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CMS
智能模糊控制技术在轮胎行业中央空调工程中的应用
前言
空调系统是智能建筑集成系统的重要组成部分，而空调系统本身是建筑的耗能大户。有资料统计，在建筑自动化系统中采用最优投运设备的台数控制、最优启停控制、焓值控制、供水系统压力控制、温度自适应控制等节能措施后，可以减少约20%的能源消耗。
本文将要论述的是以杭州一家公司的车间空调系统改造为例。原中策（建德）空调系统是每个空调、冷冻主机、冷却塔控制各自独立控制。这种控制方式导致当生产需求发生变化时操作人员必须到现场手动开启或关闭设备。或设备发生故障时，在实际运行中因维护人员没法及时发现，导致生产条件不满足停止生产或生产出不合格品。分散的控制方式随着产能扩大、人力资源成本的提高越来越成为公司发展的瓶颈。现代的生产管理方式迫切需要整体、智能的系统实现自动控制。
一、 项目简介及总体要求
此项目中央空调冷源系统分为3个冷冻机房其中包括4台离心式冷水机组（制冷量：3台1578kw、1台4250kw）6台冷冻水泵（功率：4台132kw、2台110kw）5台冷却水泵（功率：3台90kw、2台37kw）5台冷却塔（风机功率：11kw）设备组成。车间主要设备为：空调及通风系统由46台空气处理机组以及4台新风机组等设备组成。
本次项目的总体要求是：成型车间和硫化车间温度控制在18℃~28℃以内（即23℃±5℃），夏天正常温度自动控制在24℃~28℃以内，冬天正常温度自动控制在18℃~22℃以内，夏天、冬天RH值均应<70%。工程需向当地质检站报备，节能指标作为项目综合验收指标，质检站要求节能20%左右。
二、 CMS智能模糊控制原理
中央空调系统是一个多变量的、复杂的、时变的系统，其过程要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系。对这样的系统，无论用经典的PID控制，还是现代控制理论的各种算法，都很难实现较好的控制效果。
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，尤其适合于中央空调这样复杂的、非线性的和时变性系统的控制。基于模糊控制的变频调速可以实现中央空调水系统真正意义上的变温差、变压差、变流量运行，使控制系统具有高度的跟随性和应变能力，可根据对被控动态过程特征的识别，自适应地调整运行参数，以获得最佳的控制效果。模糊控制器由模糊化接口、数据库、规则库、推理机、解模糊接口等构成。它的输入变量都选用受控变量，它们能够比较准确的反映受控过程中输出变量的动态特性。
三、 项目实施方案
1. 冷冻水控制模型
BKS智能模糊控制系统采用了模糊预测算法对冷冻水系统进行最佳输出能量控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，冷冻水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测到的这些参数送至模糊控制器，模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时计算出末端空调负荷所需的制冷（热）量以及冷冻水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并与检测到的参数值进行比较，根据其偏差值，利用现代变频高速技术，调节冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的温差、供回水温度、压差和流量运行在模糊控制器给定的最优值。
2. 冷却水及冷却塔风机控制模型
中央空调系统的运行效率（COP）会受各种因素的影响而变化，通过有效控制系统工质参数（即运行环境），可以优化系统的运行效率，然而，这些参数的运行特征表现为非线性和时变性，因此，传统的或简单的控制技术都难以取得满意的效果。
BKS智能模糊控制系统采用了系统模糊优化对冷却水及冷却塔风机系统采用最佳效率控制。当环境温度、空调末端负荷发生变化时，中央空调主机的负荷率将随之变化，主机冷凝器的最佳热转换温度也随之变化。模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出主机冷凝器的最佳热转换温度及冷却水最佳进、出口温度，并与检测到的实际温度进行比较，根据其偏差值，利用现代变频高速技术，调节冷却水泵和冷却塔风机转速，动态调节冷却水的流量和冷却塔风机的风量，使冷却水的进、出口温度逼近模糊控制器给定的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳效率状态下运行。
