簡介： 文章提出了利用中央空調制冷機組熱端產生的熱量來生產生活用熱水的余熱利用方案，分析了控制邏輯與演算法，并給出了基于變頻控制和PLC的實現方案。
關鍵字：余熱利用 變頻控制 PLC
大型賓館、寫字樓的電耗中，中央空調系統佔據了很大的比例。如何降低電耗，提高經濟效益，已經成為企業負責人越來越關注的問題。作為中央空調系統的重要組成部分--製冷機組的熱端單純靠冷卻水帶走熱量，既加大了冷卻水系統的負擔又沒有充分地利用熱量，造成了能源的浪費。餘熱中央熱水系統引入了熱水機，利用製冷機組熱端產生的熱量來生產生活用熱水，充分利用了熱量又減輕了冷卻水系統的負擔，達到了節能的目的。同時，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機長期恒速運行，不能根據大廈的實際用冷量和天氣的冷暖變化來自動調節迴圈水量，這也是一種電能的浪費。因此，需要引入自動控制系統來自動調節水泵和風機的運行速度，以消除引入熱水機給製冷系統可能帶來的影響，穩定製冷機組的工作狀態，降低電耗，保證設備的正常、經濟運行。
１ 工程概況
這裏介紹的工程的被控物件是中央空調製冷機組的冷凍水泵系統、冷卻水泵系統、冷卻塔風機和熱水機提壓泵。按照系統要求，要根據製冷機組的冷凍水出口壓力（或溫度）來控制冷凍水泵的流量，根據冷卻水入口（回水）水溫控制冷卻塔風機的轉速，根據冷卻水出口水溫（或壓力）控制冷卻水泵的流量，熱水機提壓泵的設置根據用戶系統是否足夠來確定。餘熱中央熱水系統工藝流程見圖１。
實現控制目的，其關鍵在於利用冷凍水（或冷卻水）的壓力（或溫度）來控制水泵系統和風機的電機轉速。在本方案中採用壓力和溫度感測器，採集溫度和壓力信號，ＰＬＣ作為主控設備，利用電機變速節能技術，使用變頻器來控制水泵和風機的電機轉速。其控制系統網路圖見圖２。
２ 控制方案
２．１ 單個水泵（或風機）的控制模式
根據冷凍水（或冷卻水）的壓力（或溫度）控制水泵的流量和風機的轉速，就是要實現對變頻器裝置的控制，即利用採集的壓力和溫度信號來控制變頻器輸出的頻率。採用回饋模式實現閉環的跟蹤控制，可以隨天氣情況、客人數量、活動內容等因素的變化來調節實際的負荷量。回饋控制可以採用壓力回饋控制模式和溫度回饋控制模式，具體哪種水泵採用壓力回饋控制，哪種水泵採用溫度回饋控制，要根據具體的現場情況及要求來決定。一般而言，冷凍水泵系採用壓力回饋控制，冷卻水泵系統、熱水機提壓泵和冷卻塔風機採用溫度回饋控制。控制模式見圖３。
２．２ 控制邏輯與演算法
由於該系統有四組需要控制的水泵系統或風機，因此每一組水泵系統或風機都應該有與其相對應的控制部分，包括獨立的感測器、變頻器和ＰＩＤ參數，其基本結構是相同的。現以冷凍水泵系統為例分析其控制演算法。冷凍水泵系統組成如圖４所示。
冷凍水泵系統由四臺水泵組成，其中包括了三臺備用泵。當大廈的用冷量較小時，只需要啟動其中的一臺水泵（常用泵），並且可以對該水泵的轉速進行變頻調節以達到最經濟的運行。當大廈的用冷量較大時，就可能需要同時啟用其中的兩臺或三臺水泵，一臺或兩臺全速運行，另外一臺受控變頻調速。每一臺水泵原則上應該對應於一臺變頻器，但由於變頻器價格較高，從經濟的角度考慮，可以一組水泵系採用一個變頻器。其控制邏輯為：
（１）１＃水泵為常用泵，與變頻器相連，可實現變頻調速，２＃、３＃、４＃泵為備用泵；
（２）通常情況下，１＃泵啟動，其流量受控；
（３）用冷量加大，１＃泵全速啟動仍不能滿足要求時（壓力或溫度超過用戶設定的閾值１），全速啟動２＃、３＃、４＃泵中的一臺，１＃泵的流量仍受變頻器控制。若仍不能滿足要求（壓力或溫度超過用戶設定的閾值２），則依此法再全速啟動一臺泵，１＃泵始終受控，從而達到合理利用電能的目的；
