洪光

（大连冷星企业有限公司，辽宁 大连 116021）

一种特殊冷却控制方式的设计与实践
——在指定冷却水进、出口温度及流动状态下的温控

洪光

（大连冷星企业有限公司，辽宁 大连 116021）

论文在交叉运用热力学、流体力学、自动控制等理论的基础上，将“黑箱”理论应用于不明发热系统的冷却实践中，成功的解决了多被测试柜任意投切的定温冷却问题；应用数学“迭代”模型，实现目标值的逼近；成功实现模拟量PID算法同数字量控制的整合；同时提出了在宽范围泵水量调节时，用不同容量泵的运行投切，代替并联投切泵的方案。

热量；流量；压差；黑箱理论；迭代模型；PID控制数字化；多级小温差降温；变频泵

0 引言

在大重华锐集团引进的风力发电设备制造环节中，需建自控设备的运行老化试验室。该试验室系统是风力发电技术国产化、赶超国际先进水平的重要环节之一。它要求在12台“被测试柜”任意组合开、停时，每台“被测试柜”的冷却入口水温为20℃、冷却出口水温为22℃；22℃热水在不设置冷却水箱条件下，仅依靠水路循环再冷却至20℃冷却水，完成冷却水再生循环使用的过程。

1 技术难点

该项目的技术难点是：在被测试柜运行数量随机变化、同时单体被测试柜发热量不确定情况下，要求指定冷却“入口”水温20℃和冷却“出口”水温22℃，以及在水路循环中精准降温（从22℃降至20℃）。总的来说，这是一个未知数很多，但对结果有明确要求的项目。

我公司的方案竞标成功，并顺利完工，满足了该国家风电骨干企业（上市公司）的生产要求。同时因采用“冬季只运行室内冷却器散热于室内”的方案，即降低了冬、夏季散热的环境温度相差过大的不利因素，又为冬季取暖提供了节能途径。

2 设计思想

把对被测试柜的发热（关注被测柜发热量及冷却传导梯度等）的研究，转换成对冷却水的温度变换（关注冷却系统参数）的研究。

以上转移矛盾的依据是：无论被测试柜内的发热量如何变化，冷却水出口温度都能说明被测柜内的温度；虽然冷却水出口温度不变，但由于流量变化，带出来的热量是变化的。所以不必关心被测试柜内的问题：只要监控被测试柜冷却水出口温度，就监控了柜内的温度。这是本项目的“原理设计”思路，其中的精髓是“黑箱理论”的应用。

在确定了以上原理性设计的基础上，把问题分解为两个相对独立的“事件”：首先是冷却水固定升温2℃（无论升温环节的入口水温是多少，本环节只做好温升2℃这件事）；其次是冷却水固定降温至20℃（无论降温环节的入口水温是多少，本环节要做好出口20℃这件事）。

两个环节（升温和降温）在被测试柜冷却水入口温度为20℃，这一点有正确的“交集”（降温环节达到目标值，升温环节有了升温的基础温度），这是本项目“总体技术方案设计”的思路——把该项目分解成两个相对独立的环节。两个相对环节独立的设计思路：

（1）升温控制环节：冷却水固定温升2℃——无论冷却入口温度是否是要求的20℃，都保证出水温升2℃。在这个功能段不考虑如何获得20℃冷却水问题。由热学知识：冷却的实质是带走热量，“热量”不仅仅是温差，而是一定流量下的“温差”。

由流体力学知识，在腔体结构确定后：①流量同流速有关；②流速同腔体两端压差有关。由此可梳理：“热量（温差）——流速——压差”有确定关系。经逻辑代换：“温差”同“压差”有关。即：可以通过控制被测试柜冷却水的入、出口“压差”，来控制冷却水的入、出口的“温差”——无论被测柜内发热量如何变化，总可以通过调节入、出口的水压差，来保证冷却水入、出的温差固定不变。如果随着被试柜运行状态变化使发热量增加，为保持原入、出口冷却水温差不变，可通过“加压”，使冷却水快速通过（单位水体换热量减少），但由于流量增加了，带走的总热量也增加，建立了新的发热、散热平衡；如果被试柜发热量减少，通过降低流速，同样可保持入、出口水温差不变。这就是“黑箱子”理论的应用——在不知道被测柜内部发热量变化以及热传导特性条件下，仅通过对被测试柜两端的水压控制，以获得入、出口水温差恒定的目标（该项目的难题在对温度、热量、流量、压差、自控等知识交汇中简化了）。

