基于工業(yè)空調(diào)的儀表測(cè)量與過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱名強(qiáng)，孫 旋，李海俠

（桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)人才的要求越來越高，高校作為培養(yǎng)自動(dòng)化高級(jí)人才的基地，在提高教育教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量上，應(yīng)該不斷地進(jìn)行改革創(chuàng)新，使培養(yǎng)的自動(dòng)化專業(yè)人才更容易適應(yīng)企業(yè)崗位要求，滿足社會(huì)對(duì)高級(jí)自動(dòng)化人才的需求。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于工業(yè)空調(diào)的儀表測(cè)量與過程控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)緊密結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)溫度、壓力等過程變量能實(shí)時(shí)控制，并可以結(jié)合智能控制理論與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對(duì)被控量實(shí)現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)能滿足高校自動(dòng)化類專業(yè)的儀表測(cè)量與過程控制類實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究需要。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，由實(shí)驗(yàn)對(duì)象、儀表測(cè)量系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)對(duì)象及控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

圖2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及控制系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為工業(yè)空調(diào)，由多節(jié)方形風(fēng)箱、進(jìn)風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)管路、冷卻器、電加熱器、出風(fēng)管路等組成，還有相應(yīng)的輔助設(shè)備，如：冷凍（卻）水箱、水泵、冷凍水調(diào)節(jié)閥、水管路等。工業(yè)空調(diào)應(yīng)用廣泛，為學(xué)生所熟悉，其工作原理為：外界新風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入空調(diào)本體，先經(jīng)冷卻器冷卻，使風(fēng)的溫度保持一定，然后經(jīng)過電加熱器的加熱，使得出風(fēng)的壓力、溫度和濕度達(dá)到工藝要求。

儀表測(cè)量系統(tǒng)主要是檢測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量?jī)x表安裝位置分現(xiàn)場(chǎng)安裝與控制柜安裝。測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝儀表的作用與選擇為：PI1用于測(cè)量送往冷卻器的冷凍水壓力大小，儀表采用量程為0～0.6 Mpa的普通彈簧管壓力表；PI2和PI3分別測(cè)量空調(diào)的進(jìn)風(fēng)壓力、出風(fēng)壓力的大小，儀表采用量程為0～0.6 Mpa的膜盒壓力表；TI1用于測(cè)量送往冷卻器的冷凍水溫度，儀表采用量程為0～50℃的雙金屬溫度計(jì)；QI用于測(cè)量送往冷卻器的冷凍水量，儀表采用普通水表，可對(duì)冷凍水量進(jìn)行累計(jì)；LIA用于水箱液位檢測(cè)與報(bào)警，儀表采用液位控制器?？刂乒癜惭b的儀表作用與選擇為：MI1和TI2是一整套溫濕度傳感及測(cè)量?jī)x表，用于測(cè)量空調(diào)器的出風(fēng)溫度和出風(fēng)相對(duì)濕度，其中MI1用于相對(duì)濕度的測(cè)量，量程為0～100%，TI2用于溫度的測(cè)量， 量程為 0～150℃；QIJ用于測(cè)量送往冷卻器的冷凍水量，采用渦輪流量傳感器+渦輪流量變送器+智能流量計(jì)算控制儀的組合儀表，既能對(duì)冷凍水量的瞬時(shí)值進(jìn)行顯示，也可對(duì)冷凍水量進(jìn)行累計(jì)。

儀表控制系統(tǒng)采用智能調(diào)節(jié)器控制，包括冷風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC1、出風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC2，各系統(tǒng)簡(jiǎn)述如下：

冷風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC1原理圖如圖3所示，由溫度傳感器（Pt100熱電阻）檢測(cè)空調(diào)的冷風(fēng)溫度變化并輸出測(cè)量信號(hào)y（t）送至溫度調(diào)節(jié)器，在溫度調(diào)節(jié)器內(nèi)測(cè)量信號(hào) y（t）與設(shè)定值 x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號(hào) e（t），然后經(jīng)PID運(yùn)算后輸出4～20 mA信號(hào)送給執(zhí)行器 （電動(dòng)調(diào)節(jié)閥），改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度使調(diào)節(jié)介質(zhì)（冷凍水量）發(fā)生變化。調(diào)節(jié)介質(zhì)（冷凍水量）變化使冷卻器的散熱能力發(fā)生變化，冷風(fēng)溫度隨之發(fā)生變化，最終使空調(diào)器的冷風(fēng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)。

圖3 冷風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC1原理圖

出風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC2的原理圖如圖4所示，由溫度傳感器（K分度熱電偶）檢測(cè)空調(diào)器的出風(fēng)溫度變化并輸出測(cè)量信號(hào)y（t）送至溫度調(diào)節(jié)器，在溫度調(diào)節(jié)器內(nèi)測(cè)量信號(hào) y（t）與設(shè)定值 x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號(hào)e（t），然后經(jīng) PID運(yùn)算后輸出0～10 mA信號(hào)送給執(zhí)行器（可控硅調(diào)壓器）改變輸出電壓的高低，可控硅調(diào)壓器輸出電壓的高低使電加熱器的熱量發(fā)生變化，使出風(fēng)溫度也發(fā)生變化，最終使空調(diào)的出風(fēng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)。

