制冷空调系统控制逻辑基础

空调试验室2018-07-10 12:30:16

转载自丹佛斯中国微信号。

沙老师:姓沙名陆,丹佛斯制冷事业部中国区培训经理,亦为制冷空调行业资深专家。2001年毕业于西安交通大学,主攻压缩机专业。2006年底应邀加入丹佛斯中国,之前一直在空调厂家从事机组设计研发工作。作为丹佛斯制冷亚太区培训中心的创办人之一,沙老师一直致力于公司内外部的培训教学工作,同时要兼顾丹佛斯经销商、客户和业内高校的技术交流活动。正所谓天将降大任于斯人也,2013年起,沙老师承担起了更多的外部培训工作。

 

制冷空调系统控制逻辑基础

曾经很多人将一个四大部件组成的制冷空调系统比喻成一个人体结构,压缩机是心脏,将能量通过管路输送, 通过毛细血管节流送给末端。若从这个角度来考虑, 控制逻辑就是制冷空调系统的大脑和灵魂, 是决定系统可靠性的核心。


制冷空调系统的控制简单来说,就是通过人机界面将我们希望机组每一个部件如何动作,通过软件语言编写, 再通过硬件来实现出来。 控制逻辑就是我们的想法,我们希望的系统中的每一个零部件的动作逻辑。


第一部分,控制系统和信号的分类

自动控制系统按照原理,一般可以分为开环控制系统和闭环控制系统。


 制冷空调系统一般采用闭环控制,也叫反馈控制系统,利用输出量同目标值的偏差对系统进行控制,可以获得比较好的修正和稳定的控制。定时检测输出量的实际值,将输出量的实际值与目标值进行比较得出偏差, 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差, 使得输出量维持目标值。 控制系统的基本要求有三个方面, 稳定性,快速性, 准确性;即快速准确的达到目标,然后波动尽可能小的稳定在目标可接受区域内。当前的制冷空调系统中使用的控制板以单片机和PLC为主,标准化的小型批量设备一般采用单片机居多,工程项目类设备和非标准化产品以PLC居多。


制冷空调控制系统的信号包括输入恻和输出恻,简单的可以分为数字信号和模拟信号。比如一般我们常说的各种保护开关接入控制板,给出的输入信号就是数字信号,定速压缩机和定速风扇电机的控制线路接入控制板,输出信号就是数字信号,温度传感器和压力传感器等转成为电压电流电阻信息接入控制板,这个输入信号就是模拟信号,对外部输出的标准信号,比如0~10V, 4~20mA等信号用来驱动电子膨胀阀的信号就属于模拟信号,制冷空调系统的控制板就是定时获得输入信号,通过逻辑计算,决定输出量大小,然后通过输出来改变系统每一个零部件的状态。


第二部分,制冷空调系统的常用控制方法

1, 开关型控制

比如使用单台定速压缩机的单个蒸发器的制冷系统,根据该蒸发器对应的使用恻温度信号来计算负荷,控制压缩机的起停,当温度达到目标值+2以上,并连续维持一定的时间, 压缩机开机, 当温度降低到目标值-2以下,并连续维持一定的时间,则压缩机停机。 这种方法广泛应用在大量的家用制冷空调设备和中小型的简单制冷设备中,用来作为负荷控制的一种方法, 比这个稍微复杂一点的是多个输入温度值或者电磁阀的开关信号连锁等等,一旦达到条件,输出信号执行数字量通关输出,来起停压缩机或者风扇水泵。

这种控制方法的优点是简单可靠,一般不会有产生系统风险的可能,缺点是受控变量波动较大,不能达到精确控制,满足不了舒适度的要求,甚至为了避免压缩机的频繁起停和信号的偶然跳跃误差,需要加入计时器,强制压缩机在达到负荷要求之后,继续过度输出。


比如上方右图所示,并联定速压缩机的控制方案中,理论上负荷50%以上启动2台压缩机, 50%以下,仅1台压缩机启动,实际上为了避免压缩机的频繁起停,在逻辑上可能需要定义负荷达到65%以上才加载另外1台压缩机,负荷降低到35%以下才减载其中1台压缩机。


2, PID控制

P控制就是比例控制, 是一种类似开环控制的方法, 单纯由输入信号的变量大小按照比例来决定输出信号的大小, 例如将房间温度的目标区域从最小值到最大值定义成0%~100%,目标值-2℃时, 机组输出0%,目标值+2℃时,机组输出100%, 目标值时,机组输出50%,以此类推。P控制一般在制冷空调系统中很少单独使用, 因为随着机组的逐渐磨损和效率衰减,P控制所产生的稳态误差会越来越大。


I控制就是积分控制,为了消除稳态误差 在计算公示中引入积分项,输出信号与输入误差信号的积分成正比关系,积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项也会增大对输出信号的影响,直到误差趋向0.


D控制就是微分控制,与积分控制对输出信号的影响相反, D控制是受控温度减少波动,尽快稳定下来的一种控制方式,与目标值无关,微分项提前预判受控温度的变化方向,防止过大的波动出现,比如冷库降温过程,如果出现负荷较小,降温非常快速,即使没有达到目标库温,微分项为了防止库温波动, 会提前预判,提前减载压缩机输出。


PI或者PID组合控制经常使用在制冷空调行业, 作为变频压缩机或者电子膨胀阀的控制方案,通过P比例计算决定了基本的输出信号大小,比如电子膨胀阀的初始开度, 变频压缩机的初始上载频率等, 然后通过I控制使受控温度逐步快速的趋向目标值。D控制项使受控温度稳定在目标温度上。一般我们会通过改变PID项各自的权重, 来达成不同的调节效果,或者根据系统的特点来适用不同的方案, 比如通过加大P参数实现快速达到目标,但是波动较大,或者反过来,慢慢达到目标值,但是波动较小。


PID控制参数权重大小,也就是参数整定的方法很多, 在制冷空调行业一般都是通过实验,依赖经验,反复叠加验证来获得,首先仅加入比例控制参数,直到系统的受控温度出现临界震荡,记下P参数大小和震荡周期,用来计算I和D参数,再通过实验进行验证和小幅修正。

第三部分,制冷空调系统部件的正常起停功能控制逻辑

制冷空调系统一般都包括的四个部件,压缩机, 冷凝器, 蒸发器和节流结构, 稍微特殊一点的系统还包括喷液冷却, 抽真空循环以及热气旁通等功能, 这些功能的启动和停止先后顺序如下图所示: 

一般收到开机命令之后,蒸发恻会优先启动,尤其采用水系统的话, 启动的提前时间会更长一些,将蒸发恻的吸收热量的系统提前准备完善, 防止压缩机启动后, 短时间内造成回液的风险。 冷凝器恻的换热一般会根据冷凝压力进行控制,一般的小型系统会和压缩机同步起停,但是对于中大型系统, 尤其变负荷系统, 需要稍微滞后于压缩机, 防止压缩机启动后的短时间内造成系统低压过低。 


节流机构如果是电子膨胀阀的话,需要提前进行初始化过程,提前的时间需要参考具体阀门全程开和关需要的时间,比如丹佛斯的ETS400电子膨胀阀,满步数是3810步,设定开关的速率是300步/秒,逻辑执行初始化是执行关阀110%,全程共需要约14秒,控制逻辑上,需要在压缩机启动之前预留27秒,14秒用来初始化,13秒预留将阀开到初始开度。

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