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摘要:本文就以某中央空调的变频节能改造项目为基础, 介绍了PLC 和变频器在中央空调节能控制系统中的一种应用。并介绍了冷冻水系统、冷却水系统、冷却塔风机系统等子系统实现变频节能控制的基本设计思想和实现方法。通过采用模糊PID 控制弥补了传统PID 控制的不足, 有效地降低了中央空调的能耗, 既有良好的经济效益, 也有明显的社会效益。
关键词: 中央空调理念 节能控制
引言
中央空调因其在保持大楼立面外观、室内空气品质和综合空调效果等方面的优越性而一直是空调方案的首选, 但我国民用、公用及商用建筑的中央空调普遍存在着能耗高的问题, 一般中央空调的能耗约占整个建筑总能耗的50% , 而商场和综合大楼更高达60% 以上。而在现有的大多数中央空调中, 由于其中的压缩机自身可以实现自行控制, 所以对中央空调中的其它部分进行控制就成为所要研究的重点。如冷冻循环水系统、冷却循环水系统和冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷需求选定的, 且留有充足裕量。
无论季节、昼夜和用户负荷怎样变化, 各电机都长期固定在工频状态下全速运行, 其能量的浪费是显而易见的, 所以节约中央空调在低负荷运行时的电能消耗具有重要的经济意义。传统的中央空调节能控制多采用P ID控制, 这种控制方法控制响应迅速, 方法简单, 但是对空调这种参数不确定的系统不能进行有效控制。本文结合PLC 和变频器, 对空调系统的水泵与风机系统进行模糊P ID 控制。
1中央空调系统的构成及工作理念
中央空调系统组成见图1 , 主要包括制冷压缩机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、冷却塔、冷却塔风机等几部分。其工作原理是: 在压缩机中吸后的制冷剂通过压缩机压缩成高温高压气体, 与冷却水热交换后变成高温高压液体, 通过冷凝变成低温高压的液体, 经过截流变成低温低压的液体, 最后蒸发并吸收空调冷冻水的热量回到压缩机, 如此形成制冷剂循环过程。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道, 通过各房间的盘管, 带走房间内的热量, 使房间内的温度下降。蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量, 与冷却循环水进行热交换, 由冷却泵将带有热量的冷却水送到冷却塔上, 进行喷淋冷却, 与大气进行热交换。冷却塔为冷冻主机提供冷却水, 冷却水在盘旋流过冷冻主机后, 将带走冷冻主机所产生的热量, 使冷冻主机降温。如此形成冷冻水和冷却水的循环过程。
2中央空调节能控制方法
2．1空调风系统节能控制原理
在空调自控系统中对中央空调系统末端的新风机、回风机、变风量风机、风机盘管等装置进行状态监视和使用“精细化”控制, 以实现节能的目的。其中变风量风机采用的是定静压变频控制。由电机学原理可知, 交流电动机的同步转速no 与电源频率f 1、磁
极对数P 之间的关系式为:
异步电动机的转差率s 的定义式为:
则可得异步电动机的转速n 的表达式为:
可见, 要调节异步电动机的转速, 可通过改变电源频率的方式来实现, 该调速的方式即为变频调速。由于末端用户负荷变化大, 所以必须实时调节风机的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节, 由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗, 而电动机的输出功率并没有多大改变, 所以浪费了大量的能源。由于流量与转速成正比, 如果风机能在调速状态下运行, 则可将风机挡板全开, 使风道的阻力减小至最小, 通过调整风机的转速来调整风量, 此时风机可以始终处于高效点运行。而由于功率与转速的3 次方成正比, 所以, 通过降低转速以减少流量来达到节流的目的时, 所消耗的功率将降低很多。这种控制方法通常可以节约风机的电机拖动系统的电能约20% , 最高可达30% 。
