基于PLC建筑空調系統二次循環水泵系統自動控制的研究

吳霄陽，王心雨

（北京市設備安裝集團有限公司，北京 100124）

隨著我國近年來經濟的不斷發展，建筑空調工程中出現了超大冷/熱量供給的冷凍站/鍋爐房。二次泵系統得到更廣泛的應用。由于給排水專業的恒壓供水變流量控制策略，并不適用于暖通空調專業的循環水泵變流量控制。隨著變頻調速技術的日趨成熟，采用變頻調速水泵進行流量調節，使得空調流量調節范圍廣，節能效果更加顯著。如何利用變頻器控制空調循環水泵實現二次泵的變流量運行，使得二次泵系統更加“節能、低耗，高效、穩定”，且實現自動“加減泵”，成為相關自控人員研究的方向。本文重點研究如何在建筑空調的循環水系統中，使用PLC控制器實現對二次泵系統在恒壓差變頻控制前提下的“自動加減泵”。分析多臺泵并聯系統中存在的“加減泵過程中的水泵過載問題”，并提供系統解決方案。本研究成果，應用于“江蘇隆基樂葉5GW組件項目”中的二次泵變頻系統控制中，實現了恒壓差供水的“自動加減泵”的控制。

1 空調冷凍水系統二次泵變頻系統的工作原理

1.1 空調冷水系統恒壓差供水系統的應用分析

在空調冷凍水系統中，其常規空調末端風機盤管，采用電動二通閥為通斷型回差溫度調節。對于系統管線則實時接入數量不同，從而形成系統流量的變化；新風機組和空調機組采用電動調節閥進行變流量型溫度調節，接入系統管線的總流量也實時變化。因此，在二次循環泵系統中，系統冷凍水需求總量會時時變化。其冷凍水系統需要采用變流量運行方式，二次泵需采用變頻控制，以實現系統的變流量變化。

文獻[2]對定壓系統和變壓系統中變頻水泵的能耗進行分析，指出在變壓系統中把壓差控制點設在最不利環路的管道上能最大限度地降低水泵能耗。鑒于空調系統末端設備的調節作用，在二次泵循環系統中，其二次泵所提供的系統供回水壓差是為了保證其空調末端的運行工況。變頻二次泵控制通常采用壓差控制法，控制器將根據供回水壓差信號，控制變頻器的輸出頻率和電壓，調節水泵運行轉速，從而改變水泵的運行工況。結合系統管線沿程阻力的變化，在供需平衡的前提下，實現變流量運行。

1.2 空調冷凍水二次泵系統中，多泵并聯系統“加減機”存在的問題

在空調冷凍水二次泵循環系統中，一般會采用多臺泵并聯方式，每臺離心式水泵，都需單獨配置一臺變頻器。目前，在此并聯系統中，常規方式采用頻率上下限加減泵的控制方法。

但此種控制方法會導致若干問題。以4臺二次循環水泵系統為例，當第一臺水泵達到設計流量時，其系統干線管路的流量為系統管線設計流量的1/4，根據流體力學原理：

其沿程阻力約為設計阻力的1/16（沿程阻力與其運行流量成平方關系）。根據水泵的特性曲線，當單臺水泵變頻控制器達到上限值（如50Hz）時，水泵的運行工況將回到設計工況特性曲線。由于其沿程阻力低于水泵的設計選型揚程，水泵的運行流量將會高于水泵的設計流量。鑒于水泵的軸功率與其流量呈三次方的關系，運行流量超過其設計流量后，其水泵就會超載運行。雖變頻器均有過載保護，但進入過載工況，變頻器將會保護停機，造成系統無法正常運行（見圖1）。

圖1 水泵系統特性

因此，在空調冷凍水二次泵系統的多泵并聯運行中，水泵沒有全部投入運行時，變頻器不應達到頻率上限。而投入運行水泵的數量不同，其上限頻率也不同。若采用一臺水泵運行而水泵不超載的上限值一并控制，其投入運行的水泵均無法達到其設計流量。意味著所有水泵均投入運行，其總循環水量也無法達到設計流量，所以水泵加減機的控制方法應改進優化（見圖2）。

圖2 供水系統的管阻特性曲線

2 基于PLC控制器的硬件設計

2.1 “江蘇隆基樂葉新建5GW組件項目”空調工程的冷凍水二次泵變頻系統

在“江蘇隆基樂葉新建5GW組件項目”（簡稱5GW項目）空調工程中，其空調冷凍水二次泵系統設置了4臺變頻水泵。設計工況為4臺水泵并行工作，達到其系統設計流量值，其中每個臺水泵配有一個變頻器進行控制調節。

