王天虬 王 杰

（1.南通醋酸纖維有限公司；2.宜興市科學(xué)技術(shù)協(xié)會）

水冷機(jī)是一種通過改變冷媒介質(zhì)壓力來達(dá)到制冷目的的機(jī)械設(shè)備，常見的形式有螺桿式、離心式等。 制冷劑在蒸發(fā)器中由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)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(jī)推動下制冷蒸氣在系統(tǒng)中循環(huán)。

水冷機(jī)組在企業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用，使得水冷機(jī)組環(huán)境通風(fēng)系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。 曹可樂等通過采集中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，從而對水冷機(jī)組是否運(yùn)行在最優(yōu)組合狀態(tài)進(jìn)行評估［1］。 楊俊俊和歐陽超提出了變頻調(diào)速的方法，實(shí)現(xiàn)了水冷機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行［2］。吳邵華通過將冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和DDC控制系統(tǒng)相結(jié)合設(shè)計了一個機(jī)房群控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對冷凍機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控和報警處理［3］。

長時間帶負(fù)荷運(yùn)行的水冷機(jī)（離心機(jī)與螺桿機(jī)）機(jī)頭溫度可高達(dá)75 ℃，如果水冷機(jī)組的環(huán)境溫度持續(xù)偏高，將導(dǎo)致機(jī)頭溫度繼續(xù)升高，觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時可能引發(fā)電網(wǎng)波動。 因此，有必要設(shè)計一種水冷機(jī)組通風(fēng)控制全閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)時關(guān)注水冷機(jī)組運(yùn)行狀況，為生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與算法

如圖1所示， 水冷機(jī)組通風(fēng)控制全閉環(huán)系統(tǒng)由控制器和上位機(jī)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(xiàn)場溫度變送器信號，同時輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號給AB700變頻器用于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 采用KTP1200觸摸屏作為上位機(jī)接收來自控制器的數(shù)據(jù)，具體包括風(fēng)機(jī)啟停信號、手/自動狀態(tài)信號、現(xiàn)場溫度及PID參數(shù)等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

比例-積分-微分控制，即PID控制器，常用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中［4］。 增量式PID表達(dá)式如下：

其中，u（k）為控制器輸出，Kp為比例系數(shù)，e（k）為控制器輸入，T為采樣周期，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。 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(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；微分部分能消除系統(tǒng)振蕩，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

2 硬件電路設(shè)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(jī)功率為5.5 kW，單相最大電流為8.3 A，本設(shè)計為4臺電機(jī)同時運(yùn)行，最大電流為33.2 A， 考慮到單臺電機(jī)的啟動電流約為電機(jī)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(guān)的整定值為63 A，本系統(tǒng)中筆者選擇德力西CDM3型帶過流保護(hù)功能的三相塑殼空氣開關(guān)作為配電回路的主開關(guān)。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(guān)作為二次回路、控制回路的主開關(guān)?？刂苹芈?4 V（DC）開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后作為模擬量和觸摸屏的電源，開關(guān)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(diǎn)，所在回路為自動回路，由PLC的數(shù)字量輸出控制觸點(diǎn)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(diǎn)與ST并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)回路自鎖。 輸出繼電器KA1為雙觸點(diǎn)型繼電器， 接觸器KM1選擇雙觸點(diǎn)型交流接觸器。 風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，KM1的常閉觸點(diǎn)所在回路斷開，綠色指示燈熄滅，風(fēng)機(jī)停止?fàn)顟B(tài)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(diǎn)，閉合時，PLC得到電機(jī)運(yùn)行信號。 KA2為中間繼電器的一組觸點(diǎn)，閉合時表示風(fēng)機(jī)處于故障狀態(tài)。