（４）每次全速啟動備用泵時，優先啟動累計運行時間最少的備用泵（時間相等時依照用戶設定啟動），使得３個備用泵都處於熱儲備狀態，延長設備的使用壽命；
（５）當１＃泵檢修時，可以將２＃泵與變頻器相連（即將變頻器輸出的三相電源與２＃泵相連）。
上述控制邏輯表明，本控制系統採用了開關ＰＩＤ－ＦＣ控制，當採樣值與設定值偏差較大時，採用開關控制（全速啟動備用泵）；當採樣值與設定值偏差較小時，則採用ＰＩＤ控制（變頻調速一臺泵）。
開關控制是由ＰＬＣ根據採樣值與閾值的比較得到的差量來決定電子開關的閉合，ＰＩＤ控制則是由ＰＬＣ根據離散型的增量式ＰＩＤ演算法得到控制量，其一般演算法為：
增量：Δｕ（ｋ?劍耍穡?澹ǎ耄??澹ǎ耄?保??澹ǎ耄??郟澹ǎ耄??玻澹ǎ耄?保??澹ǎ耄?玻?藎?
控制量：ｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ－１）＋Δｕ（ｋ）
式中，Ｋｐ、Ｔ１、ＴＤ為ＰＩＤ係數，Ｔ為採樣週期，ｅ（ｋ）、ｅ（ｋ－１）、ｅ（ｋ－２）為連續三次採樣的值與給定值的差，Δｕ（ｋ）為第Ｋ個採樣週期的控制量增量，ｕ（ｋ）則為第Ｋ個採樣週期的控制量，也就是傳給變頻器的頻率值。ＰＩＤ係數採用模糊控制器來自行調整，即為ＰＩＤ－ＦＣ控制器，其結構如圖５所示。其中：
ＫＩ（ｔ）＝ＫＩ（ｔ－１）＋ΔＫＩ；
ＫＤ（ｔ）＝ＫＤ（ｔ－１）＋ΔＫＤ；
Ｋｐ（ｔ）＝Ｋｐ（ｔ－１）＋ΔＫｐ；
ＵＰＤＩ＝ＫＰｅ（ｔ）＋ＫＩΣｅ（ｔ）＋ＫＤΔｅ（ｔ）；
控制表的設計與一般模糊控制器的控制表設計一樣，經過８個步驟完成：確定輸入輸出的模糊子集及論域，選擇控制規則，確定各模糊子集的隸屬度函數，進行模糊控制器關係運算，計算採樣值的偏差和偏差變化，將偏差和偏差變化模糊化，進行模糊決策和模糊判決，最終得到實際的控制量。
３ 工程實現
本系統包括感測器、控制器和變頻器三個部分。控制部分結構圖如圖６所示。
我們選用壓力變送器和溫度變送器將採樣溫度和壓力變為電信號。控制器需要不間斷的給出控制量，一般的ＰＣ機難以滿足這樣的要求，因此選用ＰＬＣ完成自動控制和故障報警功能，其內置的ＰＩＤ控制器還可以大大減少設計工作量。採用觸摸屏提供友好的人機界面，用戶可以查看系統的運行狀況，各主要測溫、測壓點的即時監測值，並可以更改開關閾值。
４ 結束語
在本控制系統的設計中，靈活使用了開關控制和ＰＩＤ控制，縮短了回應時間，提高了控制精度，同時在硬體設計上採用ＰＬＣ作為主控器，滿足工業控制簡單、方便、穩定的要求。而且，設備均處於熱儲備狀態，延長了機器的平均使用壽命，也保障了整個系統運行的穩定性。將該系統用於樓宇中央空調的自動控制中，可以即時有效地控制製冷機組系統的水泵系統和冷卻風機，根據大廈的實際用冷量合理調節冷凍水和冷卻水的流量，即合理控制水泵系統和風機的負載，從而達到節約電能的目的。同時，在餘熱利用中，可以消除引入熱水機對原系統的影響，穩定系統工作。
參考文獻
1 王耀南.計算智慧資訊處理技術及其應用.湖南大學出版社，2001
2 崔耀華.某工程樓宇自控系統控制方案.《工程設計CAD與智能建築》 2002
關鍵字：余熱利用 變頻控制 PLC
大型賓館、寫字樓的電耗中，中央空調系統佔據了很大的比例。如何降低電耗，提高經濟效益，已經成為企業負責人越來越關注的問題。作為中央空調系統的重要組成部分--製冷機組的熱端單純靠冷卻水帶走熱量，既加大了冷卻水系統的負擔又沒有充分地利用熱量，造成了能源的浪費。餘熱中央熱水系統引入了熱水機，利用製冷機組熱端產生的熱量來生產生活用熱水，充分利用了熱量又減輕了冷卻水系統的負擔，達到了節能的目的。同時，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機長期恒速運行，不能根據大廈的實際用冷量和天氣的冷暖變化來自動調節迴圈水量，這也是一種電能的浪費。因此，需要引入自動控制系統來自動調節水泵和風機的運行速度，以消除引入熱水機給製冷系統可能帶來的影響，穩定製冷機組的工作狀態，降低電耗，保證設備的正常、經濟運行。
