于現(xiàn)軍， 呂偉軍， 俞金樹

(1.北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司， 北京 100096;2.北京凱米優(yōu)化科技有限公司，北京 100096;3.福建省石獅熱電有限責任公司, 福建 泉州 362700)

隨著我國化工行業(yè)的飛速發(fā)展，與之配套的循環(huán)冷凍水裝置也取得了長足的進步，從規(guī)模、冷凍能力、控制精度等方面均有較大的提高。當前主流的冷凍機組均集設(shè)備、工藝和控制于一身，屬于機電一體化的典型應(yīng)用[1-3]。各冷凍機組廠家也在自動化控制系統(tǒng)上做了很多工作，大部分設(shè)備供應(yīng)商已能夠?qū)崿F(xiàn)冷凍機組的安全運行和穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)了準無人化操作[4-7]。在當前從粗放式發(fā)展模式到精細化管理模式轉(zhuǎn)變的過程中，占據(jù)企業(yè)能耗較大部分的冷凍機組，基于先進控制、優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)循環(huán)水溫度的最小能耗精確控制是滿足生產(chǎn)工藝要求和節(jié)約能源的有效途徑[8-10]。

當前冷凍機組的小型化、單元化的特點造成了一個冷凍站內(nèi)可能存在多臺，甚至是多個廠家的不同冷凍機組，冷凍機組之間不能進行有效的溝通連接，每臺機組按照各自的控制目標來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。從整體上來看，當負荷產(chǎn)生變化時，必然會產(chǎn)生過量調(diào)節(jié)以及機組之間的反向調(diào)節(jié)，其結(jié)果就是能耗增加，冷凍水溫度控制精度達不到要求。針對該問題，本文在文獻[11-16]的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)，并進行了應(yīng)用探討。

1 設(shè)計思路與總體框架

多冷凍機組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的根本目的是在保證循環(huán)水冷凍需求量的前提下，實現(xiàn)冷凍水出口溫度控制精度最佳、整體電耗最小。為實現(xiàn)該目的，本文在各臺機組的原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了1臺協(xié)調(diào)控制器，在此命名為RASO優(yōu)化控制器。RASO優(yōu)化控制器是由高性能運算能力的CPU及多通道多類型通信協(xié)議的I/O接口組成。以某制藥公司的-16 ℃循環(huán)水的5臺冷凍機組為例，硬件連接如圖1所示。

圖1 多冷凍機組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件連接圖

該現(xiàn)場采用MODBUS-RS485通信方式與冷凍機組的原控制系統(tǒng)連接，同時與冷凍站的公用系統(tǒng)(此例中為西門子300系列PLC)也同樣以此方式進行連接，便于采集出口溫度及壓力等信號來作為協(xié)調(diào)控制的輸入量。

對于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略的設(shè)計包括兩部分，即冷凍水負荷總輸出的控制策略和各臺冷凍機組之間的協(xié)調(diào)控制策略，如圖2所示。

冷凍水負荷總輸出的控制策略基本思路是根據(jù)外界用冷量負荷的變化情況以及歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測分析，實時計算當前需要各臺機組的出力總和。各臺冷凍機組之間的協(xié)調(diào)控制策略則是根據(jù)該總負荷的變化以及冷凍機組之間運行狀態(tài)的差異，協(xié)調(diào)各冷凍機組的出力，從而保證機組總出力始終與負荷需求量保持一致，同時實現(xiàn)綜合能耗的最小化。要實現(xiàn)該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于機組總負荷需求的計算，以及根據(jù)運行狀態(tài)的差異進行各臺冷凍機組之間的協(xié)調(diào)控制。

圖2 多冷凍機組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略框圖

2 冷凍水負荷總輸出控制

該制藥廠工業(yè)冷凍水主要用于對聚合釜等設(shè)備進行熱交換帶走熱量。在工業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免地會出現(xiàn)生產(chǎn)負荷變化、設(shè)備啟停、釜及管道換熱效率改變、季節(jié)與天氣改變等情況，在出現(xiàn)外界擾動后，冷卻水系統(tǒng)須維持自身的出口溫度以保證滿足后續(xù)流程所需。冷凍水負荷總輸出的控制由壓力控制和溫度控制組成。

