冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统及方法

技术领域

本发明涉及单晶硅生产和恒温控制技术领域，特别涉及一种冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统及方法。

背景技术

单晶炉在进行硅单晶拉制过程中，需要使用循环水对拉制的单晶硅进行降温，以实现单晶硅的成型。输入到单晶炉水冷套中的循环水一般为22℃，从水冷套中出来之后水温上升。为保证该循环水温度能够达到22℃，以满足再次输入到单晶炉水冷套中的温度要求，需要对从水冷套出来的循环水进行降温。

在对循环水进行降温时，通常是由冷冻机产生10℃左右的冷冻水输送到热交换器，然后在热交换器中由该温度较低的冷冻水与温度较高的循环水发生热交换，以实现对循环水的降温。但是由于单晶炉的拉晶工作强度较大，因此需要冷冻机持续的长时间工作，冷冻机长时间的持续工作也会产生大量热量，使得冷冻机温度升高。而冷冻机主机在运行时其冷凝器需要外部介质提供温度保护，一般要求工作在23-30℃之间，不能高也不能低，否则就会启动保护动作，将输出限制功率甚至停机的指令，即会导致冷冻机的冷冻效率下降，甚至导致冷冻机无法正常工作。因此，为了保证冷冻机能够正常运行工作，需要对冷冻机进行持续不断的冷却。

目前，通常采用冷却水对冷冻机进行降温冷却，而为保证对冷冻机的冷却效果，需要将冷却水的温度保证在规定要求的范围内，而对冷却水进行降温采用的方式是通过变频控制风机对冷却水进行恒温控制。然而，目前在通过冷却控制风机对冷却水进行恒温控制时，通常采用的方式是人为对冷却水的温度进行关注，并依靠人工经验手动将风机的变频器调整到合适的频率，以满足冷冻机对冷却水温度的要求。然而这种方式更多的是依靠的人工干预，不仅费时费力，而且无法保证冷却水的温度恒定，尤其是夏天冷却水温度变化较大的时候，此时冷冻机的负荷更大，工作人员需要花费更多的时间和精力用于进行变频器的频率调整，以保证冷却水满足要求；而且为提高循环水的冷却效果，冷冻机通常会设置多台，配套的冷却风机也会设置多台，这也大大增加了人力时间的花费。因此，目前冷冻机降温用冷却水的恒温控制方式不仅费时费力，而且恒温控制效果较差。

发明内容

有鉴于此，针对以上不足，有必要提出一种能够节省时间人力的冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统及方法，以提高恒温控制的精准性。

第一方面，本发明提供了一种冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统，该系统包括：N台冷却塔、N台冷却风机、N台变频器、温度传感器和主控设备；其中，N≥2，且N为整数；

所述N台冷却塔分布设置在冷却池上，其中，所述冷却池内盛有用于对至少一台冷冻机进行降温的冷却水；每一台冷却塔内设置一台冷却风机，每一台冷却风机与一台变频器连接，且能够通过调节变频器的运行频率调节冷却风机的转速，所述N台变频器均与所述主控设备电性连接，所述温度传感器与所述主控设备电性连接，且该温度传感器设置于所述N台冷却塔的总出水管路上，该总出水管路与对冷冻机进行降温的冷却管路连通；

所述冷却塔用于抽取所述冷却池中的冷却水，并经冷却塔内的冷却风机降温后输送至所述总出水管路上，所述温度传感器用于实时采集所述总出水管路内冷却水的水温值，并将该水温值上传至所述主控设备；所述主控设备用于根据所述温度传感器上传的水温值和预先设定的目标温度，实时对各变频器的启停和运行频率进行调节，以通过调节对应冷却风机的转速使所述冷却水的温度保持在目标温度。

优选的，所述系统还包括与所述主控设备和各变频器电性连接的现场操作模块，该现场操作模块包括现场操作开关和功能调节按钮，该功能调节按钮包括变频器开启按钮、变频器停止按钮、频率增加按钮和频率减小按钮；

所述主控设备用于在所述现场操作开关打开时，断开对各变频器进行控制的回路；以及，在现场操作开关关闭时，接通对各变频器进行控制的回路；

所述功能调节按钮用于在所述现场操作开关打开时，由操作人员触发相应的按钮实现对变频器的调节。

优选的，所述主控设备包括可编程逻辑控制器PLC。

第二方面，本发明提供了一种冷冻机降温用冷却水的恒温控制方法，应用于如第一方面中任一所述的冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统中的主控设备，包括：