１ 工程概況
這裏介紹的工程的被控物件是中央空調製冷機組的冷凍水泵系統、冷卻水泵系統、冷卻塔風機和熱水機提壓泵。按照系統要求，要根據製冷機組的冷凍水出口壓力（或溫度）來控制冷凍水泵的流量，根據冷卻水入口（回水）水溫控制冷卻塔風機的轉速，根據冷卻水出口水溫（或壓力）控制冷卻水泵的流量，熱水機提壓泵的設置根據用戶系統是否足夠來確定。餘熱中央熱水系統工藝流程見圖１。
實現控制目的，其關鍵在於利用冷凍水（或冷卻水）的壓力（或溫度）來控制水泵系統和風機的電機轉速。在本方案中採用壓力和溫度感測器，採集溫度和壓力信號，ＰＬＣ作為主控設備，利用電機變速節能技術，使用變頻器來控制水泵和風機的電機轉速。其控制系統網路圖見圖２。
２ 控制方案
２．１ 單個水泵（或風機）的控制模式
根據冷凍水（或冷卻水）的壓力（或溫度）控制水泵的流量和風機的轉速，就是要實現對變頻器裝置的控制，即利用採集的壓力和溫度信號來控制變頻器輸出的頻率。採用回饋模式實現閉環的跟蹤控制，可以隨天氣情況、客人數量、活動內容等因素的變化來調節實際的負荷量。回饋控制可以採用壓力回饋控制模式和溫度回饋控制模式，具體哪種水泵採用壓力回饋控制，哪種水泵採用溫度回饋控制，要根據具體的現場情況及要求來決定。一般而言，冷凍水泵系採用壓力回饋控制，冷卻水泵系統、熱水機提壓泵和冷卻塔風機採用溫度回饋控制。控制模式見圖３。
２．２ 控制邏輯與演算法
由於該系統有四組需要控制的水泵系統或風機，因此每一組水泵系統或風機都應該有與其相對應的控制部分，包括獨立的感測器、變頻器和ＰＩＤ參數，其基本結構是相同的。現以冷凍水泵系統為例分析其控制演算法。冷凍水泵系統組成如圖４所示。
冷凍水泵系統由四臺水泵組成，其中包括了三臺備用泵。當大廈的用冷量較小時，只需要啟動其中的一臺水泵（常用泵），並且可以對該水泵的轉速進行變頻調節以達到最經濟的運行。當大廈的用冷量較大時，就可能需要同時啟用其中的兩臺或三臺水泵，一臺或兩臺全速運行，另外一臺受控變頻調速。每一臺水泵原則上應該對應於一臺變頻器，但由於變頻器價格較高，從經濟的角度考慮，可以一組水泵系採用一個變頻器。其控制邏輯為：
（１）１＃水泵為常用泵，與變頻器相連，可實現變頻調速，２＃、３＃、４＃泵為備用泵；
（２）通常情況下，１＃泵啟動，其流量受控；
（３）用冷量加大，１＃泵全速啟動仍不能滿足要求時（壓力或溫度超過用戶設定的閾值１），全速啟動２＃、３＃、４＃泵中的一臺，１＃泵的流量仍受變頻器控制。若仍不能滿足要求（壓力或溫度超過用戶設定的閾值２），則依此法再全速啟動一臺泵，１＃泵始終受控，從而達到合理利用電能的目的；
（４）每次全速啟動備用泵時，優先啟動累計運行時間最少的備用泵（時間相等時依照用戶設定啟動），使得３個備用泵都處於熱儲備狀態，延長設備的使用壽命；
（５）當１＃泵檢修時，可以將２＃泵與變頻器相連（即將變頻器輸出的三相電源與２＃泵相連）。
上述控制邏輯表明，本控制系統採用了開關ＰＩＤ－ＦＣ控制，當採樣值與設定值偏差較大時，採用開關控制（全速啟動備用泵）；當採樣值與設定值偏差較小時，則採用ＰＩＤ控制（變頻調速一臺泵）。
開關控制是由ＰＬＣ根據採樣值與閾值的比較得到的差量來決定電子開關的閉合，ＰＩＤ控制則是由ＰＬＣ根據離散型的增量式ＰＩＤ演算法得到控制量，其一般演算法為：
增量：Δｕ（ｋ?劍耍穡?澹ǎ耄??澹ǎ耄?保??澹ǎ耄??郟澹ǎ耄??玻澹ǎ耄?保??澹ǎ耄?玻?藎?
