熱交換器性能測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

熱交換器被廣泛地應(yīng)用于石化、電力等工業(yè)領(lǐng)域，在生產(chǎn)中起著不可替代的作用。然而目前熱交換器在能耗方面的損失嚴(yán)重，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。隨著能源危機(jī)的日益加劇，以及環(huán)保因素的影響，熱交換器性能與能效測(cè)試的研究就顯的越來(lái)越重要[1]。在此，主要針對(duì)熱交換器性能與能效的測(cè)試要求，利用網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess與APAX5620，設(shè)計(jì)了熱交換器性能測(cè)試平臺(tái)的控制系統(tǒng)[2-3]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，以測(cè)定熱交換器性能與能效。

1 控制系統(tǒng)的功能與組成

以工業(yè)生產(chǎn)中常用的間壁式熱交換器為代表，熱交換器兩側(cè)流通不同屬性的工藝介質(zhì)，通過(guò)2種介質(zhì)的溫差傳遞熱量。為測(cè)定其換熱效率及能效，可根據(jù)需要選擇水-水換熱模式、汽-水換熱模式和油-水換熱模式。

1.1 控制系統(tǒng)的功能

控制系統(tǒng)的功能如圖1所示。在選定某種換熱模式之后，控制系統(tǒng)將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)以下操作：根據(jù)所選擇的換熱模式通斷特定的閥門，實(shí)現(xiàn)工藝介質(zhì)的切換；根據(jù)操作員輸入的試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)回路閥門的開(kāi)度、設(shè)備的功率等，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)參數(shù)精確控制；采集、顯示并記錄各關(guān)鍵工藝參數(shù)，動(dòng)態(tài)分析被測(cè)試驗(yàn)件參數(shù)指標(biāo)并形成報(bào)表輸出；實(shí)時(shí)進(jìn)行異常報(bào)警以及故障診斷等。

圖1 控制系統(tǒng)功能

1.2 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)按其自下而上的邏輯順序分為3層，如圖2所示，分別為現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層、控制層和管理層。

圖2 控制系統(tǒng)邏輯層

現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量單元、執(zhí)行單元等，執(zhí)行過(guò)程信號(hào)采集、閥門通斷調(diào)節(jié)等?？刂茖影≒AC硬件設(shè)備和控制程序，負(fù)責(zé)平臺(tái)的邏輯運(yùn)行控制。管理層采用PC機(jī)+組態(tài)軟件WebAccess的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、平臺(tái)運(yùn)行畫面模擬、動(dòng)態(tài)顯示與存儲(chǔ)、報(bào)警與診斷等。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

執(zhí)行層硬件由檢測(cè)儀表(溫度、壓力和流量等變送器)和執(zhí)行元件(調(diào)節(jié)閥等)組成。執(zhí)行層硬件輸入/輸出信號(hào)可分為2類，所有連續(xù)變化的信號(hào)，如用于測(cè)量工藝介質(zhì)的溫度、壓力、流量的變送器信號(hào)，以及調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制與反饋信號(hào)等均為模擬量信號(hào)；閥門的通斷、水泵的啟停等均為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。由于電流信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)、簡(jiǎn)單易用等優(yōu)點(diǎn)，模擬量信號(hào)統(tǒng)一以4～20 mA電流信號(hào)表示[4]。

控制層硬件采集現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程量信號(hào)并運(yùn)行熱工測(cè)試平臺(tái)的邏輯控制程序。其核心控制器采用APAX5620 PAC，內(nèi)置工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊可用于開(kāi)發(fā)與通信功能；對(duì)應(yīng)的4～20 mA模擬量輸入模塊為APAX5017，模擬量輸出模塊為APAX5028；開(kāi)關(guān)量信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入/輸出模塊為APAX5045[5-7]。

管理層硬件是指PC控制臺(tái)，安裝網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess。

控制系統(tǒng)各層硬件之間的通信方式如圖3所示，主要包括2個(gè)部分：設(shè)備層與控制層采用模擬信號(hào)通信，控制層與管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)Modbus/TCP通信[8]。

