作者：深圳市萬嘉明科技發(fā)展有限公司  趙文成  許治東  張文修

　　摘要：統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國是一個能源浪費超級大國，要改變這種狀態(tài)只有靠全國人民、各行各業(yè)共同努力，找出哪個地方浪費能源，有什么辦法可以節(jié)約能源，在這個過程中，自動化技術(shù)是可以大有作為的。本文介紹了作者在從事節(jié)能工程的過程中，如何采用模糊控制等先進技術(shù)取代PID控制技術(shù)的基本原理及在空壓機、供水系統(tǒng)、中央空調(diào)、電梯與扶梯、照明等實際項目中取得的顯著節(jié)能效果。

　　關鍵詞：自動化    PID控制   模糊控制    節(jié)能節(jié)電

　　近年來，我國GDP平均以10%左右的速度增長，能源消耗急驟增加，環(huán)境、生態(tài)不斷惡化。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界第二大能源消費國，能源消費量占世界的11%。統(tǒng)計數(shù)字表明，我國單位GDP能源消耗量比美國的高2.5倍，比歐盟的高4.5倍，比日本的高8.7倍，比世界平均水平的高2.2倍。其中的主要原因是我國工業(yè)生產(chǎn) “三高”(高能耗、高消耗、高污染)現(xiàn)象十分嚴重。我國每千克標準煤創(chuàng)造的GDP僅為0.36美元，世界平均值為1.68美元，而日本為5.58美元，約是我國的15倍。這些數(shù)字不但反映出我國的能源消費過程中存在的巨大浪費，也表明我國隱含著巨大的節(jié)能潛力。節(jié)能工作不但與我國國民經(jīng)濟發(fā)展有著密切關系，還與我們每個人的切身利益息息相關。

　　相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，目前國內(nèi)已探明的煤儲量達4538.96億噸。2007年，中國原煤產(chǎn)量25.23億噸。預計每年增長速度為8.2%，從簡單計算可知，一百年時間中國將沒有煤。而石油儲量約為60億噸，僅夠開采20年左右。無論是單位國土面積的石油豐度值，還是石油可開采年數(shù)，人均儲油量，中國都遠遠低于世界平均水平，仍然是一個能源特別短缺的國家。設想我們不節(jié)能減排，二十年后、三十年、百年以后我們的子孫后代拿什么來生存？

　　因此，面對如此嚴酷的現(xiàn)實，我們能夠無動于衷嗎？只有全國人民、各行各業(yè)都動員起來，認真檢查各自的領域，到底哪些地方在浪費能源？能不能，有沒有辦法減少這些浪費？如果我們能做到單位GDP能耗達到世界平均水平的話，我們的日子就會好過多了，也許不再需要進口能源，也不會發(fā)生那么多礦難了。

　　我們搞自動化的，“動”是一個消耗能源的重要方面，因此節(jié)能我們責無旁貸，認真看一下我們的領域，能源浪費比比皆是，而且十分嚴重，我們的工作確實沒有做好。

　　以下我們愿意將在這幾年的節(jié)能工作中看到的如何用自動化技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能，碰到了哪些問題，走了哪些彎路，有哪些成功的經(jīng)驗，寫出來和大家交流，并希望得到大家的幫助和指正。