控制量：ｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ－１）＋Δｕ（ｋ）
式中，Ｋｐ、Ｔ１、ＴＤ為ＰＩＤ係數，Ｔ為採樣週期，ｅ（ｋ）、ｅ（ｋ－１）、ｅ（ｋ－２）為連續三次採樣的值與給定值的差，Δｕ（ｋ）為第Ｋ個採樣週期的控制量增量，ｕ（ｋ）則為第Ｋ個採樣週期的控制量，也就是傳給變頻器的頻率值。ＰＩＤ係數採用模糊控制器來自行調整，即為ＰＩＤ－ＦＣ控制器，其結構如圖５所示。其中：
ＫＩ（ｔ）＝ＫＩ（ｔ－１）＋ΔＫＩ；
ＫＤ（ｔ）＝ＫＤ（ｔ－１）＋ΔＫＤ；
Ｋｐ（ｔ）＝Ｋｐ（ｔ－１）＋ΔＫｐ；
ＵＰＤＩ＝ＫＰｅ（ｔ）＋ＫＩΣｅ（ｔ）＋ＫＤΔｅ（ｔ）；
控制表的設計與一般模糊控制器的控制表設計一樣，經過８個步驟完成：確定輸入輸出的模糊子集及論域，選擇控制規則，確定各模糊子集的隸屬度函數，進行模糊控制器關係運算，計算採樣值的偏差和偏差變化，將偏差和偏差變化模糊化，進行模糊決策和模糊判決，最終得到實際的控制量。
３ 工程實現
本系統包括感測器、控制器和變頻器三個部分。控制部分結構圖如圖６所示。
我們選用壓力變送器和溫度變送器將採樣溫度和壓力變為電信號。控制器需要不間斷的給出控制量，一般的ＰＣ機難以滿足這樣的要求，因此選用ＰＬＣ完成自動控制和故障報警功能，其內置的ＰＩＤ控制器還可以大大減少設計工作量。採用觸摸屏提供友好的人機界面，用戶可以查看系統的運行狀況，各主要測溫、測壓點的即時監測值，並可以更改開關閾值。
４ 結束語
在本控制系統的設計中，靈活使用了開關控制和ＰＩＤ控制，縮短了回應時間，提高了控制精度，同時在硬體設計上採用ＰＬＣ作為主控器，滿足工業控制簡單、方便、穩定的要求。而且，設備均處於熱儲備狀態，延長了機器的平均使用壽命，也保障了整個系統運行的穩定性。將該系統用於樓宇中央空調的自動控制中，可以即時有效地控制製冷機組系統的水泵系統和冷卻風機，根據大廈的實際用冷量合理調節冷凍水和冷卻水的流量，即合理控制水泵系統和風機的負載，從而達到節約電能的目的。同時，在餘熱利用中，可以消除引入熱水機對原系統的影響，穩定系統工作。
參考文獻
1 王耀南.計算智慧資訊處理技術及其應用.湖南大學出版社，2001
2 崔耀華.某工程樓宇自控系統控制方案.《工程設計CAD與智能建築》 2002
