作者：深圳市万嘉明科技发展有限公司  赵文成  许治东  张文修

  摘要：统计数据表明，我国是一个能源浪费超级大国，要改变这种状态只有靠全国人民、各行各业共同努力，找出哪个地方浪费能源，有什么办法可以节约能源，在这个过程中，自动化技术是可以大有作为的。本文介绍了深圳市万嘉明科技发展有限公司在从事节能工程的过程中，如何采用模糊控制等先进技术取代PID控制技术的基本原理及在空压机、供水系统、中央空调、电梯与扶梯、照明等实际项目中取得了很好的节能效果。

关键词：自动化    PID控制   模糊控制    节能节电

  近年来，我国GDP平均以10%左右的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、生态不断恶化。随着经济的快速发展，中国已经成为世界第二大能源消费国，能源消费量占世界的11%。统计数字表明，我国单位GDP能源消耗量比美国的高2.5倍，比欧盟的高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国工业生产普遍存在“三高”(高能耗、高消耗、高污染)现象十分严重。我国每千克标准煤创造的GDP仅为0.36美元，世界平均值为1.68美元，而日本为5.58美元。约是我国的15倍。这些数字不但反映出我国的能源消费过程中存在的巨大的浪费，也表明我国隐含着巨大的节能潜力。节能工作不但与我国国民经济发展有着密切关系，还与我们每个人的切身利益息息相关。
  相关数据统计显示，目前国内已探明的煤的储量达4538.96亿吨。2007年，中国原煤产量25.23亿吨。预计每年增长速度为8.2%，从简单计算可知，一百年时间中国将没有煤。而石油储量约为60亿吨，仅够开采20年左右。无论是单位国土面积的石油丰度值，还是石油可开采年数，人均储油量，中国都远远低于世界平均水平，仍然是一个能源特别短缺的国家。设想我们不节能减排，二十年后、三十年、百年以后我们的子孙后代拿什么来生存？
   因此，面对如此严酷的现实，我们能够无动于衷吗？只有全国人民、各行各业都动员起来，认真反省检查各自的领域，到底哪些地方在浪费能源？能不能，有没有办法减少这些浪费？如果我们能做到单位GDP能耗达到世界平均水平的话，我们的日子就会好过多了，也许不再需要进口能源，煤矿也不会死那么多人了。
   我们搞自动化的，“动”是一个消耗能源的重要方面，因此节能我们责无旁贷，认真看一下我们的领域能源浪费比比皆是，而且十分严重，我们的工作确实没有做好。
以下我们愿意在这几年的节能工作中看到的如何用自动化技术实现节能的，碰到了哪些问题，走了哪些弯路，有哪些成功的经验，写出来和大家交流，并希望得到大家的帮助和指正。

一、目前节能行业应用自动化技术的情况
   机电设备要实现节能运行，往往要对某些物理量，如：温度、温差、压力、流量、速度……进行控制，使其按某值或某种规律运行，如果运行中偏离了这个设定值，就会达不到预定的节能效果，甚至还有其它恶果，这就要用到一项重要的自动化技术——反馈控制，一个反馈控制系统的核心是调节器。长期以来，大家都习惯用PID（比例、积分、微分）调节器，采用经典控制理论设计和计算出比较合适的P（比例）、I（积分）、D（微分）参数，使控制系统不论在启、制动和受到扰动的过程中，具有较快的动态反应和较小的超调量，理论上系统可达到稳态无差。然而我们看到的实际情况却相距甚远，一些机械设备，如采用变频调速的恒压供水或供气系统，PID参数调整好了，系统整天都处于调整过程中。偏差的正负、大小都在变，调整过于频繁，几乎没有真正稳定的时候，更有甚者，我们看到，有的中央空调要维持蒸发器进出口水温差恒定的变频调速PID控制供水系统，水泵电机只有在上限高速值（50HZ）和下限低速值（35HZ）两种状态下各“稳定”运行一阵子，其它速度只是过度，还有的只能在很小的速度范围内（如38HZ-39HZ）运行，其它速度没有，不仔细看会觉得是稳定的，实际上都是不稳定的，是用上、下限速度的方法进行蒙骗，这样不仅节能谈不上，还给设备安全带来隐患。
   为什么会出现这些现象？我们认为有以下几种原因：
    1、要理解、掌握PID调节系统有一定难度，有些人不知道PID的原理、性能和参数设定方法买来就用，系统性能当然是一塌糊涂。
    2 、PID参数的设计计算方法必须知道系统中各环节（如水泵、阀门、管道、变频器、电机、传感器……）的传递函数（数学模型）然而一些环节明显的非线性和时变性没有考虑（要考虑很麻烦），因而各传递函数不准确，所得PID参数，系统性能难以最佳。
    3、因为PID调节器具有对误差的积分调节，因此系统稳态精度极高，理论上无差，而由此又带来另一个问题——超调。超调是这种系统的本性，一些系统扰动（如用水、用气的变化）是经常发生的，过于灵敏的带有超调的调节必然会出现那些现象。
   为解决上述问题，我们认为对于一般用的精度和快速性要求不很高的机电设备，采用模糊控制方法，可得到较好的效果。模糊控制不需要知道各环节的传递函数，更不用担心环节的非线性与时变，它完全能够自适应，系统可以避免振荡和超调，调整次数可降到很低，又能保证足够的精度与快速性。

