基于PLC的纯水冷却装置自动控制系统研究

贾志强，何忠祥

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

基于PLC的纯水冷却装置自动控制系统研究

贾志强，何忠祥

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

详述了一种基于PLC的强制循环式纯水冷却装置的自动控制系统。设计并实现了一种以内循环水温度T和设定时间间隔前后内循环水的温差ΔT为依据的电动三通阀对拉式控制策略，有效降低了三通阀角度的超调量，减少了机械磨损，提升了系统稳定性。实验验证了该控制策略的可行性以及稳定性。项目应用检验了该自动控制系统的可靠性。

水冷却装置 电动三通阀 内循环水温度 自动控制系统

0 引言

冷却装置是保证机械、电气等设备安全可靠运行的系统之一，其作用是冷却机械或电气等设备高温部位，使其温度保持在有效工作范围内，从而保证设备的稳定可靠工作[1]。空气冷却和水冷却是当前应用最为广泛的两种冷却方式。水冷却装置是以水为冷却介质的冷却装置，是新型水冷变频器或电机等设备必需的装置。水冷却方式根据冷却介质的不同，还可以细分为纯水冷却和海水冷却等等。水冷却装置的换热功率等级是评价相关单位在水冷装置领域技术水平的一项重要指标。

为保持内循环水温度稳定在设定温度范围内，自动控制系统根据检测到的内水温度调节三通阀旋转角度，从而调节内循环水流经加热器支路和热交换器支路的流量。当前对电动三通阀的控制往往以内循环水温度作为闭环控制量，采用 PID调节的方式实现三通阀角度的自动控制。但是，由于内循环水温度变化较为缓慢，尤其工作在较低负载率时，温度变化甚微，所以这种控制方式极易引起三通阀角度的超调，从而导致内水温度波动较大。此外，三通阀机械操作机构长时间处于暂态调节过程，机械磨损严重，不利于系统的稳定可靠。

为解决以上问题，本文提出了一种基于内循环水温度以及在设定时间间隔前后内循环水的温差为依据的对拉式控制策略，实验结果表明三通阀角度超调问题明显改善，内循环水温度能较快稳定在设定温度范围。

1 水冷却装置的工作原理

如图1所示是一种强制循环式纯水冷却系统的简化水路图。该纯水冷却装置的水路分为内循环水系统和外循环水系统，内循环水为纯净水，外循环水根据实际情况可采用淡水或海水等。内水与外水通过热交换器进行热量的交换。水泵 1和水泵2是主水泵，二者互为备用，循环交替运行，带动内循环水流动。当内循环水量不足时，内水的压力与流量传感器检测到相应物理量值降低，则通过补水泵以及过滤器补充纯净水进入内循环系统。电磁三通阀控制内循环水流经板式热交换器或电加热器支路的流量。内循环水流经板式热交换器支路与外水进行热量交换，流经加热器支路则不与外水进行热量交换，如若水温过低，还需要启动电加热器对内水进行加热，以保证变频器组件工作在正常的温度范围内。通过以上各组件的控制和作用，使得热源产生的热量与散热板吸收的热量达到动态平衡，最终达到内循环水的水温维持在设定范围内的目的。

图1 冷却系统简化水路图

2 水冷却装置控制系统

图2 冷却装置控制系统硬件组态

控制系统的硬件组态如图2所示，数字量输入模块采集电源状态、主水泵和补水泵运行状态，继电器状态等状态信号，以及本地或远程硬线信号等数字量控制信号。模拟量输入模块采集内、外水温度、压力、流量等信号以及内循环水电导率，电动三通阀实际角度等模拟量状态信号。PLC的控制器单元根据数字量输入和模拟量输入状态做出相应的逻辑判断与控制，通过数字量输出模块输出相应控制信号，控制水泵启停，声光报警等。模拟量输出模块主要完成对电动三通阀的控制。水冷控制系统与远程控制系统可通过RS485或者以太网连接，实现数据的实时通讯以及远程操控功能。另外可通过RS485或以太网与监控操作面板连接，实时显示水冷系统的运行状态与参数，并可对水冷系统进行操作。通过各模块之间的相互配合以及通讯网络的数据传输实现了对水冷却装置的实时自动监控与控制。

3 水冷却装置控制系统的主要控制功能

图3 三通阀示意图

水冷却装置的电动三通阀示意图如图3所示。当冷却水完全流经板式热交换器时，水冷系统换热效果达到最大；当冷却水完全流经加热器支路时，水冷系统换热效果为零。因此，调节电动三通阀的旋转角度，可实现对内循环水流经板式热交换器或加热器支路的流量分配。

