水冷機組通風控制全閉環系統設計

王天虬 王 杰

（1.南通醋酸纖維有限公司；2.宜興市科學技術協會）

水冷機是一種通過改變冷媒介質壓力來達到制冷目的的機械設備，常見的形式有螺桿式、離心式等。 制冷劑在蒸發器中由液態轉為氣態從而吸收被冷物體的熱量， 冷凝器將高溫制冷劑重新冷凝為飽和液體， 油分離器則將制冷劑蒸氣與油分離，在壓縮機推動下制冷蒸氣在系統中循環。

水冷機組在企業生產中的大規模應用，使得水冷機組環境通風系統成為研究熱點。 曹可樂等通過采集中央空調系統運行參數，從而對水冷機組是否運行在最優組合狀態進行評估［1］。 楊俊俊和歐陽超提出了變頻調速的方法，實現了水冷機組穩定運行［2］。吳邵華通過將冷凍水系統、冷卻水系統和DDC控制系統相結合設計了一個機房群控系統，實現了對冷凍機組運行狀態的實時監控和報警處理［3］。

長時間帶負荷運行的水冷機（離心機與螺桿機）機頭溫度可高達75 ℃，如果水冷機組的環境溫度持續偏高，將導致機頭溫度繼續升高，觸發聯鎖保護停機，影響生產的穩定性，嚴重時可能引發電網波動。 因此，有必要設計一種水冷機組通風控制全閉環系統，實時關注水冷機組運行狀況，為生產保駕護航。

1 系統架構與算法

如圖1所示， 水冷機組通風控制全閉環系統由控制器和上位機兩部分組成。 其中，控制器采用西門子PLC 226CN；模擬量輸入輸出模塊采用EM235，用于讀入現場溫度變送器信號，同時輸出標準電流信號給AB700變頻器用于調節風機轉速。 采用KTP1200觸摸屏作為上位機接收來自控制器的數據，具體包括風機啟停信號、手/自動狀態信號、現場溫度及PID參數等。

圖1 系統架構

比例-積分-微分控制，即PID控制器，常用于閉環控制系統中［4］。 增量式PID表達式如下：

其中，u（k）為控制器輸出，Kp為比例系數，e（k）為控制器輸入，T為采樣周期，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。 PID控制器中，比例部分能反映輸出偏差的大小，使得控制器的輸出包含與偏差成正比的分量；積分部分能消除系統穩態誤差；微分部分能消除系統振蕩，改善系統的動態特性。

2 硬件電路設計

硬件電路由配電回路（圖2）、二次回路與控制回路3部分組成。 單臺電機功率為5.5 kW，單相最大電流為8.3 A，本設計為4臺電機同時運行，最大電流為33.2 A， 考慮到單臺電機的啟動電流約為電機額定電流的5倍，約為41.5 A，同時考慮到1.5倍的裕量， 故三相塑殼空氣開關的整定值為63 A，本系統中筆者選擇德力西CDM3型帶過流保護功能的三相塑殼空氣開關作為配電回路的主開關。每一相與中性線間分別接紅、綠、黃3種顏色指示燈，從而判斷三相電路工作是否正常。 取L3作為二次回路的電源，L1作為控制回路的電源， 分別選用施耐德16 A、10 A空氣開關作為二次回路、控制回路的主開關。控制回路24 V（DC）開關電源轉換后作為模擬量和觸摸屏的電源，開關電源型號SITOP PSU8200。

圖2 配電回路

二次回路（圖3）中，KA1為輸出繼電器的常開觸點，所在回路為自動回路，由PLC的數字量輸出控制觸點的閉合與斷開。 ST為啟動按鈕，所在回路為手動回路，按鈕ST按下時，接觸器KM1線圈得電，KM1觸點與ST并聯，實現回路自鎖。 輸出繼電器KA1為雙觸點型繼電器， 接觸器KM1選擇雙觸點型交流接觸器。 風機運行時，KM1的常閉觸點所在回路斷開，綠色指示燈熄滅，風機停止狀態下綠色指示燈亮起。

圖3 二次回路

控制回路（圖4）中，KM1為接觸器的輔助觸點，閉合時，PLC得到電機運行信號。 KA2為中間繼電器的一組觸點，閉合時表示風機處于故障狀態。

圖4 控制回路

3 控制器程序與上位機設計

3.1 控制器程序

現場安裝有4臺風機為冷水機組環境降溫，均設置有自動、手動開啟、手動停止3種狀態，分別采用數字量輸入端I0.0、I0.1、I0.2接收唯一狀態選擇信號。PLC接收到自動信號I0.0輸入時，復位手動開啟輔助繼電器M0.2， 接收到手動信號I0.1輸入時，復位自動狀態輔助繼電器M0.1， 以保證手動與自動狀態選擇的唯一性。 手動狀態下，數字量輸入端I0.3、I0.4、I0.5、I0.6分別控制4臺風機， 可以啟動任意一臺或幾臺風機。 自動狀態下，4臺風機相隔5 s依次啟動，1#風機在PLC接收到自動信號輸入時立刻啟動，即Q0.0立刻輸出，同時啟動定時器T33定時5 s，定時時間到后啟動2#風機，定時器T34、T35 作為3#、4#風機的延時啟動定時器。

