賈志強(qiáng)，何忠祥

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

基于PLC的純水冷卻裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

賈志強(qiáng)，何忠祥

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

詳述了一種基于PLC的強(qiáng)制循環(huán)式純水冷卻裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種以內(nèi)循環(huán)水溫度T和設(shè)定時(shí)間間隔前后內(nèi)循環(huán)水的溫差ΔT為依據(jù)的電動(dòng)三通閥對(duì)拉式控制策略，有效降低了三通閥角度的超調(diào)量，減少了機(jī)械磨損，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的可行性以及穩(wěn)定性。項(xiàng)目應(yīng)用檢驗(yàn)了該自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性。

水冷卻裝置 電動(dòng)三通閥 內(nèi)循環(huán)水溫度 自動(dòng)控制系統(tǒng)

0 引言

冷卻裝置是保證機(jī)械、電氣等設(shè)備安全可靠運(yùn)行的系統(tǒng)之一，其作用是冷卻機(jī)械或電氣等設(shè)備高溫部位，使其溫度保持在有效工作范圍內(nèi)，從而保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠工作[1]?？諝饫鋮s和水冷卻是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的兩種冷卻方式。水冷卻裝置是以水為冷卻介質(zhì)的冷卻裝置，是新型水冷變頻器或電機(jī)等設(shè)備必需的裝置。水冷卻方式根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，還可以細(xì)分為純水冷卻和海水冷卻等等。水冷卻裝置的換熱功率等級(jí)是評(píng)價(jià)相關(guān)單位在水冷裝置領(lǐng)域技術(shù)水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

為保持內(nèi)循環(huán)水溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的內(nèi)水溫度調(diào)節(jié)三通閥旋轉(zhuǎn)角度，從而調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)加熱器支路和熱交換器支路的流量。當(dāng)前對(duì)電動(dòng)三通閥的控制往往以內(nèi)循環(huán)水溫度作為閉環(huán)控制量，采用 PID調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)三通閥角度的自動(dòng)控制。但是，由于內(nèi)循環(huán)水溫度變化較為緩慢，尤其工作在較低負(fù)載率時(shí)，溫度變化甚微，所以這種控制方式極易引起三通閥角度的超調(diào)，從而導(dǎo)致內(nèi)水溫度波動(dòng)較大。此外，三通閥機(jī)械操作機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間處于暫態(tài)調(diào)節(jié)過程，機(jī)械磨損嚴(yán)重，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

為解決以上問題，本文提出了一種基于內(nèi)循環(huán)水溫度以及在設(shè)定時(shí)間間隔前后內(nèi)循環(huán)水的溫差為依據(jù)的對(duì)拉式控制策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三通閥角度超調(diào)問題明顯改善，內(nèi)循環(huán)水溫度能較快穩(wěn)定在設(shè)定溫度范圍。

1 水冷卻裝置的工作原理

如圖1所示是一種強(qiáng)制循環(huán)式純水冷卻系統(tǒng)的簡(jiǎn)化水路圖。該純水冷卻裝置的水路分為內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)和外循環(huán)水系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)水為純凈水，外循環(huán)水根據(jù)實(shí)際情況可采用淡水或海水等。內(nèi)水與外水通過熱交換器進(jìn)行熱量的交換。水泵 1和水泵2是主水泵，二者互為備用，循環(huán)交替運(yùn)行，帶動(dòng)內(nèi)循環(huán)水流動(dòng)。當(dāng)內(nèi)循環(huán)水量不足時(shí)，內(nèi)水的壓力與流量傳感器檢測(cè)到相應(yīng)物理量值降低，則通過補(bǔ)水泵以及過濾器補(bǔ)充純凈水進(jìn)入內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。電磁三通閥控制內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)板式熱交換器或電加熱器支路的流量。內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)板式熱交換器支路與外水進(jìn)行熱量交換，流經(jīng)加熱器支路則不與外水進(jìn)行熱量交換，如若水溫過低，還需要啟動(dòng)電加熱器對(duì)內(nèi)水進(jìn)行加熱，以保證變頻器組件工作在正常的溫度范圍內(nèi)。通過以上各組件的控制和作用，使得熱源產(chǎn)生的熱量與散熱板吸收的熱量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，最終達(dá)到內(nèi)循環(huán)水的水溫維持在設(shè)定范圍內(nèi)的目的。

圖1 冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)化水路圖

2 水冷卻裝置控制系統(tǒng)

