一種特殊冷卻控制方式的設計與實踐
——在指定冷卻水進、出口溫度及流動狀態下的溫控

洪光

（大連冷星企業有限公司，遼寧 大連 116021）

一種特殊冷卻控制方式的設計與實踐
——在指定冷卻水進、出口溫度及流動狀態下的溫控

洪光

（大連冷星企業有限公司，遼寧 大連 116021）

論文在交叉運用熱力學、流體力學、自動控制等理論的基礎上，將“黑箱”理論應用于不明發熱系統的冷卻實踐中，成功的解決了多被測試柜任意投切的定溫冷卻問題；應用數學“迭代”模型，實現目標值的逼近；成功實現模擬量PID算法同數字量控制的整合；同時提出了在寬范圍泵水量調節時，用不同容量泵的運行投切，代替并聯投切泵的方案。

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

0 引言

在大重華銳集團引進的風力發電設備制造環節中，需建自控設備的運行老化試驗室。該試驗室系統是風力發電技術國產化、趕超國際先進水平的重要環節之一。它要求在12臺“被測試柜”任意組合開、停時，每臺“被測試柜”的冷卻入口水溫為20℃、冷卻出口水溫為22℃；22℃熱水在不設置冷卻水箱條件下，僅依靠水路循環再冷卻至20℃冷卻水，完成冷卻水再生循環使用的過程。

1 技術難點

該項目的技術難點是：在被測試柜運行數量隨機變化、同時單體被測試柜發熱量不確定情況下，要求指定冷卻“入口”水溫20℃和冷卻“出口”水溫22℃，以及在水路循環中精準降溫（從22℃降至20℃）。總的來說，這是一個未知數很多，但對結果有明確要求的項目。

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

2 設計思想

把對被測試柜的發熱（關注被測柜發熱量及冷卻傳導梯度等）的研究，轉換成對冷卻水的溫度變換（關注冷卻系統參數）的研究。

以上轉移矛盾的依據是：無論被測試柜內的發熱量如何變化，冷卻水出口溫度都能說明被測柜內的溫度；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。所以不必關心被測試柜內的問題：只要監控被測試柜冷卻水出口溫度，就監控了柜內的溫度。這是本項目的“原理設計”思路，其中的精髓是“黑箱理論”的應用。

在確定了以上原理性設計的基礎上，把問題分解為兩個相對獨立的“事件”：首先是冷卻水固定升溫2℃（無論升溫環節的入口水溫是多少，本環節只做好溫升2℃這件事）；其次是冷卻水固定降溫至20℃（無論降溫環節的入口水溫是多少，本環節要做好出口20℃這件事）。

兩個環節（升溫和降溫）在被測試柜冷卻水入口溫度為20℃，這一點有正確的“交集”（降溫環節達到目標值，升溫環節有了升溫的基礎溫度），這是本項目“總體技術方案設計”的思路——把該項目分解成兩個相對獨立的環節。兩個相對環節獨立的設計思路：

（1）升溫控制環節：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℃。在這個功能段不考慮如何獲得20℃冷卻水問題。由熱學知識：冷卻的實質是帶走熱量，“熱量”不僅僅是溫差，而是一定流量下的“溫差”。

由流體力學知識，在腔體結構確定后：①流量同流速有關；②流速同腔體兩端壓差有關。由此可梳理：“熱量（溫差）——流速——壓差”有確定關系。經邏輯代換：“溫差”同“壓差”有關。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”——無論被測柜內發熱量如何變化，總可以通過調節入、出口的水壓差，來保證冷卻水入、出的溫差固定不變。如果隨著被試柜運行狀態變化使發熱量增加，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，建立了新的發熱、散熱平衡；如果被試柜發熱量減少，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”理論的應用——在不知道被測柜內部發熱量變化以及熱傳導特性條件下，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（該項目的難題在對溫度、熱量、流量、壓差、自控等知識交匯中簡化了）。

（2）降溫控制環節：在這個功能段，只控制冷卻結果是20℃，不考慮冷卻前的溫度。技術難點：不設冷卻循環水箱，在水路循環流動中完成冷卻，沒有緩沖環節又不能冷卻“過頭”（沒有加溫環節了）。設計思想是：多級、小梯度降溫——減小降溫過頭風險的同時，在較小溫度范圍內拉寬控制范圍（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出口溫度（同本級的入口溫度無關）指標——設計六個獨立的溫度控制子系統。“逐次逼近”應該是一次性達標（不允許循環處理）的溫度控制的原則。最后一級的入口應該已經進入精度要求范圍內，一般只做微調；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溫度。很顯然把復雜的問題簡單化了）。

3 實施方案

經制冷專家估算最大發熱量，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的管徑和分水器、集水器的容量、水泵參數。水路系統圖，見圖1。自控設計兩臺不同容量的水泵切換變頻運行，一臺大泵可以滿足最大用水量，另一臺小泵可以滿足最大用水量的一半。由此滿足在12臺被測柜自由投切時，通過切換運行兩臺泵，大范圍地滿足在用水量變化時，集水器、分水器之間的壓力不變。

