過程控制系統(tǒng)溫度控制實驗改進

曾志偉

摘要：在傳統(tǒng)過程控制教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)中，由于采用冷水和熱進行溫度控制實驗，導(dǎo)致所需的時間長，不能在規(guī)定課時內(nèi)完成實驗;如果實驗失敗，不能馬上重新開始實驗，必須要等到水降溫后才可以進行下一次實驗;如果溫度一旦控制不好水可能會汽化，存在極大的安全隱患等問題。針對以上問題，本文開發(fā)設(shè)計一種基于氣液兩相介質(zhì)的換熱工藝流程，以進行溫度控制教學(xué)內(nèi)容的改進。該系統(tǒng)設(shè)計工藝流程時，先將空氣通過熱風(fēng)機加熱至較高溫度，然后在板式換熱器內(nèi)與水進行換熱，由于空氣比熱小，整個溫度控制過程時間大大縮短。同時冷卻水換熱之后吸收的熱量，通過空冷器與液位水罐進行散熱，能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的熱量平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)自循環(huán)。

關(guān)鍵詞：溫度控制實驗改進;空氣與水換熱

Abstract：In the traditional process control teaching and training system，due to the use of cold water and heat for temperature control experiments，it takes a long time to complete the experiment within the prescribed time;if the experiment fails，the experiment cannot be restarted immediately，and it must be waited until The next experiment can only be carried out after the water is cooled down;if the temperature is not well controlled，the water may vaporize，posing great safety hazards and other problems. In view of the above problems，this paper develops and designs a heat exchange process based on gas-liquid two-phase medium to improve the teaching content of temperature control. When designing the process flow of the system，the air is first heated to a higher temperature by a hot air blower，and then the heat is exchanged with water in the plate heat exchanger. Because the specific heat of the air is small，the entire temperature control process time is greatly shortened. At the same time，the heat absorbed by the cooling water after heat exchange is dissipated by the air cooler and the liquid level tank，which can achieve the heat balance of the entire system and realize the self-circulation of the system.

Keywords：temperature control experiment improvement;heat exchange between air and water;

過程控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)非常重要的一門綜合性應(yīng)用學(xué)科，課程內(nèi)容包括控制理論、生產(chǎn)工藝、計算機控制技術(shù)和儀器儀表知識[1-2]。在實際教學(xué)過程中，常以水箱液位系統(tǒng)開展過程控制系統(tǒng)實踐教學(xué)。水箱液位系統(tǒng)具有生產(chǎn)工藝簡單、直觀，涵蓋溫度、流量、液位、壓力等典型過程變量的檢測與變送實訓(xùn)、泵和調(diào)節(jié)閥等典型執(zhí)行機構(gòu)的操作實訓(xùn)、控制系統(tǒng)設(shè)計與實施實訓(xùn)等內(nèi)容。由于過程控制系統(tǒng)需要理論與應(yīng)用結(jié)合緊密且實踐性較強，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中遇到很多的實際困難[3]。其中溫度控制的實踐學(xué)習(xí)一直是難點之一?；谒湟何幌到y(tǒng)的溫控實驗，需要先將冷水加熱成熱水后再與另一路冷水進行換熱，造成實驗時間長。而由于組態(tài)技術(shù)、DCS、PLC等不斷發(fā)展并交叉融合，使得過程控制系統(tǒng)課程內(nèi)容變得寵大而繁雜，學(xué)生陷入“學(xué)時減少”但“內(nèi)容增加、要求更高”的矛盾之中[4]。導(dǎo)致無法在規(guī)定課時內(nèi)完成溫度控制實踐，達不到預(yù)期的實踐教學(xué)效果。所以本文設(shè)計一種改進的過程控制教學(xué)實踐系統(tǒng)，即采用空氣與水換熱的工藝流程進行溫控實驗，先將空氣加熱，然后與冷水在換熱效率較高的板式換熱器內(nèi)進行換熱，可大大減少整個實驗時間，有效的提升溫度控制學(xué)習(xí)效果。

1、過控控制教學(xué)實驗系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計開發(fā)的過程控制教學(xué)實驗系統(tǒng)包括兩部分：過程控制對象和西門子S7-1500PLC控制系統(tǒng)。