2.2空调水系统节能控制原理
在空调自控系统中对中央空调水系统中的冷水机组、各水泵和冷却塔风机进行变流量节能控制。变流量控制的核心是变流量控制器, 在控制器中建立了知识库、模糊控制模型和模糊运算规则, 形成智能模糊控制。通过采集影响冷水机组运行的各种参数, 经模糊运算, 得出相应的控制参数, 这些控制参数被送到冷冻(温) 水控制子系统、冷却水控制子系统、冷却塔风机控制子系统。这些子系统根据控制参数的变化, 利用现代变频控制技术, 改变空调系统循环水的流量和温度, 以保证整个系统在满负荷和部分负荷情况下均处于最佳工作状态, 从而达到综合节能的目的。空调水系统节能控制原理图见图2。当空调负荷发生变化时, 通过采集一组参数值经模糊运算, 及时调节冷水机组、各水泵和冷却塔风机的运行工作参数, 从而改变冷水机组工作状态、冷冻(温) 水和冷却水流量以及冷却塔风机的风量, 确保冷水机组始终工作在效率最佳状态, 使供回水温度始终处于设定值, 从而使主机始终处于高转换效率的最佳运行工况。
3冷冻水模糊控制子系统
中央空调变频控制系统主要由可编程控制器PLC、变频器、中央空调系统和温度检测及反馈装置等组成并形成闭环自动控制系统。用PLC 对变频器进行切换控制, 实现水泵和风机转速连续可调, 使水泵、风机电机根据实际热负荷的大小设定其转速, 进而节约能源。并且由于PLC 本身的稳定性, 能够提高系统运行的可靠性。由于中央空调系统中各个水泵和风机系统的控制思想大体相同, 所以这里仅就其中的冷冻泵模糊控制系统进行介绍。
3．1冷冻水模糊控制子系统结构
图3 就是冷冻水模糊PID 控制系统的结构图, 被控对象的给定值为r, 实际的测量值为y , 则闭环偏差为e=r-y ; 偏差变化率为Δe=y (n)-y (n- 1)。其中:y (n) 为当前采样时刻的偏差; y (n -1) 为前一个采样时刻的偏差。图3 中大虚线框内为PLC 完成的部分, 它根据输入值r 与反馈值y 的偏差e 和偏差变化率Δe, 经过模糊推理计算得到PID 算法的K p、Ti 以及Td , 从而得到输出u 作为变频器的给定量, 通过变频器来控制冷冻泵的转速, 最终达到控制房间温度的目的。
3．2模糊PID 控制器设计
常规PID 算法可表示为:
U（n）=kp｛e（n）＋e（m）＋[e（n）-e（n-1）] ｝
其中: Kp 为比例系数; Ti 为积分常数; Td 为微分常数;u (n) 为调节器的输出; e (m ) 和e (n) 均为偏差值; Ts 为采样周期。PID 控制部分的输入变量Kp、Ti 和Td 是由图3 中的小虚线框所示的模糊控制器所算出的, 它是由温度偏差e 和温度偏差变化率$e 通过模糊推理计算得到的。为便于PLC 编程, 采用模糊控制查询表法。这里首先将e、Δe、Kp、Ti 和Td 转化为相对应的模糊语言变量E、EC、KP、TI 和TD , 通过计算可以得到KP 的模糊控制查询表, 见表1。同理可得TI、TD 的模糊控制查询表。PLC 根据实际输入模糊化以后得到的E 和EC 通过查询表得到实际控制K P、TI 和T D , 经解模糊后得到PID 控制器的K p、Ti 和Td , 从而通过控制变频器去控制冷冻泵的转速。
图3冷冻水模糊控制系统结构图
表1K P 的模糊控制查询表
3.3用PLC 实现模糊P ID 控制
选用S72200 型的PLC, 该机型具有体积小、软硬件功能强大、系统配置方便等优点。用PLC实现模糊P ID 控制算法的流程圖见图4。
图4模糊P ID 算法程序流程图
4结束语
