基于PLC的氦透平膨脹機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 劍 周芷偉 莊 明 陸小飛 朱志剛

(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理所 合肥 230031)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低溫技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如低溫醫(yī)療、超導(dǎo)領(lǐng)域和空間工程等，由以前的軍事領(lǐng)域已經(jīng)延伸到科研和商用領(lǐng)域。低溫醫(yī)療［1］在國(guó)外已有較大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也逐漸開始應(yīng)用起來(lái)，如冷凍殺傷，利用-160℃至-180℃的低溫來(lái)凍傷病變組織，從而不用切除組織，這個(gè)低溫可以通過(guò)液氮獲得。目前已有利用超導(dǎo)強(qiáng)磁體治療惡性腫瘤的醫(yī)療設(shè)備，超導(dǎo)體需要的溫度達(dá)-269℃，液氮已經(jīng)不能提供此溫度，需用氦來(lái)制冷提供。目前在大電流超導(dǎo)引線中常用的超導(dǎo)材料有 Nb3Sn、NbTi等［2］，其常用的臨界溫度位十幾K，因此需采用液氦來(lái)冷卻。鑒于醫(yī)療和科研發(fā)展的低溫需求，氦制冷機(jī)得以出現(xiàn)和發(fā)展，其中氦透平膨脹機(jī)是其核心降溫部件之一。相比于空分用的透平，氦透平膨脹機(jī)有如下幾點(diǎn)特點(diǎn):(1)體積小，結(jié)構(gòu)精密;(2)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速高，每分鐘可達(dá)幾十萬(wàn)轉(zhuǎn);(3)常采用氣體軸承;(4)價(jià)格昂貴，進(jìn)口一臺(tái)國(guó)外氦透平要幾十萬(wàn)元人民幣。

氦透平膨脹機(jī)國(guó)外發(fā)展的較早，已發(fā)展到商用，目前國(guó)外做的較好的公司有Linde、法國(guó)液化空和ATEKO等。國(guó)內(nèi)氦透平膨脹機(jī)的研究起步較晚，目前有西安交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等離子物理研究所和杭氧科技等在進(jìn)行研究。由于氦透平膨脹機(jī)的特點(diǎn)，超精密的儀器加工技術(shù)和完善的控制方案是氦透平研究的難點(diǎn)，盡管已經(jīng)有公司研制出氦透平，但仍處于試驗(yàn)狀態(tài)，穩(wěn)定性有待驗(yàn)證，同時(shí)缺少完善的控制方案。針對(duì)中科院等離子所研制的500 W/4.5 K氦制冷機(jī)，本文提出了一套基于PLC的氦透平膨脹機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 氦制冷機(jī)與透平流程分析

2.1 氦制冷機(jī)工作流程分析

圖1為一個(gè)典型的氦制冷機(jī)工作流程圖［3］，一般的氦制冷機(jī)至少有兩種模式-制冷模式也液化模式。氦氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，變成高壓(13.6×105Pa)常溫(300 K)氦氣，經(jīng)濾油、吸附、干燥、過(guò)濾后分為兩路，主流路進(jìn)入冷箱中的EX1A換熱器，另一路通過(guò)閥門CV2290作為300K預(yù)冷路。若需要LN2預(yù)冷時(shí)，激活80 K預(yù)冷模式使經(jīng)過(guò)換熱器EX1A的氦氣被冷卻至80 K左右。經(jīng)過(guò)吸附器A2235后又可以分成兩路:主流路和80 K預(yù)冷路，300 K預(yù)冷路與80 K預(yù)冷路共同作用于超導(dǎo)磁體的300—80 K預(yù)冷階段控制溫差的降溫調(diào)節(jié)。