過程控制對象配置了水槽、離心泵、電動調(diào)節(jié)閥、水罐、工業(yè)鼓風(fēng)機、變頻器、工業(yè)熱風(fēng)機、板式換熱器、空冷器;流量、溫度、壓力、液位等真實工業(yè)儀表，根據(jù)工藝介質(zhì)及工藝條件有多種類型儀表可供選擇。過程控制對象均采用工業(yè)級的常見檢測變送儀表，如渦街流量計、電磁流量計、差壓變送器、壓力變送器、熱電阻溫度變送器等，并按照儀表設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通過統(tǒng)一的接口單元進行模塊化處理，根據(jù)需要進行儀表選型、完成儀表的安裝與調(diào)試、完成變送器與控制器的信號連接等。儀表變送器與控制器的信號連接方式采用傳統(tǒng)的4～20mA電流信號。

控制系統(tǒng)選用西門子SIMATIC S7-1500 CPU1516-3 PN緊湊型PLC為基礎(chǔ)控制器，其包含4個I/O模塊：1個DI32模塊，該模塊32路數(shù)字量輸入;1個DO32模塊，該模塊32路數(shù)字量輸出;1個AI8模塊，該模塊8路模擬量輸入;1個AO4模塊，該模塊4路模擬量輸出，支持學(xué)生進行控制系統(tǒng)的設(shè)計、參數(shù)整定、投用、監(jiān)控實驗流程等教學(xué)內(nèi)容。

整個實驗系統(tǒng)采用西門子S7-1516作為控制系統(tǒng)，以水罐液位、換熱器換熱流體溫度等為被控對象，可進行過程控制中常見的流量控制、液位控制、溫度控制、壓力控制等實驗。整個裝置由兩部分工藝流程組成：（1）液位控制系統(tǒng);（2）溫度控制系統(tǒng)。本文主要介紹溫度控制系統(tǒng)部分。

本實驗系統(tǒng)具有以下特點：

（1）對象抽提自真實工業(yè)環(huán)節(jié)。實訓(xùn)對象流程是以真實工業(yè)換熱環(huán)節(jié)為背景，模擬醫(yī)藥、食品、化工、智能樓宇、發(fā)動機、空調(diào)等換熱系統(tǒng)，涵蓋溫度、流量、壓力、液位等工業(yè)過程控制參數(shù)，溫控實驗環(huán)節(jié)采用空氣為介質(zhì)進行加熱，有效解決了傳統(tǒng)溫控實驗以水為介質(zhì)所引起的安全和實驗復(fù)用性低的問題。

（2）高端工業(yè)儀表。實訓(xùn)系統(tǒng)采用氣液兩相測量介質(zhì)設(shè)計，更貼近真實工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，讓學(xué)生可以了解不同相態(tài)介質(zhì)的測量原理以及了解不同儀表的工業(yè)應(yīng)用場景。配置SIEMENS、E+H等高端儀表，提高了實驗環(huán)節(jié)中儀表的可靠度，也可以訓(xùn)練學(xué)生關(guān)于儀表的選型、安裝、調(diào)試、通訊等工程應(yīng)用能力。

（3）真實控制系統(tǒng)。實驗平臺選用SIEMENS 1500 PLC作為基礎(chǔ)控制系統(tǒng)，配置全集成自動化軟件TIA portal，可以訓(xùn)練學(xué)生進行連續(xù)控制系統(tǒng)實訓(xùn)項目，包括基礎(chǔ)控制以及串級控制等復(fù)雜控制，提高學(xué)生的控制邏輯設(shè)計能力和實施能力。

（4）安全環(huán)保、易于使用、維護。工藝流程設(shè)計有效的降低了發(fā)生安全事故的概率，保證了教學(xué)過程、使用過程的安全;同時實現(xiàn)了物料的自循環(huán)，便于實驗、便于維護。

