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冰蓄冷空调自控中常用的传感器和执行器

发布时间:2021-05-24 16:24

在冰蓄冷空调机房的自控中,我们需要对水流、水压、液位、温度等物理量进行采样和检测。
水流的采集分定性采集和定量采集,前者可采用水流开关,后者常用的有电远传转子流量计、电磁流量计和超声波流量计。转子流量计造价低廉,但因其结构上的原因不是很适合用在机房自控上。超声波流量计具有较高的计量精度,但因造价太高也较少采用。电磁流量计分为插入式和法兰式两类,计量原理和计量精度相同,但造价后者略高,安装也是后者较为麻烦,但前者只能计量出流速,要在计算机中加入管径后计算出流量。电磁式流量计在安装时对管道有一定的要求,为了避开在采样点存在空气和涡流。
水压的采样分为压差和压力。在压差采样中常见的是采用压差开关做定性采样,即压差达到某个值时触点闭合。压差也有定量采样的,但由于压差传感器的价格往往比压力传感器高出一倍以上,所以除非有特殊的理由(比如需要在现场构成控制回路),一般都采用两只压力传感器采样然后由计算机计算成压差。
液位检测也分为定性检测和定量检测。定性检测可采用液位开关,适用于在液位上限发出报警或在液位下限启动补液设备。定量检测使用在需要对液位做精确反映的场合,比如通过液位反应出的膨胀量来计算蓄冰量等。定量检测常用的手段是浮子式和压力式两种,后者的精度较高,但要经过复杂的计算。
温度采样是冰蓄冷中央空调机房自控中用得最多的。不同采样原理的温度传感器种类繁多,空调机房自控中用的比较多的是电阻式温度传感器。从严格的意义上说,如果传感器的定义是把物理变化转变为电信号,那么这类传感器把温度的变化转变为电阻值的变化,并没有实现从物理信号到电信号的转变。这类传感器必须外加恒流源,利用电阻两端的电压变化来反映电阻的变化从而实现对温度的采样。因此,这类传感器的精度并不仅仅取决于传感器本身,还取决于恒流源的精度。同时由于信号传输的导线是串联在传感器上的,因此若不采取措施,导线电阻随温度的变化或接线电阻日久后起的变化都会影响到采样精度。
数字传感器是实现现场总线的前提,且不存在由信号传送环节和信号转换环节引起的误差。现阶段里数字传感器因的造价昂贵很难在中小规模的控制系统中普及,但随着制造技术的成熟,大部分数字传感器的价格应该和同精度的模拟传感器持平甚至更低。在如何比较数字传感器和模拟传感器,有一个误区就是不要把系统和器件混淆。以温度为例,电阻式温度传感器需要配上恒流源才能使用,而且还要通过A/D转换设备才能得到数字信号,因此在计算造价时需要把这些设备的因素也考虑进去。对精度的比较也是一样。数字传感器的精度已经包括了恒流源的误差和A/D转换设备的误差,应该属于系统精度而不是器件精度,因此不可简单的在二者之间就精度进行比较,设计时也不能用对器材的精度去要求数字式传感器。
现在已在多个冰蓄冷空调的工程中采用了数字式温度传感器,取得了理想的使用效果。除了现场总线的诸项技术优势外,数字式温度传感器的另一个特点就是它非好既坏,不存在不准这第三种状态,更不会在传输和转换过程中发生衰减和漂移,这就使自控系统可以放心地使用它,而不会因为采样不准而引起控制上的混乱。
在冰蓄冷空调机房的自控中,除了设备启停的控制外,较常用的控制执行器是变频器和电动阀门。
变频器主要是用于对水泵转速进行调整,从而实现对流量、压力等物理量的控制。变频器是个模拟控制器件,自控系统可以对它实现定量控制。现在也有不少变频器装有RS485工业总线接口或其它总线接口,实现信号传输数字化和总线化。
在供水温度已由其它控制回路恒定的环节,如果我们要对回水温度进行控制,就可以利用变频器去调整水泵转速进而调整流量,根据能量等于流量和温差顶乘积关系就能对回水温度进行控制。
在末端为变流量系统的工程中,需要对供回水差压进行控制,以避免远端欠压或近端过压的情况发生。控制供回水差压的方法有很多,采用变频器对循环水泵的转速进行调节是一种常见的方法,其原理是调整循环水的流量,使之自动跟踪末端的分发量,从而稳定供回水的差压。
在设计使用变频器对水泵转速进行控制的系统时,需对系统的最小流量进行计算,一般如果最小流量有可能小于设计值的20%时,就因考虑在泵的后面装卸流阀,以维持水泵的最小流量。同时,在自控系统的软件设计上要对变频泵的调节设置下限,当转速达到限制值时应停止对调节做出响应。
电动阀门分为开关阀和调节阀两类,开关阀较多的是用在工况切换上,用以改变管道系统中各设备之间的逻辑关系,它的设计和使用都较为简单。调节阀属于定性控制器件,自控系统可通过它对某些物理量进行精确控制。常用的调节阀有球阀和蝶阀两种,受结构的限制球阀的口径都较小,因此在大口径工程中往往采用蝶阀做调节阀,或者,采用多个球阀的并联使用。 
在自控系统的设计中,对调节阀门的使用有个常见的理解上的误区,即认为调节阀属于线性器件。正是这个误区导致许多工程的控制达不到理想的效果。从执行器的角度观察,调节阀的确是线性的,也就是它的阀门开度是和自控系统的模拟控制信号成线性关系。而且,如果阀门两端的差压是恒定的,那么流过阀门的水流也应该是和阀门的开度成线性关系的。可事实是阀门两端的差压是随阀门开度而变化的,这就在系统的控制信号和流过阀门的水流之间产生了非线性失真。计算和实践证明,这种非线性失真如果不在控制模型中加以补偿,对控制效果会有较大的影响。若要对这种畸变在控制的数学模型中进行补偿,需要大容量和高精度的运算,而对阀门的控制又属于实时控制,也就是必须在规定的周期内完成控制所需的全部运算,否则下一个周期就会开始而形成在控制周期上的嵌套。因此,这就对自控系统的运算精度和运算速度提出了很高的要求。
对于阀门的非线性补偿,目前的自控系统通常采用三种做法:最简单的做法是不予理睬。这种做法较多地存在于全部控制都在下位机上实现而上位机可有可无的系统上。因为下位机的特长是控制而不是运算,因此要使下位机达到与非线性补偿相应的运算能力会使造价大大增加而使系统失去市场竞争力,所以这种系统往往不对阀门控制特性的非线性时针进行补偿,其代价是较高的运行成本和较差的舒适程度。第二种做法是全部非线性补偿的运算都由下位机实现。这是标准的做法,因为在DCS系统中,对控制和管理有明确的分工,所有与控制有关的运算都应在下位机上实现。但是其代价就是需要把大量的投资花在提高下位机的运算能力上,使之能满足要求。这种不是根据控制规模而是根据运算规模来对下位机选型的做法,会使设备功能的冗余量大大增加,从而大量的投资只是用于满足DCS结构的形式标准。第三种做法是把复杂的运算提到上位机来实现。这种由下位机实现信息采集,由上位机进行信息处理的分工能使各自的特长都得到充分发挥,从而既达到了目的又没有太多地提高设备投资。当上位机发生故障时,可以把控制交由下位机而将复杂的运算旁路,从而维持系统的基本运行,这同样能达到DCS系统分散故障风险的目的,只是此时顶控制效果不尽人意,但随之而来的好处是它在投资上要比第二种方法减少许多。