圖1 氦制冷機(jī)工作流程圖Fig.1 Working process chart of helium refrigerator

主流路經(jīng)過(guò)換熱器EX2A降溫后，又分成兩路，即透平路與JT路。透平路氦氣經(jīng)CV2230和兩級(jí)透平T2230和T2250降溫后回到低壓路，與JT回路的回流匯合。JT路經(jīng)過(guò)EX2、EX3和EX4降溫后，可分成兩路，一路是經(jīng)過(guò)CV2271的旁通路，主要用來(lái)降溫過(guò)程加速氦制冷機(jī)本身的降溫，另一路是經(jīng)過(guò)換熱器EX5A、一級(jí)節(jié)流閥CV2270和EX5B低溫氦氣回路，在換熱器EX5B后，若需要給超導(dǎo)磁體降溫，則打開二級(jí)節(jié)流閥CV2275，用以冷卻超導(dǎo)磁體，若需要生產(chǎn)液氦，則打開二級(jí)節(jié)流閥CV2272，節(jié)流后產(chǎn)生液氦，存儲(chǔ)在杜瓦中。經(jīng)杜瓦或超導(dǎo)磁體回來(lái)和氦氣與透平路匯流后，過(guò)換熱器EX4、EX3和EX2給JT路降溫。回氣再經(jīng)過(guò)換熱器EX1回到常溫(300 K)低壓(1.05×105Pa)，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮。通過(guò)不斷循環(huán)，換熱器逐漸降低，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的工況，滿足超導(dǎo)磁體冷卻或生產(chǎn)液氦的液化量。

2.2 透平工作流程分析

氦透平膨脹機(jī)一般采用氣體軸承支持，氣體軸承又可以分為靜壓氣體軸承和動(dòng)壓氣體軸承，其區(qū)別是動(dòng)壓氣體軸承只需要在透平啟動(dòng)和停機(jī)工程中需要提供軸承氣，在正常運(yùn)行時(shí)不需要額外提供軸承氣，而靜壓氣體軸承在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中都需要提供軸承氣。透平的降溫主要是通過(guò)膨脹端來(lái)實(shí)現(xiàn)的，氦透平膨脹端主要由蝸殼、噴嘴、工作葉輪、擴(kuò)壓器4個(gè)部分組成［4］，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，對(duì)于氦透平膨脹機(jī)，工作葉輪大都采用半開式葉輪。

0之前為蝸殼，其作用是將氣流從管道上均勻的分配到噴嘴內(nèi)，并盡可能的減少能量損失。氣體經(jīng)蝸殼后達(dá)到狀態(tài)0，由于能量變化較小，可認(rèn)為仍是進(jìn)口參數(shù)，進(jìn)入噴嘴后達(dá)到狀態(tài)1，此過(guò)程中溫度壓力均降低，速度增加;接著進(jìn)入工作葉輪，對(duì)葉輪做功，對(duì)于沖動(dòng)式葉輪，氣流的速度與密度變化不大，葉輪出口參數(shù)2與入口參數(shù)1基本一致，對(duì)于反作用式葉輪，壓力和溫度均降低，一般流速也會(huì)降低，最后以狀態(tài)2排出葉輪;最后進(jìn)入擴(kuò)壓管，流速降低，壓力升高，最終以狀態(tài)3排出膨脹端，整個(gè)過(guò)程結(jié)束，相對(duì)于入口，出口氦氣的溫度、壓力和焓值均降低。

圖2 透平膨脹端結(jié)構(gòu)圖0.噴嘴入口;1.工作葉輪入口;2.工作葉輪出口;3.擴(kuò)壓器出口Fig.2 Structure diagram of turbine expansion part

透平的制動(dòng)端［4］的作用有兩個(gè):(1)維持透平所需的轉(zhuǎn)速;(2)接受透平膨脹端的功率，輸出相應(yīng)的機(jī)械功。氦氣對(duì)膨脹端工作葉輪做的功通過(guò)轉(zhuǎn)軸傳遞到制動(dòng)端的制動(dòng)風(fēng)機(jī)，制動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)制冷回路中的氦氣做功，將功轉(zhuǎn)化為制動(dòng)回路中氦氣的內(nèi)能，使得其溫度和焓值升高。高溫的氦氣再經(jīng)過(guò)換熱器降溫，最終的熱量由換熱器中的冷卻水帶走。