2、溫度控制系統(tǒng)工藝流程設(shè)計

空氣經(jīng)鼓風(fēng)機K201升壓后進入電阻絲加熱器AH101進行加熱，溫度升高至實驗設(shè)定溫度后，進入換熱器E101與冷水完成熱交換后，空氣溫度降低至實驗?zāi)繕?biāo)后排入大氣。冷水經(jīng)離心泵P101從水槽V101抽出，進入板式換熱器E102與熱空氣熱交換之后，溫度升高，繼續(xù)進入空冷器A101進行一定程度的降溫后回到水槽V101。以空氣管程出口溫度TIC202為被控對象，以冷卻水入口閥FV101為執(zhí)行機構(gòu)，構(gòu)建溫度單回路控制系統(tǒng)，也可以構(gòu)建溫度串級控制系統(tǒng)。

對溫度控制系統(tǒng)施加外部干擾：改變熱空氣流量等，可對控制系統(tǒng)進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)、控制性能測試等實訓(xùn)項目。溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖1-1所示：

3、溫度控制系統(tǒng)主要儀表設(shè)備介紹

3.1、主要設(shè)備說明

1）鼓風(fēng)機：裝置中風(fēng)路輸送設(shè)備選用工業(yè)高壓鼓風(fēng)機，最大出口風(fēng)壓為30KPa，380V三相供電，鼓風(fēng)機的電機頻率由西門子變頻器V20控制。

2）熱風(fēng)機：裝置風(fēng)路加熱裝置選用熱風(fēng)機，采用220V電阻絲加熱方式，電阻絲通電后產(chǎn)生的熱量與通過的冷空氣進行熱交換，將空氣加熱到指定溫度，該加熱過程可由熱風(fēng)機自帶的溫控表完成，亦可由PLC控制系統(tǒng)完成。

3）板式換熱器：裝置中換熱器選用板式換熱器，為冷水和熱空氣提供換熱場所。它具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應(yīng)用廣泛、使用壽命長等特點，熱回收率可高達90%以上。

4）離心泵：裝置中水路輸送設(shè)備采用工業(yè)離心泵，可用于進行離心泵的相關(guān)操作使用實訓(xùn)。

3.2、主要儀表說明：

溫度控制系統(tǒng)中儀表傳輸信號均采用4～20mA.DC

1）電磁流量計：用于測量冷卻水流量。

2）渦街流量計：用于測量空氣流量。

3）熱電阻溫度計：共有四個測量點，板式換熱器冷卻水入口、板式換熱器冷卻水出口、板式換熱器空氣入口、板式換熱器空氣出口;熱電阻溫度計通過變送器將熱電阻信號轉(zhuǎn)換為4-20mA電流信號。

4）電動調(diào)節(jié)閥：接收4-20mA電流輸出信號，用于調(diào)節(jié)進入板式換熱器的冷卻水流量。

4、實驗驗證

本實驗系統(tǒng)的被控變量為風(fēng)路板式換熱器出口溫度TI202（單位℃）。溫度對象的特點是時間常數(shù)較大，有滯后現(xiàn)象。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下無靜差，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID。風(fēng)路冷卻單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示：

TIC202溫度控制系統(tǒng)參考PID參數(shù)設(shè)定如下P=-0.01，I=10000，D=0.05，溫度設(shè)定值SP為30℃，冷卻溫度控制曲線如圖1-3所示：

由圖可知：在10分鐘內(nèi)，溫度可由70度降至設(shè)定值30度，并保持恒定。

5、結(jié)束語

針對傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)中溫度控制實驗教學(xué)難的問題，本文通過設(shè)計水和空氣換熱的工藝流程，使得整個溫度控制實驗的時間大大縮短，從而允許學(xué)生在規(guī)定的課時內(nèi)進行溫度控制的實訓(xùn)，從而掌握相應(yīng)理論知識。

參考文獻：

[1]俞金壽，蔣慰孫. 過程控制工程[ M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]李敏，鄒濤，楊馬英，等.過程控制系統(tǒng)綜合性實驗設(shè)計與教學(xué)實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2012，28（6）：100-104

[3]黃宜慶.《過程控制系統(tǒng)》課程教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)的改革與創(chuàng)新探索.《科技視界》2014年第05期

[4]趙黎明，張冰.過程控制系統(tǒng)課程的教學(xué)改革.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017，39（6）