一種特殊冷卻控制方式的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——在指定冷卻水進(jìn)、出口溫度及流動(dòng)狀態(tài)下的溫控

洪光

（大連冷星企業(yè)有限公司，遼寧 大連 116021）

一種特殊冷卻控制方式的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
——在指定冷卻水進(jìn)、出口溫度及流動(dòng)狀態(tài)下的溫控

洪光

（大連冷星企業(yè)有限公司，遼寧 大連 116021）

論文在交叉運(yùn)用熱力學(xué)、流體力學(xué)、自動(dòng)控制等理論的基礎(chǔ)上，將“黑箱”理論應(yīng)用于不明發(fā)熱系統(tǒng)的冷卻實(shí)踐中，成功的解決了多被測試柜任意投切的定溫冷卻問題；應(yīng)用數(shù)學(xué)“迭代”模型，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值的逼近；成功實(shí)現(xiàn)模擬量PID算法同數(shù)字量控制的整合；同時(shí)提出了在寬范圍泵水量調(diào)節(jié)時(shí)，用不同容量泵的運(yùn)行投切，代替并聯(lián)投切泵的方案。

熱量；流量；壓差；黑箱理論；迭代模型；PID控制數(shù)字化；多級小溫差降溫；變頻泵

0 引言

在大重華銳集團(tuán)引進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造環(huán)節(jié)中，需建自控設(shè)備的運(yùn)行老化試驗(yàn)室。該試驗(yàn)室系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國產(chǎn)化、趕超國際先進(jìn)水平的重要環(huán)節(jié)之一。它要求在12臺(tái)“被測試柜”任意組合開、停時(shí)，每臺(tái)“被測試柜”的冷卻入口水溫為20℃、冷卻出口水溫為22℃；22℃熱水在不設(shè)置冷卻水箱條件下，僅依靠水路循環(huán)再冷卻至20℃冷卻水，完成冷卻水再生循環(huán)使用的過程。

1 技術(shù)難點(diǎn)

該項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)是：在被測試柜運(yùn)行數(shù)量隨機(jī)變化、同時(shí)單體被測試柜發(fā)熱量不確定情況下，要求指定冷卻“入口”水溫20℃和冷卻“出口”水溫22℃，以及在水路循環(huán)中精準(zhǔn)降溫（從22℃降至20℃）?？偟膩碚f，這是一個(gè)未知數(shù)很多，但對結(jié)果有明確要求的項(xiàng)目。

我公司的方案競標(biāo)成功，并順利完工，滿足了該國家風(fēng)電骨干企業(yè)（上市公司）的生產(chǎn)要求。同時(shí)因采用“冬季只運(yùn)行室內(nèi)冷卻器散熱于室內(nèi)”的方案，即降低了冬、夏季散熱的環(huán)境溫度相差過大的不利因素，又為冬季取暖提供了節(jié)能途徑。

2 設(shè)計(jì)思想

把對被測試柜的發(fā)熱（關(guān)注被測柜發(fā)熱量及冷卻傳導(dǎo)梯度等）的研究，轉(zhuǎn)換成對冷卻水的溫度變換（關(guān)注冷卻系統(tǒng)參數(shù)）的研究。

以上轉(zhuǎn)移矛盾的依據(jù)是：無論被測試柜內(nèi)的發(fā)熱量如何變化，冷卻水出口溫度都能說明被測柜內(nèi)的溫度；雖然冷卻水出口溫度不變，但由于流量變化，帶出來的熱量是變化的。所以不必關(guān)心被測試柜內(nèi)的問題：只要監(jiān)控被測試柜冷卻水出口溫度，就監(jiān)控了柜內(nèi)的溫度。這是本項(xiàng)目的“原理設(shè)計(jì)”思路，其中的精髓是“黑箱理論”的應(yīng)用。

在確定了以上原理性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，把問題分解為兩個(gè)相對獨(dú)立的“事件”：首先是冷卻水固定升溫2℃（無論升溫環(huán)節(jié)的入口水溫是多少，本環(huán)節(jié)只做好溫升2℃這件事）；其次是冷卻水固定降溫至20℃（無論降溫環(huán)節(jié)的入口水溫是多少，本環(huán)節(jié)要做好出口20℃這件事）。

兩個(gè)環(huán)節(jié)（升溫和降溫）在被測試柜冷卻水入口溫度為20℃，這一點(diǎn)有正確的“交集”（降溫環(huán)節(jié)達(dá)到目標(biāo)值，升溫環(huán)節(jié)有了升溫的基礎(chǔ)溫度），這是本項(xiàng)目“總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)”的思路——把該項(xiàng)目分解成兩個(gè)相對獨(dú)立的環(huán)節(jié)。兩個(gè)相對環(huán)節(jié)獨(dú)立的設(shè)計(jì)思路：