3 氦透平膨脹機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 控制變量的選取

氦透平膨脹的機(jī)理在很多文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述，這里不再分析，從透平的機(jī)理中可以看出，透平膨脹端涉及的計(jì)算較多，很難保證所有的參數(shù)在最優(yōu)值。如果要選擇出其中的一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)作為控制變量，同時(shí)要克服變工況的難題，很難從中做出選擇。僅從透平的進(jìn)出口參數(shù)來(lái)看，最重要的變化參數(shù)應(yīng)該就是進(jìn)出口的溫度和壓力。如果選擇溫度作為控制變量，唯一的依據(jù)就是維持進(jìn)口或出口在溫度設(shè)計(jì)值附近，然而氦制冷機(jī)的設(shè)計(jì)工況是最終的穩(wěn)定工況，即生產(chǎn)4.5 K液氦或冷卻超導(dǎo)磁體時(shí)的低溫工況，而在制冷機(jī)降溫過(guò)程中，氦氣從常溫降低到4.5 K，這一過(guò)程均是偏工況，持續(xù)的時(shí)間也有較長(zhǎng)，此過(guò)程中如果選擇溫度作為控制變量，顯然不太合適，并且一般的氦制冷機(jī)有液化和制冷模式之分，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定工作工況會(huì)有差異。至于壓力，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力和流量一定時(shí)，各設(shè)備的壓力損失幾乎維持不變，所以透平的進(jìn)出口壓力比較穩(wěn)定，不宜作為控制變量。

從透平的內(nèi)部看，主要的變量有氦氣的流量和轉(zhuǎn)速，氦氣的質(zhì)量流量與透平進(jìn)出口的溫度、壓力等有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，可以用入口閥的控制來(lái)簡(jiǎn)化對(duì)氦氣流量的控制。對(duì)于轉(zhuǎn)速，受膨脹端和制動(dòng)端共同作用的影響，從機(jī)理分析中可知轉(zhuǎn)速對(duì)透平的出口參數(shù)有著重要的影響。流量和轉(zhuǎn)速在制冷機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中都比較重要，即便在變工況中，這兩個(gè)參數(shù)的意義也很重大，因此可以考慮用來(lái)做控制變量。

因此設(shè)計(jì)透平的控制方案，主要是設(shè)計(jì)對(duì)入口閥和透平轉(zhuǎn)速的控制方案，除此之外，還應(yīng)考慮相應(yīng)的透平保護(hù)措施，使得透平安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 轉(zhuǎn)速控制方案設(shè)計(jì)

在可能的條件下，可以從提高透平運(yùn)行效率［4-5］方面來(lái)設(shè)計(jì)透平轉(zhuǎn)速的控制方案，一般在分析透平效率時(shí)，會(huì)用到一個(gè)參數(shù):特性比，其定義為:實(shí)際葉輪外邊緣線速度與透平等熵膨脹下理論速度的比值，即:

透平膨脹機(jī)的特性比與等熵效率的關(guān)系大致如圖3所示。從圖中可以看出特性比是影響透平效率的一個(gè)重要因素。當(dāng)透平進(jìn)出口參數(shù)一定時(shí)，直接反應(yīng)了轉(zhuǎn)速對(duì)透平效率的影響。特性比是一個(gè)綜合性的參數(shù)，是多個(gè)影響因素的綜合反應(yīng)，氦氣與工作葉輪的沖擊損失、摩擦損失、余速損失等都與特性比有很大的關(guān)系。效率達(dá)到最大時(shí)對(duì)于的特性比稱為最佳特性比，透平在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量保持在最佳特性比下，這樣才能最大限度的發(fā)揮透平膨脹機(jī)的制冷能力。

圖3 特性比與透平膨脹機(jī)等熵效率關(guān)系Fig.3 Relations between characteristic ratio and turbine expander isentropic efficiency

根據(jù)最佳轉(zhuǎn)速比可以算出透平的最優(yōu)轉(zhuǎn)速［4］:

根據(jù)能量守恒，氣流的初速度近似為0，在等熵膨脹條件下，近似有:

則透平的理論轉(zhuǎn)速計(jì)算式為:

對(duì)于Δh［6］s0-3，有:

一般情況下透平的入口壓力p0，入口溫度T0，出口壓力p3，是測(cè)量得到的，因此最優(yōu)轉(zhuǎn)速:

式(6)中:SpOpt為最優(yōu)轉(zhuǎn)速，溫度、壓力和焓值的下標(biāo)對(duì)應(yīng)的是圖2中的位置。

通常計(jì)算得到的最優(yōu)轉(zhuǎn)速并不一定是轉(zhuǎn)速設(shè)定值，因?yàn)橥钙桨踩\(yùn)行放在第一位，所以對(duì)轉(zhuǎn)速會(huì)加以限定，因此這里提出種透平轉(zhuǎn)速的修正方法——影響因子［7］，是指在最優(yōu)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，乘以一個(gè)0到1范圍內(nèi)的因子，以修正轉(zhuǎn)速設(shè)定值，即:

式中:Sp為轉(zhuǎn)速設(shè)定值，SpOpt為最優(yōu)轉(zhuǎn)速，F(xiàn)1、F2、F3為轉(zhuǎn)速影響因子。

影響因子的設(shè)定有兩個(gè)作用，一是保護(hù)透平安全運(yùn)行，而是建立透平與制冷機(jī)之間的聯(lián)系。式(6)中，括號(hào)內(nèi)為影響因子，范圍為0—1之間，只有當(dāng)所有影響因子為1時(shí)，透平的轉(zhuǎn)速設(shè)定值才是最優(yōu)轉(zhuǎn)速。影響因子的設(shè)定方法靈活，方便添加與刪減，正常運(yùn)行時(shí)所有的影響因子應(yīng)為1，只有當(dāng)透平偏離正常運(yùn)行參數(shù)時(shí)，影響因子才起作用，即小于1，使得透平轉(zhuǎn)速設(shè)定值減小，以保證透平安全運(yùn)行。下面介紹影響因子兩種典型的設(shè)定方法。

圖4a表示一種影響因素與影響因子的關(guān)系示例，當(dāng)影響因素的值高于S1時(shí)，影響因子呈線性下降，當(dāng)影響因素增大到 S2時(shí)影響因子降到最低Min，這表面影響因子隨著影響因素的增加而線性減小，并且影響因子在［Min，1］范圍內(nèi)。圖4b給出了影響因素與影響因子的另一種關(guān)系示例，影響因子隨著影響因素的增加而線性增加，同時(shí)也表明確定一個(gè)影響因子需要確定3個(gè)參數(shù):Min、S1、S2，這需要根據(jù)實(shí)際情況確定，Min一般為0.8—0.9之間。這兩種影響因子形式的選擇，需根據(jù)參數(shù)的影響來(lái)確定。

圖4 影響因素與影響因子關(guān)系Fig.4 Examples of relation between impact factor and attenuator

3.3 流量控制方案設(shè)計(jì)

透平的制冷量:

式中:Q為制冷量，m為質(zhì)量流量，Δhs0-3為等熵焓降，η為透平的效率。

在透平進(jìn)出口參數(shù)已知的情況下，等熵焓降一定，效率由特性比決定，盡量保持在最大效率，因此制冷量與質(zhì)量流量有直接的關(guān)系。

從透平膨脹端機(jī)理分析［4］中可知:隨著透平入口溫度T0的降低，質(zhì)量流量將增大，設(shè)計(jì)狀況為最終的低溫狀況，所以常溫啟動(dòng)時(shí)的流量小于低溫下的設(shè)計(jì)流量，使得降溫過(guò)程的時(shí)間增加。為減小降溫時(shí)間，透平常溫啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡量增加流量，以增大制冷量?？赏ㄟ^(guò)入口閥來(lái)控制透平的流量。

對(duì)于氦制冷機(jī)中兩個(gè)透平串聯(lián)的情況，入口閥的調(diào)節(jié)會(huì)同時(shí)影響到兩個(gè)透平，因此不適宜用入口閥來(lái)調(diào)節(jié)透平的轉(zhuǎn)速，下面給出一種透平入口閥的控制方式做參考。

采用入口閥開度增量疊加的形式來(lái)通過(guò)調(diào)節(jié)入口閥開度，以控制經(jīng)過(guò)透平的流量和制冷量，表達(dá)式為:

式中:CV0為前一次的入口閥開度值，%;dV為入口閥開度增量，%;CV1為計(jì)算后當(dāng)前的入口閥開度值，%。

式(9)表達(dá)的意思是在入口閥上次開度CV0的基礎(chǔ)上加上閥開度增量dV，得到下一次閥的開度CV1。若dV為正值，則閥開度增加，若dV為負(fù)值，則閥開度減小，若dV為0，則閥開度不變，CV的開度范圍為0—100%。

閥開度增量dV的確定是關(guān)鍵，借助于類似轉(zhuǎn)速控制的方法，利用影響因子來(lái)設(shè)定dV，dV的計(jì)算公式:

式中:Speed為透平實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min;SP為透平轉(zhuǎn)速設(shè)定值，r/min;Fv1、Fv2為分子影響因子;Fs1、Fs2為分母影響影子;M為人工手動(dòng)影響因子。分母影響因子是保護(hù)透平安全運(yùn)行的因子，正常情況下都為1。分子影響因子則是增大透平制冷量的因子，gain為dV的增益因子。這里的影響因子，與轉(zhuǎn)速設(shè)定值中的影響因子的設(shè)定的方式相同。

3.4 方案對(duì)比

本文提出的控制方案核心思想是采用變轉(zhuǎn)速的方法適當(dāng)透平工作在效率最高的狀況下，同時(shí)以入口閥輔助調(diào)節(jié)，盡量增大透平的制冷量。目前仍有采用定轉(zhuǎn)速方法來(lái)控制透平轉(zhuǎn)速的控制方式，下面來(lái)對(duì)比一下這兩種方案在降溫過(guò)程中的效率。

以PBS透平為例，針對(duì)圖1中的氦制冷機(jī)系統(tǒng)，對(duì)300—40 K過(guò)程效率進(jìn)行對(duì)比，盡管對(duì)于不同的透平，特性比與效率曲線不同，但依然可以從定性的角度來(lái)推斷控制方案的優(yōu)劣。這里選取PBS透平特性比與效率關(guān)系曲線中的一段來(lái)擬合，選取曲線中的幾個(gè)點(diǎn)，其值如表1所示。

表1 PBS透平特性比與效率關(guān)系表Table 1 Relations between characteristic ratio and efficiency of PBS turbine

采用多項(xiàng)式擬合函數(shù)來(lái)擬合，一般情況下，采用3階多項(xiàng)式來(lái)擬合就能達(dá)到足夠的精度了。經(jīng)擬合后，得到的表達(dá)式如式(11):

特性比與效率關(guān)系曲線如圖5，圖中“o”表示的是實(shí)際曲線，“*”表示的擬合后的曲線，可以看出擬合的效果比較好。截取的曲線只是PBS效率曲線的一段，因此看起來(lái)與圖3中有些差異。

圖5 透平特性比與效率關(guān)系的實(shí)際曲線和擬合曲線圖Fig.5 Actual curve and fitting curve of relations between characteristic ratio and efficiency

PBS透平的幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。表中T2230是一級(jí)降溫透平，降溫的范圍是300—40 K，假定透平的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)350 000 r/min，每10 K取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，分別計(jì)算定轉(zhuǎn)速和最優(yōu)轉(zhuǎn)速方案的效率，畫出降溫過(guò)程的效率曲線，如圖6所示。

表2 PBS透平幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 2 A few design parameters of PBS turbine

圖6 最優(yōu)轉(zhuǎn)速策略與定轉(zhuǎn)速策略在300 K到40 K的效率曲線圖Fig.6 Efficiency curve from 300 K to 40 K of fitting curve for optimal speed strategy and fixed speed strategy

從圖6中可以看出，在80 K之前，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制策略比定轉(zhuǎn)速控制策略的效率高出10%以上，在80 K之后，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)速策略的效率達(dá)到最大值，而定轉(zhuǎn)速控制策略的效率是慢慢增大的最大效率。當(dāng)透平工作在偏工況下，最優(yōu)轉(zhuǎn)速策略依然可以使透平工作再較高的效率，而定轉(zhuǎn)速法的效率就會(huì)隨工況的偏離而變化較大，可見最優(yōu)轉(zhuǎn)速策略可以適應(yīng)更廣泛的工況。