采用PLC 结合模糊P ID 控制技术对中央空调系统进行了节能设计, 基本实现了预期的节能效果。主要体现在: 把PLC 和模糊P ID 控制相结合, 既利用了PLC 控制简单、灵活、适应性强的特点, 同时大大提高了控制系统的智能性, 能够很好地降低能耗。这种模糊P ID 控制方式, 兼顾了传统P ID 控制和模糊控制的优点。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 中央空调理念 节能控制
引言
中央空调因其在保持大楼立面外观、室内空气品质和综合空调效果等方面的优越性而一直是空调方案的首选, 但我国民用、公用及商用建筑的中央空调普遍存在着能耗高的问题, 一般中央空调的能耗约占整个建筑总能耗的50% , 而商场和综合大楼更高达60% 以上。而在现有的大多数中央空调中, 由于其中的压缩机自身可以实现自行控制, 所以对中央空调中的其它部分进行控制就成为所要研究的重点。如冷冻循环水系统、冷却循环水系统和冷却塔风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷需求选定的, 且留有充足裕量。
无论季节、昼夜和用户负荷怎样变化, 各电机都长期固定在工频状态下全速运行, 其能量的浪费是显而易见的, 所以节约中央空调在低负荷运行时的电能消耗具有重要的经济意义。传统的中央空调节能控制多采用P ID控制, 这种控制方法控制响应迅速, 方法简单, 但是对空调这种参数不确定的系统不能进行有效控制。本文结合PLC 和变频器, 对空调系统的水泵与风机系统进行模糊P ID 控制。
1中央空调系统的构成及工作理念
中央空调系统组成见图1 , 主要包括制冷压缩机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、冷却塔、冷却塔风机等几部分。其工作原理是: 在压缩机中吸后的制冷剂通过压缩机压缩成高温高压气体, 与冷却水热交换后变成高温高压液体, 通过冷凝变成低温高压的液体, 经过截流变成低温低压的液体, 最后蒸发并吸收空调冷冻水的热量回到压缩机, 如此形成制冷剂循环过程。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道, 通过各房间的盘管, 带走房间内的热量, 使房间内的温度下降。蒸发后的制冷剂在冷凝器中释放出热量, 与冷却循环水进行热交换, 由冷却泵将带有热量的冷却水送到冷却塔上, 进行喷淋冷却, 与大气进行热交换。冷却塔为冷冻主机提供冷却水, 冷却水在盘旋流过冷冻主机后, 将带走冷冻主机所产生的热量, 使冷冻主机降温。如此形成冷冻水和冷却水的循环过程。
2中央空调节能控制方法
2．1空调风系统节能控制原理
在空调自控系统中对中央空调系统末端的新风机、回风机、变风量风机、风机盘管等装置进行状态监视和使用“精细化”控制, 以实现节能的目的。其中变风量风机采用的是定静压变频控制。由电机学原理可知, 交流电动机的同步转速no 与电源频率f 1、磁
极对数P 之间的关系式为:
异步电动机的转差率s 的定义式为:
则可得异步电动机的转速n 的表达式为:
可见, 要调节异步电动机的转速, 可通过改变电源频率的方式来实现, 该调速的方式即为变频调速。由于末端用户负荷变化大, 所以必须实时调节风机的流量。目前调节流量的方式多为节流阀调节, 由于这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗, 而电动机的输出功率并没有多大改变, 所以浪费了大量的能源。由于流量与转速成正比, 如果风机能在调速状态下运行, 则可将风机挡板全开, 使风道的阻力减小至最小, 通过调整风机的转速来调整风量, 此时风机可以始终处于高效点运行。而由于功率与转速的3 次方成正比, 所以, 通过降低转速以减少流量来达到节流的目的时, 所消耗的功率将降低很多。这种控制方法通常可以节约风机的电机拖动系统的电能约20% , 最高可达30% 。
2.2空调水系统节能控制原理