3. 冷冻水模糊控制系统
冷冻水模糊控制系统设置
LWK900-S132-10
和
LWK900-S110-10
水泵智能控制柜分别有
4
套和2
套；每套柜内分别配置相应变频器各
1
台；基本接口单元各
1
套、数字量接口单元各
1
套，用于控制冷冻水泵；标准水泵智能控制柜以及各控制单元经传输导线与模糊控制柜连接。冷冻水系统的供水管上安装水流压力传感器
ΔP
，于泵后冷冻水供、回水管上分别安装有水温传感器，主机冷冻水出口管上安装有水温传感器，于冷冻水回水管上安装流量计。每只流量计、水温传感器及水流压力传感器经传输导线与现场模糊控制箱连接。原电机控制柜内的主电路不变，断开原控制柜进线断路器与降压起动（或
Y/Δ
起动）主电路的导线连接，加导线改接至对应水泵智能控制柜的进线端，水泵智能控制柜的出线再返回原电机控制柜，与降压起动（或
Y/Δ
起动）主电路连接，原控制电路的进线仍接至进线断路器的出线端，当需作能耗比较测试或变频器因严重故障短时间内不能恢复或置换时，可方便快捷地切换为原工频状态运行。
模糊控制器依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出负荷需要制冷量及最佳温度、温差、压差和流量值，并与检测到的实际参数作比较，根据其偏差值控制冷冻水泵的转速，改变其流量使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量趋于模糊控制器给定的最优值。当原电机控制柜起动后，模糊控制器向对应变频器发出控制指令，软起动冷冻水泵（从
0Hz
升至设定低限频率值约
10
秒，冷冻水泵的低限频率由现场调试确定），水泵起动频率升至设定低限频率后，按模糊控制器输出的控制参数运行，使系统在保证末端空调用户的舒适度需求的同时，可实现最大限度的节能。机组运行时，如果冷冻水出口温度、流量或供回水压差出现异常时，系统送出报警信号并采取相应的保护措施，保证空调主机的安全正常运行。
4. 冷却水模糊控制系统
冷却水模糊控制系统设置
LQK900-S90-10
和
LQK900-S37-10
水泵智能控制柜分别为
3套和
2
套，每台柜内配置变频器各
1
台、基本接口单元各
1
套、数字量接口单元各
1
套，用于控制冷却水泵5台；变频器、标准水泵智能控制柜以及各控制单元经传输导线与模糊控制柜连接。在主机冷却水出口管上安装有水温传感器。每只水温传感器经传输导线与现场模糊控制箱连接。原电机控制柜内的主电路不变，断开原控制柜进线断路器与降压起动（或
Y/Δ
起动）主电路的导线连接，加导线改接至对应水泵智能控制柜的进线端，水泵智能控制柜的出线再返回原电机控制柜，与降压起动（或
Y/Δ
起动）主电路连接，原控制电路的进线仍接至进线断路器的出线端，当需作能耗比较测试或变频器因严重故障短时间内不能恢复或置换时，可方便快捷地切换为原工频状态运行。
当原电机控制柜起动完毕后，起动完毕信号送至模糊控制器，由模糊控制器向对应变频器发出指令，软起动冷却水泵（从
0 Hz
升至设定低限频率值约
10
秒）。冷却水泵起动后，按模糊控制器输出的控制参数值，调节各冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵的转速，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进、出口温度逼近模糊控制器给定的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳转换效率状态下运行。以实现冷却水泵和空调主机在最佳工况下节能运行。由于模糊控制器设定了冷却水泵的最低运行频率（设定低限频率值为略大于中央空调主机冷却水容许最低流量时对应的水泵运行频率），故确保了中央空调主机冷却水的安全运行。机组运行时如果冷却水出口温度超过高限温度，系统送出报警信号并采取相应的保护措施，保证空调主机的安全正常运行。
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通过现场实地考察以及向有关人员询问了解，由于车间中央空调系统采用的是独立控制没有系统的控制，因此，它不能很好的满足对环境温湿度的需求和人员的舒适度，这不仅造成了能源的浪费而且影响了生产工艺导致产品的不合格率升高。存在的主要问题和解决方法如下：
