基于PLC的純水冷卻裝置自動控制系統研究

賈志強，何忠祥

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

基于PLC的純水冷卻裝置自動控制系統研究

賈志強，何忠祥

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

詳述了一種基于PLC的強制循環式純水冷卻裝置的自動控制系統。設計并實現了一種以內循環水溫度T和設定時間間隔前后內循環水的溫差ΔT為依據的電動三通閥對拉式控制策略，有效降低了三通閥角度的超調量，減少了機械磨損，提升了系統穩定性。實驗驗證了該控制策略的可行性以及穩定性。項目應用檢驗了該自動控制系統的可靠性。

水冷卻裝置 電動三通閥 內循環水溫度 自動控制系統

0 引言

冷卻裝置是保證機械、電氣等設備安全可靠運行的系統之一，其作用是冷卻機械或電氣等設備高溫部位，使其溫度保持在有效工作范圍內，從而保證設備的穩定可靠工作[1]。空氣冷卻和水冷卻是當前應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的冷卻裝置，是新型水冷變頻器或電機等設備必需的裝置。水冷卻方式根據冷卻介質的不同，還可以細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是評價相關單位在水冷裝置領域技術水平的一項重要指標。

為保持內循環水溫度穩定在設定溫度范圍內，自動控制系統根據檢測到的內水溫度調節三通閥旋轉角度，從而調節內循環水流經加熱器支路和熱交換器支路的流量。當前對電動三通閥的控制往往以內循環水溫度作為閉環控制量，采用 PID調節的方式實現三通閥角度的自動控制。但是，由于內循環水溫度變化較為緩慢，尤其工作在較低負載率時，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，從而導致內水溫度波動較大。此外，三通閥機械操作機構長時間處于暫態調節過程，機械磨損嚴重，不利于系統的穩定可靠。

為解決以上問題，本文提出了一種基于內循環水溫度以及在設定時間間隔前后內循環水的溫差為依據的對拉式控制策略，實驗結果表明三通閥角度超調問題明顯改善，內循環水溫度能較快穩定在設定溫度范圍。

1 水冷卻裝置的工作原理

如圖1所示是一種強制循環式純水冷卻系統的簡化水路圖。該純水冷卻裝置的水路分為內循環水系統和外循環水系統，內循環水為純凈水，外循環水根據實際情況可采用淡水或海水等。內水與外水通過熱交換器進行熱量的交換。水泵 1和水泵2是主水泵，二者互為備用，循環交替運行，帶動內循環水流動。當內循環水量不足時，內水的壓力與流量傳感器檢測到相應物理量值降低，則通過補水泵以及過濾器補充純凈水進入內循環系統。電磁三通閥控制內循環水流經板式熱交換器或電加熱器支路的流量。內循環水流經板式熱交換器支路與外水進行熱量交換，流經加熱器支路則不與外水進行熱量交換，如若水溫過低，還需要啟動電加熱器對內水進行加熱，以保證變頻器組件工作在正常的溫度范圍內。通過以上各組件的控制和作用，使得熱源產生的熱量與散熱板吸收的熱量達到動態平衡，最終達到內循環水的水溫維持在設定范圍內的目的。

圖1 冷卻系統簡化水路圖

2 水冷卻裝置控制系統

圖2 冷卻裝置控制系統硬件組態

控制系統的硬件組態如圖2所示，數字量輸入模塊采集電源狀態、主水泵和補水泵運行狀態，繼電器狀態等狀態信號，以及本地或遠程硬線信號等數字量控制信號。模擬量輸入模塊采集內、外水溫度、壓力、流量等信號以及內循環水電導率，電動三通閥實際角度等模擬量狀態信號。PLC的控制器單元根據數字量輸入和模擬量輸入狀態做出相應的邏輯判斷與控制，通過數字量輸出模塊輸出相應控制信號，控制水泵啟停，聲光報警等。模擬量輸出模塊主要完成對電動三通閥的控制。水冷控制系統與遠程控制系統可通過RS485或者以太網連接，實現數據的實時通訊以及遠程操控功能。另外可通過RS485或以太網與監控操作面板連接，實時顯示水冷系統的運行狀態與參數，并可對水冷系統進行操作。通過各模塊之間的相互配合以及通訊網絡的數據傳輸實現了對水冷卻裝置的實時自動監控與控制。

3 水冷卻裝置控制系統的主要控制功能

圖3 三通閥示意圖

水冷卻裝置的電動三通閥示意圖如圖3所示。當冷卻水完全流經板式熱交換器時，水冷系統換熱效果達到最大；當冷卻水完全流經加熱器支路時，水冷系統換熱效果為零。因此，調節電動三通閥的旋轉角度，可實現對內循環水流經板式熱交換器或加熱器支路的流量分配。

水冷柜電動三通閥的控制，與內循環水設定溫度和實際溫度有關。內循環水入口水溫較大時，三通閥調節旋轉角度，使內水更多地與外水進行熱交換；內循環水溫較低時，三通閥調節旋轉角度，使內水與外水熱交換減少，讓更多的水通過加熱器支路。只有當環境溫度較低，變頻器工作在較輕負載或外水溫度較低的情況下時才會將內冷卻水完全流經加熱器支路，以保證內冷卻水溫度不至于太低而影響變頻器正常運行。