在空调自控系统中对中央空调水系统中的冷水机组、各水泵和冷却塔风机进行变流量节能控制。变流量控制的核心是变流量控制器, 在控制器中建立了知识库、模糊控制模型和模糊运算规则, 形成智能模糊控制。通过采集影响冷水机组运行的各种参数, 经模糊运算, 得出相应的控制参数, 这些控制参数被送到冷冻(温) 水控制子系统、冷却水控制子系统、冷却塔风机控制子系统。这些子系统根据控制参数的变化, 利用现代变频控制技术, 改变空调系统循环水的流量和温度, 以保证整个系统在满负荷和部分负荷情况下均处于最佳工作状态, 从而达到综合节能的目的。空调水系统节能控制原理图见图2。当空调负荷发生变化时, 通过采集一组参数值经模糊运算, 及时调节冷水机组、各水泵和冷却塔风机的运行工作参数, 从而改变冷水机组工作状态、冷冻(温) 水和冷却水流量以及冷却塔风机的风量, 确保冷水机组始终工作在效率最佳状态, 使供回水温度始终处于设定值, 从而使主机始终处于高转换效率的最佳运行工况。
3冷冻水模糊控制子系统
中央空调变频控制系统主要由可编程控制器PLC、变频器、中央空调系统和温度检测及反馈装置等组成并形成闭环自动控制系统。用PLC 对变频器进行切换控制, 实现水泵和风机转速连续可调, 使水泵、风机电机根据实际热负荷的大小设定其转速, 进而节约能源。并且由于PLC 本身的稳定性, 能够提高系统运行的可靠性。由于中央空调系统中各个水泵和风机系统的控制思想大体相同, 所以这里仅就其中的冷冻泵模糊控制系统进行介绍。
3．1冷冻水模糊控制子系统结构
图3 就是冷冻水模糊PID 控制系统的结构图, 被控对象的给定值为r, 实际的测量值为y , 则闭环偏差为e=r-y ; 偏差变化率为Δe=y (n)-y (n- 1)。其中:y (n) 为当前采样时刻的偏差; y (n -1) 为前一个采样时刻的偏差。图3 中大虚线框内为PLC 完成的部分, 它根据输入值r 与反馈值y 的偏差e 和偏差变化率Δe, 经过模糊推理计算得到PID 算法的K p、Ti 以及Td , 从而得到输出u 作为变频器的给定量, 通过变频器来控制冷冻泵的转速, 最终达到控制房间温度的目的。
3．2模糊PID 控制器设计
常规PID 算法可表示为:
U（n）=kp｛e（n）＋e（m）＋[e（n）-e（n-1）] ｝
其中: Kp 为比例系数; Ti 为积分常数; Td 为微分常数;u (n) 为调节器的输出; e (m ) 和e (n) 均为偏差值; Ts 为采样周期。PID 控制部分的输入变量Kp、Ti 和Td 是由图3 中的小虚线框所示的模糊控制器所算出的, 它是由温度偏差e 和温度偏差变化率$e 通过模糊推理计算得到的。为便于PLC 编程, 采用模糊控制查询表法。这里首先将e、Δe、Kp、Ti 和Td 转化为相对应的模糊语言变量E、EC、KP、TI 和TD , 通过计算可以得到KP 的模糊控制查询表, 见表1。同理可得TI、TD 的模糊控制查询表。PLC 根据实际输入模糊化以后得到的E 和EC 通过查询表得到实际控制K P、TI 和T D , 经解模糊后得到PID 控制器的K p、Ti 和Td , 从而通过控制变频器去控制冷冻泵的转速。
图3冷冻水模糊控制系统结构图
表1K P 的模糊控制查询表
3.3用PLC 实现模糊P ID 控制
选用S72200 型的PLC, 该机型具有体积小、软硬件功能强大、系统配置方便等优点。用PLC实现模糊P ID 控制算法的流程圖见图4。
图4模糊P ID 算法程序流程图
4结束语
采用PLC 结合模糊P ID 控制技术对中央空调系统进行了节能设计, 基本实现了预期的节能效果。主要体现在: 把PLC 和模糊P ID 控制相结合, 既利用了PLC 控制简单、灵活、适应性强的特点, 同时大大提高了控制系统的智能性, 能够很好地降低能耗。这种模糊P ID 控制方式, 兼顾了传统P ID 控制和模糊控制的优点。
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