圖1　水路系統圖Fig.1 Water system diagram

水泵并聯運行（非常普遍的錯誤）時，由于并聯泵的“壓頭”差異，導致低壓頭的泵效率不高。另外，水泵運行在低頻（10Hz以下）時，基本沒有“壓頭”，繼續緩慢運行只有視覺效果了（這是自控專業常犯的錯誤）。采用兩臺功率不同的泵分別獨立變頻運行，各自獨立運行于兩個用水量區段。這種處理手段，對水路系統設計具有指導意義。

如圖中所有被測試柜的冷卻水統一從“分水器”取水；所有被測試柜冷卻水的出口統一接到“集水器”。每一臺被測試柜連同入口的微調水閥，組成一套“黑箱”（不明結構的水路腔體），跨接在分水器和集水器之間。開機時無論被測試柜冷卻水入口溫度是多少，都保證溫升2℃（剛開機時基本上處于系統加溫狀態）；開機時無論冷卻系統入口水溫是多少，冷卻系統的出口溫度目標都是20℃（剛開機時冷卻系統基本上處于監控待命狀態）。

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（帶走被測試柜內熱量）控制環節的自控流程圖，如圖2所示。

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

程序運行期間自動尋找滿足冷卻入、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節壓力來跟蹤2℃溫差。

由于最終目標是“溫差”，其中是“壓差”是隱函數——并不需要知道當前的壓差具體數據（滿足溫差即可）。所以系統不設置壓力檢測系統——最關鍵的理論依據被隱藏了，轉換成為泵的運行頻率控制（運行頻率同供水壓力有關）。

每臺被測柜的冷卻水入口水路串聯一個調節閥，微調每臺被試柜內部水路結構偏差，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值，采用PID算法控制泵的運行頻率——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：關鍵理論是“迭代”——多環節漸進，每個環節有獨立的目標（在PLC程序中是獨立的程序模塊），與本級入口溫度無關。在硬件上，各級是串聯的——本級的冷卻效果是后級冷卻的初始值（各級通過“迭代”趨向總目標值）。在軟件上，各級是獨立的——各級完成各級的目標，同前級傳遞過來的本級入口溫度無關（便于程序模塊化）。其實這是從“功能劃分”出發的設計，在這思想指導下完成各級軟件的功能劃分。在具體程序設計時，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）。這在PID算法中自動處理。

降溫單元的水路系統設置了5臺開關量控制的空調風機盤管，每臺有“關”和“三檔速”風機控制，共4個狀態。模擬量PID算法獲得不同的模擬控制量，該運算值（比如PID運算后輸出控制量是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，獲得不同的百分數（本例計算百分數是50%）。將獲得的百分數對應為輸出的4個狀態之一，即可實現數字PID算法控制4檔位的開關量。如1表所示，描述了模擬量同數字量控制的關系。

表1　PID運算結果對應的控制檔位Tab.1 The controlgrades corresponding to PID operation results

冷卻環節的每一級都有自己的控制目標，假如沒達到本級的控制目標，那也是向目標逼近了。下一級將在被改善過的誤差條件下，向下一個目標逼近。以此類推逐次逼近，最后交給模擬量調節級做精細調節。

每一級風機盤管控制降溫在0.3℃左右，理想情況下，經過5級開關量控制的風機盤管降溫，水溫已經從22℃降為20.5℃；剩下的0.5℃由最后一道冷卻環節——模擬量控制風閥角度的空調器完成。這是在滿足工程性價比（如果每個環節都采用模擬量調節，造價較高）條件下，同時分散風險的需要。

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

表2　各降溫環節的目標出口溫度（℃）Tab.2 The target outlet temperature of each cooling link

系統以泵運行頻率為依據，自動完成泵的切換。泵切換控制流程如圖4所示。

圖4　兩臺泵切換自動控制流程圖Fig.4 Automatic control process of the two pump switching

小泵運行頻率≥48Hz后，關閉小泵、運行大泵；大泵運行頻率≤20Hz后，關閉大泵、運行小泵。其他情況根據溫差調節泵運行頻率。

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

4 結論

本項目在多學科理論，如熱力學、流體力學、自動控制等，交叉應用的基礎上，成功地應用了“黑箱”理論，回避了一大堆無法確定的參數；應用數學“迭代”思想，每級完成一小步逐次逼近目標值；將成熟的模擬量PID控制整合到數字量PID控制，為提高數字量控制智能化提供了有效途徑；同時提出了用不同容量的泵獨立工作，代替并聯投切泵的方案。

本設計案例，圓滿完成了技術要求，填補了專項工程應用空白，開拓了同行的視野，為提高工控應用水平做出貢獻。

［1］孫傳慶，等.新黑箱理論及其應用［J］.科技信息（學術研究），2008，34.

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［3］工業循環水冷卻設計規范.GBT50102-2003［M］.中國計劃出版社，2003.

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

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［6］張小東，等.談地源熱泵及其工程中的應用機理［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、自控技術與研發。