壓力控制以1臺變頻泵作為主泵，工頻泵作為備泵。該系統(tǒng)控制通過變頻器直接控制水壓，簡單PID即可很好地控制水壓。當主泵故障時，立即啟用備泵，以保證工藝穩(wěn)定，平穩(wěn)生產(chǎn)，并發(fā)出報警，及時排出故障。

溫度控制較為復(fù)雜，主要分為兩部分組成：測量與預(yù)算部分和負荷計算與輸出。

2.1 測量與預(yù)算部分

由于冷凍機組冷卻過的冰水先進冰水池再由水泵打入裝置內(nèi)，所以在測量送水溫度時有一定的滯后性。

水箱內(nèi)熱量

QL=LcTL

(1)

送水帶走的熱量

QF=Ft，cTL

(2)

冷凍機組送來熱量

Qc=Ft，cTc

(3)

單位時間內(nèi)能量變化

ΔQ=LcΔTL

ΔQ=QL-QF+Qc

(4)

式中:TL為當前水箱溫度；Tc為冷凍機組出口溫度；L為水箱水量；F為送水流量；c為冰水比熱容；t為時間。

TL-ΔTL=(TL-Tc)Ft/L

(5)

可以看出，更少的水箱水量可以更快地改變水箱溫度，更多的用水量也可以使水溫變化更快，冷凍機組出口溫度決定了水箱溫度變化的多少。水箱的最終溫度為Tc，在適當?shù)臅r候要改變Tc，以滿足溫度設(shè)定。

2.2 負荷計算與輸出

通過送水溫度和回水溫度可以計算出裝置需要的換熱能量QZ。沒有安裝送水流量計的現(xiàn)場，可通過變頻器電流估算可靠的送水流量。通過環(huán)境溫度及歷史趨勢推算出環(huán)境散失能量QN(本系統(tǒng)為負數(shù))，得

QL=Qc-QZ-QN

(6)

通過能量平衡可以更好地得出改變Tc的時機，使控制更加及時，減小系統(tǒng)波動。

3 機組間協(xié)調(diào)分配策略

目前，在各個工廠的冷凍站中的機組組織形式基本如圖3所描述。所有機組輸出連接到母管上，回水也是由1根母管分別進入各個蒸發(fā)換熱器。

圖3 母管制供水冷凍機組

在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運行過程中，上節(jié)所描述的模塊實時進行計算并輸出冷凍水負荷的需求量DZ。多機組協(xié)調(diào)控制的負荷分配的實現(xiàn)是通過改變設(shè)定的負荷的分配系數(shù)，通過動態(tài)負荷的自動分配算法，將DZ按照負荷分配系數(shù)的比例協(xié)調(diào)分配給各參與協(xié)調(diào)的機組。規(guī)定：

DZi=DZμi

(7)

式中，μ1=1。

動態(tài)負荷分配系數(shù)初始值由現(xiàn)場人員根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定，在運行中不斷自動整定到最佳合適值。當參與協(xié)調(diào)的機組其運行狀態(tài)發(fā)生變化時，就可以手動設(shè)置，也可以由動態(tài)負荷分配算法給各機組負荷控制點自動賦值。負荷分配系數(shù)由設(shè)計的動態(tài)負荷自動分配算法進行自動計算設(shè)定。動態(tài)負荷分配系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 動態(tài)負荷分配系統(tǒng)圖

動態(tài)負荷自動分配算法系統(tǒng)計算式需要的現(xiàn)場信息有以下幾個，冷凍水負荷總輸出控制器計算出來的分配給所有機組的總冷量負荷需求DZ；第i個機組的冷量負荷分配系數(shù)的前一步的值，機組的運行狀態(tài)標志Fi。該標志用于判斷機組的狀態(tài)，僅當機組處于運行狀態(tài)且具備調(diào)節(jié)空間時Fi為1，機組處于停止狀態(tài)或已處于滿負荷運行、最低負荷運行狀態(tài)時該值均為0。負荷分配系數(shù)的基本公式如下：