　　一、目前節(jié)能行業(yè)應用自動化技術(shù)的情況

　　機電設備要實現(xiàn)節(jié)能運行，往往要對某些物理量，如：溫度、溫差、壓力、流量、速度……進行控制，使其按某值或某種規(guī)律運行，如果運行中偏離了這個設定值，就會達不到預定的節(jié)能效果，甚至還有其它惡果，這就要用到一項重要的自動化技術(shù)——反饋控制，一個反饋控制系統(tǒng)的核心是調(diào)節(jié)器。長期以來，大家都習慣用PID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)器，采用經(jīng)典控制理論設計和計算出比較合適的P（比例）、I（積分）、D（微分）參數(shù)，使控制系統(tǒng)不論在啟、制動和受到擾動的過程中，具有較快的動態(tài)反應和較小的超調(diào)量，理論上系統(tǒng)可達到穩(wěn)態(tài)無差。然而我們看到的實際情況卻相距甚遠，一些機械設備，如采用變頻調(diào)速的恒壓供水或供氣系統(tǒng)，PID參數(shù)調(diào)整好了，系統(tǒng)整天都處于調(diào)整過程中。偏差的正負、大小都在變，調(diào)整過于頻繁，幾乎沒有真正穩(wěn)定的時候，更有甚者，我們看到，有的中央空調(diào)要維持蒸發(fā)器進出口水溫差恒定的變頻調(diào)速PID控制供水系統(tǒng)，水泵電機只有在上限高速值（50HZ）和下限低速值（35HZ）兩種狀態(tài)下各“穩(wěn)定”運行一陣子，其它速度只是過渡，還有的只能在很小的速度范圍內(nèi)（如38HZ-39HZ）運行，其它速度沒有，不仔細看會覺得是穩(wěn)定的，實際上都是不穩(wěn)定的，是用上、下限速度的方法進行蒙騙，這樣不僅節(jié)能談不上，還給設備安全帶來隱患。

    為什么會出現(xiàn)這些現(xiàn)象？我們認為有以下幾種原因：

    1、要理解、掌握PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)有一定難度，有些人不知道PID的原理、性能和參數(shù)設定方法買來就用，系統(tǒng)性能當然是一塌糊涂。

　　2 、PID參數(shù)的設計計算方法必須知道系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)（如水泵、閥門、管道、變頻器、電機、傳感器……）的傳遞函數(shù)（數(shù)學模型），然而一些環(huán)節(jié)明顯的非線性和時變性沒有考慮（要考慮很麻煩），因而各傳遞函數(shù)不準確，所得PID參數(shù)、系統(tǒng)性能難以達到最佳狀態(tài)。

　　3、因為PID調(diào)節(jié)器具有對誤差的積分調(diào)節(jié)，因此系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度極高，理論上無差，而由此又帶來另一個問題——超調(diào)。超調(diào)是這種系統(tǒng)的本性，一些系統(tǒng)擾動（如用水、用氣的變化）是經(jīng)常發(fā)生的，過于靈敏的帶有超調(diào)的調(diào)節(jié)必然會出現(xiàn)那些現(xiàn)象。

　　為解決上述問題，我們認為對于一般精度和快速性要求不很高的機電設備，采用模糊控制方法，可得到較好的效果。模糊控制不需要知道各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，更不用擔心環(huán)節(jié)的非線性與時變，它完全能夠自適應，系統(tǒng)可以避免振蕩和超調(diào)，調(diào)整次數(shù)可降到很低，又能保證足夠的精度與快速性。

　　一個供水系統(tǒng)的模糊控制原理框圖所示

　　模糊控制狀態(tài)表如表一所示

　　表1    水壓模糊控制狀態(tài)表

    其中:E :水壓的誤差
    CE:水壓誤差的變化率
    CU:輸出變量

　　當然，這個圖和表是可以根據(jù)實際情況進行修訂和增減，設置適合的參數(shù)，這個邏輯可用簡單的可編程控制器（PLC）和傳感器來實現(xiàn)，成本低。這個成果已被國家權(quán)威部門鑒定為“國內(nèi)首創(chuàng)”，這項技術(shù)已被成功用到本公司的產(chǎn)品中，取得好的效果。

　　在一個節(jié)能系統(tǒng)中采用的自動化技術(shù)還有許多，如智能控制、遙測與遙控、傳感、變頻器、PLC、電氣傳動……技術(shù)，在此不再聱述。在一個實際系統(tǒng)中往往還存在多種耗能的地方，這需要我們認真觀察現(xiàn)場，采取對策加以解決，如果不了解實際情況，找出存在問題，把某種方法生搬硬套上去，不是達不到預期效果，就是以失敗而告終。

　　二、實際應用中的成效

　　在節(jié)能節(jié)電中正確而靈活的運用自動化技術(shù)，是提高節(jié)能節(jié)電效果的根本，但如何應用才能做到錦上添花，更是在實際應用過程中的重中之重。下面通過幾個實際案例進行分析。

　　1、中央空調(diào)節(jié)電

　　隨著生活水平的不斷提高，中央空調(diào)成為人們生活中不可或缺的設備，在南方制冷更是普及，特別是的深圳這樣的大都市已是必不可少。在炎熱的季節(jié)，其耗電量占總電量的四成，是名符其實讓人頭痛的“電老虎”。

