基于PLC建筑空调系统二次循环水泵系统自动控制的研究

吴霄阳，王心雨

（北京市设备安装集团有限公司，北京 100124）

随着我国近年来经济的不断发展，建筑空调工程中出现了超大冷/热量供给的冷冻站/锅炉房。二次泵系统得到更广泛的应用。由于给排水专业的恒压供水变流量控制策略，并不适用于暖通空调专业的循环水泵变流量控制。随着变频调速技术的日趋成熟，采用变频调速水泵进行流量调节，使得空调流量调节范围广，节能效果更加显著。如何利用变频器控制空调循环水泵实现二次泵的变流量运行，使得二次泵系统更加“节能、低耗，高效、稳定”，且实现自动“加减泵”，成为相关自控人员研究的方向。本文重点研究如何在建筑空调的循环水系统中，使用PLC控制器实现对二次泵系统在恒压差变频控制前提下的“自动加减泵”。分析多台泵并联系统中存在的“加减泵过程中的水泵过载问题”，并提供系统解决方案。本研究成果，应用于“江苏隆基乐叶5GW组件项目”中的二次泵变频系统控制中，实现了恒压差供水的“自动加减泵”的控制。

1 空调冷冻水系统二次泵变频系统的工作原理

1.1 空调冷水系统恒压差供水系统的应用分析

在空调冷冻水系统中，其常规空调末端风机盘管，采用电动二通阀为通断型回差温度调节。对于系统管线则实时接入数量不同，从而形成系统流量的变化；新风机组和空调机组采用电动调节阀进行变流量型温度调节，接入系统管线的总流量也实时变化。因此，在二次循环泵系统中，系统冷冻水需求总量会时时变化。其冷冻水系统需要采用变流量运行方式，二次泵需采用变频控制，以实现系统的变流量变化。

文献[2]对定压系统和变压系统中变频水泵的能耗进行分析，指出在变压系统中把压差控制点设在最不利环路的管道上能最大限度地降低水泵能耗。鉴于空调系统末端设备的调节作用，在二次泵循环系统中，其二次泵所提供的系统供回水压差是为了保证其空调末端的运行工况。变频二次泵控制通常采用压差控制法，控制器将根据供回水压差信号，控制变频器的输出频率和电压，调节水泵运行转速，从而改变水泵的运行工况。结合系统管线沿程阻力的变化，在供需平衡的前提下，实现变流量运行。

1.2 空调冷冻水二次泵系统中，多泵并联系统“加减机”存在的问题

在空调冷冻水二次泵循环系统中，一般会采用多台泵并联方式，每台离心式水泵，都需单独配置一台变频器。目前，在此并联系统中，常规方式采用频率上下限加减泵的控制方法。

但此种控制方法会导致若干问题。以4台二次循环水泵系统为例，当第一台水泵达到设计流量时，其系统干线管路的流量为系统管线设计流量的1/4，根据流体力学原理：

其沿程阻力约为设计阻力的1/16（沿程阻力与其运行流量成平方关系）。根据水泵的特性曲线，当单台水泵变频控制器达到上限值（如50Hz）时，水泵的运行工况将回到设计工况特性曲线。由于其沿程阻力低于水泵的设计选型扬程，水泵的运行流量将会高于水泵的设计流量。鉴于水泵的轴功率与其流量呈三次方的关系，运行流量超过其设计流量后，其水泵就会超载运行。虽变频器均有过载保护，但进入过载工况，变频器将会保护停机，造成系统无法正常运行（见图1）。

图1 水泵系统特性

因此，在空调冷冻水二次泵系统的多泵并联运行中，水泵没有全部投入运行时，变频器不应达到频率上限。而投入运行水泵的数量不同，其上限频率也不同。若采用一台水泵运行而水泵不超载的上限值一并控制，其投入运行的水泵均无法达到其设计流量。意味着所有水泵均投入运行，其总循环水量也无法达到设计流量，所以水泵加减机的控制方法应改进优化（见图2）。

图2 供水系统的管阻特性曲线

2 基于PLC控制器的硬件设计

2.1 “江苏隆基乐叶新建5GW组件项目”空调工程的冷冻水二次泵变频系统

在“江苏隆基乐叶新建5GW组件项目”（简称5GW项目）空调工程中，其空调冷冻水二次泵系统设置了4台变频水泵。设计工况为4台水泵并行工作，达到其系统设计流量值，其中每个台水泵配有一个变频器进行控制调节。