圖4 控制回路

3 控制器程序與上位機(jī)設(shè)計

3.1 控制器程序

現(xiàn)場安裝有4臺風(fēng)機(jī)為冷水機(jī)組環(huán)境降溫，均設(shè)置有自動、手動開啟、手動停止3種狀態(tài)，分別采用數(shù)字量輸入端I0.0、I0.1、I0.2接收唯一狀態(tài)選擇信號。PLC接收到自動信號I0.0輸入時，復(fù)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(fù)位自動狀態(tài)輔助繼電器M0.1， 以保證手動與自動狀態(tài)選擇的唯一性。 手動狀態(tài)下，數(shù)字量輸入端I0.3、I0.4、I0.5、I0.6分別控制4臺風(fēng)機(jī)， 可以啟動任意一臺或幾臺風(fēng)機(jī)。 自動狀態(tài)下，4臺風(fēng)機(jī)相隔5 s依次啟動，1#風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)，定時器T34、T35 作為3#、4#風(fēng)機(jī)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(jù)輸入過程變量（PV）與組態(tài)信息進(jìn)行PID運(yùn)算。PID0_INIT是回路號，使用PID回路模塊時，會根據(jù)現(xiàn)場采集量和控制結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。 考慮到本設(shè)計監(jiān)測對象為現(xiàn)場溫度值，因此給定范圍的上、下限分別設(shè)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(shè)定的固定值。 現(xiàn)場采集的溫度數(shù)據(jù)作為PID模塊的輸入，不能直接進(jìn)行PID運(yùn)算，需要先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換［5］，即轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)型標(biāo)準(zhǔn)值，范圍在0.0～1.0之間。 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化過程分為兩個步驟： 第1步將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型實(shí)數(shù)，如EM235輸入數(shù)據(jù)為16位整型，范圍在0～32 768，先將輸入值轉(zhuǎn)換為雙整型數(shù)，范圍為［-32768，32768］， 再將24位雙整型數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)；第2步將實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，即轉(zhuǎn)換為0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)值，可依據(jù)下式實(shí)現(xiàn)：

其中，RNorm為標(biāo)準(zhǔn)值；RRaw為未標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值， 需要將其轉(zhuǎn)換為工程量才能驅(qū)動變頻器負(fù)載［6］，實(shí)現(xiàn)模擬量控制，可依據(jù)下式實(shí)現(xiàn)：

其中，Rout為工程量輸出；Mn為PID運(yùn)算后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值。

3.2 觸摸屏組態(tài)

觸摸屏將水冷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)直觀呈現(xiàn)給維護(hù)人員，并提供參數(shù)設(shè)置、手/自動轉(zhuǎn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(nèi)部集成220 Ω終端電阻，減弱了因阻抗不連續(xù)產(chǎn)生的信號反射現(xiàn)象，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

觸摸屏中新增布爾型變量start-01、start-02、start-03、start-04作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行變量，以0為綠色表示風(fēng)機(jī)停止，1為紅色表示風(fēng)機(jī)運(yùn)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(tài)，還包括參數(shù)設(shè)置按鈕，可以切換到參數(shù)設(shè)置界面，對PID參數(shù)、溫度報警閾值進(jìn)行調(diào)整。

圖5 觸摸屏主界面

4 變頻器參數(shù)設(shè)計

電動機(jī)銘牌電壓為380 V，電流為8.8 A，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，頻率50 Hz，功率5.5 kW，功率因數(shù)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(tài)為30～50 Hz，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 參數(shù)設(shè)置表

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

風(fēng)機(jī)控制過程分為維持溫度不變和改變轉(zhuǎn)速調(diào)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(shù)慣性過程，傳遞函數(shù)如下：

其中，T1為時間常數(shù)，k1為增益系數(shù)，τ為滯后系數(shù)。 控制器通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率使得風(fēng)機(jī)的頻率發(fā)生改變，其傳遞函數(shù)通常設(shè)定為慣性環(huán)節(jié)，電機(jī)頻率與轉(zhuǎn)子速度的傳遞函數(shù)如下：

其中，Kd為微分系數(shù)。 將筆者設(shè)計的通風(fēng)系統(tǒng)表示為兩個慣性環(huán)節(jié)與一個滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)如下：

其中，K為系統(tǒng)增益，K0為電機(jī)增益，J為轉(zhuǎn)動慣量，D為摩擦系數(shù)，Km為常數(shù)，i為極對數(shù)，R為轉(zhuǎn)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(jìn)行仿真運(yùn)行，系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式（5），考慮到系統(tǒng)突變運(yùn)行的情況， 輸入采用階躍函數(shù)作為系統(tǒng)輸入，滯后系數(shù)τ=2.6，Ti=8.9，Td=0.7，K=1.4，調(diào)節(jié)部分比例系數(shù)Kp=2.4，積分系數(shù)Ki=0.4，微分系數(shù)Kd=3.0，得到如圖6所示的仿真波形。 由圖6可以看出，系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果良好，可以將溫度穩(wěn)定地控制在設(shè)定值附近，波動較小，具有很好的適應(yīng)能力。 由仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際編程測試，系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)功能良好，能將環(huán)境溫度穩(wěn)定控制在設(shè)定值，有效保障水冷機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一個水冷機(jī)組通風(fēng)控制全閉環(huán)系統(tǒng)，以西門子PLC 226CN為控制核心，AB700變頻器為驅(qū)動電源，KTP1200觸摸屏為上位機(jī)，同時設(shè)計了控制回路、配電回路和二次回路。 實(shí)驗(yàn)及仿真證明，筆者設(shè)計的系統(tǒng)能將環(huán)境溫度穩(wěn)定控制在設(shè)定值，保障了水冷機(jī)組的正常運(yùn)行，確保了生產(chǎn)的安全進(jìn)行。