CN108507245B - 一种嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统，包括冷却水循环系统和控制系统，所述控制系统包括冷源控制闭环和嵌套在该冷源控制闭环中的母管水压控制闭环和生产区水温控制闭环；一种控制方法，第一步，母管压力控制器根据出水母管水压设定值调节变频器令每个水泵的输出水压一致且出水母管的水压恒定；第二步，所述出水阀控制器控制每个待冷却生产区的对应阀门开度，令该待冷却生产区的冷却后水温在冷却温度区间内；第三步，根据出水母管的水压、回水总管与集水池的水温差控制冷却塔的冷却功率。有益效果：使循环冷却水不需手工调节就能适应各种可能遇到的问题，从而为待冷却生产区精确降温，且在高精度的同时还能最大限度节能。
Description
技术领域
本发明涉及工业生产中循环冷却水技术领域，具体的说，涉及一种嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统及控制方法。
背景技术
循环冷却水系统是一种常见的节水控温工程系统，应用广泛，而系统的降温效果受冷却水的流量和水温影响，冷却水温度的变化使流量必须随之调节，水温较高时需要加大水量，才能保证冷却降温效果，而水温较低时，就能减少水流量，实现节能。由于水温与流量的随时变化，现有的循环冷却水系统多是通过实时采集数据后手工调控流量与冷却设备的工作效果，而达不到完全自动化控制。
同时，循环冷却水系统的水和电的消耗在生产中占有很大比重，现有循环冷却水系统通过采用变频调节来控制水泵电机的供水流量，来达到节能目的；实际工业生产中，往往是多个水泵并联工作，此时，变频恒压供水虽然保证供水压力，但忽略了即使相同型号的水泵在同样转速的情况下，其性能也可能存在差异，当多台水泵同频率并联运行时，各水泵的带负荷能力不完全一样，则并联水泵的供水流量就不平衡，整体供水流量变化，很可能难以达到供水流量的要求，而且长期运行也会造成出水压力低的水泵汽蚀。
现有的并联变频水泵负荷不平衡情况的解决方法都是人工手动微调各个变频器的频率来使各水泵支路的水流量相同，人工调节精度低，且用水量频繁变化时还需频繁的人工操作，难以满足自动化和工业化的要求。
此外，当整个循环中的冷源温度都很高时，单靠水量的控制就难以完成冷却目标了，此时就需要对冷源的降温设备进行调控，使冷源在经过一次循环后更快冷却降温，从而为待冷却设备提供更多冷量。
发明内容
本发明的目的是提供一种嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统及控制方法，使循环冷却水不需手工调节就能适应各种可能遇到的问题，从而为待冷却生产区精确降温，且在高精度的同时还能最大限度节能。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统，包括冷却水循环系统和控制系统，所述冷却水循环系统为水道依次连接的冷却塔、集水池、出水母管、待冷却生产区、回水总管，回水总管的出水口连接冷却塔的进水口，集水池与出水母管之间设置有N个并联的水泵，所述控制系统包括冷源控制闭环和嵌套在该冷源控制闭环中的母管水压控制闭环和生产区水温控制闭环；
所述冷源控制闭环包括冷源控制器，所述冷源控制器采集集水池和回水总管的水温、出水母管的水压，并控制冷却塔的制冷工作；
所述母管水压控制闭环设置在集水池与出水母管间，包括母管压力控制器，该母管压力控制器控制有N个变频器，每个变频器都与所述母管压力控制器双向连接，且N个变频器与N个并联的水泵一一对应连接，所述母管压力控制器采集出水母管的水压；
所述生产区水温控制闭环设置在出水母管与回水总管间，包括出水阀控制器和控制每个待冷却生产区入水量的控制阀，所述控制阀连接出水阀控制器的控制端组，所述出水阀控制器采集每个待冷却生产区的冷却后水温。
通过上述设计，母管水压控制闭环对出水母管的水压进行恒压控制，使其满足待冷却生产区的最不利点也能获得足够水压进行冷却，每个水泵受变频器控制出水水压全部一致，使出水母管的水压恒定；生产区水温控制闭环对每个待冷却生产区的降温情况实时监测，并控制其控制阀的开度使每个待冷却生产区所需冷却水量得到精确控制，实现节能的同时也降温冷却效果更好；当整个循环系统的冷却水温度过高难以实现降温时，冷源控制闭环则控制加大冷却塔的制冷效果，使冷却水更快降温以满足待冷却生产区的冷却温度，而冷却水小流量也能满足降温需求时，则可以适当降低冷却塔的制冷效果，以实现节能目的。