Micro/Win編程軟件提供了8路PID模塊功能，使能端由輔助繼電器SM0.0使能， 根據輸入過程變量（PV）與組態信息進行PID運算。PID0_INIT是回路號，使用PID回路模塊時，會根據現場采集量和控制結果數據進行轉換處理。 考慮到本設計監測對象為現場溫度值，因此給定范圍的上、下限分別設定為40、0 ℃，采樣周期為1 s，回路輸出類型采用模擬量單極性輸出，范圍低限、高限分別為6 400、32 000。 使能低限報警為0.10，高限報警為0.90。

每個PID回路有兩個輸入量， 即給定值（SP）與PV值。 SP值是人為設定的固定值。 現場采集的溫度數據作為PID模塊的輸入，不能直接進行PID運算，需要先進行標準化轉換［5］，即轉換為標準的浮點型標準值，范圍在0.0～1.0之間。 數據的標準化過程分為兩個步驟： 第1步將輸入數據轉換為浮點型實數，如EM235輸入數據為16位整型，范圍在0～32 768，先將輸入值轉換為雙整型數，范圍為［-32768，32768］， 再將24位雙整型數轉換為實數；第2步將實數標準化，即轉換為0.0～1.0之間的標準值，可依據下式實現：

其中，RNorm為標準值；RRaw為未標準化的實數值；Span為值域，即最大可能值與最小可能值之差，通常單極性時取32 000，而雙極性時取64 000；offset為偏移量，分為單極性與雙極性兩種情況，單極性時其值為0.0，雙極性時RNorm以0.5為中心變化，offset取值0.5。 輸出模擬量為0.0～1.0間的標準值， 需要將其轉換為工程量才能驅動變頻器負載［6］，實現模擬量控制，可依據下式實現：

其中，Rout為工程量輸出；Mn為PID運算后的標準化數值。

3.2 觸摸屏組態

觸摸屏將水冷機的運行狀態直觀呈現給維護人員，并提供參數設置、手/自動轉換功能。觸摸屏地址為1，PLC地址為2， 可以選擇多種通信媒介，本設計中采用雙芯紫色通信電纜，特性阻抗為150 Ω，符合PROFIBUS/DP總線標準規范。 PLC與觸摸屏之間通信比特率為19 200 bit/s，PROFIBUS總線連接器內部集成220 Ω終端電阻，減弱了因阻抗不連續產生的信號反射現象，保證信號傳輸的穩定性。

觸摸屏中新增布爾型變量start-01、start-02、start-03、start-04作為風機運行變量，以0為綠色表示風機停止，1為紅色表示風機運行。 主界面如圖5所示， 包含手/自動切換按鈕， 自由切換工作狀態，還包括參數設置按鈕，可以切換到參數設置界面，對PID參數、溫度報警閾值進行調整。

圖5 觸摸屏主界面

4 變頻器參數設計

電動機銘牌電壓為380 V，電流為8.8 A，轉速為2 800 r/min，頻率50 Hz，功率5.5 kW，功率因數0.82。 變頻器選用AB700型變頻器，R、S、T為輸入交流電源線，信號線選擇0.75 mm2屏蔽雙絞線，本設計中選用模擬量輸入通道1，17#、18#端子短接，1#、2#端子接收來自PLC的電流信號。 EM235提供標準4～20 mA信號給變頻器用于頻率控制， 變頻器速度控制范圍組態為30～50 Hz，具體參數設置見表1。

表1 參數設置表

5 實驗驗證

風機控制過程分為維持溫度不變和改變轉速調溫兩部分，前者是純滯后的控制過程，后者則是一個時間常數慣性過程，傳遞函數如下：

其中，T1為時間常數，k1為增益系數，τ為滯后系數。 控制器通過調節變頻器的輸出頻率使得風機的頻率發生改變，其傳遞函數通常設定為慣性環節，電機頻率與轉子速度的傳遞函數如下：

其中，Kd為微分系數。 將筆者設計的通風系統表示為兩個慣性環節與一個滯后環節的串聯系統，傳遞函數如下：

其中，K為系統增益，K0為電機增益，J為轉動慣量，D為摩擦系數，Km為常數，i為極對數，R為轉子電阻值，U為電源電壓，ω為角頻率。

采用MATLAB中的SIMULINK工具來進行仿真運行，系統傳遞函數如式（5），考慮到系統突變運行的情況， 輸入采用階躍函數作為系統輸入，滯后系數τ=2.6，Ti=8.9，Td=0.7，K=1.4，調節部分比例系數Kp=2.4，積分系數Ki=0.4，微分系數Kd=3.0，得到如圖6所示的仿真波形。 由圖6可以看出，系統調節效果良好，可以將溫度穩定地控制在設定值附近，波動較小，具有很好的適應能力。 由仿真所得數據進行實際編程測試，系統溫度調節功能良好，能將環境溫度穩定控制在設定值，有效保障水冷機組的穩定運行。

圖6 系統響應仿真波形

6 結束語

筆者設計了一個水冷機組通風控制全閉環系統，以西門子PLC 226CN為控制核心，AB700變頻器為驅動電源，KTP1200觸摸屏為上位機，同時設計了控制回路、配電回路和二次回路。 實驗及仿真證明，筆者設計的系統能將環境溫度穩定控制在設定值，保障了水冷機組的正常運行，確保了生產的安全進行。