以上对上位机和下位机功能的分配不仅适用于阀门非线性失真的补偿,对管道温度的控制等需要大规模数学模型的控制回路都可作为参考。
冰蓄冷空调自控系统的基本功能
冰蓄冷空调由于自身的特点而对自控系统有一定的依赖,而这种依赖就决定了自控系统的基本功能。就一般情况而言,冰蓄冷空调对自控系统有如下四个方面的基本要求:

1、工况切换和设备起停控制。
冰蓄冷空调是在同一管道系统上通过对水泵和阀门等设备的不同组合而得到不同的工况的,而不同的工况组合又体现出不同的运行策略。因此,选择冰蓄冷空调只是为降低运行费用在设备上提供了可能,而真正实现降低运行费用还需将系统中所有设备有机地结合起来,并使操作者方便快捷地在各工况之间切换。
就具体的工程而言,不同的工况对参与运行的水泵以及阀门的开启和关闭都有不同的规定,与此同时,对各设备的启动顺序和设备启动的时间间隔都有具体的要求。这就要求自控系统能为工况的切换提供方便、安全的操作手段。理想情况下,操作者希望通过鼠标在屏幕上的点击或通过菜单的选择就能切换工况。但是自控系统在提供操作方便的同时又要能够防止人员的误操作,所以建议把工况切换和系统启动分为两步操作,即切换工况只是为系统启动做好了工况的选择,而并不是在切换工况后直接启动系统。

