一種先進(jìn)的多冷凍機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

于現(xiàn)軍， 呂偉軍， 俞金樹

(1.北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司， 北京 100096;2.北京凱米優(yōu)化科技有限公司，北京 100096;3.福建省石獅熱電有限責(zé)任公司, 福建 泉州 362700)

隨著我國化工行業(yè)的飛速發(fā)展，與之配套的循環(huán)冷凍水裝置也取得了長足的進(jìn)步，從規(guī)模、冷凍能力、控制精度等方面均有較大的提高。當(dāng)前主流的冷凍機(jī)組均集設(shè)備、工藝和控制于一身，屬于機(jī)電一體化的典型應(yīng)用[1-3]。各冷凍機(jī)組廠家也在自動化控制系統(tǒng)上做了很多工作，大部分設(shè)備供應(yīng)商已能夠?qū)崿F(xiàn)冷凍機(jī)組的安全運行和穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)了準(zhǔn)無人化操作[4-7]。在當(dāng)前從粗放式發(fā)展模式到精細(xì)化管理模式轉(zhuǎn)變的過程中，占據(jù)企業(yè)能耗較大部分的冷凍機(jī)組，基于先進(jìn)控制、優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)循環(huán)水溫度的最小能耗精確控制是滿足生產(chǎn)工藝要求和節(jié)約能源的有效途徑[8-10]。

當(dāng)前冷凍機(jī)組的小型化、單元化的特點造成了一個冷凍站內(nèi)可能存在多臺，甚至是多個廠家的不同冷凍機(jī)組，冷凍機(jī)組之間不能進(jìn)行有效的溝通連接，每臺機(jī)組按照各自的控制目標(biāo)來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。從整體上來看，當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生變化時，必然會產(chǎn)生過量調(diào)節(jié)以及機(jī)組之間的反向調(diào)節(jié)，其結(jié)果就是能耗增加，冷凍水溫度控制精度達(dá)不到要求。針對該問題，本文在文獻(xiàn)[11-16]的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了應(yīng)用探討。

1 設(shè)計思路與總體框架

多冷凍機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的根本目的是在保證循環(huán)水冷凍需求量的前提下，實現(xiàn)冷凍水出口溫度控制精度最佳、整體電耗最小。為實現(xiàn)該目的，本文在各臺機(jī)組的原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了1臺協(xié)調(diào)控制器，在此命名為RASO優(yōu)化控制器。RASO優(yōu)化控制器是由高性能運算能力的CPU及多通道多類型通信協(xié)議的I/O接口組成。以某制藥公司的-16 ℃循環(huán)水的5臺冷凍機(jī)組為例，硬件連接如圖1所示。

圖1 多冷凍機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件連接圖

該現(xiàn)場采用MODBUS-RS485通信方式與冷凍機(jī)組的原控制系統(tǒng)連接，同時與冷凍站的公用系統(tǒng)(此例中為西門子300系列PLC)也同樣以此方式進(jìn)行連接，便于采集出口溫度及壓力等信號來作為協(xié)調(diào)控制的輸入量。

對于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略的設(shè)計包括兩部分，即冷凍水負(fù)荷總輸出的控制策略和各臺冷凍機(jī)組之間的協(xié)調(diào)控制策略，如圖2所示。

冷凍水負(fù)荷總輸出的控制策略基本思路是根據(jù)外界用冷量負(fù)荷的變化情況以及歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測分析，實時計算當(dāng)前需要各臺機(jī)組的出力總和。各臺冷凍機(jī)組之間的協(xié)調(diào)控制策略則是根據(jù)該總負(fù)荷的變化以及冷凍機(jī)組之間運行狀態(tài)的差異，協(xié)調(diào)各冷凍機(jī)組的出力，從而保證機(jī)組總出力始終與負(fù)荷需求量保持一致，同時實現(xiàn)綜合能耗的最小化。要實現(xiàn)該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于機(jī)組總負(fù)荷需求的計算，以及根據(jù)運行狀態(tài)的差異進(jìn)行各臺冷凍機(jī)組之間的協(xié)調(diào)控制。

圖2 多冷凍機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略框圖

2 冷凍水負(fù)荷總輸出控制

該制藥廠工業(yè)冷凍水主要用于對聚合釜等設(shè)備進(jìn)行熱交換帶走熱量。在工業(yè)生產(chǎn)過程中不可避免地會出現(xiàn)生產(chǎn)負(fù)荷變化、設(shè)備啟停、釜及管道換熱效率改變、季節(jié)與天氣改變等情況，在出現(xiàn)外界擾動后，冷卻水系統(tǒng)須維持自身的出口溫度以保證滿足后續(xù)流程所需。冷凍水負(fù)荷總輸出的控制由壓力控制和溫度控制組成。