进一步描述，所述母管压力控制器设置有主泵跟随反馈机构，N个并联的所述水泵中，任意一个水泵为主泵，其余水泵为从泵；
所述主泵跟随反馈机构获取主泵和从泵的输出水压并控制调节每一从泵的输出水压都与主泵的输出水压一致。
由于多个水泵的实际负荷情况不完全相同，在统一控制变频器时难以得到一致的出口水压，则出水母管的水压就无法恒定，出水流量也相应减少，所以通过上述设计，并联的水泵在定下一个主泵后反馈调节其余水泵的输出水压，就能真正满足出水母管的恒压设定，从而更好为后续供水；且当出水母管水压变化时，也能及时反馈调节，保持出水母管水压恒定。
更进一步描述，所述母管压力控制器还设置有主泵切换机构，所述主泵切换机构检测主泵的工作状态，当该主泵工作故障时，设定从泵中的一个为新的主泵；
所述主泵切换机构连接主泵跟随反馈机构。
设定的主泵可能在使用过程中出现故障，此时再以它为基准调节就不合适，因此通过上述设计，主泵切换机构将剩余水泵中正常工作的切换为新的主泵，保证出水母管的水压恒定。
更进一步描述，所述主泵跟随反馈机构的输入参数为水泵电机的工作电流；
所述主泵切换机构的输入参数包括水泵电机的工作电流、运行状态信号、变频器的控制信号输入值、变频器的受控反馈信号输出值；
所述运行状态信号为0或1，1为运行状态，0为非运行状态。
水泵电机的工作电流与出水水量有对应关系，因此只需检测变频器上水泵电机的工作电流就能计算得到出水水量和水压；同样的，主泵的工作情况能通过水泵电机的工作电流、运行状态信号和变频器的控制信号输入值、受控反馈信号输出值得到反应，这些参数都能从变频器上直接得到，则通过上述设计，该母管水压控制闭环不需要再增加检测装置就能完成主泵的跟随反馈调节和切换。
一种所述嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统的控制方法，第一步，母管压力控制器根据出水母管水压设定值调节变频器令每个水泵的输出水压一致且出水母管的水压恒定；
第二步，出水阀控制器实时获取每个待冷却生产区的冷却后水温并计算所需水量，所述出水阀控制器控制每个待冷却生产区的对应阀门开度，令该待冷却生产区的冷却后水温在冷却温度区间内；
第三步，a、当出水母管的水压在水压中位值与水压上限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差下限值之间时，冷源控制器控制冷却塔加大冷却功率；
b、当出水母管的水压在水压中位值与水压下限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差上限值之间时，冷源控制器控制冷却塔降低冷却功率。
c、当出水母管的水压在水压中位值与水压上限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差上限值之间时，则母管压力控制器控制降低出水母管的水压或出水阀控制器控制减小对应待冷却生产区的控制阀开度；
d、当出水母管的水压在水压中位值与水压下限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差下限值之间时，则母管压力控制器控制增加出水母管的水压或出水阀控制器控制加大对应待冷却生产区的控制阀开度；
出水母管的水压是供应冷却水的基础，因此，必须先控制每个水泵的输出水压一致后，再调节出水侧；而母管水压控制闭环与生产区水温控制闭环都是对水压的微调，微调的前提是循环系统中水温和水压都符合要求，若不符合，则必须对总的循环系统进行控制调节，因此冷源控制闭环对整个循环系统的三个集中水量的地方进行实时检测，一旦不满足冷源条件时就调节控制冷却塔的工作，实现节能与精确的目的。
三条闭环控制回路，相互配合、分工合作，通过一阶响应，提高了闭环控制反馈速度，又独立运行，降低了运算成本和运行成本。
进一步描述，所述第一步的具体步骤如下：