2、融冰速率控制。
为了真正做到移峰填谷,蓄冰系统都追求较高的融冰速率,以期能在峰电时段内完全释放冷量。但随之而来的问题是,如果不对融冰速率进行控制则蓄冰装置将以最快的速度融冰,造成冷量的浪费。因此,冰蓄冷空调要求自控系统能对融冰速率进行控制,使其能跟踪负荷情况并满足系统对供冷量的要求。
控制融冰速率的方法有很多,但大体可归纳为两类:改变出水温度和改变出水流量。如果以换热器为蓄冰装置的负载来描述,前者改变的是换热器冷媒水侧入水的温度,后者改变的是换热器冷媒水侧入水的流量。通常情况下,前一种方式更能兼顾换热效率,追求较低的换热温差。
控制融冰速率的最终目的是控制水的温度。由于管道中的水温有很大的惯性,一旦建立起了变化趋势后温度会朝着固有的方向变化而不会立即对控制系统的调节做出响应,这就使该回路的控制特性偏软,并且有很大的滞后。管道中水温的这些特性使常规的PID调节往往不能取得理想的效果。因此,在要求较高的应用中需在控制模型中加入程度较深的反馈,条件允许时还可在控制模型中引入一定的预警措施,使控制器的调节动作产生在温度变化之前。

3、空调水供回水差压控制。
当末端采用变流量系统时,空调水供回水总管之间的差压是随末端的使用情况而变化的。虽然变流量的末端系统有很多的优点,但如果不对供回水总管之间的差压进行控制,其危害也是显然的。首先,差压的波动会使整个管道系统中控制阀门的阀权度发生变化,这将破坏常规的PID控制环的稳定行,当阀权度减小到一定程度时还会导致控制阀的振荡。其次,当该差压不足时,会使远端的能量供应不足,影响使用效果;反之,差压过大又会影响到末端系统的安全。因此,这就要求自控系统能对该差压进行实时监测,并采取相应的调整手段来使差压稳定在一个合理的范围内。
控制空调水供回水总管之间的差压,简单而行之有效方法就是在空调水供回水总管上加装旁通阀,控制系统根据实际的差压来调整阀门的开度。在采用换热器的系统中,这种方法能保证流经换热器二次边的流量恒定在设计值上,以兼顾换热效率并追求较低的换热温差。这种方法的缺点是水泵的成本不能随负荷的减少而下降。同时,由于旁通阀上的差压变化很大,这就导致在大的阀权度变化下,旁通阀很多时候实际是工作在开/关状态,无法达到理想的控制效果。
因此,另一种常见的办法就是采用速度可调的水泵。由自控系统根据空调水供回水总管之间的差压来调整变速泵的转速,从而达到稳定差压的目的。为了在最坏的情况下仍有足够的水流来保证水泵的安全,许多情况下在采用了调速泵后仍须安装旁通调节阀门。

4、逐时负荷预测。
严格意义上说逐时负荷预测不是一个控制功能,但由于它对冰蓄冷空调有着重要的意义,因此也列在基本功能中。
为了尽量减少高价峰电的使用,操作者需要对当天的逐时负荷有个了解,从而制定出操作策略,力求在峰电时段少使用冷机并尽可能使蓄冰量能在峰电时段内完全释放。缺少严格制定的操作策略往往会产生这样的情况:或者预留了过多的冷量从而在峰电时段结束时仍有较多的剩余冷量,或者过早地将冷量完全释放而不得不在峰电时段多使用冷机。制定操作策略的意义还在能合理安排蓄冰量的使用,除了给峰电时段预留外,还能在冷机因负荷较低运行效率下降的时候使用融冰供冷。
制定操作策略的依据是逐时符合,所以,逐时负荷的预测对冰蓄冷空调降低运行成本有着重要的意义。但是,要实现逐时负荷的预测却有相当的难度,这一方面是由于影响逐时负荷的因素太多,更主要是对历史运行数据的要求。目前预测逐时负荷的方法大多离不开系统运行的历史数据。因此,获得和维护一个完整的历史数据库就成为实现逐时负荷预测的先决条件,这在操作上显然有一定的难度。
要使逐时负荷的预测功能变得切实可行,这一方面有待于可以不借助历史数据库的预测方法,同时也有待于更简便可行的维护和建立历史数据库的手段。

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