圖2 冷卻裝置控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖2所示，數(shù)字量輸入模塊采集電源狀態(tài)、主水泵和補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)，繼電器狀態(tài)等狀態(tài)信號(hào)，以及本地或遠(yuǎn)程硬線信號(hào)等數(shù)字量控制信號(hào)。模擬量輸入模塊采集內(nèi)、外水溫度、壓力、流量等信號(hào)以及內(nèi)循環(huán)水電導(dǎo)率，電動(dòng)三通閥實(shí)際角度等模擬量狀態(tài)信號(hào)。PLC的控制器單元根據(jù)數(shù)字量輸入和模擬量輸入狀態(tài)做出相應(yīng)的邏輯判斷與控制，通過數(shù)字量輸出模塊輸出相應(yīng)控制信號(hào)，控制水泵啟停，聲光報(bào)警等。模擬量輸出模塊主要完成對(duì)電動(dòng)三通閥的控制。水冷控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可通過RS485或者以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊以及遠(yuǎn)程操控功能。另外可通過RS485或以太網(wǎng)與監(jiān)控操作面板連接，實(shí)時(shí)顯示水冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)，并可對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行操作。通過各模塊之間的相互配合以及通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了對(duì)水冷卻裝置的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控與控制。

3 水冷卻裝置控制系統(tǒng)的主要控制功能

圖3 三通閥示意圖

水冷卻裝置的電動(dòng)三通閥示意圖如圖3所示。當(dāng)冷卻水完全流經(jīng)板式熱交換器時(shí)，水冷系統(tǒng)換熱效果達(dá)到最大；當(dāng)冷卻水完全流經(jīng)加熱器支路時(shí)，水冷系統(tǒng)換熱效果為零。因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥的旋轉(zhuǎn)角度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)板式熱交換器或加熱器支路的流量分配。

水冷柜電動(dòng)三通閥的控制，與內(nèi)循環(huán)水設(shè)定溫度和實(shí)際溫度有關(guān)。內(nèi)循環(huán)水入口水溫較大時(shí)，三通閥調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，使內(nèi)水更多地與外水進(jìn)行熱交換；內(nèi)循環(huán)水溫較低時(shí)，三通閥調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，使內(nèi)水與外水熱交換減少，讓更多的水通過加熱器支路。只有當(dāng)環(huán)境溫度較低，變頻器工作在較輕負(fù)載或外水溫度較低的情況下時(shí)才會(huì)將內(nèi)冷卻水完全流經(jīng)加熱器支路，以保證內(nèi)冷卻水溫度不至于太低而影響變頻器正常運(yùn)行。

三通閥根據(jù)安裝方式與控制接線的不同，0°與90°代表的全閉/全開概念不同。為了方便說明，現(xiàn)假設(shè)三通閥角度為 90°時(shí)，三通閥全開，內(nèi)水與外水進(jìn)行全面的熱量交換，三通閥為0°時(shí)，三通閥全關(guān)，內(nèi)水與外水不進(jìn)行熱量交換。

圖4 內(nèi)循環(huán)水溫度PID控制原理框圖

電動(dòng)三通閥的調(diào)節(jié)往往采用根據(jù)內(nèi)循環(huán)水溫度進(jìn)行閉環(huán)控制的PID控制策略[2]，控制原理如圖4所示。根據(jù)水溫實(shí)時(shí)不斷調(diào)節(jié)三通閥的角度，水溫低于設(shè)定溫度Tset時(shí)，調(diào)節(jié)三通閥加大經(jīng)過加熱器支路的水量，減少經(jīng)過熱交換支路的水量，從而減少熱量交換；水溫高于設(shè)定溫度時(shí)，調(diào)節(jié)三通閥加大經(jīng)過熱交換支路的水量，減少經(jīng)過加熱器支路的水量，從而加大熱量交換。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，這種控制策略的實(shí)時(shí)性好，大部分情況下能夠?qū)崿F(xiàn)控制目標(biāo)，使內(nèi)水溫度維持在設(shè)定范圍內(nèi)，但當(dāng)外水溫度特別低的情況下，三通閥角度超調(diào)現(xiàn)象明顯，內(nèi)水溫度變化較大，難以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

鑒于上述PID控制策略所存在的問題，本文提出了一種根據(jù)內(nèi)循環(huán)水溫度T和設(shè)定時(shí)間間隔前后內(nèi)水溫差ΔT來調(diào)節(jié)三通閥角度的控制策略。這種調(diào)節(jié)方式每隔N秒鐘讀取一次內(nèi)循環(huán)水溫度T，時(shí)間間隔視具體情形有所區(qū)別。根據(jù)當(dāng)前的內(nèi)水溫度T與上次讀取的內(nèi)水溫度T0計(jì)算出設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)溫差當(dāng)前內(nèi)循環(huán)水溫度反映的是當(dāng)前水溫與設(shè)定溫度之間的關(guān)系，溫差反映的是當(dāng)前三通閥角度的開合程度對(duì)水溫的影響趨勢(shì)。綜合考慮兩者的影響，從而決定三通閥角度調(diào)節(jié)的幅度Kp。三通閥的角度輸出為