S1，主泵跟随反馈机构设定任一水泵为主泵B0，其余水泵为从泵Bi；
S2，以主泵B0的输出水压P0为基准，逐一比较每一从泵Bi的输出水压Pi与主泵B0的输出水压P0获得差值Mi；
S3，根据所述差值Mi对应调整该从泵Bi的工作频率，使所有从泵的输出水压都为P0；
差值Mi为正，即该从泵Bi的输出水压Pi小于主泵B0的输出水压P0，则将该差值Mi乘以修正值k后叠加到变频器的控制量，增加水泵电机频率；
差值Mi为负，即该从泵Bi的输出水压Pi大于主泵B0的输出水压P0，则将该差值Mi乘以修正值k后叠加到变频器的控制量，减小水泵电机频率；
S4，返回步骤S1直到系统完成冷却工作。
通过上述设计，出水母管的水压调节以一个工作正常的水泵为主泵，其余水泵均根据与主泵的水压差值反馈调节，使每个水泵的输出水压都一样，从而使出水母管的水压恒定。
更进一步描述，当设定的主泵B0工作故障时，步骤S1还包括切换主泵的方法，具体内容如下：
S1.1，主泵切换机构检测主泵B0的水泵电机是否正常工作，是，进入下一步，否则跳到步骤S1.3；
S1.2，主泵切换机构检测主泵B0的变频器是否正常控制水泵电机工作，是，进入步骤S2，否则进入下一步；
S1.3，主泵切换机构重新选取任一水泵为新的主泵B0，返回步骤S1.1。
通过上述设计，当主泵的水泵电机没有正常工作或变频器不能正常控制水泵电机的工作，则切换另一个正常工作的水泵为新的主泵，使单个泵的故障不会扩大到所有泵都故障反馈，进而影响出水母管的水压。
更进一步描述，所述步骤S1.1中主泵切换机构检测水泵电机的工作电流和运行状态信号，若工作电流大于或等于最小运转电流Imin且运行状态信号为1，则该水泵电机为正常工作，否则为非正常工作；
所述步骤S1.2中主泵切换机构检测周期时间T内变频器的控制信号输入值、受控反馈信号输出值，若周期时间T内控制信号输入值的变化趋势与受控反馈信号输出值的变化趋势一致，则该变频器为正常控制状态，否则为非正常控制状态。
更进一步描述，所述步骤S2中主泵B0的输出水压P0为水泵电机的工作电流I0计算获得，从泵Bi的输出水压Pi为水泵电机的工作电流Ii计算获得：
P0＝αI0，Pi＝αIi
其中，α为水泵的电流水压比系数。
本发明的有益效果：母管水压控制闭环对出水母管的水压进行恒压控制，使其满足待冷却生产区的最不利点也能获得足够水压进行冷却，每个水泵受变频器控制出水水压全部一致，使出水母管的水压恒定；生产区水温控制闭环对每个待冷却生产区的降温情况实时监测，并控制其控制阀的开度使每个待冷却生产区所需冷却水量得到精确控制，实现节能的同时也降温冷却效果更好；当整个循环系统的冷却水温度过高难以实现降温时，冷源控制闭环则控制加大冷却塔的制冷效果，使冷却水更快降温以满足待冷却生产区的冷却温度，而冷却水小流量也能满足降温需求时，则可以适当降低冷却塔的制冷效果，以实现节能目的。
附图说明
图1是控制系统的结构示意图
图2是主泵跟随反馈的流程示意图
图3是控制方法的流程示意图
图4是第一步的方法流程图
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统，包括冷却水循环系统和控制系统，所述冷却水循环系统为水道依次连接的冷却塔、集水池、出水母管、待冷却生产区、回水总管，回水总管的出水口连接冷却塔的进水口，集水池与出水母管之间设置有N个并联的水泵，所述控制系统包括冷源控制闭环和嵌套在该冷源控制闭环中的母管水压控制闭环和生产区水温控制闭环；
所述冷源控制闭环包括冷源控制器，所述冷源控制器采集集水池和回水总管的水温、出水母管的水压，并控制冷却塔的制冷工作；
所述母管水压控制闭环设置在集水池与出水母管间，包括母管压力控制器，该母管压力控制器控制有N个变频器，每个变频器都与所述母管压力控制器双向连接，且N个变频器与N个并联的水泵一一对应连接，所述母管压力控制器采集出水母管的水压；
所述生产区水温控制闭环设置在出水母管与回水总管间，包括出水阀控制器和控制每个待冷却生产区入水量的控制阀，所述控制阀连接出水阀控制器的控制端组，所述出水阀控制器采集每个待冷却生产区的冷却后水温。
作为优选，所述母管压力控制器设置有主泵跟随反馈机构，N个并联的所述水泵中，任意一个水泵为主泵，其余水泵为从泵；
