吳霄陽，王心雨

（北京市設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司，北京 100124）

隨著我國近年來經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑空調(diào)工程中出現(xiàn)了超大冷/熱量供給的冷凍站/鍋爐房。二次泵系統(tǒng)得到更廣泛的應(yīng)用。由于給排水專業(yè)的恒壓供水變流量控制策略，并不適用于暖通空調(diào)專業(yè)的循環(huán)水泵變流量控制。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，采用變頻調(diào)速水泵進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，使得空調(diào)流量調(diào)節(jié)范圍廣，節(jié)能效果更加顯著。如何利用變頻器控制空調(diào)循環(huán)水泵實現(xiàn)二次泵的變流量運行，使得二次泵系統(tǒng)更加“節(jié)能、低耗，高效、穩(wěn)定”，且實現(xiàn)自動“加減泵”，成為相關(guān)自控人員研究的方向。本文重點研究如何在建筑空調(diào)的循環(huán)水系統(tǒng)中，使用PLC控制器實現(xiàn)對二次泵系統(tǒng)在恒壓差變頻控制前提下的“自動加減泵”。分析多臺泵并聯(lián)系統(tǒng)中存在的“加減泵過程中的水泵過載問題”，并提供系統(tǒng)解決方案。本研究成果，應(yīng)用于“江蘇隆基樂葉5GW組件項目”中的二次泵變頻系統(tǒng)控制中，實現(xiàn)了恒壓差供水的“自動加減泵”的控制。

1 空調(diào)冷凍水系統(tǒng)二次泵變頻系統(tǒng)的工作原理

1.1 空調(diào)冷水系統(tǒng)恒壓差供水系統(tǒng)的應(yīng)用分析

在空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中，其常規(guī)空調(diào)末端風(fēng)機(jī)盤管，采用電動二通閥為通斷型回差溫度調(diào)節(jié)。對于系統(tǒng)管線則實時接入數(shù)量不同，從而形成系統(tǒng)流量的變化；新風(fēng)機(jī)組和空調(diào)機(jī)組采用電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行變流量型溫度調(diào)節(jié)，接入系統(tǒng)管線的總流量也實時變化。因此，在二次循環(huán)泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)冷凍水需求總量會時時變化。其冷凍水系統(tǒng)需要采用變流量運行方式，二次泵需采用變頻控制，以實現(xiàn)系統(tǒng)的變流量變化。

文獻(xiàn)[2]對定壓系統(tǒng)和變壓系統(tǒng)中變頻水泵的能耗進(jìn)行分析，指出在變壓系統(tǒng)中把壓差控制點設(shè)在最不利環(huán)路的管道上能最大限度地降低水泵能耗。鑒于空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備的調(diào)節(jié)作用，在二次泵循環(huán)系統(tǒng)中，其二次泵所提供的系統(tǒng)供回水壓差是為了保證其空調(diào)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(jù)供回水壓差信號，控制變頻器的輸出頻率和電壓，調(diào)節(jié)水泵運行轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的運行工況。結(jié)合系統(tǒng)管線沿程阻力的變化，在供需平衡的前提下，實現(xiàn)變流量運行。

1.2 空調(diào)冷凍水二次泵系統(tǒng)中，多泵并聯(lián)系統(tǒng)“加減機(jī)”存在的問題

在空調(diào)冷凍水二次泵循環(huán)系統(tǒng)中，一般會采用多臺泵并聯(lián)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(lián)系統(tǒng)中，常規(guī)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(dǎo)致若干問題。以4臺二次循環(huán)水泵系統(tǒng)為例，當(dāng)?shù)谝慌_水泵達(dá)到設(shè)計流量時，其系統(tǒng)干線管路的流量為系統(tǒng)管線設(shè)計流量的1/4，根據(jù)流體力學(xué)原理：

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

圖1 水泵系統(tǒng)特性

因此，在空調(diào)冷凍水二次泵系統(tǒng)的多泵并聯(lián)運行中，水泵沒有全部投入運行時，變頻器不應(yīng)達(dá)到頻率上限。而投入運行水泵的數(shù)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(dá)到其設(shè)計流量。意味著所有水泵均投入運行，其總循環(huán)水量也無法達(dá)到設(shè)計流量，所以水泵加減機(jī)的控制方法應(yīng)改進(jìn)優(yōu)化（見圖2）。

圖2 供水系統(tǒng)的管阻特性曲線

2 基于PLC控制器的硬件設(shè)計

2.1 “江蘇隆基樂葉新建5GW組件項目”空調(diào)工程的冷凍水二次泵變頻系統(tǒng)

在“江蘇隆基樂葉新建5GW組件項目”（簡稱5GW項目）空調(diào)工程中，其空調(diào)冷凍水二次泵系統(tǒng)設(shè)置了4臺變頻水泵。設(shè)計工況為4臺水泵并行工作，達(dá)到其系統(tǒng)設(shè)計流量值，其中每個臺水泵配有一個變頻器進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