2.2 西門子S7-200 Smart PLC的選型和硬件設計

在“5GW項目”中，空調冷凍水二次循環泵變頻系統，選用了西門子S7-200 Smart PLC為控制器，由以下CPU和擴展模塊構成。如表1所示。

表1 “5GW項目”空調工程冷凍水二次循環泵變頻系統PLC選型

2.3 “5GW項目”的PLC監控點表概述

根據“5GW項目”空調工程中，冷凍水二次循環泵系統的設備，PLC控制器點位設計如表2所示。

表2 “5GW項目” 空調工程冷凍水二次循環泵變頻系統PLC監控點表

3 PLC對二次循環水泵變頻系統的監控程序設計

3.1 對于單臺變頻泵PLC的控制邏輯分析

在“5GW項目”空調工程，冷凍水二次循環變頻泵系統中，由一體化壓差傳感器反饋的壓差信號（4～20mA），經過A/D轉換，其電流信號轉換成數字信號。通過對該信號的分析、處理，PLC將輸出4～20mA的給定信號，控制變頻器的頻率——以控制電機轉速（圖3）。

圖3 變頻恒壓差供水系統工作流程圖

供回水壓差作為控制對象，PLC通過給定控制頻率，調節電機，保證控制目標值與系統內設定值盡可能的縮小偏差，保證供回水壓差的穩定——水力供求關系的匹配。為了此目標，系統采用PID控制（圖4）。

圖4 PID控制原理圖

3.2 對于多臺并聯變頻泵加減機的控制邏輯分析

為避免關于單臺水泵運行及少于設計工況值的多臺水泵運行所出現的問題。在“5GW項目”空調工程中，PLC程序采用“順序控制指令”（SCR，SCRT，SCRE），進行狀態判斷及系統控制。為避免單臺水泵運行達到50Hz時的過載問題，同時考慮到多臺水泵運行時，均能夠確保其投入運行的水泵可以達到其水泵的選型設計流量值。根據離心水泵工作原理：

式中，ρ為泵輸送液體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為泵的流量，m3/h；H為泵的揚程，m；η為泵的效率。

其水泵電機均按照其水泵設計工作點的軸功率進行的選型，因此將其加泵條件為變頻器電流反饋達到上限（額定電流95%）。考慮到水泵變頻控制的下限值，其減泵條件為變頻器頻率反饋達到下限（頻率值33Hz，考慮到運行的安全冗余）。

進入程序：程序進入初始狀態中，此狀態下，PLC控制每個水泵停機。第一臺水泵開機：順序選擇第一臺變頻水泵，輸出開機指令，并由PID控制輸出頻率給定。

加泵選擇（運行泵數量≤4）：若供回水壓差反饋信號持續小于設定值，通過PID控制，PLC的給定控制信號會持續增加。這會造成變頻器頻率和電流值都上升。當變頻水泵的電流反饋值≥額定電流的95%（持續1min），開啟下一臺泵（選擇空閑泵中累計運行時間最少的泵）。

減泵選擇（運行泵數量≥2）：若供回水壓差反饋信號持續大于設定值，通過PID控制，PLC的給定控制信號會持續降低。這會造成變頻器頻率和電流值都降低。當運行變頻水泵的頻率反饋值≤33Hz（持續1min），停止一臺泵（選擇運行泵中累計運行時間最長的泵）。

單臺泵頻率下限值設定：當只有一臺變頻水泵運行的時候，若供回水壓差持續大于設定值，通過PID控制，PLC的給定控制信號會持續降低。若此臺變頻水泵的頻率≤33Hz，PLC將輸出控制維持在33Hz對應的給定信號（14598）。

系統循環：通過對供回水壓差的監測，對變頻器水泵PID控制，進行自動加減機的運行。最終實現安全、高效的循環系統。如圖5所示。

圖5 多臺泵循環系統加減機工作流程圖

4 結語

本文以節能、穩定、安全控制空調冷凍水系統的二次循環變頻水泵為目標，介紹了二次泵系統的應用范圍，基于離心泵的工作原理，設計了其離心式循環水泵的自動加減泵的控制方案。以西門子S7-200 smart控制器作為控制單元，以恒壓差控制作為控制目標，以PID控制作為控制原理。并針對目前多泵并聯系統“加減機”存在的問題，提出了優化解決方案。基于離心式循環水泵的工作原理，用“電流加泵，頻率減泵”的策略，避免了由于單泵揚程遠大于管道阻力而造成的“電流過載，停機保護”。該優化方法被應用于“5GW項目”二次循環泵變頻系統（4臺泵并聯），經測試，該優化方法可以安全、有效地實現空調工程冷凍水二次變頻泵系統的自動控制，達到了預期目標。