（1）升溫控制環(huán)節(jié)：冷卻水固定溫升2℃——無論冷卻入口溫度是否是要求的20℃，都保證出水溫升2℃。在這個(gè)功能段不考慮如何獲得20℃冷卻水問題。由熱學(xué)知識：冷卻的實(shí)質(zhì)是帶走熱量，“熱量”不僅僅是溫差，而是一定流量下的“溫差”。

由流體力學(xué)知識，在腔體結(jié)構(gòu)確定后：①流量同流速有關(guān)；②流速同腔體兩端壓差有關(guān)。由此可梳理：“熱量（溫差）——流速——壓差”有確定關(guān)系。經(jīng)邏輯代換：“溫差”同“壓差”有關(guān)。即：可以通過控制被測試柜冷卻水的入、出口“壓差”，來控制冷卻水的入、出口的“溫差”——無論被測柜內(nèi)發(fā)熱量如何變化，總可以通過調(diào)節(jié)入、出口的水壓差，來保證冷卻水入、出的溫差固定不變。如果隨著被試柜運(yùn)行狀態(tài)變化使發(fā)熱量增加，為保持原入、出口冷卻水溫差不變，可通過“加壓”，使冷卻水快速通過（單位水體換熱量減少），但由于流量增加了，帶走的總熱量也增加，建立了新的發(fā)熱、散熱平衡；如果被試柜發(fā)熱量減少，通過降低流速，同樣可保持入、出口水溫差不變。這就是“黑箱子”理論的應(yīng)用——在不知道被測柜內(nèi)部發(fā)熱量變化以及熱傳導(dǎo)特性條件下，僅通過對被測試柜兩端的水壓控制，以獲得入、出口水溫差恒定的目標(biāo)（該項(xiàng)目的難題在對溫度、熱量、流量、壓差、自控等知識交匯中簡化了）。

（2）降溫控制環(huán)節(jié)：在這個(gè)功能段，只控制冷卻結(jié)果是20℃，不考慮冷卻前的溫度。技術(shù)難點(diǎn)：不設(shè)冷卻循環(huán)水箱，在水路循環(huán)流動(dòng)中完成冷卻，沒有緩沖環(huán)節(jié)又不能冷卻“過頭”（沒有加溫環(huán)節(jié)了）。設(shè)計(jì)思想是：多級、小梯度降溫——減小降溫過頭風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，在較小溫度范圍內(nèi)拉寬控制范圍（增加控制精度）。具體是采用“迭代”的逐次逼近原理，共分六級降溫，每一級都有自己固定的目標(biāo)出口溫度（同本級的入口溫度無關(guān)）指標(biāo)——設(shè)計(jì)六個(gè)獨(dú)立的溫度控制子系統(tǒng)?！爸鸫伪平睉?yīng)該是一次性達(dá)標(biāo)（不允許循環(huán)處理）的溫度控制的原則。最后一級的入口應(yīng)該已經(jīng)進(jìn)入精度要求范圍內(nèi)，一般只做微調(diào)；但必須保留一定的處理能力（以上用壓差控制溫差、用逐次逼近趨向目標(biāo)溫度。很顯然把復(fù)雜的問題簡單化了）。

3 實(shí)施方案

經(jīng)制冷專家估算最大發(fā)熱量，及由水的比熱容，確定了水體總量及最大流量。由此確定了水路系統(tǒng)的管徑和分水器、集水器的容量、水泵參數(shù)。水路系統(tǒng)圖，見圖1。自控設(shè)計(jì)兩臺(tái)不同容量的水泵切換變頻運(yùn)行，一臺(tái)大泵可以滿足最大用水量，另一臺(tái)小泵可以滿足最大用水量的一半。由此滿足在12臺(tái)被測柜自由投切時(shí)，通過切換運(yùn)行兩臺(tái)泵，大范圍地滿足在用水量變化時(shí)，集水器、分水器之間的壓力不變。

圖1　水路系統(tǒng)圖Fig.1 Water system diagram

水泵并聯(lián)運(yùn)行（非常普遍的錯(cuò)誤）時(shí)，由于并聯(lián)泵的“壓頭”差異，導(dǎo)致低壓頭的泵效率不高。另外，水泵運(yùn)行在低頻（10Hz以下）時(shí)，基本沒有“壓頭”，繼續(xù)緩慢運(yùn)行只有視覺效果了（這是自控專業(yè)常犯的錯(cuò)誤）。采用兩臺(tái)功率不同的泵分別獨(dú)立變頻運(yùn)行，各自獨(dú)立運(yùn)行于兩個(gè)用水量區(qū)段。這種處理手段，對水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