2.2 西門子S7-200 Smart PLC的選型和硬件設(shè)計

在“5GW項目”中，空調(diào)冷凍水二次循環(huán)泵變頻系統(tǒng)，選用了西門子S7-200 Smart PLC為控制器，由以下CPU和擴(kuò)展模塊構(gòu)成。如表1所示。

表1 “5GW項目”空調(diào)工程冷凍水二次循環(huán)泵變頻系統(tǒng)PLC選型

2.3 “5GW項目”的PLC監(jiān)控點表概述

根據(jù)“5GW項目”空調(diào)工程中，冷凍水二次循環(huán)泵系統(tǒng)的設(shè)備，PLC控制器點位設(shè)計如表2所示。

表2 “5GW項目” 空調(diào)工程冷凍水二次循環(huán)泵變頻系統(tǒng)PLC監(jiān)控點表

3 PLC對二次循環(huán)水泵變頻系統(tǒng)的監(jiān)控程序設(shè)計

3.1 對于單臺變頻泵PLC的控制邏輯分析

在“5GW項目”空調(diào)工程，冷凍水二次循環(huán)變頻泵系統(tǒng)中，由一體化壓差傳感器反饋的壓差信號（4～20mA），經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，其電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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(jī)轉(zhuǎn)速（圖3）。

圖3 變頻恒壓差供水系統(tǒng)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(diào)節(jié)電機(jī)，保證控制目標(biāo)值與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定值盡可能的縮小偏差，保證供回水壓差的穩(wěn)定——水力供求關(guān)系的匹配。為了此目標(biāo)，系統(tǒng)采用PID控制（圖4）。

圖4 PID控制原理圖

3.2 對于多臺并聯(lián)變頻泵加減機(jī)的控制邏輯分析

為避免關(guān)于單臺水泵運行及少于設(shè)計工況值的多臺水泵運行所出現(xiàn)的問題。在“5GW項目”空調(diào)工程中，PLC程序采用“順序控制指令”（SCR，SCRT，SCRE），進(jìn)行狀態(tài)判斷及系統(tǒng)控制。為避免單臺水泵運行達(dá)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(dá)到其水泵的選型設(shè)計流量值。根據(jù)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(jī)均按照其水泵設(shè)計工作點的軸功率進(jìn)行的選型，因此將其加泵條件為變頻器電流反饋達(dá)到上限（額定電流95%）?？紤]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(dá)到下限（頻率值33Hz，考慮到運行的安全冗余）。

進(jìn)入程序：程序進(jìn)入初始狀態(tài)中，此狀態(tài)下，PLC控制每個水泵停機(jī)。第一臺水泵開機(jī)：順序選擇第一臺變頻水泵，輸出開機(jī)指令，并由PID控制輸出頻率給定。

加泵選擇（運行泵數(shù)量≤4）：若供回水壓差反饋信號持續(xù)小于設(shè)定值，通過PID控制，PLC的給定控制信號會持續(xù)增加。這會造成變頻器頻率和電流值都上升。當(dāng)變頻水泵的電流反饋值≥額定電流的95%（持續(xù)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(shù)量≥2）：若供回水壓差反饋信號持續(xù)大于設(shè)定值，通過PID控制，PLC的給定控制信號會持續(xù)降低。這會造成變頻器頻率和電流值都降低。當(dāng)運行變頻水泵的頻率反饋值≤33Hz（持續(xù)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(shè)定：當(dāng)只有一臺變頻水泵運行的時候，若供回水壓差持續(xù)大于設(shè)定值，通過PID控制，PLC的給定控制信號會持續(xù)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(yīng)的給定信號（14598）。

系統(tǒng)循環(huán)：通過對供回水壓差的監(jiān)測，對變頻器水泵PID控制，進(jìn)行自動加減機(jī)的運行。最終實現(xiàn)安全、高效的循環(huán)系統(tǒng)。如圖5所示。

圖5 多臺泵循環(huán)系統(tǒng)加減機(jī)工作流程圖

4 結(jié)語

本文以節(jié)能、穩(wěn)定、安全控制空調(diào)冷凍水系統(tǒng)的二次循環(huán)變頻水泵為目標(biāo)，介紹了二次泵系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，基于離心泵的工作原理，設(shè)計了其離心式循環(huán)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(biāo)，以PID控制作為控制原理。并針對目前多泵并聯(lián)系統(tǒng)“加減機(jī)”存在的問題，提出了優(yōu)化解決方案。基于離心式循環(huán)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(yuǎn)大于管道阻力而造成的“電流過載，停機(jī)保護(hù)”。該優(yōu)化方法被應(yīng)用于“5GW項目”二次循環(huán)泵變頻系統(tǒng)（4臺泵并聯(lián)），經(jīng)測試，該優(yōu)化方法可以安全、有效地實現(xiàn)空調(diào)工程冷凍水二次變頻泵系統(tǒng)的自動控制，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。