1. 轮胎制造生产工艺中，炼胶和硫化在夏天时车间的温度是非常高的，像压延和裁断相对来说温度没有那么高，那么如何能更好的控制这两道工序的环境温度以满足生产需求和舒适度的要求呢？
解决方法：通过在车间安装温度传感器以及管道上安装电磁阀通过系统模糊控制器算法调节供水端的电动阀开度，动态分配和调节各环路的冷冻水流量，使每个环路都能得到各自所需的冷量，从而实现各环路冷量的供需平衡和制冷效果均衡。
2. 在帘子布压延的制作过程中，帘子布对环境的温度和湿度都有较高的要求，在夏季生产帘子布时，由于温度高，湿度大导致了胶料的含水率高，也容易使得帘子布经纱跳起，也就是俗称的“泡泡纱” 控制好四辊压延机生产区域环境的温湿度可以很好的提高产品的合格率。
3. 关于半制品存放区域的温湿度的控制，比如压延好完成的帘子布表层需要缠绕薄膜还有成型的胎圈对温湿度都有一定的要求。
4. 关于生产设备的降温，中策全钢分厂成型工艺采用的一般都是进口设备，设备的精度高，对环境温度的要求也高。
解决方法：通过在各支路送风管道上安装温度传感器以及各区域安装温湿度传感器以各支路送风温湿度（或温差）保持等于设定值为目标，通过系统模糊控制器算法调节送风支路上的电动风阀开度，动态分配和调节各送风支路的送风风量，使每个支路都能得到各自所需的冷量和温湿度，从而实现各送风支路能量的供需平衡和制冷效果均衡，提高空调舒适度，保障生产需求。
5. 关于制成水的温度控制，在轮胎生产过程中，很多工序当中会用到制成水，比如说，胎面的裁剪，还有空压机空气的冷却用水，水的温度影响着工艺的精度。
解决方法：在该管路中安装温度传感器和电动阀门，以温度和温差为设定值通过通过系统模糊控制器算法调节电动阀的开度来调节冷量。
6. 关于系统设备的选择和搭配，当负荷在不同的情况下，如何选择主机的台数以及各冷冻水泵和冷却水泵的台数
解决方法：系统会根据当前负荷状况和历史记录的空调主机效率负荷特性，选择一种使空调主机负荷率最接近其高效率点的运行台数组合，实现主机效率与负荷的大致匹配，保证主机尽可能在高效率状态运行。水泵以输送能耗最低为目标，根据所输送流量的变化，泵组的具体构成及其效率特性，通过模糊控制器中所建立的水泵优选配置模型，得到在满足流量及扬程下最佳的运行水泵台数及其运行频率，使泵组所消耗的总功耗最低，实现泵组最佳节能。
7. 如何做到让中央空调随着环境负荷的变化而变化，做到要多少冷量，输送多少冷量，达到真正的节能的效果。
解决方法：系统会自动根据冷冻水系统特征及循环周期，通过预测的方法推理预测出未来时刻空调系统的负荷，并据此获得未来时刻系统的运行参数，在保证服务质量的前提下，使供给的冷量与需求冷量匹配，达到回水温度的精确控制，最大限度减少能量浪费并降低输送能耗(保证系统供冷与负荷用冷在数量上相等、在时间上同步，从而消除供需之间冷量的数量差与时间差)。
五、 应用效果和节能效果
系统运行安全、稳定、可靠，功能指标达到设备技术要求；系统直观、自动化程度较高，能及时、准确地自动跟踪末端空调负荷运行；系统实现了空调泵组的软启动、软停止、运行平滑稳定，较大地改善了设备的启停性能和运行磨损；系统具有强大的管理功能和安全保护功能，确保整个空调系统优化、安全的运行；实现了中央空调系统最大限度的节能，系统（主机、冷冻水泵、热水循环泵、冷冻水泵、冷却塔风机）综合节电率达26.42%。
如不实施BKS智能模糊控制系统，该项目年耗电230万kWh，电费190万元。
实施BKS智能模糊控制系统后，每年节约电量60.8万kWh，每年减少电费支出50万元人民币（系统综合节能率26.42%，综合电价0.8224元/kWh计算）。按照现行标准折算，即每年可节约243.2吨标准煤，每年可减排：
CO2 排放：608000*900/106= 547.2吨；
SO2 排放：608000*11/106 = 6.69吨；
N2O3排放：608000*3/106 = 1.82吨；
由此可见，本项目的实施不仅节约了大量的能源，还大大减少了煤炭燃烧所产生的废气排放和温室气体排放，对环境保护起到了巨大的作用。
六、 结语
随着国内的工厂、酒店、宾馆、大型商场等商业建筑的大量兴建，中央空调能耗已成为商业建筑设计和运营过程中亟待解决的重要课题。先进节能技术的成功引入和推广，为各行业客户带来巨大的节能经济收益和社会效益，同时也必将推动我国节能投资机制的深入变革，为节能产品在建筑节能领域的推广和应用提供良好的发展前景。
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