（2）降温控制环节：在这个功能段，只控制冷却结果是20℃，不考虑冷却前的温度。技术难点：不设冷却循环水箱，在水路循环流动中完成冷却，没有缓冲环节又不能冷却“过头”（没有加温环节了）。设计思想是：多级、小梯度降温——减小降温过头风险的同时，在较小温度范围内拉宽控制范围（增加控制精度）。具体是采用“迭代”的逐次逼近原理，共分六级降温，每一级都有自己固定的目标出口温度（同本级的入口温度无关）指标——设计六个独立的温度控制子系统。“逐次逼近”应该是一次性达标（不允许循环处理）的温度控制的原则。最后一级的入口应该已经进入精度要求范围内，一般只做微调；但必须保留一定的处理能力（以上用压差控制温差、用逐次逼近趋向目标温度。很显然把复杂的问题简单化了）。

3 实施方案

经制冷专家估算最大发热量，及由水的比热容，确定了水体总量及最大流量。由此确定了水路系统的管径和分水器、集水器的容量、水泵参数。水路系统图，见图1。自控设计两台不同容量的水泵切换变频运行，一台大泵可以满足最大用水量，另一台小泵可以满足最大用水量的一半。由此满足在12台被测柜自由投切时，通过切换运行两台泵，大范围地满足在用水量变化时，集水器、分水器之间的压力不变。

图1　水路系统图Fig.1 Water system diagram

水泵并联运行（非常普遍的错误）时，由于并联泵的“压头”差异，导致低压头的泵效率不高。另外，水泵运行在低频（10Hz以下）时，基本没有“压头”，继续缓慢运行只有视觉效果了（这是自控专业常犯的错误）。采用两台功率不同的泵分别独立变频运行，各自独立运行于两个用水量区段。这种处理手段，对水路系统设计具有指导意义。

如图中所有被测试柜的冷却水统一从“分水器”取水；所有被测试柜冷却水的出口统一接到“集水器”。每一台被测试柜连同入口的微调水阀，组成一套“黑箱”（不明结构的水路腔体），跨接在分水器和集水器之间。开机时无论被测试柜冷却水入口温度是多少，都保证温升2℃（刚开机时基本上处于系统加温状态）；开机时无论冷却系统入口水温是多少，冷却系统的出口温度目标都是20℃（刚开机时冷却系统基本上处于监控待命状态）。

自控采用欧姆龙PLC、触摸屏、变频器及温度模块、模拟量I/O模块等。冷却水升温（带走被测试柜内热量）控制环节的自控流程图，如图2所示。

图2　冷却水升温（柜冷却）自动控制流程图Fig.2 Automatic control process of the cooling water warming（cabinet cooling）

程序运行期间自动寻找满足冷却入、出口水温差为2℃的分水器、集水器之间的压差。然后通过变频泵通过调节压力来跟踪2℃温差。

由于最终目标是“温差”，其中是“压差”是隐函数——并不需要知道当前的压差具体数据（满足温差即可）。所以系统不设置压力检测系统——最关键的理论依据被隐藏了，转换成为泵的运行频率控制（运行频率同供水压力有关）。

每台被测柜的冷却水入口水路串联一个调节阀，微调每台被试柜内部水路结构偏差，保证各回路有同样的“压差——温差”特性。

变频泵以温差为控制过程的目标值，采用PID算法控制泵的运行频率——泵送量，保持获得2℃温升的压差不变。

冷却水“再生”（从高温降至能够再次使用的“冷却水”）过程。自控流程，如图3所示。

图3　冷却水降温（再生）自动控制流程图Fig.3 Automatic control process of the cooling water cooling（regeneration）