2.2 西门子S7-200 Smart PLC的选型和硬件设计

在“5GW项目”中，空调冷冻水二次循环泵变频系统，选用了西门子S7-200 Smart PLC为控制器，由以下CPU和扩展模块构成。如表1所示。

表1 “5GW项目”空调工程冷冻水二次循环泵变频系统PLC选型

2.3 “5GW项目”的PLC监控点表概述

根据“5GW项目”空调工程中，冷冻水二次循环泵系统的设备，PLC控制器点位设计如表2所示。

表2 “5GW项目” 空调工程冷冻水二次循环泵变频系统PLC监控点表

3 PLC对二次循环水泵变频系统的监控程序设计

3.1 对于单台变频泵PLC的控制逻辑分析

在“5GW项目”空调工程，冷冻水二次循环变频泵系统中，由一体化压差传感器反馈的压差信号（4～20mA），经过A/D转换，其电流信号转换成数字信号。通过对该信号的分析、处理，PLC将输出4～20mA的给定信号，控制变频器的频率——以控制电机转速（图3）。

图3 变频恒压差供水系统工作流程图

供回水压差作为控制对象，PLC通过给定控制频率，调节电机，保证控制目标值与系统内设定值尽可能的缩小偏差，保证供回水压差的稳定——水力供求关系的匹配。为了此目标，系统采用PID控制（图4）。

图4 PID控制原理图

3.2 对于多台并联变频泵加减机的控制逻辑分析

为避免关于单台水泵运行及少于设计工况值的多台水泵运行所出现的问题。在“5GW项目”空调工程中，PLC程序采用“顺序控制指令”（SCR，SCRT，SCRE），进行状态判断及系统控制。为避免单台水泵运行达到50Hz时的过载问题，同时考虑到多台水泵运行时，均能够确保其投入运行的水泵可以达到其水泵的选型设计流量值。根据离心水泵工作原理：

式中，ρ为泵输送液体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Q为泵的流量，m3/h；H为泵的扬程，m；η为泵的效率。

其水泵电机均按照其水泵设计工作点的轴功率进行的选型，因此将其加泵条件为变频器电流反馈达到上限（额定电流95%）。考虑到水泵变频控制的下限值，其减泵条件为变频器频率反馈达到下限（频率值33Hz，考虑到运行的安全冗余）。

进入程序：程序进入初始状态中，此状态下，PLC控制每个水泵停机。第一台水泵开机：顺序选择第一台变频水泵，输出开机指令，并由PID控制输出频率给定。

加泵选择（运行泵数量≤4）：若供回水压差反馈信号持续小于设定值，通过PID控制，PLC的给定控制信号会持续增加。这会造成变频器频率和电流值都上升。当变频水泵的电流反馈值≥额定电流的95%（持续1min），开启下一台泵（选择空闲泵中累计运行时间最少的泵）。

减泵选择（运行泵数量≥2）：若供回水压差反馈信号持续大于设定值，通过PID控制，PLC的给定控制信号会持续降低。这会造成变频器频率和电流值都降低。当运行变频水泵的频率反馈值≤33Hz（持续1min），停止一台泵（选择运行泵中累计运行时间最长的泵）。

单台泵频率下限值设定：当只有一台变频水泵运行的时候，若供回水压差持续大于设定值，通过PID控制，PLC的给定控制信号会持续降低。若此台变频水泵的频率≤33Hz，PLC将输出控制维持在33Hz对应的给定信号（14598）。

系统循环：通过对供回水压差的监测，对变频器水泵PID控制，进行自动加减机的运行。最终实现安全、高效的循环系统。如图5所示。

图5 多台泵循环系统加减机工作流程图

4 结语

本文以节能、稳定、安全控制空调冷冻水系统的二次循环变频水泵为目标，介绍了二次泵系统的应用范围，基于离心泵的工作原理，设计了其离心式循环水泵的自动加减泵的控制方案。以西门子S7-200 smart控制器作为控制单元，以恒压差控制作为控制目标，以PID控制作为控制原理。并针对目前多泵并联系统“加减机”存在的问题，提出了优化解决方案。基于离心式循环水泵的工作原理，用“电流加泵，频率减泵”的策略，避免了由于单泵扬程远大于管道阻力而造成的“电流过载，停机保护”。该优化方法被应用于“5GW项目”二次循环泵变频系统（4台泵并联），经测试，该优化方法可以安全、有效地实现空调工程冷冻水二次变频泵系统的自动控制，达到了预期目标。