如圖中所有被測試柜的冷卻水統(tǒng)一從“分水器”取水；所有被測試柜冷卻水的出口統(tǒng)一接到“集水器”。每一臺(tái)被測試柜連同入口的微調(diào)水閥，組成一套“黑箱”（不明結(jié)構(gòu)的水路腔體），跨接在分水器和集水器之間。開機(jī)時(shí)無論被測試柜冷卻水入口溫度是多少，都保證溫升2℃（剛開機(jī)時(shí)基本上處于系統(tǒng)加溫狀態(tài)）；開機(jī)時(shí)無論冷卻系統(tǒng)入口水溫是多少，冷卻系統(tǒng)的出口溫度目標(biāo)都是20℃（剛開機(jī)時(shí)冷卻系統(tǒng)基本上處于監(jiān)控待命狀態(tài)）。

自控采用歐姆龍PLC、觸摸屏、變頻器及溫度模塊、模擬量I/O模塊等。冷卻水升溫（帶走被測試柜內(nèi)熱量）控制環(huán)節(jié)的自控流程圖，如圖2所示。

圖2　冷卻水升溫（柜冷卻）自動(dòng)控制流程圖Fig.2 Automatic control process of the cooling water warming（cabinet cooling）

程序運(yùn)行期間自動(dòng)尋找滿足冷卻入、出口水溫差為2℃的分水器、集水器之間的壓差。然后通過變頻泵通過調(diào)節(jié)壓力來跟蹤2℃溫差。

由于最終目標(biāo)是“溫差”，其中是“壓差”是隱函數(shù)——并不需要知道當(dāng)前的壓差具體數(shù)據(jù)（滿足溫差即可）。所以系統(tǒng)不設(shè)置壓力檢測系統(tǒng)——最關(guān)鍵的理論依據(jù)被隱藏了，轉(zhuǎn)換成為泵的運(yùn)行頻率控制（運(yùn)行頻率同供水壓力有關(guān)）。

每臺(tái)被測柜的冷卻水入口水路串聯(lián)一個(gè)調(diào)節(jié)閥，微調(diào)每臺(tái)被試柜內(nèi)部水路結(jié)構(gòu)偏差，保證各回路有同樣的“壓差——溫差”特性。

變頻泵以溫差為控制過程的目標(biāo)值，采用PID算法控制泵的運(yùn)行頻率——泵送量，保持獲得2℃溫升的壓差不變。

冷卻水“再生”（從高溫降至能夠再次使用的“冷卻水”）過程。自控流程，如圖3所示。

圖3　冷卻水降溫（再生）自動(dòng)控制流程圖Fig.3 Automatic control process of the cooling water cooling（regeneration）

20℃冷卻水的制備過程：關(guān)鍵理論是“迭代”——多環(huán)節(jié)漸進(jìn)，每個(gè)環(huán)節(jié)有獨(dú)立的目標(biāo)（在PLC程序中是獨(dú)立的程序模塊），與本級入口溫度無關(guān)。在硬件上，各級是串聯(lián)的——本級的冷卻效果是后級冷卻的初始值（各級通過“迭代”趨向總目標(biāo)值）。在軟件上，各級是獨(dú)立的——各級完成各級的目標(biāo)，同前級傳遞過來的本級入口溫度無關(guān)（便于程序模塊化）。其實(shí)這是從“功能劃分”出發(fā)的設(shè)計(jì)，在這思想指導(dǎo)下完成各級軟件的功能劃分。在具體程序設(shè)計(jì)時(shí)，本級入口同出口的溫差大小，還是影響輸出控制量的（同前級的出口溫度有關(guān)）。這在PID算法中自動(dòng)處理。

降溫單元的水路系統(tǒng)設(shè)置了5臺(tái)開關(guān)量控制的空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管，每臺(tái)有“關(guān)”和“三檔速”風(fēng)機(jī)控制，共4個(gè)狀態(tài)。模擬量PID算法獲得不同的模擬控制量，該運(yùn)算值（比如PID運(yùn)算后輸出控制量是3000）同滿幅度模擬量（歐姆龍CP系列PLC模擬量輸出滿幅度是6000）比較，獲得不同的百分?jǐn)?shù)（本例計(jì)算百分?jǐn)?shù)是50%）。將獲得的百分?jǐn)?shù)對應(yīng)為輸出的4個(gè)狀態(tài)之一，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID算法控制4檔位的開關(guān)量。如1表所示，描述了模擬量同數(shù)字量控制的關(guān)系。

表1　PID運(yùn)算結(jié)果對應(yīng)的控制檔位Tab.1 The controlgrades corresponding to PID operation results