三通閥根據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，現假設三通閥角度為 90°時，三通閥全開，內水與外水進行全面的熱量交換，三通閥為0°時，三通閥全關，內水與外水不進行熱量交換。

圖4 內循環水溫度PID控制原理框圖

電動三通閥的調節往往采用根據內循環水溫度進行閉環控制的PID控制策略[2]，控制原理如圖4所示。根據水溫實時不斷調節三通閥的角度，水溫低于設定溫度Tset時，調節三通閥加大經過加熱器支路的水量，減少經過熱交換支路的水量，從而減少熱量交換；水溫高于設定溫度時，調節三通閥加大經過熱交換支路的水量，減少經過加熱器支路的水量，從而加大熱量交換。根據實驗結果來看，這種控制策略的實時性好，大部分情況下能夠實現控制目標，使內水溫度維持在設定范圍內，但當外水溫度特別低的情況下，三通閥角度超調現象明顯，內水溫度變化較大，難以實現控制目標。

鑒于上述PID控制策略所存在的問題，本文提出了一種根據內循環水溫度T和設定時間間隔前后內水溫差ΔT來調節三通閥角度的控制策略。這種調節方式每隔N秒鐘讀取一次內循環水溫度T，時間間隔視具體情形有所區別。根據當前的內水溫度T與上次讀取的內水溫度T0計算出設定時間間隔內溫差當前內循環水溫度反映的是當前水溫與設定溫度之間的關系，溫差反映的是當前三通閥角度的開合程度對水溫的影響趨勢。綜合考慮兩者的影響，從而決定三通閥角度調節的幅度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，每個時間間隔內三通閥調節幅值Kp由Kp1、Kp2兩部分組成。

kp1參數的大小決定了調節的速度，該值越大則三通閥調節速度越快，但該值過大容易導致超調量過高，溫度難以穩定下來，三通閥長時間處于暫態調節過程。同時，當內循環水溫度與設定溫度值相差越大，則調節速度越快。

Kp1部分并不能完全保證水冷系統會在設定溫度值附近穩定下來。比如一種極端的情況是，內水溫度在某個非設定值溫度下穩定，則，三通閥不動作，內水溫度始終不能達到設定溫度。故而將內循環水溫度與設定溫度之差單獨作為一個調節量，調節三通閥角度，將內水溫度拉回設定溫度值附近。Kp1、Kp2兩部分共同作用，將水溫維持在設定值附近。

其中kp1、kp2兩個參數需根據溫差的大小和實際調節效果分區間設定為不同的常量。

當內循環水當前實際溫度高于溫度設定區間上限值時，三通閥需要調節角度使得內循環水全部經過換熱器支路；當內循環水當前實際溫度低于溫度設定區間下限值時，三通閥需要調節角度使得內循環水全部經過加熱器支路。當內循環水溫度處于設定溫度區間范圍內時，三通閥角度調節量Kp視具體情形分為四種情形。具體如表 1所示。)

表1 調節量值與溫度狀態的關系表

實驗結果表明，使用上述控制策略的水冷控制系統，內循環水溫度能夠穩定在設定區間，三通閥角度超調量小，穩態效果好，有效改善了三通閥機械結構長時間處于暫態調節過程中的機械磨損問題。

4 結語

本文介紹了一種基于PLC的強制循環式純水冷卻裝置的自動控制系統。采用穩定性好、可靠性高的PLC控制器作為水冷卻裝置的控制裝置，通過以太網或 RS485與遠程操控系統和本地HMI設備連接，實現了純水冷卻裝置遠程/現地兩種操作模式下的自動控制功能；人機界面能夠良好地展現出系統狀態信息，并可以實現簡單操控；信息交互順暢，故障報警保護完備。該純水冷卻裝置自動控制系統已成功應用在從 20kW 到800kW 不等的換熱功率等級的強制循環式水冷卻裝置內，用戶反響良好。

[1]蔡冬林,沈蘇海. 基于 PLC的船舶中央冷卻水專家控制系統設計[J]. 造船技術，2007,(6):18-20.

[2]易映萍,陳建帥，王瑋等. 基于PID的換流閥水冷系統溫度控制研究[J]. 信息技術,2015,(3):29-32.

[3]仇文君,歐陽崢嶸. 基于PLC的SHMFF磁體冷卻水水溫控制系統[J].化工自動化及儀表,2016,43：1248-1252.

[4]DENG C, LI H, HAN J. Water supply system of constant pressure based on PLC control. Recent Advances in computer Science and Information Engineering, 2012, 192:339-344.

[5]梁宇峰，羅益民，張媛媛. 基于S7-300 PLC的循環水站控制系統[J]. 儀表技術與傳感器，2014，(2):54-56.

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（1991-），男，助理工程師。研究方向：艦船推進電機及其控制技術。

Email：zhi2178@163.com