所述主泵跟随反馈机构获取主泵和从泵的输出水压并控制调节每一从泵的输出水压都与主泵的输出水压一致，如图2所示。
进一步地，本实施例中所述母管压力控制器还设置有主泵切换机构，所述主泵切换机构检测主泵的工作状态，当该主泵工作故障时，设定从泵中的一个为新的主泵；
所述主泵切换机构连接主泵跟随反馈机构。
所述主泵跟随反馈机构的输入参数为水泵电机的工作电流；
所述主泵切换机构的输入参数包括水泵电机的工作电流、运行状态信号、变频器的控制信号输入值、变频器的受控反馈信号输出值；
所述运行状态信号为0或1，1为运行状态，0为非运行状态。
如图3所示，一种所述嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统的控制方法，第一步，母管压力控制器根据出水母管水压设定值调节变频器令每个水泵的输出水压一致且出水母管的水压恒定；
第二步，出水阀控制器实时获取每个待冷却生产区的冷却后水温并计算所需水量，所述出水阀控制器控制每个待冷却生产区的对应阀门开度，令该待冷却生产区的冷却后水温在冷却温度区间内；
第三步，a、当出水母管的水压在水压中位值与水压上限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差下限值之间时，冷源控制器控制冷却塔加大冷却功率；
b、当出水母管的水压在水压中位值与水压下限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差上限值之间时，冷源控制器控制冷却塔降低冷却功率。
如图4所示，本实施例的第一步优选为如下内容：
S1，主泵跟随反馈机构设定任一水泵为主泵B0，其余水泵为从泵Bi；
S1.1，主泵切换机构检测主泵B0的水泵电机是否正常工作，是，进入下一步，否则跳到步骤S1.3；
S1.2，主泵切换机构检测主泵B0的变频器是否正常控制水泵电机工作，是，进入步骤S2，否则进入下一步；
S1.3，主泵切换机构重新选取任一水泵为新的主泵B0，返回步骤S1.1；
S2，以主泵B0的输出水压P0为基准，逐一比较每一从泵Bi的输出水压Pi与主泵B0的输出水压P0获得差值Mi；
S3，根据所述差值Mi对应调整该从泵Bi的工作频率，使所有从泵的输出水压都为P0；
差值Mi为正，即该从泵Bi的输出水压Pi小于主泵B0的输出水压P0，则将该差值Mi乘以修正值k后叠加到变频器的控制量，增加水泵电机频率；
差值Mi为负，即该从泵Bi的输出水压Pi大于主泵B0的输出水压P0，则将该差值Mi乘以修正值k后叠加到变频器的控制量，减小水泵电机频率；
S4，返回步骤S1直到系统完成冷却工作。
优选地，所述步骤S1.1中主泵切换机构检测水泵电机的工作电流和运行状态信号，若工作电流大于或等于最小运转电流Imin且运行状态信号为1，则该水泵电机为正常工作，否则为非正常工作；
所述步骤S1.2中主泵切换机构检测周期时间T内变频器的控制信号输入值、受控反馈信号输出值，若周期时间T内控制信号输入值的变化趋势与受控反馈信号输出值的变化趋势一致，则该变频器为正常控制状态，否则为非正常控制状态。
作为优选，所述步骤S2中主泵B0的输出水压P0为水泵电机的工作电流I0计算获得，从泵Bi的输出水压Pi为水泵电机的工作电流Ii计算获得：
P0＝αI0，Pi＝αIi
其中，α为水泵的电流水压比系数。
Claims (6)
1.一种嵌套闭环的全自动工业循环冷却控制系统的控制方法，控制系统包括冷却水循环系统和控制系统，所述冷却水循环系统为水道依次连接的冷却塔、集水池、出水母管、待冷却生产区、回水总管，回水总管的出水口连接冷却塔的进水口，集水池与出水母管之间设置有N个并联的水泵，所述控制系统包括冷源控制闭环和嵌套在该冷源控制闭环中的母管水压控制闭环和生产区水温控制闭环；
所述冷源控制闭环包括冷源控制器，所述冷源控制器采集集水池和回水总管的水温、出水母管的水压，并控制冷却塔的制冷工作；
所述母管水压控制闭环设置在集水池与出水母管间，包括母管压力控制器，该母管压力控制器控制有N个变频器，每个变频器都与所述母管压力控制器双向连接，且N个变频器与N个并联的水泵一一对应连接，所述母管压力控制器采集出水母管的水压；