　　針對這一情況，我們把中央空調(diào)節(jié)電作為重點，在充分利用自動化技術(shù)的基礎上對中央空調(diào)進行了節(jié)能改造，效果很好，輔助部分節(jié)電率最低都在40%以上。

　　下面以我們在深圳做的兩個項目為例進行分析，改造前后兩個月交的電費差算出節(jié)電率分別為56%和48%。

　　其所以能獲得如此高的節(jié)電率，是采取了以下措施：

　　①原中央空調(diào)水泵揚程(含功率)選得太大，為水泵的調(diào)速(降速)留下了很大空間，采用模糊控制方式正確設定了各控制參數(shù)，使冷凍水進出口溫差維持在10%的偏差以內(nèi)，水泵節(jié)能都在60%以上，并使主機也得到10%左右節(jié)電率，系統(tǒng)無超調(diào)、調(diào)節(jié)次數(shù)少，十分穩(wěn)定，節(jié)電有保證。

　　②原系統(tǒng)中除了泵選大了以外，供水管道系統(tǒng)中也存在一些耗能的地方，如一些閥門沒有完全打開，一些并聯(lián)泵的逆止閥已損壞，關不嚴。冷卻水的溫度嚴重升高等。在和甲方一起處理了這些問題后，不僅水泵節(jié)能了，并使主機進一步節(jié)能。

　　③清理規(guī)范了盤管風道系統(tǒng)、冷卻塔系統(tǒng)，使系統(tǒng)效率提高，根據(jù)國家規(guī)定重新設定了控制溫度。

　　2、空壓機節(jié)電

　　有一家公司接受了一臺空壓機的節(jié)電工程，用PID調(diào)節(jié)器控制變頻器，頻率、電機、壓縮機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)壓力恒定節(jié)能。安裝好以后，調(diào)整半年也調(diào)不穩(wěn)定，是我們接手后，采用模糊控制技術(shù)才實現(xiàn)運行穩(wěn)定。無超調(diào)、無振蕩的。此后我們在全國各地又對一些空壓機用這一技術(shù)進行了節(jié)能改造，均獲成功，節(jié)電率都在30%以上。

　　另外，我們在為廣鋼集團做空壓機節(jié)能改造中，節(jié)電率達到了74%，而且設備運行非常穩(wěn)定，得到了廣鋼集團領導及工程技術(shù)人員的高度贊揚，并在廣鋼系統(tǒng)技術(shù)交流評比中獲得金獎。

　　這個節(jié)電率也曾出乎我們預料，研究分析后，認為是因為采取的措施得當所致：

　　①把輸出壓力控制在需求的合理范圍內(nèi)(這往往是原加載壓力、甚至更低，當然遠遠低于卸載壓力)

　　②在用氣量很小的時候用停機取代卸載。

　　③正確妥善處理并機，電機發(fā)熱，潤滑等問題。

　　3、風機、水泵節(jié)電

　　風機、水泵系統(tǒng)采用自動化技術(shù)、變頻恒壓方式，搞得最早，技術(shù)是最沒有爭議的，其實不然，有些是搞錯了，不僅不節(jié)能，反而更費電了。大家知道，風機、水泵如果選型正確，變頻實現(xiàn)恒壓化，是補償管道水頭（氣壓）損失而已，因此，一個多層（房子不高），小區(qū)（管網(wǎng)長而復雜，用量變化大）用這種方法比水泵直供具有較高的節(jié)電率，是可取的，我們采用上述模糊控制技術(shù)均取得20%以上的節(jié)電率。而我們看到，在深圳有些超高層樓房，取消高位水箱，采用變頻恒壓供水這就不一定合適了。因為管道水頭損失在水泵揚程中所占比例很小，調(diào)速的范圍就小，節(jié)電率當然就會不高，算一算也能得出結(jié)論：得不償失！

　　當然也不能一概而論，如我們看到一個供水系統(tǒng)，恒速泵向高位水池供水，開、停工作方式，一般看來這是一種很節(jié)能的系統(tǒng)，沒有必要變頻恒壓，但仔細調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，水池高三十多米，而水泵額定揚程七十多米，這個系統(tǒng)要么管道（含泵）損耗大，要么出口水沖力很大，系統(tǒng)效率很低，耗電嚴重。換低揚程泵或用變頻（降速降壓）恒壓方式都將獲得可觀的節(jié)電率，高層建筑也相同。