當冷凍機組協(xié)調(diào)控制過程中，參與的調(diào)整負荷的機組均在正常運行狀態(tài)，可以人為輸入到動態(tài)負荷算法系統(tǒng)中的參數(shù)均未發(fā)生變化，此時機組不需要負荷系數(shù)重新計算和分配。

當參與調(diào)整負荷的機組組中第i號機組達到負荷調(diào)節(jié)上下限或出現(xiàn)故障，無法再繼續(xù)參與負荷調(diào)節(jié)時，輸入到動態(tài)負荷分配算法系統(tǒng)的參數(shù)Fi=0,∑Fiμ′<1，Δμ=μ′。此時的總冷量負荷仍然未得到滿足，新增加或減少的負荷將不再往第i號機組進行分配，將第i號機組的新增負荷重新分配給還在繼續(xù)參與調(diào)整負荷的機組上。

當參與調(diào)整負荷的機組新加入第k號機組進行調(diào)壓時，∑Fiμ′>1，Δμ=-μk，負荷協(xié)調(diào)的動態(tài)負荷分配算法將原參與調(diào)整負荷的機組負荷都減少一部分，分給新加入的機組。

4 控制方法

在系統(tǒng)建立初期，只是用模型控制算法，但經(jīng)過一段時間運行會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的失調(diào)現(xiàn)象。其主要原因是能量平衡處，由于天氣和季節(jié)變化，導致QN變化大，不宜估算，特別在濕度大的天氣，散失(吸收)的熱量明顯加大。長期冰水含鹽量變化，及水泵自然老化使得變頻器電流對應(yīng)的流量也在長期緩慢增加，而檢修后又陡然減小，流量的陡然變化使預(yù)測模型輸出偏離較大。純粹的模型控制要求參數(shù)正確才能發(fā)揮功效。

后期改進，在模型輸出與基本控制回路輸出出現(xiàn)較大偏差時，自動切除模型，并重新自動測量參數(shù)，以適應(yīng)變化，加入了人工干預(yù)機制。多組預(yù)設(shè)和自定義參數(shù)一鍵切換，使系統(tǒng)更加迅速地響應(yīng)變化。

由于機組系統(tǒng)參數(shù)的時變性和不確定性，所以協(xié)調(diào)控制器選擇了結(jié)合基于模型控制和非模型控制為一體的控制方法。在實踐中選擇了包括自整定PID控制、擾動觀測器、智能軟伺服控制等通用的先進控制算法，涵蓋了模糊控制與專家系統(tǒng)的范疇，其系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 先進控制算法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

特別對于計算冷凍水負荷總輸出而言，僅僅使用常規(guī)PID模塊無法克服大滯后以及時變性等特殊性。如果用PID運算結(jié)果對后續(xù)的機組進行協(xié)調(diào)控制，其結(jié)果必然是持續(xù)振蕩，反而會使整體的控制品質(zhì)惡化。所以，在此對控制算法的選擇也是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常工作的一個關(guān)鍵。

5 結(jié) 語

受制于冷凍機組之間的互聯(lián)互通的障礙，目前幾乎所有工業(yè)用冷凍機組都各自獨立運行，以自身冷凍水的出口溫度為唯一控制目標進行控制。但是在某些現(xiàn)場出現(xiàn)了多臺機組負荷調(diào)節(jié)的“拉鋸”現(xiàn)象，機組將會遲遲不能達到平衡，導致電耗增大。提出多冷凍機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在全局最優(yōu)的情況下作出選擇，通過總冷量負荷的實時計算及多機組協(xié)調(diào)控制策略的實現(xiàn)，同時應(yīng)用RASO控制器中的先進控制模型，在某制藥企業(yè)-16 ℃5臺冷凍機組上進行了實施，取得了良好的效果；后續(xù)研究將增加氣候補償功能，并可對整體電耗與冷量負荷做實時的自尋優(yōu)，使電耗的下降依據(jù)更為充分。

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