所述生产区水温控制闭环设置在出水母管与回水总管间，包括出水阀控制器和控制每个待冷却生产区入水量的控制阀，所述控制阀连接出水阀控制器的控制端组，所述出水阀控制器采集每个待冷却生产区的冷却后水温；
其特征在于：
第一步，母管压力控制器根据出水母管水压设定值调节变频器令每个水泵的输出水压一致且出水母管的水压恒定；
第二步，出水阀控制器实时获取每个待冷却生产区的冷却后水温并计算所需水量，所述出水阀控制器控制每个待冷却生产区的对应阀门开度，令该待冷却生产区的冷却后水温在冷却温度区间内；
第三步，a、当出水母管的水压在水压中位值与水压上限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差下限值之间时，冷源控制器控制冷却塔加大冷却功率；
b、当出水母管的水压在水压中位值与水压下限值之间，且回水总管与集水池的水温差在温差中位值与温差上限值之间时，冷源控制器控制冷却塔降低冷却功率。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述母管压力控制器设置有主泵跟随反馈机构，N个并联的所述水泵中，任意一个水泵为主泵，其余水泵为从泵；
所述主泵跟随反馈机构获取主泵和从泵的输出水压并控制调节每一从泵的输出水压都与主泵的输出水压一致；
所述第一步的具体步骤如下：
S1，主泵跟随反馈机构设定任一水泵为主泵B0，其余水泵为从泵Bi；
S2，以主泵B0的输出水压P0为基准，逐一比较每一从泵Bi的输出水压Pi与主泵B0的输出水压P0获得差值Mi；
S3，根据所述差值Mi对应调整该从泵Bi的工作频率，使所有从泵的输出水压都为P0；
差值Mi为正，即该从泵Bi的输出水压Pi小于主泵B0的输出水压P0，则将该差值Mi乘以修正值k后叠加到变频器的控制量，增加水泵电机频率；
差值Mi为负，即该从泵Bi的输出水压Pi大于主泵B0的输出水压P0，则将该差值Mi乘以修正值k后叠加到变频器的控制量，减小水泵电机频率；
S4，返回步骤S1直到系统完成冷却工作。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述母管压力控制器还设置有主泵切换机构，所述主泵切换机构检测主泵的工作状态，当该主泵工作故障时，设定从泵中的一个为新的主泵；
所述主泵切换机构连接主泵跟随反馈机构；
当设定的主泵B0工作故障时，步骤S1还包括切换主泵的方法，具体内容如下：
S1.1，主泵切换机构检测主泵B0的水泵电机是否正常工作，是，进入下一步，否则跳到步骤S1.3；
S1.2，主泵切换机构检测主泵B0的变频器是否正常控制水泵电机工作，是，进入步骤S2，否则进入下一步；
S1.3，主泵切换机构重新选取任一水泵为新的主泵B0，返回步骤S1.1。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述主泵跟随反馈机构的输入参数为水泵电机的工作电流；
所述主泵切换机构的输入参数包括水泵电机的工作电流、运行状态信号、变频器的控制信号输入值、变频器的受控反馈信号输出值；
所述运行状态信号为0或1，1为运行状态，0为非运行状态。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤S1.1中主泵切换机构检测水泵电机的工作电流和运行状态信号，若工作电流大于或等于最小运转电流Imin且运行状态信号为1，则该水泵电机为正常工作，否则为非正常工作；
所述步骤S1.2中主泵切换机构检测周期时间T内变频器的控制信号输入值、受控反馈信号输出值，若周期时间T内控制信号输入值的变化趋势与受控反馈信号输出值的变化趋势一致，则该变频器为正常控制状态，否则为非正常控制状态。
6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述步骤S2中主泵B0的输出水压P0为水泵电机的工作电流I0计算获得，从泵Bi的输出水压Pi为水泵电机的工作电流Ii计算获得：
P0＝αI0，Pi＝αIi
其中，α为水泵的电流水压比系数。
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