壓力控制以1臺變頻泵作為主泵，工頻泵作為備泵。該系統(tǒng)控制通過變頻器直接控制水壓，簡單PID即可很好地控制水壓。當(dāng)主泵故障時，立即啟用備泵，以保證工藝穩(wěn)定，平穩(wěn)生產(chǎn)，并發(fā)出報警，及時排出故障。

溫度控制較為復(fù)雜，主要分為兩部分組成：測量與預(yù)算部分和負(fù)荷計算與輸出。

2.1 測量與預(yù)算部分

由于冷凍機(jī)組冷卻過的冰水先進(jìn)冰水池再由水泵打入裝置內(nèi)，所以在測量送水溫度時有一定的滯后性。

水箱內(nèi)熱量

QL=LcTL

(1)

送水帶走的熱量

QF=Ft，cTL

(2)

冷凍機(jī)組送來熱量

Qc=Ft，cTc

(3)

單位時間內(nèi)能量變化

ΔQ=LcΔTL

ΔQ=QL-QF+Qc

(4)

式中:TL為當(dāng)前水箱溫度；Tc為冷凍機(jī)組出口溫度；L為水箱水量；F為送水流量；c為冰水比熱容；t為時間。

TL-ΔTL=(TL-Tc)Ft/L

(5)

可以看出，更少的水箱水量可以更快地改變水箱溫度，更多的用水量也可以使水溫變化更快，冷凍機(jī)組出口溫度決定了水箱溫度變化的多少。水箱的最終溫度為Tc，在適當(dāng)?shù)臅r候要改變Tc，以滿足溫度設(shè)定。

2.2 負(fù)荷計算與輸出

通過送水溫度和回水溫度可以計算出裝置需要的換熱能量QZ。沒有安裝送水流量計的現(xiàn)場，可通過變頻器電流估算可靠的送水流量。通過環(huán)境溫度及歷史趨勢推算出環(huán)境散失能量QN(本系統(tǒng)為負(fù)數(shù))，得

QL=Qc-QZ-QN

(6)

通過能量平衡可以更好地得出改變Tc的時機(jī)，使控制更加及時，減小系統(tǒng)波動。

3 機(jī)組間協(xié)調(diào)分配策略

目前，在各個工廠的冷凍站中的機(jī)組組織形式基本如圖3所描述。所有機(jī)組輸出連接到母管上，回水也是由1根母管分別進(jìn)入各個蒸發(fā)換熱器。

圖3 母管制供水冷凍機(jī)組

在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運行過程中，上節(jié)所描述的模塊實時進(jìn)行計算并輸出冷凍水負(fù)荷的需求量DZ。多機(jī)組協(xié)調(diào)控制的負(fù)荷分配的實現(xiàn)是通過改變設(shè)定的負(fù)荷的分配系數(shù)，通過動態(tài)負(fù)荷的自動分配算法，將DZ按照負(fù)荷分配系數(shù)的比例協(xié)調(diào)分配給各參與協(xié)調(diào)的機(jī)組。規(guī)定：

DZi=DZμi

(7)

式中，μ1=1。

動態(tài)負(fù)荷分配系數(shù)初始值由現(xiàn)場人員根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定，在運行中不斷自動整定到最佳合適值。當(dāng)參與協(xié)調(diào)的機(jī)組其運行狀態(tài)發(fā)生變化時，就可以手動設(shè)置，也可以由動態(tài)負(fù)荷分配算法給各機(jī)組負(fù)荷控制點自動賦值。負(fù)荷分配系數(shù)由設(shè)計的動態(tài)負(fù)荷自動分配算法進(jìn)行自動計算設(shè)定。動態(tài)負(fù)荷分配系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 動態(tài)負(fù)荷分配系統(tǒng)圖

動態(tài)負(fù)荷自動分配算法系統(tǒng)計算式需要的現(xiàn)場信息有以下幾個，冷凍水負(fù)荷總輸出控制器計算出來的分配給所有機(jī)組的總冷量負(fù)荷需求DZ；第i個機(jī)組的冷量負(fù)荷分配系數(shù)的前一步的值，機(jī)組的運行狀態(tài)標(biāo)志Fi。該標(biāo)志用于判斷機(jī)組的狀態(tài)，僅當(dāng)機(jī)組處于運行狀態(tài)且具備調(diào)節(jié)空間時Fi為1，機(jī)組處于停止?fàn)顟B(tài)或已處于滿負(fù)荷運行、最低負(fù)荷運行狀態(tài)時該值均為0。負(fù)荷分配系數(shù)的基本公式如下：