一个供水系统的模糊控制原理框图所示：（附件）

供水系统的模糊控制原理框图doc

 模糊控制状态表如表一所示
 

表1    水压模糊控制状态表

其中:E :水压的误差
    CE:水压误差的变化率
    CU:输出变量
 

   当然，这个图和表是可以根据实际情况进行修订和增简，设置适合的参数，这个逻辑可用简单的可编程控制器（PLC）和传感器来实现，成本低。这个成果已被国家权威部门鉴定为“国内首创”，这项技术已被成功用到本公司的以下产品中，取得好的效果。

    在一个节能系统中采用的自动化技术还有许多，如智能控制、遥测与遥控、传感、变频器、PLC、电气传动……技术，在此不再聱述。在一个实际系统中往往还存在多种耗能的地方，这需要我们认真观察现场，采取对策加以解决，如果不了解实际情况，找出存在问题，把某种方法生搬硬套上去，不是达不到预期效果，就是以失败而告终。
   二、实际应用中的成效
      在节能节电中正确而灵活的运用自动化技术，是提高节能节电效果的根本，但如何应用才能做到锦上添花，更是在实际应用过程中的重中之重。下面通过几个实际案例进行分析。
1、中央空调节电
   随着生活水平的不断提高，中央空调成为人们生活中不可缺少的必备，在南方制冷更是普及，特别是的深圳这样的大都市已是必不可少。在炎热的季节，其耗电量占总电量的四成，是名符其实让人头痛的“电老虎”。
    针对这一情况，我们把中央空调节电作为重点，在充分利用自动化技术的基础上对中央空调进行了节能改造，效果很好，辅助部分节电率最低都在40%以上。
   下面以我公司在深圳做的两个项目为例进行分析，改造前后两个月交的电费差算出节电率分别为56%和48%。
其所以能获得如此高的节电率，是采取了以下措施：
   ①原中央空调水泵扬程(含功率)选得太大，为水泵的调速(降速)留下了很大空间，采用模糊控制方式正确设定了各控制参数，使冷冻水进出口温差维持在10%的偏差以内，水泵节能都在60%以上，并使主机也得到10%左右节电率，系统无超调、调节次数少，十分稳定，节电有保证。
   ②原系统中除了泵选大了以外，供水管道系统中也存在一些耗能的地方，如一些阀门没有完全打开，一些并联泵的逆止阀已损坏，关不严。冷却水的温度严重升高等。在和甲方一起处理了这些问题后，不仅水泵节能了，并使主机进一步节能。
   ③清理规范了盘管风道系统、冷却塔系统，使系统效率提高，根据国家规定重新设定了控制温度。
2、空压机节电
   有一家公司接受了一台空压机的节电工程，用PID调节器控制变频器，频率、电机、压缩机转速实现压力恒定节能。安装好以后，调整半年也调不稳定，是我公司接手后，采用模糊控制技术才实现运行稳定。无超调、无振荡的。此后我们公司在全国各地又对一些空压机用这一技术进行了节能改造，均获成功，节电率都在30%以上。
   另外，我公司在为广钢集团做空压机节能改造中，节电率达到了74%，而且设备运行非常稳定，得到了广钢集团领导及工程技术人员的高度赞扬，并在广钢系统技术交流评比中获得金奖。
这个节电率也曾出乎我们预料，研究分析后，认为是因为采取的措施得当所致：
①控制输出压力在需求的压力(这往往是原加载压力、甚至更低，当然远远低于卸载压力)
②在用气量很小的时候用停机取代卸载。
③正确妥善处理并机，电机发热，润滑等问题。
3、风机、水泵节电
   风机、水泵系统采用自动化技术、变频恒压方式，搞得最早，技术是最没有争议的，其实不然，有些是搞错了，不仅不节能，反而更费电了。大家知道，风机、水泵如果选型正确，变频实现恒压化，是补偿管道水头（气压）损失而已，因此，一个多层（房子不高），小区（管网长而复杂，用量变化大）用这种方法比水泵直供具有较高的节电率，是可取的，我们采用上述模糊控制技术均取得20%以上的节电率。而我们看到，在深圳有些超高层楼房，取消高位水箱，采用变频恒压供水这就不一定合适了。因为管道水头损失在水泵扬程中所占比例很小，调速的范围就小，节电率当然就会不高，算一算也能得出结论：得不偿失！
   当然也不能一概而论，如我们看到一个供水系统，恒速泵向高位水池供水，开、停工作方式，一般看来这是一种很节能的系统，没有必要变频恒压，但仔细调查后发现，水池高三十多米，而水泵额定扬程七十多米，这个系统要么管道（含泵）损耗大，要么出口水冲力很大，系统效率很低，耗电严重。换低扬程泵或用变频（降速降压）恒压方式都将获得可观的节电率，高层建筑也相同。