实时获取温度传感器所采集到的总出水管路中冷却水的水温值；

将所述水温值与预先设定的目标温度进行比较；

若水温值满足所述目标温度的要求，则控制各变频器以当前状态工作；

若水温值小于所述目标温度的要求，则控制当前运行的M台变频器中运行频率最大的变频器按照预先设定的第一频率增幅逐渐减小运行频率，直至温度传感器采集到的水温值满足所述目标温度要求；其中，2≤M≤N，且M为整数

若水温值大于所述目标温度的要求，则控制当前运行的M台变频器中运行频率最小的变频器按照预先设定的第二频率增幅逐渐增大运行频率，直至温度传感器采集到的水温值满足所述目标温度要求。

优选的，若所述M台变频器中运行频率最大的变频器的运行频率减小至0，且所述温度传感器采集到的水温值依然小于所述目标温度值，则将该变频器停机，并控制此时M-1台运行的变频器中运行频率最大的变频器按照预先设定的第一频率增幅逐渐减小运行频率。

优选的，若所述M台变频器中运行频率最低的变频器的运行频率增大至该变频器的最大运行频率，且所述温度传感器采集到的水温值依然大于所述目标温度值，则控制此时M台变频器中运行频率最低的变频器按照预先设定的第二频率增幅逐渐增大运行频率。

优选的，若所述M台变频器均处于最大运行频率，且所述温度传感器采集到的水温值大于所述目标温度的要求，则从系统的N台变频器中启动一台之前未启动的变频器，并对该变频器按照逐渐增大运行频率的方式进行控制；其中该之前未启动的变频器为持续停机时间最长的变频器。

优选的，所述恒温控制方法还包括：

对N台变频器中当前运行的各变频器的持续运行时间以及当前未运行的各变频器的停机时间进行记录；

当存在变频器N

由上述技术方案可知，本方案提供的冷冻机降温用冷却水的恒温控制方案中，考虑在冷却池上分布设置多台冷却塔，每个冷却塔中设置冷却风机，每一台冷却风机均由一台变频器控制，并由主控设备对所有变频器进行控制。通过设置在冷却塔总出水管路上的温度传感器对输送至冷冻机冷却管路中的冷却水的水温进行实时监测，主控设备能够根据监测的温度数据对各变频器的启停和运行进行调节，进而通过调节对应冷却风机的转速使总出水管路中的冷却水温度保持在目标温度。由此可见，本方案中将所有的控制集成在了一台主控设备，由主控设备中的程序根据实时的水温值自动控制变频器的运行频率大小，进而调节冷却风机的转速实现对冷却水的恒温控制，整个过程不需要人为的过多参与，不仅能够大大降低工作人员时间和精力的花费。而且系统是通过实时采集水温值由主控设备比较并处理，从而能够使得冷却水的温度控制更加准确和及时，提高了的冷却水的恒温控制效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统的示意图。

图2为本发明实施例提供的一种冷冻机降温用冷却水的恒温控制方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统，该系统包括：N台冷却塔、N台冷却风机、N台变频器、温度传感器和主控设备；其中，N≥2，且N为整数；

N台冷却塔分布设置在冷却池上，其中，冷却池内盛有用于对至少一台冷冻机进行降温的冷却水；每一台冷却塔内设置一台冷却风机，每一台冷却风机与一台变频器连接，且能够通过调节变频器的运行频率调节冷却风机的转速，N台变频器均与主控设备电性连接，温度传感器与主控设备电性连接，且该温度传感器设置于N台冷却塔的总出水管路上，该总出水管路与对冷冻机进行降温的冷却管路连通；

冷却塔用于抽取冷却池中的冷却水，并经冷却塔内的冷却风机降温后输送至总出水管路上，温度传感器用于实时采集总出水管路内冷却水的水温值，并将该水温值上传至主控设备；主控设备用于根据温度传感器上传的水温值和预先设定的目标温度，实时对各变频器的启停和运行频率进行调节，以通过调节对应冷却风机的转速使冷却水的温度保持在目标温度。