20℃冷却水的制备过程：关键理论是“迭代”——多环节渐进，每个环节有独立的目标（在PLC程序中是独立的程序模块），与本级入口温度无关。在硬件上，各级是串联的——本级的冷却效果是后级冷却的初始值（各级通过“迭代”趋向总目标值）。在软件上，各级是独立的——各级完成各级的目标，同前级传递过来的本级入口温度无关（便于程序模块化）。其实这是从“功能划分”出发的设计，在这思想指导下完成各级软件的功能划分。在具体程序设计时，本级入口同出口的温差大小，还是影响输出控制量的（同前级的出口温度有关）。这在PID算法中自动处理。

降温单元的水路系统设置了5台开关量控制的空调风机盘管，每台有“关”和“三档速”风机控制，共4个状态。模拟量PID算法获得不同的模拟控制量，该运算值（比如PID运算后输出控制量是3000）同满幅度模拟量（欧姆龙CP系列PLC模拟量输出满幅度是6000）比较，获得不同的百分数（本例计算百分数是50%）。将获得的百分数对应为输出的4个状态之一，即可实现数字PID算法控制4档位的开关量。如1表所示，描述了模拟量同数字量控制的关系。

表1　PID运算结果对应的控制档位Tab.1 The controlgrades corresponding to PID operation results

冷却环节的每一级都有自己的控制目标，假如没达到本级的控制目标，那也是向目标逼近了。下一级将在被改善过的误差条件下，向下一个目标逼近。以此类推逐次逼近，最后交给模拟量调节级做精细调节。

每一级风机盘管控制降温在0.3℃左右，理想情况下，经过5级开关量控制的风机盘管降温，水温已经从22℃降为20.5℃；剩下的0.5℃由最后一道冷却环节——模拟量控制风阀角度的空调器完成。这是在满足工程性价比（如果每个环节都采用模拟量调节，造价较高）条件下，同时分散风险的需要。

各级降温环节的目标出口温度见表2。各级只完成各自的目标，同入口温度无关。这意味着每级可能全力投入降温（开最高档），也可能关闭冷却风扇（穿堂而过）。

表2　各降温环节的目标出口温度（℃）Tab.2 The target outlet temperature of each cooling link

系统以泵运行频率为依据，自动完成泵的切换。泵切换控制流程如图4所示。

图4　两台泵切换自动控制流程图Fig.4 Automatic control process of the two pump switching

小泵运行频率≥48Hz后，关闭小泵、运行大泵；大泵运行频率≤20Hz后，关闭大泵、运行小泵。其他情况根据温差调节泵运行频率。

这控制方案很明确：小泵运行到最高频后，自动运行大泵；大泵运行到低频（已经形成不了压头）后，自动运行小泵。由此满足1～12台被测试柜任意组合运行的宽范围用水量变化。

4 结论

本项目在多学科理论，如热力学、流体力学、自动控制等，交叉应用的基础上，成功地应用了“黑箱”理论，回避了一大堆无法确定的参数；应用数学“迭代”思想，每级完成一小步逐次逼近目标值；将成熟的模拟量PID控制整合到数字量PID控制，为提高数字量控制智能化提供了有效途径；同时提出了用不同容量的泵独立工作，代替并联投切泵的方案。

本设计案例，圆满完成了技术要求，填补了专项工程应用空白，开拓了同行的视野，为提高工控应用水平做出贡献。

［1］孙传庆，等.新黑箱理论及其应用［J］.科技信息（学术研究），2008，34.

［2］祁辉宇.柴油机冷却水温度控制系统的改进［J］.机电技术，2009，2.

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［4］黄景雄.注塑模具CAD冷却系统的研究与开发［D］.山东大学，2009.

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［6］张小东，等.谈地源热泵及其工程中的应用机理［J］.陕西建筑，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，工程师。研究方向：电子、自控技术与研发。