圖5 三通閥控制策略示意圖

圖5是三通閥控制策略的示意圖。如圖中所示，每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)三通閥調(diào)節(jié)幅值Kp由Kp1、Kp2兩部分組成。

kp1參數(shù)的大小決定了調(diào)節(jié)的速度，該值越大則三通閥調(diào)節(jié)速度越快，但該值過大容易導(dǎo)致超調(diào)量過高，溫度難以穩(wěn)定下來，三通閥長(zhǎng)時(shí)間處于暫態(tài)調(diào)節(jié)過程。同時(shí)，當(dāng)內(nèi)循環(huán)水溫度與設(shè)定溫度值相差越大，則調(diào)節(jié)速度越快。

Kp1部分并不能完全保證水冷系統(tǒng)會(huì)在設(shè)定溫度值附近穩(wěn)定下來。比如一種極端的情況是，內(nèi)水溫度在某個(gè)非設(shè)定值溫度下穩(wěn)定，則，三通閥不動(dòng)作，內(nèi)水溫度始終不能達(dá)到設(shè)定溫度。故而將內(nèi)循環(huán)水溫度與設(shè)定溫度之差單獨(dú)作為一個(gè)調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)三通閥角度，將內(nèi)水溫度拉回設(shè)定溫度值附近。Kp1、Kp2兩部分共同作用，將水溫維持在設(shè)定值附近。

其中kp1、kp2兩個(gè)參數(shù)需根據(jù)溫差的大小和實(shí)際調(diào)節(jié)效果分區(qū)間設(shè)定為不同的常量。

當(dāng)內(nèi)循環(huán)水當(dāng)前實(shí)際溫度高于溫度設(shè)定區(qū)間上限值時(shí)，三通閥需要調(diào)節(jié)角度使得內(nèi)循環(huán)水全部經(jīng)過換熱器支路；當(dāng)內(nèi)循環(huán)水當(dāng)前實(shí)際溫度低于溫度設(shè)定區(qū)間下限值時(shí)，三通閥需要調(diào)節(jié)角度使得內(nèi)循環(huán)水全部經(jīng)過加熱器支路。當(dāng)內(nèi)循環(huán)水溫度處于設(shè)定溫度區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，三通閥角度調(diào)節(jié)量Kp視具體情形分為四種情形。具體如表 1所示。)

表1 調(diào)節(jié)量值與溫度狀態(tài)的關(guān)系表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用上述控制策略的水冷控制系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)水溫度能夠穩(wěn)定在設(shè)定區(qū)間，三通閥角度超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)效果好，有效改善了三通閥機(jī)械結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間處于暫態(tài)調(diào)節(jié)過程中的機(jī)械磨損問題。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于PLC的強(qiáng)制循環(huán)式純水冷卻裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)。采用穩(wěn)定性好、可靠性高的PLC控制器作為水冷卻裝置的控制裝置，通過以太網(wǎng)或 RS485與遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)和本地HMI設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)了純水冷卻裝置遠(yuǎn)程/現(xiàn)地兩種操作模式下的自動(dòng)控制功能；人機(jī)界面能夠良好地展現(xiàn)出系統(tǒng)狀態(tài)信息，并可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單操控；信息交互順暢，故障報(bào)警保護(hù)完備。該純水冷卻裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用在從 20kW 到800kW 不等的換熱功率等級(jí)的強(qiáng)制循環(huán)式水冷卻裝置內(nèi)，用戶反響良好。

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Research on Automatic Control System of Pure Water Cooling Device Based on PLC

Jia Zhiqiang, He Zhongxiang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

The automatic control system of a forced circulation pure water cooling device based on PLC is described in detail. An electric three-way valve control strategy based on internal circulating water temperature and the temperature difference of the circulating water before and after the set time is designed and implemented. Overshoot of three-way valve angle is reduced effectively. Mechanical wear is reduced.System stability is improved. The experiment proves the feasibility and stability of the control strategy. The reliability of the automatic control system is verified by practical application.

water cooling device; electric three-way valve; internal circulating water temperature;automatic control system

TB657

A

1003-4862（2017）10-0073-04

2017-08-03

賈志強(qiáng)（1991-），男，助理工程師。研究方向：艦船推進(jìn)電機(jī)及其控制技術(shù)。

Email：zhi2178@163.com