总出水管路中的冷却水一般要求控制在27±1︒C范围内，本实施例中将所有的控制集成在了一台主控设备，由主控设备中的程序根据实时的水温值自动控制变频器的运行频率大小，进而调节冷却风机的转速实现对冷却水的恒温控制。比如，在冷却池上通常设置有6个冷却塔，每个冷却塔中设置一台冷却风机，用于对冷却池中的冷却水进行降温。6台冷却风机并联运行，每台冷却风机均由一台变频器调频控制，而6台变频器的控制集成到一个主控设备上进行控制，即由该主控设备根据实时采集的冷却水的水温值，对变频器的开启、关闭、运行频率的增大和减小等进行调节，从而使总出水管路中的冷却水保持在所要求27±1︒C的目标温度内。

当然，在日常工作中6台冷却风机并不是全部都开启的，平时大部分时间开启两台就能满足生产需要。总出水管路将其中的冷却水提供给对冷冻机进行降温的冷却管路中，并且输送给各冷冻机的冷却水的温度和压力都是一样的，一般为27±1︒C、0.3MPa的冷却水。

温度传感器设置在各冷却塔的总出水管路上，用于对该总出水管路中的冷却水的水温进行监测，该温度传感器具体可以由PT100热敏电阻及数显仪表构成，且该温度传感器包括通信模块，可将温度数据上传至主控设备。

主控设备可以包括可编程逻辑控制器PLC，以能够根据设定的温度自动控制各冷却风机对应的变频器进行频率调节，以及自动加减冷却风机投入运行。本系统中主控设备还可以配置485接口和RJ45以太网接口，以实现与上位机DCS系统进行MODBUS通信或以太网通信，进而实现对设备的远程控制和设备运行状况的监视。

当然，为了应对系统无法控制的突发情况，或在一些特殊情况下必须通过手动操作对冷却水进行恒温控制，本系统还包括了与主控设备和各变频器电性连接的现场操作模块，该现场操作模块包括现场操作开关和功能调节按钮，该功能调节按钮包括变频器开启按钮、变频器停止按钮、频率增加按钮和频率减小按钮；

主控设备用于在现场操作开关打开时，断开对各变频器进行控制的回路；以及，在现场操作开关关闭时，接通对各变频器进行控制的回路；

功能调节按钮用于在现场操作开关打开时，由操作人员触发相应的按钮实现对变频器的调节。

本实施例中，现场操作开关和功能调节按钮可以设置在现场的控制柜上，当现场操作开关开启时，可以进行现场操作，即可以通过变频器开启按钮、变频器停止按钮、频率增加按钮和频率减小按钮等进行变频器的启停和频率调节。当然，该现场操作模块还可以设置为终端设备，即现场操作开关和功能调节按钮可以通过触屏实现。

此外，该系统还可以配置维修操作功能，或在现场的控制柜中设置维修操作按钮，当维修操作状态开启时，系统停止工作，进而可以实现相应 维修工作。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种冷冻机降温用冷却水的恒温控制方法，该方法应用于如上述任一实施例的冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统中的主控设备，该方法可以包括如下步骤：

步骤101：实时获取温度传感器所采集到的总出水管路中冷却水的水温值；

步骤102：将水温值与预先设定的目标温度进行比较；

步骤103：若水温值满足目标温度的要求，则控制各变频器以当前状态工作；

步骤104：若水温值小于目标温度的要求，则控制当前运行的M台变频器中运行频率最大的变频器按照预先设定的第一频率增幅逐渐减小运行频率，直至温度传感器采集到的水温值满足目标温度要求；其中，2≤M≤N，且M为整数

步骤105：若水温值大于目标温度的要求，则控制当前运行的M台变频器中运行频率最小的变频器按照预先设定的第二频率增幅逐渐增大运行频率，直至温度传感器采集到的水温值满足目标温度要求。

本发明提供的方法由上述各实施例提供的冷冻机降温用冷却水的恒温控制系统中的主控设备来实现。具体的，在每次获取到温度传感器采集到的水温值后，均和预先设定的目标温度值进行比较，然后根据是否在目标温度要求的范围内、大于目标温度的上限、小于目标温度的下限等不同情况，执行相应的控制操作。比如，目标温度为27±1︒C，如果传感器采集到的水温值位于[26.9,27.1]︒C之间，则说明当前水温值满足要求目标温度的要求，则可以继续以当前的控制状态控制各变频器，以使各变频器按照当前的状态工作；若传感器采集到的水温值小于26.9︒C，则说明当前水温值小于目标温度的要求，即冷冻风机的转速过大，导致对冷却水的冷却强度和效率过高，因此需要通过降低变频器的运行频率来降低冷却风机的转速。比如按照-2 Hz/次的频率增幅逐渐减小变频器的运行频率，直至水温值满足要求；若传感器采集到的水温值大于27.1︒C，则说明当前水温值大于目标温度的要求，即冷冻风机的转速过小，导致对冷却水的冷却强度和效率不够，因此需要通过增大变频器的运行频率来提供冷却风机的转速，如按照2 Hz/次的频率增幅逐渐增大变频器的运行频率，直至水温值满足要求。