4 PLC控制程序設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的硬件配置與操作模式

本論文設(shè)計(jì)的氦透平控制系統(tǒng)是中國(guó)科學(xué)院等離子體物理所研制的500 W/4.5 K氦制冷機(jī)控制系統(tǒng)的一部分，這個(gè)控制系統(tǒng)采用的是基于PLC的主從站分布系統(tǒng)，S7-300控制器(DP主站)與分布式I/O系統(tǒng)(DP從站)之間采用PROFIBUS DP總線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)根據(jù)需要可構(gòu)建單用戶或多用戶系統(tǒng)，通過(guò)MPI與控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信(也可采用PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)通訊)。PLC控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門子提供的SIMATIC S7-300 PLC，DP主站采用 CPU315-2DP，下設(shè)5個(gè)由 ET200S IM151-1HF構(gòu)建分布式I/O從站，I/O點(diǎn)位總數(shù)達(dá)200多個(gè)。

根據(jù)氦制冷機(jī)特點(diǎn)和工作流程需求，將控制系統(tǒng)劃分幾個(gè)操作模式，如圖7所示。操作模式可劃分為主模式(上面三層)與子模式(底下一層)，主模式包括壓縮機(jī)模式、冷箱制冷模式、冷箱液化模式、冷箱回溫模式;子模式包括透平模式、LN2預(yù)冷模式、真空系統(tǒng)模式、純化器模式、80 K吸附器模式。只有當(dāng)對(duì)應(yīng)的上層模式被激活時(shí)，對(duì)應(yīng)的下層模式才可激活。透平模式作為一個(gè)單獨(dú)的模式來(lái)設(shè)計(jì)，可見其重要性。

圖7 氦制冷機(jī)控制系統(tǒng)操作模式圖Fig.7 Operation mode of helium refrigerator control system

4.2 透平的信號(hào)與保護(hù)

由于氦的分子量較小、密度小，使得氦透平膨脹機(jī)的膨脹比也小，轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)速的極限值受材料的強(qiáng)度極限限制，而且需要工作在低溫環(huán)境下，所以對(duì)膨脹機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)等要求較高，這使得氦透平膨脹機(jī)價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)精密，并且運(yùn)行工況復(fù)雜，需要檢測(cè)的信號(hào)較多，在運(yùn)行過(guò)程中，控制中涉及的參數(shù)較多，針對(duì)500 W氦制冷機(jī)中兩個(gè)串聯(lián)透平，透平的I/O信號(hào)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

根據(jù)信號(hào)對(duì)透平安全的影響，并且考慮到對(duì)后續(xù)控制方案的設(shè)計(jì)，對(duì)其中的幾個(gè)信號(hào)設(shè)置報(bào)警與保護(hù)。報(bào)警信號(hào)會(huì)提示此值過(guò)高或過(guò)低，需要注意，但不會(huì)觸發(fā)動(dòng)作，保護(hù)信號(hào)不僅會(huì)發(fā)出提示，而且會(huì)觸發(fā)透平緊急停機(jī)。為防止信號(hào)的干擾造成的誤報(bào)警或保護(hù)，對(duì)報(bào)警與保護(hù)設(shè)置了延遲保護(hù)，設(shè)置的報(bào)警與保護(hù)信號(hào)如表4所示。除了設(shè)置保護(hù)與報(bào)警信號(hào)外，還設(shè)計(jì)了透平的緊急停機(jī)模式，以應(yīng)對(duì)緊急情況。

表3 透平的I/O信號(hào)統(tǒng)計(jì)表Table 3 I/O signals statistics of turbines

表4 透平保護(hù)與報(bào)警信號(hào)表Table 4 Protection and alarm list of turbines

4.3 PLC程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在透平運(yùn)行的過(guò)程中，難免會(huì)有干擾信號(hào)或工況發(fā)生突變，這會(huì)對(duì)透平的轉(zhuǎn)速設(shè)定值產(chǎn)生較大的波動(dòng)，不利于透平的安全運(yùn)行，因此需對(duì)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行預(yù)處理，使得透平在受到外界干擾或進(jìn)行手自動(dòng)切換時(shí)，也能使得透平轉(zhuǎn)速穩(wěn)定或緩慢變化，避免出現(xiàn)透平轉(zhuǎn)速突然跳變的現(xiàn)象。預(yù)處理過(guò)程是將透平的當(dāng)前轉(zhuǎn)速以斜坡的方式上升或下降到最終轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。