　　4、電梯及扶梯

　　深圳電梯早已超過五萬臺，民用設備用電量十分大，僅次于空調(diào)，節(jié)電潛力很大。在哪里呢？現(xiàn)在客梯都已采用變頻調(diào)速技術(shù)，和老式雙速電機電梯相比，起、制動平穩(wěn)，平層準確，性能大為提高，然而從能耗方面考慮，卻是倒退了。因為現(xiàn)在的“電梯專用變頻器”都是不能四相限運行、向電網(wǎng)回饋能量的，而只能用“制動電阻”將再生電能白白消耗掉，十分可惜。我們采用專用的能量回饋器，對許多電梯進行節(jié)能改造，都取得了30%以上的節(jié)電率。

　　扶梯也存在幾乎相同的問題，恒速扶梯能量回饋通道順暢。為了節(jié)能，沒人時轉(zhuǎn)為低速，用變頻器，同樣帶來能量回饋問題，要么投資加大，要么效率低，節(jié)電少。我們改造了一批扶梯，采用變頻低速，定時后停車，取得了50%以上的節(jié)電率。同時成本還很低，沒用昂貴的能量回饋器。扶梯節(jié)能改造后也可根據(jù)現(xiàn)場的需要增加智能化功能，我們改造過的扶梯，分別增加了以下一些功能：在停止狀態(tài)下可根據(jù)來人情況自動響應上或下的功能；人離開后，自動延時進入低速（或停止）功能；雙機或四機同步控制功能等，不僅節(jié)能了，還實現(xiàn)了人性化。

　　5、路燈照明節(jié)能

　　路燈照明節(jié)電潛力很大，因未加節(jié)能改造的路燈亮度與需要的正好相反，到后半夜需要亮度降低，它反而更亮（電網(wǎng)電壓高了）造成很大浪費，也使燈泡壽命縮短。我們已做了許多城市路燈節(jié)能工程，采用模糊控制技術(shù)，適時調(diào)節(jié)亮度，節(jié)電率均達28%以上。我們也看到有的公司的路燈節(jié)電器，廣告上也能適時調(diào)節(jié)，實際根本不能調(diào)，因為不太穩(wěn)定，燒接觸器，只好取消這一功能，變?yōu)橐淮谓档碗妷?0%，亮度普遍降低了近30%。

　　三、加強聯(lián)合，將實用技術(shù)做得更完美

　　自動化技術(shù)在節(jié)能行業(yè)的運用已相當普遍，但基本是各自為戰(zhàn)，各自保密，沒有形成一個開放型性整體。運用的自動化技術(shù)水平不高，發(fā)展和推廣的速度較慢，跟不上社會需求。由于技術(shù)能力不強，造成節(jié)能不徹底，又造成人力物力及資金浪費的情況比比皆是。我們在某硫鐵礦看到的情況就是這樣，變頻公司裝了二百多臺變頻器，但都沒有閉環(huán)，工人操作仍然是手工進行，說是節(jié)能了，但沒有發(fā)揮出應有效果，浪費仍然存在。有些操作人員圖省事，干脆不去人工調(diào)節(jié)，不僅沒節(jié)電，而且變頻器自耗反而費了電。

　　因此，加強聯(lián)合勢在必行，政府部門要加強管理，職能部門(例如自動化學會)更要加強指導和引導，積極推廣好的產(chǎn)品和技術(shù)。同時企業(yè)與企業(yè)之間也要加強技術(shù)交流，不能總是固步自封，只有廣泛提高技術(shù)水平才能完成更多更好的項目，才能讓節(jié)能行業(yè)健康、快速的成長。

　　以上是我們在多年的工作實踐中摸索出的一條技術(shù)創(chuàng)新的成功之路，在這條路上，我們嘗到了甜頭，得到了實惠，也受到客戶們的認可和尊敬。這些寶貴經(jīng)驗我們整理出來與同仁共享，攜手共同為國家倡導的節(jié)能減排出一份力。