4、电梯及扶梯
   深圳电梯早已超过五万台，民用设备用电量十分大，仅次于空调，节电潜力很大。在哪里呢？现在客梯都已采用变频调速技术，和老式双速电机电梯相比，起、制动平稳，平层准确，性能大为提高，然而从能耗方面考虑，却是倒退了。因为现在的“电梯专用变频器”都是不能四相限运行，向电网回馈能量的，而只能用“制动电阻”将再生电能白白消耗掉，十分可惜。我们采用专用的能量回馈器，对许多电梯进行节能改造，都取得了30%以上的节电率。
   扶梯也存在几乎相同的问题，恒速扶梯能量回馈通道顺畅。为了节能，没人时转为低速，用变频器，同样带来能量回馈问题，要么投资加大，要么效率低，节电少。我公司改造了一批扶梯，采用变频低速，定时后停车，取得了50%以上的节电率。同时成本还很低，没用昂贵的能量回馈器。扶梯节能改造后也可根据现场的需要增加智能化功能，我公司改造过的扶梯，分别增加了以下一些功能：在停止状态下可根据来人情况自动响应上或下的功能；人离开后，自动延时进入低速（或停止）功能；双机或四机同步控制功能等，不仅节能了，还实现了人性化。
5、路灯照明节能
   路灯照明节电潜力很大，因未加节能改造的路灯亮度与需要的正好相反，到后半夜需要亮度降低，它反而更亮（电网电压高了）造成很大浪费，也使灯泡寿命缩短。我公司已做了许多城市路灯节能工程，采用模糊控制技术，适时调节亮度，节电率均达28%以上。我们也看到有的公司的路灯节电器，广告上也能适时调节，实际根本不能调，因为不太稳定，烧接触器，只好取消这一功能，变为一次降低电压10%，亮度普遍降低了近30%。

三、加强联合，将实用技术做得更完美
   自动化技术在节能行业的运用已相当普遍，但基本是各自为战，各自保密，没有形成一个开放型性整体。运用的自动化技术水平不高，发展和推广的速度较慢，跟不上社会需求。由于技术能力不强，造成节能不彻底，又造成人力物力及资金浪费的情况比比皆是。我们在云湖硫铁矿看到的情况就是这样，变频公司装了二百多台变频器，但都没有闭环，工人操作仍然是手工进行，说是节能了，但没有发挥出应有效果，浪费仍然存在。有些操作人员图省事，干脆不去人工调节，不仅没节电，而且变频器自耗反而费了电。
   因此，加强联合势在必行，政府部门要加强管理，职能部门(例如自动化学会)更要加强指导和引导，积极推广好的产品和技术。同时企业与企业之间也要加强技术交流，不能总是固步自封，只有广泛提高技术水平才能完成更多更好的项目，才能让节能行业健康、快速的成长。
   以上是我们公司在多年的工作实践中摸索出的一条技术创新的成功之路，在这条路上，我们尝到了甜头，得到了实惠，也受到客户们的认可和尊敬。这些宝贵经验我们整理出来与同仁共享，携手共同为国家倡导的节能减排出一份力。