圖4 出風(fēng)溫度控制系統(tǒng)TIC2原理圖

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)用于控制出風(fēng)壓力，由壓力傳感器+變送器組合檢測(cè)空調(diào)的出風(fēng)壓力變化并輸出測(cè)量值為4～20 mA的信號(hào)y（t）送至壓力調(diào)節(jié)器，在壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)測(cè)量值信號(hào)y（t）與設(shè)定值 x（t）比較后產(chǎn)生偏差信號(hào) e（t），然后經(jīng)PID運(yùn)算后輸出4～20 mA信號(hào)送給執(zhí)行器 （變頻器+風(fēng)機(jī)組合），改變變頻器輸出頻率使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，最終使空調(diào)的出風(fēng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)。

圖5 出風(fēng)壓力變頻調(diào)速控制系統(tǒng)PIC原理圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有開放性、綜合性、先進(jìn)性的特點(diǎn)。

（1）開放性：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可由學(xué)生進(jìn)行儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、校驗(yàn)、調(diào)試、運(yùn)行、監(jiān)控、維護(hù)、改造等，在此過程中，學(xué)生可進(jìn)行開放性的學(xué)習(xí)，同時(shí)，能將新的技術(shù)融入系統(tǒng)中。

（2）綜合性：本系統(tǒng)融入了自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)，可進(jìn)行過程測(cè)量與儀表類課程、變頻器技術(shù)、智能控制、組態(tài)軟件應(yīng)用技術(shù)等課程的教學(xué)，不僅能完成不同層次或不同類別的實(shí)驗(yàn)，還能進(jìn)行設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。

（3）先進(jìn)性：本系統(tǒng)運(yùn)用了變頻調(diào)速控制技術(shù)、智能儀器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，這些技術(shù)是現(xiàn)代生產(chǎn)過程中較先進(jìn)的技術(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能

3.1 常用過程參數(shù)的測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可測(cè)量的過程參數(shù)有：溫度（TI1、TI2、TIC1、TIC2）、 壓 力 （PI1、PI2、PIC）、 流 量 （QI、QIJ）、 液 位（LIA）、濕度（MI1）。

3.2 壓力控制

出風(fēng)壓力可由壓力調(diào)節(jié)器與變頻器控制，也可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。通過該系統(tǒng)，可以學(xué)習(xí)變頻器的結(jié)構(gòu)、工作原理、操作、應(yīng)用等知識(shí)，特別是變頻調(diào)速節(jié)能方面的知識(shí)，同時(shí)還可學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)方面的知識(shí)。

3.3 溫度控制

在檢測(cè)與過程控制系統(tǒng)中，溫度的測(cè)量與控制所占的比例很大，應(yīng)用最廣[1]。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)溫度控制TIC1和出風(fēng)溫度控制TIC2。

3.4 儀表的校驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的儀表校驗(yàn)主要有：彈簧管壓力表的校驗(yàn)、數(shù)字顯示儀表的校驗(yàn)（校驗(yàn)熱電偶和熱電阻）、壓力或差壓變送器的校驗(yàn)等。通過本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以學(xué)習(xí)校驗(yàn)的方法、數(shù)據(jù)記錄、處理及檢定結(jié)果等。

3.5 學(xué)習(xí)PID參數(shù)整定

調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可選用簡(jiǎn)單、易操作的經(jīng)驗(yàn)法（用于模擬PID控制）或智能儀表PID整定[2]。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過改變出風(fēng)壓力、出風(fēng)溫度、冷風(fēng)溫度來控制系統(tǒng)的PID設(shè)定值，觀察設(shè)備以及儀表的變化情況，學(xué)習(xí)PID參數(shù)的整定。

3.6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用于出風(fēng)壓力、出風(fēng)溫度、冷風(fēng)溫度的監(jiān)控。組態(tài)王軟件具有良好的開放性，支持與國內(nèi)外常見的PLC、智能模塊、智能儀表、變頻器、板卡等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[3]。通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。

3.7 其他功能

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除上述功能外，還具有其他的功能，如：水箱液位控制、出風(fēng)流量的控制、冷凍水流量控制、分程控制等。

4 系統(tǒng)的創(chuàng)新

（1）本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被控介質(zhì)有氣體和液體，主體被控介質(zhì)是氣體，安全性高，而現(xiàn)在高校用的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被控介質(zhì)大多是水，本系統(tǒng)被控介質(zhì)多樣化。

（2）本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有可拆裝性、改造性、擴(kuò)展性、開放性強(qiáng)，能更好地融入過程控制發(fā)展新技術(shù)，更益于鍛煉學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、現(xiàn)場(chǎng)解決實(shí)際問題的能力。

（3）本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以工業(yè)空調(diào)為載體，因?yàn)楣I(yè)空調(diào)應(yīng)用廣泛，為學(xué)生所熟悉，這樣，更容易激起學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情與興趣。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)空調(diào)的儀表測(cè)量與過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)緊密結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過程，實(shí)踐性、技術(shù)性和實(shí)用性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，主要適用于高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究，有利于提高教育教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高學(xué)生專業(yè)技能，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力、方法能力、可持續(xù)發(fā)展能力、創(chuàng)新能力和解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題的能力。本系統(tǒng)具有開放性、綜合性、先進(jìn)性等特點(diǎn)，使培養(yǎng)的自動(dòng)化專業(yè)人才更容易適應(yīng)企業(yè)崗位要求。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還需要不斷地改進(jìn)和完善。

[1]范崢，徐海剛.檢測(cè)與儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]黃永杰，盧勇威，高宇.檢測(cè)與過程控制技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[3]郭劍花，王鎖庭.過程測(cè)量及儀表[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.