在每次增大或减小变频器的运行频率后均重新将温度传感器实时采集的水温值和目标温度进行比较，如果水温值达到目标温度的要求，则按照当前的控制状态继续控制各变频器，若不满足，则根据比较的大小情况采取对应的控制措施。

此外，本实施例中，步骤104中若水温值小于目标温度的要求，则选择当前运行的M台变频器中运行频率最大的变频器进行降低运行频率的操作；步骤105中若水温值大于目标温度的要求，则选择当前运行 M台变频器中运行频率最小的变频器执行运行频率的操作。比如，三台变频器当前的运行频率为40Hz、45Hz、50Hz，若水温值小于目标温度的要求，则选择频率为50Hz的变频器执行降低运行频率的操作，若水温值大于目标温度的要求，则选择频率为40Hz的变频器执行增大运行频率的操作。如此能够使得各变频器的工作频率和功率更加均衡，进而均衡各变频器的使用寿命。

进一步，在一种实施例中，若M台变频器中运行频率最大的变频器的运行频率减小至0，且温度传感器采集到的水温值依然小于目标温度值，则将该变频器停机，并控制此时M-1台运行的变频器中运行频率最大的变频器按照预先设定的第一频率增幅逐渐减小运行频率。同样的，若M台变频器中运行频率最低的变频器的运行频率增大至该变频器的最大运行频率，且温度传感器采集到的水温值依然大于目标温度值，则控制此时M台变频器中运行频率最低的变频器按照预先设定的第二频率增幅逐渐增大运行频率。

本实施例中，若某个变频器的运行频率在逐渐减小以提高冷却水的温度时，如果运行频率减小至0，水温值依然小于目标温度的要求，则使当前这台变频器停机，减小功耗，同时在当前剩下运行的变频器中选择一台频率最大的变频器继续减小运行频率。同样地，如果某个变频器的运行频率在逐渐增大以降低冷却水的温度时，若运行频率增大至工频的50Hz时，水温值依然大于目标温度的要求，则重新选择此时的运行频率最低的变频器执行增大运行频率的操作。由此可见，本方案依据的准则是，在需要降低运行频率时从运行频率最高的变频器开始降低，需要增大运行频率时从运行频率最低的变频器开始增大，如此能够保证各变频器不会长时间工作在最高频率，或最低频率，使得各变频器的运行更加均衡，从而提高各变频器的使用寿命。

进一步，如果M台变频器均处于最大运行频率，且温度传感器采集到的水温值大于目标温度的要求，则从系统的N台变频器中启动一台之前未启动的变频器，并对该变频器按照逐渐增大运行频率的方式进行控制；其中该之前未启动的变频器为持续停机时间最长的变频器。

本实施例中，当各变频器均处于最大运行频率状态，但冷却水的水温值依然大于目标温度的要求，则可以新启动一台变频器继续执行降温的要求。需要注意的是，该新启动的变频器为未启动的各变频器中持续停机时间最长的变频器，如此可以保证各变频器的工作时间和停机时间相对均衡，避免频繁使用某一个变频器，进而造成该变频器的使用寿命急剧降低。

此外，在实际应用中，6台冷却风机通常只需要开启2-3台即可满足要求，为了避免实际中只使用固定的某2-3台变频器，造成这2-3台变频器的工作时间过长，影响使用寿命。本实施例中考虑对工作时间较长的变频器进行替换。具体可以通过如下方式实现：

对N台变频器中当前运行的各变频器的持续运行时间以及当前未运行的各变频器的停机时间进行记录；

当存在变频器N

本实施例中，当某一台变频器工作时间过长，达到设定的某一个持续工作时间要求后，可以启动一台停机时间最长的变频器，通过让该新启动的变频器依次增大运行频率，让原工作时间较长的变频器依次降低运行频率来实现对该工作时间较长的变频器的替换。如此可以使各变频器的工作时间更加均衡，使得各变频器更加可靠的同时，提高各变频器的使用寿命。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。