圖3 控制系統(tǒng)各層硬件之間的通信方式

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制層軟件設(shè)計(jì)

控制層軟件即平臺(tái)運(yùn)行的邏輯控制軟件運(yùn)行于APAX5620 PAC硬件平臺(tái)上，流程如圖4所示，負(fù)責(zé)以下過(guò)程：

圖4 控制層軟件流程

a.現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量及模擬量信號(hào)的采集。

b.與管理層通信，交換現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程量數(shù)據(jù)及管理層控制指令。一方面，APAX5620通過(guò)Modbus/TCP上傳工藝介質(zhì)的實(shí)時(shí)參數(shù)到管理層組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面，獲取管理層下發(fā)的控制指令，并更新指令參數(shù)緩存器。

c.溫度、壓力、流量的閉環(huán)控制，根據(jù)管理層下發(fā)的控制指令，調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度、加熱器的功率等來(lái)滿足各種試驗(yàn)?zāi)Ｊ较聦?duì)介質(zhì)流量、溫度的調(diào)節(jié)要求。以流量控制為例，控制策略如圖5所示。本系統(tǒng)閉環(huán)控制利用PID控制器實(shí)現(xiàn)，采用APAX5620控制器指令集中的PID功能塊。

圖5 流量控制策略

d.可靠性監(jiān)測(cè)，包括設(shè)備故障檢測(cè)、系統(tǒng)超溫超壓緊急停車等。

3.2 管理層軟件設(shè)計(jì)

管理層軟件運(yùn)行于PC控制臺(tái)，以組態(tài)軟件WebAccess為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了控制系統(tǒng)管理層軟件，主要構(gòu)成如下所述。

a.熱力平衡算法程序，根據(jù)控制層軟件采集到的現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程量數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力平衡計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出熱交換器的換熱效率與能效。

b.平臺(tái)運(yùn)行畫面模擬，包括主畫面、參數(shù)輸入畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面、歷史趨勢(shì)畫面和故障報(bào)警畫面等。

主畫面如圖6所示，用于模擬測(cè)試平臺(tái)的工藝流程，監(jiān)控并顯示測(cè)試平臺(tái)的運(yùn)行情況，包括系統(tǒng)運(yùn)行模式，換熱模式，被測(cè)試驗(yàn)件兩側(cè)工藝介質(zhì)的流量、溫度、壓力，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度以及泵的啟停狀態(tài)等。

圖6 管理層軟件主畫面

參數(shù)輸入畫面：用于試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇，包括手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行模式的切換，水-水換熱模式、汽-水換熱模式和油-水換熱模式的切換；工藝參數(shù)目標(biāo)值的輸入，如溫度、流量等參數(shù)；控制參數(shù)的調(diào)試，包括比例系數(shù)P、積分時(shí)間常數(shù)I、微分時(shí)間常數(shù)D和誤差死區(qū)等。

實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面與歷史趨勢(shì)畫面：用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果、繪制動(dòng)態(tài)曲線；記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀況、處理歸檔，操作人員可及時(shí)方便地查看、了解系統(tǒng)實(shí)時(shí)和歷史運(yùn)行情況，為操作人員發(fā)現(xiàn)故障、查找和分析事故原理提供可靠的依據(jù)。

報(bào)警畫面：用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)發(fā)生的異常情況，有報(bào)警分組、報(bào)警確認(rèn)等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess與研華APAX5620 PAC控制器，搭建了熱交換器性能測(cè)試平臺(tái)的控制系統(tǒng)。能夠方便地實(shí)現(xiàn)換熱模式的切換，工藝參數(shù)自動(dòng)精確調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)采集與保存，熱交換器效率與能效自動(dòng)分析等功能，大大地提高了試驗(yàn)工作效率；具有操作方便、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際工作運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性與控制系統(tǒng)的可靠性。

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