根據(jù)以上對(duì)透平轉(zhuǎn)速和流量控制的設(shè)計(jì)方案，來(lái)設(shè)計(jì)PLC程序的控制流程，流程圖如圖8所示。

圖8 透平控制系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flow chart of turbine control system

本控制系統(tǒng)主要使用的編程語(yǔ)言是SCL(結(jié)構(gòu)化控制)和CFC(連續(xù)功能圖)。這是由于透平控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，簡(jiǎn)單邏輯的梯形圖語(yǔ)言已經(jīng)不能滿足編程的需求，而SCL包含有與編程語(yǔ)言Pascal和C相類似的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，更適合于處理復(fù)雜的邏輯和大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，CFC語(yǔ)言使得邏輯結(jié)構(gòu)更容易理解?？刂葡到y(tǒng)的復(fù)雜性使得程序也變得復(fù)雜，因此采用模塊化的思想編程，用SCL語(yǔ)言編寫功能塊并封裝，結(jié)合CFC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)功能塊之間的組合。整個(gè)功能實(shí)現(xiàn)放在組織塊OB35里面，表5列出了主要的功能塊。

表5 透平控制系統(tǒng)主要功能塊列表Table 5 List of turbine control system main function block

以上是主要的功能塊列表，其他的功能塊如數(shù)據(jù)量采集與轉(zhuǎn)換塊、閥門手自動(dòng)切換塊、模擬量輸出轉(zhuǎn)化塊等均未列出。

5 結(jié)論

針對(duì)500 W/4.5 K氦制冷機(jī)透平控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)氦制冷機(jī)透平控制系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氦制冷機(jī)的全自動(dòng)運(yùn)行為目的，設(shè)計(jì)了以制動(dòng)閥控制轉(zhuǎn)速為主，入口閥控制流量為輔的控制方案，并完成了相應(yīng)的PLC程序。通過(guò)對(duì)300—40 K降溫過(guò)程中定轉(zhuǎn)速和最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制策略的透平效率的對(duì)比，可以從定性的角度證明本文設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到更好的效率以及具有更廣適用范圍，在偏工況下也能具有較高的效率。

1 趙慶孝，楊鵬飛，常兆華.新型超低溫冷凍醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2009，30(6):57-60.Zhao Qingxiao，Yang Pengfei，Chang Zhaohua.Design and experiment of new ultra-cryoablation system［J］.Journal of Refrigeration，2009，30(6):57-60.

2 梁明，張平祥，盧亞鋒，等.磁體用Nb3Sn超導(dǎo)體研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2006，20(12):1-4.Liang Ming，Zhang Pingxiang，Lu Yafeng，et al.Advances in Nb3Sn Superconductor for Magnet Application［J］.Materials Review，2006，20(12):1-4.

3 楊麗娟，周芷偉，莊明，等.基于PLC的500W氦制冷機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.低溫工程，2014(1):55-61.Yang Lijuan，Zhou Zhiwei，Zhuang Ming，et al.Design of 500W helium refrigerator control system based on PLC［J］.Cryogenics，2014(1):55-61.

4 計(jì)光華.透平膨脹機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

5 劉玉晗，劉寶玉，楊金福，等.高速透平膨脹制冷機(jī)熱力性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2012(1):69-73.Liu Yuhan，Liu Baoyu，Yang Jinfu，et al.Experimental investigation of thermodynamics of high-speed turbo-expander refrigerator［J］.Journal of Refrigeration，2012(1):69-73.

6 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)(第四版)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

7 胡劍，周芷偉，莊明，等.氦透平膨脹機(jī)特性分析及轉(zhuǎn)速控制方法［J］.低溫工程，2014(5):45-51.Hu Jian，Zhou Zhiwei，Zhuang Ming，et al.The analysis of characteristics and control methods of rotational speed for the helium turbine expander［J］.Cryogenics，2014(5):45-51.