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地铁车站空调通风系统变频节能控制的设计

余 磊 何 斌/上海同济大学电子与信息工程学院 王晓保/上海申通轨道交通咨询研究公司    

 

摘要: 根据变频节能的工作原理,应用 PLC 控制器、变频器及 MODBUS 网络总线等设备,设计了一套变频节能控制试验系统,并应用 CONCEPT 组态软件完成模糊控制算法的设计,实现离线编程、在线调试和电机远程控制等功能。通过试验系统的变频运行,分析了变频节能控制的节能效果。

关键词: 空调通风;变频;节能; PLC ;模糊控制

Design of Energy-saving Control in Air-conditioning Ventilation System of Subway Station by Frequency Conversion

Abstract: According to the working principle of energy-saving by frequency conversion, a set of testing system for energy-saving control by frequency conversion has been designed by using PLC controller, transducer and MODBUS network bus. Furthermore, the design of fuzzy control is completed by applying configuration software CONCEPT and the functions of off-line programming, online debugging and remote control of motor are realized. The effect of energy-saving control by frequency conversion is analyzed based on the operation with frequency conversion of testing system.

Key words: air-conditioning ventilation; frequency conversion; energy-saving; PLC, fuzzy control

0 引言

  地铁系统正常运行,除了要有驱动列车所必须的电力牵引系统外,还应有其他各种相应的设施,如空调通风系统、通信控制系统。地铁内的车站空调通风系统和隧道通风系统又称地铁环控系统,是地铁系统的一个重要组成部分,其任务就是通过控制车站和区间隧道内的温度、湿度、气流速度、二氧化碳浓度、含尘量和噪声,为乘客创造一个舒适安全的乘车环境,同时也为紧急工况和火灾事故下的人员安全疏散提供必要的措施。

  地铁环控系统需要设置制冷设备、空调通风设备以及自控装置等,因此需要很大的用电负荷。根据资料统计,地铁空调设备的用电量一般相当于整个地铁运营系统用电量的 40% ,上海地铁二号线平均每座地下车站空调系统运行耗电量 37 万 kW·h/月[1] 。因此 , 如何降低空调能耗,减少地铁运行成本是地铁环控系统亟待解决的问题。

  本文针对地铁车站空调通风系统进行研究,应用 PLC 控制器、变频器及 MODBUS 网络总线等设备设计了一套变频控制系统,采用 MODBUS 总线作为通信方式,并且应用 PLC 控制器的组态软件 CONCEPT 完成模糊控制算法的设计,实现离线编程、在线调试、电机远程控制等功能。

1 系统节能原理

  车站空调通风系统包括:车站公共区空调通风系统 [2] ,设备及管理用房空调通风系统。对于某一车站而言,设备及管理用房空调冷负荷受车站结构型式、规模限制,不采用变频控制系统。笔者只针对车站公共区空调通风系统。图 1 为上海地铁四号线浦电路站公共区空调通风系统的左端图,图的右侧连接车站站厅、站台公共区。室外新风通过新风机送至“新回风混合室”,新风与回风混合后,经过“组合式空调机组”降温处理后送至车站站厅、站台等公共区。回 / 排风机将室内空气一部分送至“新回风混合室”重复利用,另一部分排至室外。

 

  

2  变频控制系统设计

  为了研究变频控制系统及分析控制算法对节能效果的影响,设计了一套变频控制平台,它能实现根据外界温度的变化,应用模糊控制算法 [5] ,通过 MODBUS 网络总线远程调整变频器的频率,从而改变风机的转速,达到节能目的。

2.1  试验平台的搭建

  目前实验室已建立了基本的试验平台,用于调试 PLC 与变频器和电机的通信。通过该试验平台可以方便地实现: PLC 对变频器和风机的控制;模糊控制算法的实现;程序数据的离线计算和在线查询。其硬件构成见图 2 ,器件清单如下:

电源: 220V 和 380V 交流电

CPS : 140-CPS-114-20

风机: 鼓风机( 2.2kW 220V/380V )

变频器: ATV71HU55N4Z ( 5.5kW 380V/480V )

PLC : 140-CPU-434-12 [6]

计算机: Windows

网络: MODBUS 总线

  

  在试验中,由 220V 交流电向计算机和 PLC 上的 CPS 电源模块供电;由 380V 三相交流电向 ATV71 系列变频器供电。计算机通过 MODBUS 总线与 PLC 控制器的编程接口连接,用于程序的下载与在线修改;变频器通过 MODBUS 总线与 PLC 控制器的通信接口连接。 PLC 根据温度信号控制变频器的输出频率值,变频器输出 380V 变频交流电向电机供电。 PLC 通过向变频器写入不同的指令来控制电机的运行状态。

2.2 系统流程图

  系统主要由 6 个模块组成:系统自检、中断模块、采样模块、控制模块、变频器通信模块和风机控制模块。系统流程图见图 3 ,控制模块分为 PID 控制和模糊控制两种,图 3 中采用的是模糊控制模块,其中模糊控制模块包含 3 个子程序:模糊化子程序进行输入量的论域变换,将输入的精确量转化为模糊量;模糊推理子程序根据模糊规则库查出对应的输出值;解模糊子程序就是将模糊推理得到的控制量 ( 模糊量 ) 变换为实际可用于控制的精确量。

2.3  系统节能效果分析

  本次变频控制节能系统在试验情况下运行,风机启动平缓,运行稳定。上午 9~12h 的风机的运行数据见表 1 。

表 1 风机运行数据

时间 t / h

9~10

10~11

11~12

温度 T / ℃

29

30

32

频率 f / Hz

15

22

40

 

  这说明,流量仅降低 20% ,节电率高达 48.8% ,由此可见,使用变频器来控制风机的电机节电效果十分显著。当然变频器本身也消耗一定的能量,但由于其效果很好,耗能比例很小,大约在 2% ,因此在环控系统中采用变频调速发挥的总体作用是节能而不是耗能。

3  结论

  试验证明:应用变频调速技术,可降低地铁车站空调通风系统的能耗,对地铁环控的运营有着重要的实际价值,而且变频控制可以改变空调系统的送风,可以改善车站内空气的品质。为了完成控制方案的硬件平台设计,采用工业上常用的施耐德 PLC 作为控制器来实现控制算法。建立起一套试验平台,实现离线编程、在线调试、电机远程控制等功能。应用 PLC 组态软件实现了模糊控制算法的设计。采用模糊控制技术,不需要建立系统精确的数学模型,且控制算法简单,可取得满意的控制效果。以车站内温度偏差及偏差变化率作为模糊控制器的输入,进行送风量的合理控制,既能改善车站内空气的品质,又能起到节能的目的,是一种切实可行的好方法。


参 考 文 献

 

[1] 上海市政工程设计研究院 . 地铁活塞风的应用 [M]. 设计研究院, 2005.

[2] 上海市建设科委会 . 地铁一号线工程 [M]. 上海科技出版社, 1998.

[3] 匡江红 , 余斌 . 地铁空调通风环境控制系统的节能探讨 [J]. 能源研究和信息, 2003(4):218-222.

[4] 胡发运 . 变频器的应用与维护 [J]. 电气时代, 2005(8):78-81.

[5] 田亮 , 刘鑫屏 . 中央空调房间温度模糊控制器的设计 [J]. 电子技术应用, 2002(4):40-42.

[6] Schneider Electric , Quantum PLC , Schneider Electric , 2005 .

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  评论人:kcqxngrrdi   打分:85 分  发表时间:2015-9-6 17:42:00
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