當(dāng)冷凍機(jī)組協(xié)調(diào)控制過程中，參與的調(diào)整負(fù)荷的機(jī)組均在正常運行狀態(tài)，可以人為輸入到動態(tài)負(fù)荷算法系統(tǒng)中的參數(shù)均未發(fā)生變化，此時機(jī)組不需要負(fù)荷系數(shù)重新計算和分配。

當(dāng)參與調(diào)整負(fù)荷的機(jī)組組中第i號機(jī)組達(dá)到負(fù)荷調(diào)節(jié)上下限或出現(xiàn)故障，無法再繼續(xù)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)時，輸入到動態(tài)負(fù)荷分配算法系統(tǒng)的參數(shù)Fi=0,∑Fiμ′<1，Δμ=μ′。此時的總冷量負(fù)荷仍然未得到滿足，新增加或減少的負(fù)荷將不再往第i號機(jī)組進(jìn)行分配，將第i號機(jī)組的新增負(fù)荷重新分配給還在繼續(xù)參與調(diào)整負(fù)荷的機(jī)組上。

當(dāng)參與調(diào)整負(fù)荷的機(jī)組新加入第k號機(jī)組進(jìn)行調(diào)壓時，∑Fiμ′>1，Δμ=-μk，負(fù)荷協(xié)調(diào)的動態(tài)負(fù)荷分配算法將原參與調(diào)整負(fù)荷的機(jī)組負(fù)荷都減少一部分，分給新加入的機(jī)組。

4 控制方法

在系統(tǒng)建立初期，只是用模型控制算法，但經(jīng)過一段時間運行會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的失調(diào)現(xiàn)象。其主要原因是能量平衡處，由于天氣和季節(jié)變化，導(dǎo)致QN變化大，不宜估算，特別在濕度大的天氣，散失(吸收)的熱量明顯加大。長期冰水含鹽量變化，及水泵自然老化使得變頻器電流對應(yīng)的流量也在長期緩慢增加，而檢修后又陡然減小，流量的陡然變化使預(yù)測模型輸出偏離較大。純粹的模型控制要求參數(shù)正確才能發(fā)揮功效。

后期改進(jìn)，在模型輸出與基本控制回路輸出出現(xiàn)較大偏差時，自動切除模型，并重新自動測量參數(shù)，以適應(yīng)變化，加入了人工干預(yù)機(jī)制。多組預(yù)設(shè)和自定義參數(shù)一鍵切換，使系統(tǒng)更加迅速地響應(yīng)變化。

由于機(jī)組系統(tǒng)參數(shù)的時變性和不確定性，所以協(xié)調(diào)控制器選擇了結(jié)合基于模型控制和非模型控制為一體的控制方法。在實踐中選擇了包括自整定PID控制、擾動觀測器、智能軟伺服控制等通用的先進(jìn)控制算法，涵蓋了模糊控制與專家系統(tǒng)的范疇，其系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 先進(jìn)控制算法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

特別對于計算冷凍水負(fù)荷總輸出而言，僅僅使用常規(guī)PID模塊無法克服大滯后以及時變性等特殊性。如果用PID運算結(jié)果對后續(xù)的機(jī)組進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其結(jié)果必然是持續(xù)振蕩，反而會使整體的控制品質(zhì)惡化。所以，在此對控制算法的選擇也是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常工作的一個關(guān)鍵。

5 結(jié) 語

受制于冷凍機(jī)組之間的互聯(lián)互通的障礙，目前幾乎所有工業(yè)用冷凍機(jī)組都各自獨立運行，以自身冷凍水的出口溫度為唯一控制目標(biāo)進(jìn)行控制。但是在某些現(xiàn)場出現(xiàn)了多臺機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的“拉鋸”現(xiàn)象，機(jī)組將會遲遲不能達(dá)到平衡，導(dǎo)致電耗增大。提出多冷凍機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在全局最優(yōu)的情況下作出選擇，通過總冷量負(fù)荷的實時計算及多機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略的實現(xiàn)，同時應(yīng)用RASO控制器中的先進(jìn)控制模型，在某制藥企業(yè)-16 ℃5臺冷凍機(jī)組上進(jìn)行了實施，取得了良好的效果；后續(xù)研究將增加氣候補償功能，并可對整體電耗與冷量負(fù)荷做實時的自尋優(yōu)，使電耗的下降依據(jù)更為充分。

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