冷卻環(huán)節(jié)的每一級都有自己的控制目標(biāo)，假如沒達(dá)到本級的控制目標(biāo)，那也是向目標(biāo)逼近了。下一級將在被改善過的誤差條件下，向下一個(gè)目標(biāo)逼近。以此類推逐次逼近，最后交給模擬量調(diào)節(jié)級做精細(xì)調(diào)節(jié)。

每一級風(fēng)機(jī)盤管控制降溫在0.3℃左右，理想情況下，經(jīng)過5級開關(guān)量控制的風(fēng)機(jī)盤管降溫，水溫已經(jīng)從22℃降為20.5℃；剩下的0.5℃由最后一道冷卻環(huán)節(jié)——模擬量控制風(fēng)閥角度的空調(diào)器完成。這是在滿足工程性價(jià)比（如果每個(gè)環(huán)節(jié)都采用模擬量調(diào)節(jié)，造價(jià)較高）條件下，同時(shí)分散風(fēng)險(xiǎn)的需要。

各級降溫環(huán)節(jié)的目標(biāo)出口溫度見表2。各級只完成各自的目標(biāo)，同入口溫度無關(guān)。這意味著每級可能全力投入降溫（開最高檔），也可能關(guān)閉冷卻風(fēng)扇（穿堂而過）。

表2　各降溫環(huán)節(jié)的目標(biāo)出口溫度（℃）Tab.2 The target outlet temperature of each cooling link

系統(tǒng)以泵運(yùn)行頻率為依據(jù)，自動(dòng)完成泵的切換。泵切換控制流程如圖4所示。

圖4　兩臺(tái)泵切換自動(dòng)控制流程圖Fig.4 Automatic control process of the two pump switching

小泵運(yùn)行頻率≥48Hz后，關(guān)閉小泵、運(yùn)行大泵；大泵運(yùn)行頻率≤20Hz后，關(guān)閉大泵、運(yùn)行小泵。其他情況根據(jù)溫差調(diào)節(jié)泵運(yùn)行頻率。

這控制方案很明確：小泵運(yùn)行到最高頻后，自動(dòng)運(yùn)行大泵；大泵運(yùn)行到低頻（已經(jīng)形成不了壓頭）后，自動(dòng)運(yùn)行小泵。由此滿足1～12臺(tái)被測試柜任意組合運(yùn)行的寬范圍用水量變化。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目在多學(xué)科理論，如熱力學(xué)、流體力學(xué)、自動(dòng)控制等，交叉應(yīng)用的基礎(chǔ)上，成功地應(yīng)用了“黑箱”理論，回避了一大堆無法確定的參數(shù)；應(yīng)用數(shù)學(xué)“迭代”思想，每級完成一小步逐次逼近目標(biāo)值；將成熟的模擬量PID控制整合到數(shù)字量PID控制，為提高數(shù)字量控制智能化提供了有效途徑；同時(shí)提出了用不同容量的泵獨(dú)立工作，代替并聯(lián)投切泵的方案。

本設(shè)計(jì)案例，圓滿完成了技術(shù)要求，填補(bǔ)了專項(xiàng)工程應(yīng)用空白，開拓了同行的視野，為提高工控應(yīng)用水平做出貢獻(xiàn)。

［1］孫傳慶，等.新黑箱理論及其應(yīng)用［J］.科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008，34.

［2］祁輝宇.柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)［J］.機(jī)電技術(shù)，2009，2.

［3］工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范.GBT50102-2003［M］.中國計(jì)劃出版社，2003.

［4］黃景雄.注塑模具CAD冷卻系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.山東大學(xué)，2009.

［5］廉樂明，等.工程熱力學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［6］張小東，等.談地源熱泵及其工程中的應(yīng)用機(jī)理［J］.陜西建筑，2008，3.

Design and Practice of a Special Cooling Control Mode -The temperature control under the specified temperature and flow state of the inlet and outlet cooling water

HONG Guang
（Dalian Coldstar Enterprise Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116021，China）

On the basis of the cross application of the theories of the thermodynamics，fluid mechanics and automatic control，the paper used“the black box theory”to the practice of the wide range regulation of the pump water，and successfully solved the problem of determining the multi parameter value；Applied for the mathematical model of"iteration"to approximate the target value successively；Achieved the integration of the analog PID algorithm with the control of the digital quantity successfully；at the same time，put forward the different capacity of the pump to work independently instead of the scheme of the parallel switching pump.

amount of heat；rate of flow；pressure differentials；the black box theory；iteration model；analog PID algorithm；multistage small temperature difference cooling；transducer pump

TM61

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.03.040

1002-6673（2015）03-113-03

2015-01-10

洪光（1955-），男，浙江人，工程師。研究方向：電子、自控技術(shù)與研發(fā)。