TS為采樣時間間隔；

TI為積分時間；

TD為微分時間；

SPn-1為第n-1采樣時刻給定值；

PVn-1為第n-1采樣時刻的過程變量值。

在許多控制系統中，只需要PID調節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。通過設置常量參數，可以選中想要的回路控制類型。如果不想要積分回路，可以把積分時間設為無窮大，如果不想要微分，可以把微分時間置為零。

為了避免出現正常運行時系統調整速度慢的問題，在本PLC 程序中，溫度調節器輸出的0.0~1.0信號，一定要線性對應于循環水壓力下限值和壓力上限值；壓力調節器輸出的0.0~1.0信號，一定要線性對應變頻器最低運行頻率和最高運行頻率。

針對已往改造的方案中首次運行時溫度交換不充分的缺陷，在PLC 程序中加入首次起動全速運行功能，使循環水系統充分交換一段時間，再轉入正常雙閉環運算，即可避免剛起動運行時，熱交換不充分而引起的系統水流量過小的缺陷，也可加快系統對冷熱的反應速度。

因為循環水系統的溫度滯后時間長，壓力反應快，相應的調節器PI參數值要與之相適應。一般可設溫度調節器的比例系數Pw= - 0.25 (只在冷凍水制熱模式下才為正值)，積分時間IW = 30，壓力調節器的比例系數Py=2.5，積分時間Iy=3。

4 結語

該系統用PLC 作雙閉環調節器，TD200作人機界面（HMI），組態簡單、控制靈活、操作方便、使用可靠且成本低廉。PLC 參與控制設備運行，控制投運泵的臺數和變頻泵到工頻泵的切換，同時又作為調節器，調節流量，進而調節溫度，使得開關量設備與模擬量設備可以很容易地協同動作，例如，可以很容易地實現首次起動全速運行，變頻泵到工頻泵的無擾動切換等功能。同只有溫度調節器的單閉環變頻控制系統相比，該系統反應迅速，調整方便，節能效果更加顯著。

作者簡介：

安軍強（1972-），男，高級程序員，工程師，研究方向為PLC、變頻器及工業控制。

張剛（1972-），男，講師，研究方向為FCS，自動測控技術等。

參考文獻：