水冷柜电动三通阀的控制，与内循环水设定温度和实际温度有关。内循环水入口水温较大时，三通阀调节旋转角度，使内水更多地与外水进行热交换；内循环水温较低时，三通阀调节旋转角度，使内水与外水热交换减少，让更多的水通过加热器支路。只有当环境温度较低，变频器工作在较轻负载或外水温度较低的情况下时才会将内冷却水完全流经加热器支路，以保证内冷却水温度不至于太低而影响变频器正常运行。

三通阀根据安装方式与控制接线的不同，0°与90°代表的全闭/全开概念不同。为了方便说明，现假设三通阀角度为 90°时，三通阀全开，内水与外水进行全面的热量交换，三通阀为0°时，三通阀全关，内水与外水不进行热量交换。

图4 内循环水温度PID控制原理框图

电动三通阀的调节往往采用根据内循环水温度进行闭环控制的PID控制策略[2]，控制原理如图4所示。根据水温实时不断调节三通阀的角度，水温低于设定温度Tset时，调节三通阀加大经过加热器支路的水量，减少经过热交换支路的水量，从而减少热量交换；水温高于设定温度时，调节三通阀加大经过热交换支路的水量，减少经过加热器支路的水量，从而加大热量交换。根据实验结果来看，这种控制策略的实时性好，大部分情况下能够实现控制目标，使内水温度维持在设定范围内，但当外水温度特别低的情况下，三通阀角度超调现象明显，内水温度变化较大，难以实现控制目标。

鉴于上述PID控制策略所存在的问题，本文提出了一种根据内循环水温度T和设定时间间隔前后内水温差ΔT来调节三通阀角度的控制策略。这种调节方式每隔N秒钟读取一次内循环水温度T，时间间隔视具体情形有所区别。根据当前的内水温度T与上次读取的内水温度T0计算出设定时间间隔内温差当前内循环水温度反映的是当前水温与设定温度之间的关系，温差反映的是当前三通阀角度的开合程度对水温的影响趋势。综合考虑两者的影响，从而决定三通阀角度调节的幅度Kp。三通阀的角度输出为

图5 三通阀控制策略示意图

图5是三通阀控制策略的示意图。如图中所示，每个时间间隔内三通阀调节幅值Kp由Kp1、Kp2两部分组成。

kp1参数的大小决定了调节的速度，该值越大则三通阀调节速度越快，但该值过大容易导致超调量过高，温度难以稳定下来，三通阀长时间处于暂态调节过程。同时，当内循环水温度与设定温度值相差越大，则调节速度越快。

Kp1部分并不能完全保证水冷系统会在设定温度值附近稳定下来。比如一种极端的情况是，内水温度在某个非设定值温度下稳定，则，三通阀不动作，内水温度始终不能达到设定温度。故而将内循环水温度与设定温度之差单独作为一个调节量，调节三通阀角度，将内水温度拉回设定温度值附近。Kp1、Kp2两部分共同作用，将水温维持在设定值附近。

其中kp1、kp2两个参数需根据温差的大小和实际调节效果分区间设定为不同的常量。

当内循环水当前实际温度高于温度设定区间上限值时，三通阀需要调节角度使得内循环水全部经过换热器支路；当内循环水当前实际温度低于温度设定区间下限值时，三通阀需要调节角度使得内循环水全部经过加热器支路。当内循环水温度处于设定温度区间范围内时，三通阀角度调节量Kp视具体情形分为四种情形。具体如表 1所示。)

表1 调节量值与温度状态的关系表

实验结果表明，使用上述控制策略的水冷控制系统，内循环水温度能够稳定在设定区间，三通阀角度超调量小，稳态效果好，有效改善了三通阀机械结构长时间处于暂态调节过程中的机械磨损问题。

4 结语

本文介绍了一种基于PLC的强制循环式纯水冷却装置的自动控制系统。采用稳定性好、可靠性高的PLC控制器作为水冷却装置的控制装置，通过以太网或 RS485与远程操控系统和本地HMI设备连接，实现了纯水冷却装置远程/现地两种操作模式下的自动控制功能；人机界面能够良好地展现出系统状态信息，并可以实现简单操控；信息交互顺畅，故障报警保护完备。该纯水冷却装置自动控制系统已成功应用在从 20kW 到800kW 不等的换热功率等级的强制循环式水冷却装置内，用户反响良好。

[1]蔡冬林,沈苏海. 基于 PLC的船舶中央冷却水专家控制系统设计[J]. 造船技术，2007,(6):18-20.

[2]易映萍,陈建帅，王玮等. 基于PID的换流阀水冷系统温度控制研究[J]. 信息技术,2015,(3):29-32.

[3]仇文君,欧阳峥嵘. 基于PLC的SHMFF磁体冷却水水温控制系统[J].化工自动化及仪表,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，罗益民，张媛媛. 基于S7-300 PLC的循环水站控制系统[J]. 仪表技术与传感器，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

贾志强（1991-），男，助理工程师。研究方向：舰船推进电机及其控制技术。

Email：zhi2178@163.com